混合动力汽车用新型无级变速传动系统的研究

２００８年４月农业机械学报第３９卷第４期混合动力汽车用新型无级变速传动系统的研究周云山苏建业刘金刚邹乃威【摘要】在分析现有行星齿轮机构无级变速方案的基础上，提出了一种新型无级变速传动（犆犞犜）系统。该系统具有既变速又变矩、速比变化范围大等特点，能有效降低对电动机功率的需求且适合轻、中、重各类混合动力汽车（犎犈犞）应用。阐述了该系统的组成和工作原理，分析了其速比无级变化的实现条件，并揭示了调速电动机传递功率的变化规律。关键词：混合动力汽车无级变速传动行星齿轮电动机中图分类号：犝４６９７文献标识码：犃收稿日期：２００７０７０９湖南省科技发展重点项目（项目编号：０５犌犓２００７）和湖南大学“９８５”工程二期资助项目周云山湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室教授博士生导师，４１００８２长沙市苏建业湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室硕士生刘金刚湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室博士生邹乃威吉林大学汽车工程学院博士生，１３００２５长春市引言未来２０年内，混合动力汽车（犎犈犞）有可能成为传统内燃机汽车的替代者［１］。由于无级变速传动（犆犞犜）能够连续改变速比，使得汽车在任意工况下，都可以按照驾驶员的操作意图，实现发动机和电动机工作点的最佳匹配（最佳经济性或最佳动力性匹配），从而有效降低排放，提高整车燃油经济性、动力性以及乘坐舒适性。因此，基于无级变速传动的混合动力电动汽车已成为了首选方案［２］。犎犈犞按照能量合成方式不同，可以分为串联式、并联式和混联式３种不同的结构形式［３］。其中，混联式结合了串、并联两式的优点，是其中最优秀的方案［４～５］。在现有的混联式传动方案中，以丰田公司犘犚犐犝犛为代表的两自由度行星齿轮无级传动系统最具优势，但由于其本身固有的性质，存在“变速不变矩”的缺点［６］，且速比变化范围也比较小，影响了汽车的动力性，只适合于载荷及其变化均不大的轻型混合动力轿车，应用范围受到了很大的限制。在这里需要特别指出的是，文献［７］针对现有方案的不足，提出了一种新型多能源动力总成方案，做了很多有意义的工作。为了克服现有方案的缺陷，本文以理论分析和研究为基础，提出一种既能变速又能变矩的行星机构无级变速系统，使之成为既具备速比连续变化范围大的优点，又能有效降低对电动机功率的需求且适合轻、中、重各类型犎犈犞应用的新型无级变速传动系统。１新型犆犞犜系统的组成和工作原理１１系统组成新型行星齿轮机构无级变速传动系统的结构组成示意图，如图１所示。主要包括２组定轴齿轮副（相互啮合的齿轮犣１、中间惰轮犣２和齿轮犣３以及相互啮合的齿轮犣４和犣５）、３个行星排（双行星齿轮排犓１、犓２、单行星齿轮排犓３）、３个离合器（离合器犆１、犆２、犆３）和１个制动器（制动器犅）。此外还包括作为主动力源的发动机、提供辅助动力的电动机２（也有发电功能）、主要用来调速的调速电动机以及蓄电池和逆变器，这部分的组成结构和丰田公司犘犚犐犝犛的动力传动系统类似。图１新型无级变速传动系统组成示意图１２工作原理该系统共有３个工作段位（各个段位离合器和制动器的工作状态，如表１所示），通过调节调速电动机的转速，使输入轴３转速在规定的较窄范围内做正、反向的往复连续无级变化，同时通过控制离合器和制动器的工作状态（接合或分离），从而形成总速比分段的连续无级变化。车辆的倒车行驶是通过调节电动机２实现的。表１离合器和制动器的工作状态段位犆１犆２犆３犅第Ⅰ段接合分离分离接合第Ⅱ段分离接合分离分离第Ⅲ段接合分离接合分离以下阐述其工作过程：记犻犮为调速电动机与发动机转速之比（电动机正转，即与发动机转向相同，则犻犮为正；电动机反转，即与发动机转向相反，则犻犮为负），其变化范围取为－１～１。在离合器犆１、制动器犅接合，离合器犆２、犆３分离的情况下，系统首先工作于第Ⅰ段，犻犮开始从１向－１连续变化，工作段Ⅰ开始把最大的速比、最大的转矩传递到输出轴４。此时，行星排犓２、犓３工作；当犻犮变化到－１时，使离合器犆２接合，离合器犆１、犆３和制动器犅分离，行星机构工作于第Ⅱ段，同时，犻犮开始从－１向１连续变化，工作段Ⅱ开始把次大的速比、次大的转矩传递到输出轴４。此时，行星排犓１工作；当犻犮变化到１时，使离合器犆１和离合器犆３接合，离合器犆２和制动器犅分离，行星机构工作于第Ⅲ段，同时，犻犮开始从１向－１连续变化，工作段Ⅲ开始把较小的速比、较小的转矩传递到输出轴４。此时，行星排犓２、犓３工作。如此，使犻犮反复变化，同时不跳段、无冲击地切换制动器和各离合器的工作状态（接合或分离），就实现了系统总速比分段连续无级的变化。２新型犆犞犜系统速比无级变化的实现２１速比变化特性分析由于该系统在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的工作特性基本相同，速比推导方法类似。因此，这里只对第Ⅰ段进行详细分析。３个行星排均由３个基本构件（太阳轮犛，齿圈犚，行星架犎）及行星轮（犓１、犓２是双行星轮，犓３是单行星轮）组成，其基本构件的转速狀犛、狀犚、狀犎满足关系［８］：对双行星排犓１、犓２有狀犛－犽犻狀犚－（１－犽犻）狀犎＝０（１）对单行星排犓３有狀犛＋犽３狀犚－（１＋犽３）狀犎＝０（２）式中犽犻———行星排数犻（犻＝１，２）的特性参数犽３———行星排犓３的特性参数它们的值均为各对应行星排齿圈与太阳轮的齿数比。系统工作于第Ⅰ段时，行星排犓２、犓３工作，联立式（１）～（２）得，第Ⅰ段时系统的速比犻１＝狀１／狀４为（狀１、狀４分别为输入轴１和输出轴４的转速，第Ⅱ、Ⅲ段时系统的速比犻２、犻３的定义方法与犻１相同）犻１＝犻′（１＋犽３）犽２－（犽２－１）犻′犻犮（３）式中犻′———齿轮犣３与犣１的齿数比同理，可以得到其他各段的速比表达式，如表２所示表２各段的速比表达式段位速比犻犮变化范围第Ⅰ段犻１＝犻′（１＋犽３）犽２－（犽２－１）犻′犻犮１～－１第Ⅱ段犻２＝犻′犽１犽１－１＋犻′犻犮－１～１第Ⅲ段犻３＝犻′犽２－（犽２－１）犻′犻犮１～－１２２行星排特性参数的选择由表２可以看出，各段速比与行星排特性参数值密切相关，在选择特性参数时，本文综合考虑了连续性条件和等比性条件。为了能够平滑无冲击的实现换段，使系统总速比连续无级的变化，首先要满足连续性条件，即当电动机转速达到正向或反向最大值（犻犮＝１或犻犮＝－１）需要换段时，使输出轴（轴４）在相邻两段下的转速相等或转速差等于零。为此，满足连续性条件就要满足以下等式犻１犿犻狀＝犻２犿犪狓犻２犿犻狀＝犻烅烄烆３犿犪狓即犻１（犻犮＝－１）＝犻２（犻犮＝－１）犻２（犻犮＝１）＝犻３（犻犮＝１烅烄烆）（４）式中犻１犿犻狀、犻２犿犻狀———速比犻１、犻２在犻犮变化范围之内的最小值犻２犿犪狓、犻３犿犪狓———速比犻２、犻３在犻犮变化范围之内的最大值参照表２，由式（４）可得特性参数犽１、犽２和犽３的关系为犽３＝２犽１－２犽１犽２－２２－犽１（犻′＝１）（５）此外，为了获得“重载低速变化平缓，轻载高速变化急剧”的具有双曲线特性的调速效果，使电动机在不同段位工作时所分担的功率尽可能均衡，并使系统输出的最大功率为恒定值，输出转矩逐段下降，１８１第４期周云山等：混合动力汽车用新型无级变速传动系统的研究特性参数的选择还应符合各段速比成等比级数的准则，即各段最大速比与最小速比的比值为一定值。也就是说要保证以下等式成立犻１犿犪狓犻１犿犻狀＝犻２犿犪狓犻２犿犻狀＝犻３犿犪狓犻３犿犻狀即犻１（犻犮＝１）犻１（犻犮＝－１）＝犻２（犻犮＝－１）犻２（犻犮＝１）＝犻３（犻犮＝１）犻３（犻犮＝－１）（６）参照表２，由式（６）可得特性参数犽１、犽２的关系为犽２＝１－犽１２－犽１（７）图２系统总速比随犻犮的变化规律由上述分析，结合单个行星排在结构、尺寸及装配方面的约束条件（各行星排特性参数犽取值应在［４／３，４］范围内），本系统取如下参数：设定犽１＝３８５５，由关系式（５）～（７）得犽２＝１５３９１，犽３＝３３１８８。图２为系统总速比随犻犮的变化曲线，从图中可以看出，系统的总速比随段位近似按双曲线规律呈连续无级变化。在上述参数下，总速比的变化区域是４３１９～０４８１２，速比变化犚犫＝４３１９／０４８１２＝８９７５５。可见，本系统提供了较大的速比变化范围，以满足一般车辆的使用要求。３调速电动机承担功率的变化规律新型犆犞犜系统的重要优点之一就是可以通过设置一个较小功率的调速电动机，来实现系统总速比较大范围的无级变化。电动机功率小，可以减少汽车对蓄电池数量的需求，从而降低整车的重量和生产成本。因此，减小电动机承担的功率与发动机输出功率的比值是关键目标之一。根据行星排的基本特性，由式（１）、（２）可得出系统在各段工作时，调速电动机承担的功率与发动机输出功率的比值ε犻（犻＝１，２，３）表达式，如表３所示。表３调速电动机与发动机输出功率比值表达式第Ⅰ段第Ⅱ段第Ⅲ段ε１＝犽２－１犽２犻′犻犮ε２＝１犽１－１犻′犻犮ε３＝犽２－１犽２犻′犻犮图３ε犻随犻犮的变化规律图３为ε犻随犻犮的变化规律曲线，从图中可以看出，系统在各段工作所对应的ε犻的变化曲线完全相同，且最大值为３５％。也就是说，较好地实现了该系统在各段工作时，“电动机分担功率尽可能均衡，尽可能小”的目标。需要指出的是，若适当收窄犻犮的上下限范围，会使调速电动机在更高效的区域中工作，而且可以进一步降低其承担传递的功率。４结束语通过对目前主流行星机构无级变速传动方案的分析，提出了一种犎犈犞用的新型犆犞犜系统，并通过理论分析说明了该系统速比无级变化的实现条件及设计准则，揭示了调速电动机传递功率的变化规律。该新型犆犞犜系统克服了现有方案变速不变矩，速比变化范围小，电动机功率大的缺陷，有利于应用先进的优化控制策略，并对轻、中、重各型犎犈犞没有特殊的限制，可以实现各种工作模式灵活、频繁、可靠的切换，是一个较好的无级传动方案。其实际应用前景还有待实验验证。参考文献１犆犺犪狀犆犆．犜犺犲狊狋犪狋犲狅犳狋犺犲犪狉狋狅犳犲犾犲犮狋狉犻犮犪狀犱犺狔犫狉犻犱狏犲犺犻犮犾犲狊［犑］．犘狉狅犮犲犲犱犻狀犵狊狅犳狋犺犲犐犈犈犈，２００２，９０（２）：２４７～２７５．２钟勇．基于犆犞犜的类菱形混合动力电动汽车系统研究与仿真［犇］．长沙：湖南大学，２００５．３邓元望，王耀南，陈洁平．混合动力驱动系统及其在越野车中的应用［犑］．农业机械学报，２００６，３７（１０）：３８～４１．４钟虎，杨林，张毅，等．混合动力无级变速运行模式的试验研究［犑］．汽车工程，２００５，２７（４）：４３４～４３７．５邱国茂，敖国强，杨林，等．混合动力汽车测试系统设计与应用［犑］．农业机械学报，２００５，３６（９）：１５３～１５６．６犕狌犮犻狀狏犞犎，犛犿犻狋犺犑犈，犆狅狑犪狀犅，犲狋犪犾．犘犪狉犪犿犲狋狉犻犮犿狅犱犲犾犻狀犵犪狀犱犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳犪狆犾犪狀犲狋犪狉狔犵犲犪狉犆犞犜犿犲犮犺犪狀犻狊犿［犑］．犛狅犮犻犲狋狔狅犳犃狌狋狅犿狅狋犻狏犲犈狀犵犻狀犲犲狉狊，１９９４，１０３（３３）：７９２～８０２．７黄向东，张小琴，罗玉涛，等．功率分流双向汇流的新型复合无级变速系统［犑］．华南理工大学学报：自然科学版，２００２，３０（１１）：１０６～１１２．８饶振纲．行星齿轮传动设计［犕］．北京：化学工业出版社，２００３．２８１农业机械学报２００８年