新型混动ECVT变速器的可行性研究

【摘 要】本文主要介绍了应用圆柱齿轮差速器的传动原理，实现混合动力电动无极变速器ECVT用功率分流型动力耦合器的设计，并针对该结构进行详细的技术分析与研究确定其可行性。
【关键词】混合动力汽车、ECVT、圆柱齿轮差速器、功率分流耦合器

前言：

新能源汽车技术近年来发展迅速，技术路线也是百花齐放。但是鉴于各种技术路线的各自优劣与技术瓶颈的制约以及基础设施、制造成本等因素的影响。也使得内燃机凭借其自身的优势在汽车上的应用较长时间内不会消失。但是由于其在能耗、排放等方面无法维持在理想的水平上，使得单存依靠内燃机动力的传统汽车将会彻底消亡。

混合动力技术很好地将内燃机与电机的各自优势进行融合，即有效地改善了传统燃油车的能耗与尾气排放，同时又解决当前纯电动汽车的续航里程、充电时间、电池寿命等问题。混合动力汽车将长期成为市场主流，混合动力化是传统车目前发展的最优选择。

混联式混合动力系统目前已经成为混合动力技术的主流。无论是丰田的THS系统还是通用的AHS系统或者其他构型大都应用行星齿轮机构作为动力耦合装置。来实现电动无极变速功能（Electric Continuously Variable Transmission, ECVT），整车在燃油经济性与动力性方面也实现理想结合。

但是行星齿轮机构的大内齿圈加工困难，精度很难提高，有些构型又增加有制动器、离合器等部件。使得该类型产品存在结构复杂、生产成本高、质量控制难度大等问题。

本文提出利用圆柱齿轮差速器的传动原理设计一种新型圆柱齿轮式功率分流动力耦合装置。即可实现与行星齿轮机构相同的电动无极变速功能又能够解决而上述问题。同时又能突破其他公司专利壁垒。

一.ECVT技术路线研究

混联式混合动力ECVT电动无极变速的核心是以行星齿轮机构作为动力耦合装置，目前市场上主流行星齿轮功率分流动力耦合器有多种，根据行星齿轮结构区分主要有：单排单行星齿轮结构耦合器（THS）、单排双行星齿轮结构耦合器、多排行星齿轮结构耦合器、圆锥齿轮差速耦合器等

1）单排单行星齿轮结构耦合器（THS）：采用行星齿轮NGW结构实现功率分流耦合，因其行星齿轮机构的大内齿圈加工必须采用进口专用设备加工，设备投入大。并且热处理过程中的形变很难通过后续精加工予以修正。导致该结构存在加工难度大、生产成本高、总成精度提高困难等问题。
2）单排双行星齿轮结构耦合器：采用单排双行星齿轮结构（拉维纳行星齿轮结构）实现功率分流耦合，并设计有制动器或离合器等控制执行部件。既存在行星机构大内齿圈的问题，同时结构更加复杂导致生产成本与技术难度高于单排单行星齿轮结构。
3）多排行星机构耦合器：与传统自动变速器（AT）结构类似，其成本与技术难度更高。
4）锥齿轮差速耦合器：

某些方案采用传统汽车锥齿轮差速器（属于2K-H特殊行星齿轮机构）实现功率分流耦合，个人认为虽理论上完全可行。但是受制于锥齿轮差速器结构限制，整车布置难度大。同时锥齿轮一般采用锻造加工，齿轮精度低。即便是提高加工精度，直齿锥齿轮的传动特性也不太适合应用于高速传动。

二.典型ECVT构型丰田THS
众多构型中要属丰田的混合动力系统Toyota Hybrid System(THS)结构最为简单与经典。丰田公司各种产品虽然结构不同以及不断换代发展，但是采用行星齿轮机构最为功率分流耦合器始终是其实现电动无极传动（ECVT）技术的核心。

图-1 丰田P310型混合动力变速器传动示意图



图-2 丰田P610型混合动力变速器传动示意图



丰田THS系统P310及P610上述两种产品结构的主要差异为电动机驱动减速机构不同：P310减速机构为行星齿轮机构，P610减速机构为定轴齿轮传动，其他核心原理基本相同。

单排行星机构耦合器三个自由度的行星架、太阳轮以及大内齿圈分别与发动机、发电机以及整车驱动装置相连。发动机的功率一方面被分流为直接驱动车辆的机械驱动功率。另一方面通过太阳轮驱动发电机将功率分流一部分为电功率，这部分功率或传输给储能装置或通过电动机驱动车辆，从而实现整车机械与电动混合驱动。

三.圆柱齿轮式功率分流耦合器可行性
既然行星齿轮机构以及圆锥齿轮差速器都可以利用其三自由度构件分别于发电机、电动机、发动机相连来实现功率分流，作为混动耦合器使用。那么另外一种具有三自由度的圆柱齿轮差速器也应具有同样的可行性。

3.1单排行星齿轮NGW耦合装置的基本传动原理



安装关系：
太阳轮（1）—连接发电机
齿圈 （2）—驱动车辆
行星架（0）—连接发动机
根据行星轮系啮合原理可知

扭矩关系方程：



转速关系方程：



n1 = 太阳轮转速，n2 = 齿圈转速，n0= 行星架转速
3.2圆柱齿轮差速器作为耦合装置的基本传动原理
将圆柱齿轮差速器调整结构（调整Z1,Z2齿数）后可作为耦合装置使用



图-4 圆柱齿轮耦合器结构示意图

安装关系：
小太阳轮（1）—连接发电机
大太阳轮（2）—驱动车辆
行星架 （0）—连接发动机
转速关系方程：
ω2r2 = ω0r2 - ωbrb
ω1r1 = ω0r1 - ωara
∵ ωara = -ωbrb , (啮合速度相等)
∴ ω1r1 +ω2r2= ω0r1+ ω0r2 ,
i = r2 /r1 =Z2/Z1 → r2= r1×i
ω1r1 +ω2(r1×i) = ω0r1+ω0(r1×i )
ω1 +ω2×i = ω0+ω0×i → ω1+ω2×i= (1+ i ) ω0
ω1 +ω2×i - (1+i ) ω0= 0
→ n1+ i n2 - (1+ i ) n0 = 0 i = Z2/Z1 —（2）
n1 =小太阳轮转速，n2 =大太阳轮，n0=行星架转速
扭矩关系方程：
M1=F1×r1 M1
M2=i ×F1×r1 M2=i×M1
根据能量守恒定律，与转速关系方程



无论是从转速关系方程，还是扭矩关系方程上看，圆柱齿轮差速器与单排行星机构运动属性相同，完全可以进行替代。差别之处在于应用圆柱齿轮差速器的大太阳轮来替代行星齿轮结构的齿圈驱动车辆。传动比参数：

单排行星机构NGW传动比参数：
k=齿圈齿数/太阳轮齿数（P410 ，78/28=2.6）
圆柱齿轮差速器传动比参数：
i=大太阳轮齿数/小太阳轮齿数
（用作差速器时大小太阳轮齿数一致，即i=1，用作耦合器时需适当增大）
由公式（2）可知，已知车速（与齿轮固定速比连接的大太阳轮转速n2），可通过调节发电机转速（小太阳轮转速n1）来确定最佳的发动机工作点转速（行星架n0）；而对于扭矩关系，当固定发动机最佳负荷点工作后，通过发电机、电动机的负荷调节可以满足整车车速以及负荷要求，从而达到电动无极自动变速（ECVT）的功能。由公式（3）可知，输出动力的调节关系为，控制发电机的充电扭矩M1，可确定发动机的扭矩为(1+i)M1,发电机发电贮存的能量通过电动机助力来提供给路面负载的扭矩要求。

3.3圆柱齿轮差速器结构特点



图-5 1902年圆柱齿轮差速器专利说明

圆柱齿轮差速器最早是由美国人Alexander Timothy Brown于1902发明的专利技术。Brown先生摒弃了差速器的锥齿轮采用圆柱齿轮结构，这种差速器结构类似于行星齿轮轮系。但与传统行星轮系结构不同它没有内齿圈，取而代之是双太阳轮传动结构。在两个太阳轮周围，各布置有若干对行星轮，其中一组行星轮与左太阳轮啮合而另一组行星齿轮与右侧太阳轮啮合。两组行星齿轮在与各自太阳轮啮合的同时，行星齿轮也彼此啮合。

圆柱齿轮差速器技术目前也得到更新与发展，虽然结构各不相同但是核心传动原理基本一致。



图-6 Brown和舍弗勒轻量化差速器示意图



图-7 舍弗勒轻量化差速器侧视图



图-8 舍弗勒轻量化差速器



图-9 螺旋圆柱齿轮限滑差速器

正是由于圆柱齿轮差速器无内齿圈，结构与行星轮系相似，传动特性又有与单排行星齿轮一致，使得无论从结构布置上、传动特性还是加工、装配工艺上来看，圆柱齿轮差速器作为功率分流耦合装置是完全可行的。
3.4圆柱齿轮耦合装置的结构设计



图-10 圆柱齿轮式功率分流耦合器示意图

8-大太阳轮，9-长行星轮，10-行星架，11-短行星轮，12-小太阳轮
安装方式：
8-大太阳轮与整车驱动连接；
10-行星架与发动机连接；
12-小太阳轮与发电机连接；
行星架总成参照螺旋限滑动差速器壳体结构，采用分体结构螺栓连接。如需进一步提高加工精度亦可采用配作工艺。

四.ECVT变速器的设计

4.1方案布置



图-11 ECVT变速器结构示意图

1-发动机，2-扭转减震器，4-输出齿轮，5-驱动电机输入齿轮，6-驱动电机，7-传动齿轮，8-大太阳轮，9-长行星轮，10-行星架，11-短行星轮，12-小太阳轮，13-发电机，14-主减速器输入齿轮，15-主减速器输出齿轮。
典型动力传递路线：
1)发动机功率分流路线：



2)电动机纯电驱动路线：



4.2结构设计
图-11布置方案只是众多可能性中的一种，具体结构可以根据整车以及变速器功能实现多种变化。



图-12 ECVT变速器结构简图

传动参数
功率分流耦合器传动比 i=48/28=1.714
驱动电机减速比： 54/21=2.57
耦合器驱动中间传动比： 54/51=1.058
主减速器传动比： 72/19=3.789
轮胎滚动半径:0.308m

五.ECVT 变速器典型理论工况下运行模式说明




1 工况：启动发动机
车辆静止， 大太阳轮转速 n2=0,发电机 MG1 作为电动机带动小太阳轮转速 n1， 启动发动机（行星架）转速 n0
2 工况：热车（发动机怠速）
发动机启动后，车辆未动，大太阳轮转速n2=0,
发动机（行星架）转速n0带动小太阳轮n1/发电机MG1发电为电池组充电。




3工况：纯电动驱动
发动机停机，行星架转速n2=0，MG2电动机驱动整车前进（反向为倒车），MG1发电机反向旋转发电或者空转,随着MG2的转速增加，MG1的转速也会急速增加。因为MG1的转速有个上限，快达到上限的时候，发动机将启动来进行调速干预。这时便存在一个临界速度。
按上述配置参数本例纯电动驱动最高车速可达109.8Km/h



4工况：重载起步/大负荷加速
面对大负荷加速、重载起步等工况MG2的动力不足，MG1发电机正向驱动启动发动机，发动机启动后提升到最大功率点，一部分动力通过大太阳轮驱动整车，另一部分带动MG1发电向MG2供电同时电池组也会向MG2供电。得益于此，此时车辆动力性最强。



5工况：小负荷加速
小负荷时加速时，主要靠MG2的推动车辆。随着
MG2转速提升，当大太阳轮转速n2与行星架（发动机）转速n0相同时，行星齿轮的自转停止，只剩下公转，这时行星架（发动机）通过已经不再自转的行星齿轮，同时推动大太阳轮（驱动车轮）和小太阳轮带动MG1发电，三者速度达到一致。MG1继续向MG2供电多余电量向动力电池充电。发动机处于最佳转速点附近工作。



6工况：匀速行驶（高速巡航）
匀速行驶时车辆只需要克服各种阻力，对动力和扭矩的需求大大降低，油门放松后，发动机机转速下降，大太阳轮（驱动车轮）的转速n2高于行星架（发动机）的转速n0，小太阳轮（MG1）反转。在这里可以使MG1工作在电动机模式，而MG2处于发电模式。



7工况：倒车时启动发动机
倒车时，MG2驱动，如果动力不足，MG1仍然可以启动发动机助力。
8工况：减速能量回收
减速时，发动机关闭，MG1空转。MG2由车轮带动变成发电机吸收车轮的减速能量。并为电池组充电。

六，性能仿真
为说明圆柱齿轮耦合系统的运动特性以ADVISOR平台上的普锐斯整车参数为基础进行仿真。
1，经济性仿真分析
基于NEDC工况整车燃油经济性与原方案一致。
2，扭矩关系仿真
基于NEDC工况，发动机扭矩与发电机扭矩如（图-14）所示，各加速段过程，不足动力由电动机补充，发电机充电扭矩与发动机输出扭矩成正比，符合
1/（1+1.714）=36.8%关系。



3，速度关系仿真
基于NEDC工况，圆柱齿轮差速器三端对应动力源实际转速（图-15）所示，由图所见大太阳轮与工况要求车速比例变化，小太阳轮（发电机）与大太阳轮以及发动机转速符合转速传递关系方程。



七，结束语：
利用圆柱齿轮差速器作为混合动力耦合器，无论从动力传递特性，还是结构布置都与丰田THS系统非常接近，能够实现相同的运动功能与节能效果。但由于其无大内齿轮圈结构，规避了内齿圈加工的行业难题，同时又属于自主创新技术突破了专利束缚。同时应用过程中可通过采用外置水冷电机与飞溅式润滑，进一步降低了制造成本，减小开发风险与验证周期。
鉴于以上几点，可以说应用圆柱齿轮差速器作为耦合器的混动ECVT电动无极混合动力变速器技术上可行的，结构与工艺上是可以实现的。
（由于作者水平有限，错误与不妥之处在所难免，欢迎批评指正。可联系微信445989980）

参考文献
[1]曾小华，王继新.混合动力耦合系统构型与耦合装置分析设计方法2015.11北京理工大学出版社
[2]Harald Naunheimer等著宋进桂，龚宗洋等译.汽车变速器理论基础、选择、设计与应用2014.1机械工业出版社
[3]Thorsten Biermann轻量、紧凑和高效化领先的舍弗勒差速器系统2014.11舍弗勒大中华区汽车技术研讨会2014



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