混聯(lián)式混合動(dòng)力耦合系統(tǒng)構(gòu)型分析(二)

◆文/江蘇 高惠民

高惠民 (本刊編委會(huì)委員)

現(xiàn)任江蘇省常州外汽豐田汽車銷售服務(wù)有限公司技術(shù)總監(jiān)，江蘇技術(shù)師范學(xué)院、常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程運(yùn)用系專家委員，高級(jí)技師。

(接2017年第10期)

(2)凱迪拉克CT6插電式混合動(dòng)力ECVT構(gòu)型

凱迪拉克CT6混動(dòng)系統(tǒng)總功率為335kW，由一臺(tái)輸出功率為198kW的2.0T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)和兩套功率120kW的電機(jī)組成。其百公里加速時(shí)間為5.6s。電池組為18.4kW h的高壓鋰電池。由于是插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)，純電續(xù)航里程60km，純電最高時(shí)速125km。百公里綜合油耗僅2L。凱迪拉克CT6的ECVT構(gòu)型如圖7所示。

圖7 凱迪拉克CT 6混合動(dòng)力ECV T構(gòu)型

從構(gòu)型圖中看出CT6的EVT相比5ET50變速器多了兩個(gè)離合器控制,新增了第三排行星齒輪組，而且第三排行星齒輪組采用的是雙級(jí)行星齒輪結(jié)構(gòu)，以便支持更大的扭矩輸出。其扭矩在低車速區(qū)域最高可達(dá)5 000Nm，這使得CT6的靜止起步加速性能非常優(yōu)異。

三排行星齒輪結(jié)構(gòu)組合如下。

P1齒輪組——太陽輪連接MG 1的輸出，行星架連接P2齒輪組的行星架，齒圈通過扭轉(zhuǎn)減振器連接發(fā)動(dòng)機(jī)輸出，并通過C 5離合器可以將齒圈制動(dòng)。

P2齒輪組——太陽輪連接MG 2的輸出，行星架連接P1齒輪組行星架，還與P 3齒輪組太陽輪相連接，齒圈通過C 4離合器與P 1齒輪組太陽輪連接，并通過C 3離合器可以將齒圈制動(dòng)。

P3齒輪組——是一組雙級(jí)行星齒輪排。太陽輪連接P1、P2行星架，行星架通過C 2離合器與P2齒輪組太陽輪連接，并通過C 1離合器可以將行星架制動(dòng)。齒圈連接齒輪主減速器輸出動(dòng)力。其扭矩是施加在太陽輪和行星架上扭矩的總和。

凱迪拉克CT6的ECVT通過不同離合器控制組合能夠使運(yùn)行模式增加到11種,如表5所示。

表5 凱迪拉克CT 6 ECVT運(yùn)行模式

構(gòu)型中四種純電動(dòng)模式EV 1～EV 4；四種功率分流模式(EVT1和EVT4屬于輸入分流Inpu t Sp lit模式,EVT2和EVT3屬于復(fù)合功率分流Com pound Sp lit模式)；三種固定傳動(dòng)比模式FG 1—FG 3。其中相互存在一定的交疊區(qū)域，如圖8所示。固定傳動(dòng)比模式FG出現(xiàn)在功率分流模式EVT之間，用于不同的功率分流模式間過渡，以進(jìn)一步提高傳動(dòng)效率，降低油耗，同時(shí)還優(yōu)化駕駛樂趣，如圖9所示。

圖8 凱迪拉克CT 6復(fù)合功率模式區(qū)域示意圖

圖9 凱迪拉克CT6混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)各組件輸出速度和功率關(guān)系

三、ECVT構(gòu)型分析

對(duì)于混合動(dòng)力汽車ECVT構(gòu)型，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率將通過兩條路徑傳遞到車輪。一條路徑為機(jī)械路徑，即發(fā)動(dòng)機(jī)的部分功率通過行星齒輪機(jī)構(gòu)直接傳遞到車輪。另一條路徑為電路徑(發(fā)動(dòng)機(jī)—電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)MG 1—電動(dòng)機(jī)MG 2)，MG 1通過行星齒輪機(jī)構(gòu)吸收發(fā)動(dòng)機(jī)部分功率轉(zhuǎn)為發(fā)電，為電機(jī)MG 2提供驅(qū)動(dòng)車輛能量或?yàn)閯?dòng)力蓄電池充電(電池SOC小于下限值時(shí))。不同傳動(dòng)比下二者的功率分配比例不同。由于分配到電路徑的功率存在二次轉(zhuǎn)換時(shí)的功率損失，因此分配到電路徑的功率越少，系統(tǒng)效率越高。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的全部功率都經(jīng)機(jī)械路徑傳遞到車輪時(shí)，系統(tǒng)效率是最高的，這點(diǎn)稱為機(jī)械點(diǎn)(任意一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速等于零)，對(duì)于單模式功率分流型混合動(dòng)力汽車，只存在一個(gè)機(jī)械點(diǎn)，即MG 1轉(zhuǎn)速等于零。而對(duì)于雙模功率分流型混合動(dòng)力汽車，存在兩個(gè)機(jī)械點(diǎn)(兩個(gè)行星齒輪排)或三個(gè)機(jī)械點(diǎn)(三個(gè)行星齒輪排)，相對(duì)增大了系統(tǒng)高效率區(qū)間。

分析ECVT構(gòu)型的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩采用杠桿分析法模型——杠桿圖來分析。杠桿法原本用來分析 AT 變速器中的行星排機(jī)構(gòu)，后來推廣到分析功率分流式 ECVT 構(gòu)型。通過將ECVT構(gòu)型簡圖轉(zhuǎn)換為杠桿圖，從杠桿圖上可以直觀得看出各個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。使用杠桿法不僅分析起來簡單，而且功能比較強(qiáng)大。靜態(tài)時(shí)，杠桿法能分析此時(shí)構(gòu)型的連接情況，所連接各部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系；動(dòng)態(tài)時(shí)，能直觀分析出構(gòu)型單一模式的連續(xù)變化和模式切換情況。由于杠桿法的方便性，因此它成為了在ECVT構(gòu)型設(shè)計(jì)與分析過程中的主要方法。

首先是行星齒輪機(jī)構(gòu)等效杠桿圖的分析。單排行星齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成杠桿的過程如圖10所示，圖10(a) 是單行星輪行星排的轉(zhuǎn)換過程，圖10(b)是雙行星輪行星排的轉(zhuǎn)換過程。其中K為行星齒輪排特性參數(shù)，等于齒圈齒數(shù)與太陽輪齒數(shù)之比。

圖10 單排行星齒輪杠桿圖

其次是轉(zhuǎn)速的分析。把行星齒輪機(jī)構(gòu)上三元件，太陽輪S、齒圈R、行星架PC嚙合點(diǎn)看成3個(gè)支點(diǎn)，其各自的速度、大小和方向可以用如圖11 所示的線段表示出來?？v軸上線段表示行星齒輪排特性參數(shù)比，橫軸線段長度表示轉(zhuǎn)速的大小，可以定義線段在杠桿的右側(cè)為正方向，三條線段的一端總會(huì)在一條直線上。因此只要知道其中兩元件的轉(zhuǎn)速，第三個(gè)的轉(zhuǎn)速就可以通過杠桿圖直觀的看出。

最后是轉(zhuǎn)矩的分析。可以將行星排上三元件的轉(zhuǎn)矩看成如圖12中所示杠桿所受的 3 個(gè)力(大小和方向)。如果將某個(gè)點(diǎn)看成支點(diǎn)，另外兩個(gè)點(diǎn)上有力平衡的關(guān)系，并且這 3 個(gè)力也平衡，相加為零。

圖11 行星齒輪機(jī)構(gòu)杠桿速度示意圖

圖12 行星齒輪機(jī)構(gòu)杠桿扭矩示意圖

兩個(gè)行星排相連的行星機(jī)構(gòu)等效杠桿圖的畫法如圖13所示。機(jī)構(gòu)中相連的元件在杠桿圖中用線段連起來。并對(duì)每個(gè)杠桿進(jìn)行比例縮放，使公共部分的力臂長度相同。

圖13 兩排行星齒輪機(jī)構(gòu)等效杠桿

1.功率輸入分流模式分析

雷克薩斯LS600h采用THS-II系統(tǒng)屬于功率輸入分流模式構(gòu)型(本文中已介紹過構(gòu)型的組成)。通過制動(dòng)器的不同組合狀態(tài)，后排拉維娜行星齒輪機(jī)構(gòu)可以提供1.9和3.9兩種不同傳動(dòng)比，分別適用低速EVT1和高速EVT2兩種工況。

(1)低速工況(大負(fù)荷)

在低速工況下，后排拉維娜行星齒輪組的齒圈R 2被制動(dòng)，其構(gòu)型簡圖和杠桿模型如圖14(a)和14(b)所示。

圖14 LS 60 0h低速模式示意圖

由此可以得到低速輸出的扭矩關(guān)系式:

(2)高速工況(小負(fù)荷)

在高速工況下，后排拉維娜行星齒輪組的小太陽輪S 3被制動(dòng)，齒圈處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，其高速構(gòu)型簡圖和杠桿模型如圖15(a)和15(b)所示。

圖15 LS 60 0h高速模式示意圖

由此可以得到高速輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩關(guān)系式：

式中：

Tout—輸出扭矩；

Te—發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩 ；

TMG 2—MG 2 扭矩 ；

nout—輸出轉(zhuǎn)速；

ne—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；

nMG 1—MG 1轉(zhuǎn)速；

K1、K2、K3—行星齒輪特性參數(shù)；K1=2.29；

K2=2.9；

K 3=3.2。

由于雷克薩斯LS 600h的ECVT構(gòu)型屬于單模型式(功率輸入型)，轉(zhuǎn)速輸出由前排動(dòng)力分配行星齒輪組中連接發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)MG 1的轉(zhuǎn)速耦合所決定，后排拉維娜行星齒輪組只負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG 2的減速增扭作用，所有高、低速模式的轉(zhuǎn)速關(guān)系式應(yīng)是相同。

根據(jù)兩排行星齒輪組特性參數(shù)K1=2.29，K2=2.9，K 3=3.2,通過計(jì)算畫出杠桿圖，如圖16、17所示。

從杠桿圖中可以看出雷克薩斯LS600h的ECVT構(gòu)型，側(cè)重點(diǎn)是在全車速范圍內(nèi)平衡MG 2 增扭效果與轉(zhuǎn)速范圍要求，兩個(gè)傳動(dòng)比擋位各司其職，發(fā)揮最大的局部優(yōu)勢(shì)—低速擋位實(shí)現(xiàn)最大的增扭效果，高速擋位大幅度降低轉(zhuǎn)速范圍。

圖16 LS 600 h低速模式等效杠桿圖

圖17 LS 60 0h高速模式等效杠桿圖