基于杠桿法的混合動力自動變速器設(shè)計研究*

劉晉霞,于魯達，蔚東洋，王 宇

(1.山東科技大學(xué)交通學(xué)院，青島 266590； 2.長城汽車股份有限公司，保定 071000)

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基于杠桿法的混合動力自動變速器設(shè)計研究*

劉晉霞1,于魯達1，蔚東洋2，王 宇1

(1.山東科技大學(xué)交通學(xué)院，青島 266590； 2.長城汽車股份有限公司，保定 071000)

為使混合動力汽車降低油耗，提高動力性和延長續(xù)駛里程，根據(jù)混合動力汽車自動變速器的設(shè)計要求，利用杠桿法原理提出一種3排行星齒輪并聯(lián)混合動力自動變速器。建立5節(jié)點杠桿轉(zhuǎn)速線圖，并進行詳細分析，合理布置動力元件與接合元件，最終使該變速器具備純電驅(qū)動、發(fā)動機驅(qū)動、聯(lián)合驅(qū)動、行車發(fā)電和再生制動5種工作模式，且純電驅(qū)動和發(fā)動機驅(qū)動時，可分別實現(xiàn)4和5個前進擋。對不同工作模式的功率流向進行分析的結(jié)果表明，各工作模式具有較高的傳動效率。

混合動力自動變速器；杠桿法；行星輪系；功率流向

前言

混合動力汽車(HEV)變速器的結(jié)構(gòu)、性能直接影響整車的動力性、經(jīng)濟性等指標(biāo)[1]。由于行星輪系(planet gear train, PGT)具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比范圍大、傳動平穩(wěn)和效率高等優(yōu)點，并且能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的動力合成與分配，因此，在最初的HEV自動變速器中就得到了運用。豐田Prius THS I、II代傳動系統(tǒng)采用單排PGT作為動力合成組件，2009年推出的Prius THS III直接由雙排PGT構(gòu)成混合動力傳動系統(tǒng)[2]。文獻[3]中對雙排PGT混合動力自動變速器構(gòu)型作了深入研究，列出了所有可行的雙排PGT的連接方式和布置形式。然而，在所有連接方式和布置形式中，當(dāng)發(fā)動機或電機單獨驅(qū)動時，只能分別實現(xiàn)最多4或3個前進擋位。采用多個擋位的HEV自動變速器對降低整車油耗、提高HEV動力性和延長續(xù)駛里程具有重要意義。

PGT杠桿法最早于1981年在文獻[4]中提出。文獻[5]中首次將杠桿法引入國內(nèi)，經(jīng)過多年的不斷完善[6-12]，杠桿法已經(jīng)形成一套較為完善的理論。文獻[13]中利用杠桿法對單排PGT連接方式進行優(yōu)化分析，提出了一種加速性能明顯優(yōu)于Prius THS II的配置形式。文獻[14]中設(shè)計了一種混合動力多模變速器，并利用杠桿法對其轉(zhuǎn)矩進行了分析。文獻[15]中運用杠桿法確定了4種基于PGT動力耦合功能和無級變速特性的新型混合動力傳動系統(tǒng)的傳動方案。文獻[16]中對原有杠桿法進行了拓展，并用拓展后的杠桿法對ZF 6速自動變速器進行了傳動分析研究，結(jié)果驗證了新方法的正確性，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種8速自動變速器的方案。

本文中結(jié)合HEV自動變速器的設(shè)計要求，將杠桿法原理融入3排PGT自動變速器的設(shè)計過程，并對各部件連接、輸入點與制動點的選擇、動力源的連接位置及擋位的選取等方面進行了詳盡的分析，在此基礎(chǔ)上提出一種3排并聯(lián)PGT混合動力自動變速器結(jié)構(gòu)，該HEV自動變速器能提供純電驅(qū)動、發(fā)動機驅(qū)動、聯(lián)合驅(qū)動、行車發(fā)電和再生制動5種工作模式，并且在純電驅(qū)動和發(fā)動機驅(qū)動時，可分別提供4和5個前進擋。

1 杠桿法的基本原理

杠桿法是將PGT的旋轉(zhuǎn)運動系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為直線運動系統(tǒng)，并直觀地利用杠桿作用原理對PGT變速器的輸出轉(zhuǎn)速、傳動比關(guān)系等進行分析的一種方法。

1.1 單排PGT的等效杠桿圖

對于單排PGT，杠桿法將其簡化為一個由太陽輪S、行星架PC和齒圈R組成的3支點杠桿，如圖1所示。支點S和支點R距支點PC的長度(力臂)分別與齒圈齒數(shù)ZR和太陽輪齒數(shù)ZS成正比，K為PGT特征參數(shù)。

圖1 單排PGT等效杠桿圖

1.2 PGT變速器等效杠桿圖的轉(zhuǎn)化

PGT變速器由單排或多排PGT加上接合元件(離合器、制動器、單向離合器)組成。圖2(a)所示為某PGT變速器的傳動簡圖，該變速器由PGT1(S1PC1R1)，PGT2(S2PC2R2)，3個離合器(C1，C2，C3)，2個制動器(B1，B2)和1個單向離合器F組成，圖中i為輸入，o為輸出。

圖2 某PGT變速器等效杠桿圖的轉(zhuǎn)化

PGT變速器在轉(zhuǎn)化為等效杠桿圖時，如圖2(b)所示，PGT間相互連接部分合并為一個點，并用一水平線表示連接點，調(diào)整力臂長度，使連接點間的公共長度相等，圖中虛線部分即為圖2(a)中PGT結(jié)構(gòu)的等效杠桿圖，在此基礎(chǔ)上加上接合元件并標(biāo)明輸入和輸出即得PGT變速器整體的等效杠桿圖。

1.3 PGT變速器等效杠桿轉(zhuǎn)速分析

利用等效杠桿圖建立等效杠桿轉(zhuǎn)速線圖，能夠清楚表達自動變速器在各擋位狀態(tài)下，輸出端的轉(zhuǎn)速大小和方向。圖2中自動變速器的等效杠桿轉(zhuǎn)速線圖如圖3所示。圖中：坐標(biāo)系XOY的X表示構(gòu)件轉(zhuǎn)速的方向和大??；設(shè)輸入轉(zhuǎn)速為1，X=1的直線則表示輸入構(gòu)件轉(zhuǎn)速；Y軸代表制動構(gòu)件的0轉(zhuǎn)速；斜線為各擋位轉(zhuǎn)速線；各擋位轉(zhuǎn)速線與過輸出點的長橫線的交點位置代表輸出轉(zhuǎn)速的大小和方向，交點位置與輸出的方向及所處的擋位關(guān)系見表1。例如，轉(zhuǎn)速線①表示S2為輸入點，PC1PC2為制動點，與輸出線交于(0,1)間，則該為減速擋。

圖3 某PGT變速器等效杠桿轉(zhuǎn)速線圖

位置(-∞,0)(0,1)1(1,+∞)方向-+++擋位倒擋減速擋直接擋超速擋

注：輸出與輸入轉(zhuǎn)速同向為+，反向為-。

2 變速器結(jié)構(gòu)形式的確定

2.1 連接方式的確定

3排PGT有3種連接方式：串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)[10]。其中，并聯(lián)機構(gòu)是指每兩個相鄰PGT的3個基本構(gòu)件中任意連接兩個，這種連接方式的傳動機構(gòu)整體上只有兩個自由度，換擋時只需兩個接合元件工作，換擋控制容易，結(jié)構(gòu)尺寸較小，傳動效率高。而串聯(lián)機構(gòu)自由度多，換擋時接合元件工作數(shù)量多，結(jié)構(gòu)尺寸大，傳動效率低?；炻?lián)機構(gòu)在結(jié)構(gòu)上介于串聯(lián)和并聯(lián)之間，自由度通常大于或等于3，換擋時接合元件工作數(shù)量多，使得結(jié)構(gòu)尺寸偏大，傳動效率不高。綜合以上分析，本文中3排PGT混合動力自動變速器選擇并聯(lián)連接方式進行設(shè)計研究。

2.2 輸出點的確定

3排并聯(lián)PGT的杠桿圖為5節(jié)點形式，動力的輸出點可有3種形式，如圖4所示，圖4(a)～圖4(c)的輸出點分別為端點E(或A)、中央點C和中間點B(或D)。

圖4 五節(jié)點杠桿輸出形式

根據(jù)圖4(a)中轉(zhuǎn)速線與輸出點長橫線的交點可知，以端點E(或A)為輸出點的輸出形式?jīng)]有減速擋，不符合變速器的傳動要求；以中央點C作為輸出點的圖4(b)可看出，中央點輸出形式的減速擋間轉(zhuǎn)速變化很小，而從直接擋進入超速擋時，傳動比的跨度又極大，容易造成換擋沖擊；而以中間點B(或D)為輸出點的圖4(c)則說明，該種輸出形式理論上能產(chǎn)生6個減速擋，1個直接擋，3個超速擋和3個倒擋，且傳動比變化較為合理，有多個超速擋來適應(yīng)不同的車速。綜合以上分析，本文3排并聯(lián)PGT混合動力自動變速器選擇以中間點B(或D)作為輸出點。

2.3 各構(gòu)件的連接方案確定

一般地，變速器要求[11-12]應(yīng)至少具有1個倒擋、1個超速擋、1個直接擋和3個減速擋，且速比變化合理；各構(gòu)件轉(zhuǎn)速和相對轉(zhuǎn)速不宜過高，PGT的迂回線不應(yīng)過多，以免造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜；構(gòu)件連接，以相鄰?fù)麡?gòu)件相連為最好，齒圈與行星架相連或太陽輪與行星架相連次之，太陽輪與齒圈相連最差；應(yīng)容易引出制動器；輸出構(gòu)件只能是行星架或與行星架相連的齒圈。

根據(jù)以上要求，在確定PGT為并聯(lián)連接且輸出點為中間點的輸出方式基礎(chǔ)上，本文中提出3排并聯(lián)PGT的各構(gòu)件連接方案，如圖5所示。其中R1不與任何構(gòu)件連接，PC1與S2相連，S1，PC2和S33者相連，R2與R3相連，PC3為輸出。

圖5 3排并聯(lián)PGT的各構(gòu)件連接方案示意圖

2.4 連接方案杠桿圖

根據(jù)杠桿法原理，由圖5確定的3排并聯(lián)PGT連接方案可轉(zhuǎn)變?yōu)閳D6所示的等效杠桿圖。將圖6中PC1與S2，S1與PC2，S3和R2與R3分別合為一個節(jié)點，R1與PC3均為單獨節(jié)點即形成如圖7所示的杠桿轉(zhuǎn)速線圖，圖7中a，b，1和c分別為杠桿力臂長度，且a=K1·ZS1，b=K1·ZR1=K2·ZR2，1=K3·ZR3，c=K3·ZS3，1+c=K2·ZS2。

圖6 連接方案等效杠桿圖

圖7 連接方案杠桿轉(zhuǎn)速線圖

分析圖7中的各轉(zhuǎn)速線，發(fā)現(xiàn)倒擋轉(zhuǎn)速線①和超速擋轉(zhuǎn)速線②均為轉(zhuǎn)速過大的情況，不符合實際應(yīng)用要求，故設(shè)計過程取消轉(zhuǎn)速線①和轉(zhuǎn)速線②。

3 變速器布置形式的確定

3.1 輸入元件的布置分析

HEV自動變速器的輸入元件為發(fā)動機和既能作發(fā)電機又能作電動機的電機。

電機只能與齒圈或太陽輪相連[3]，應(yīng)連接在能夠驅(qū)動車輛起步的構(gòu)件上，而且電機驅(qū)動應(yīng)能實現(xiàn)倒擋。因此，將電機與R1相連，既能驅(qū)動車輛起步，又能實現(xiàn)倒擋。

在城市或其他低速行駛工況下，為降低整車油耗和排放，應(yīng)使變速器盡量工作在純電動驅(qū)動模式下。按前述方案所述電機與R1相連，變速器只能產(chǎn)生1個前進擋，不能滿足不同行駛路段對行車速度的要求。此時增加一電機，并與R3相連，通過改變制動點的位置，可使變速器產(chǎn)生3個前進擋，可滿足在低速行駛工況下對行車速度的要求。

發(fā)動機的連接應(yīng)考慮能夠使變速器實現(xiàn)超速，故將發(fā)動機與S1相連；在發(fā)動機驅(qū)動時，若從減速擋直接轉(zhuǎn)到超速擋傳動比變化范圍過大，需要直接擋作為過渡，同時連接S1和PC1即進入直接擋。若在電量不足的情況下，即電機不能驅(qū)動車輛起步與后退，此時需要發(fā)動機驅(qū)動作為備用起步方案，將發(fā)動機與PC1相連亦能實現(xiàn)車輛的起步和倒退。

綜合以上，輸入元件兩電機分別與R1和R3相連，發(fā)動機通過離合器分別與S1和PC1相連，形成如圖8所示的輸入方式，其中M1為電機1，M2為電機2，E為發(fā)動機。

圖8 輸入元件的布置

3.2 接合元件的布置分析

根據(jù)以上分析，該變速器有R1，R3，S1和PC1共4個輸入點，因此需要采用4個離合器來實現(xiàn)動力的傳遞與分離；除PC3輸出外，R1，PC1，PC2和R3均存在制動情況，因此在這些構(gòu)件上分別布置1個制動器。在等效杠桿圖上接合元件的布置如圖9所示。

圖9 接合元件的布置

3.3 變速器整體布置形式

在確定輸入元件和接合元件布置的基礎(chǔ)上，考慮變速器實際結(jié)構(gòu)布置，接合變速器各構(gòu)件連接方案示意圖，設(shè)計HEV自動變速器的整體布置形式如圖10所示。該HEV自動變速器的布置形式合理且結(jié)構(gòu)緊湊。

圖10 變速器的整體布置形式

4 變速器工作模式分析

4.1 純電驅(qū)動模式

本文中提出的設(shè)計方案中有M1和M2兩個電機，故有2種純電驅(qū)動模式，傳動情況見表2，M1驅(qū)動為正常起步條件下的純電動模式，該模式以R1為輸入，制動R3時驅(qū)動車輛起步，制動PC2時實現(xiàn)車輛倒擋；M2驅(qū)動為低速行駛工況下的純電動模式，該模式以R3為輸入，當(dāng)分別制動PC2，PC1和R1時，可獲得3個減速擋驅(qū)動車輛前進。

表2 純電驅(qū)動模式傳動情況

4.2 發(fā)動機驅(qū)動模式

發(fā)動機驅(qū)動有2種工作模式，其傳動情況見表3。

表3 發(fā)動機驅(qū)動工作模式傳動情況

當(dāng)電池容量低至不足以驅(qū)動車輛起步與倒退時，這時需要發(fā)動機驅(qū)動起步，此時接合C2，以PC1為輸入，制動R3即可驅(qū)動車輛起步，制動PC2則驅(qū)動車輛后退。

當(dāng)純電驅(qū)動滿足不了行駛要求時，則切換至發(fā)動機驅(qū)動模式，此時保持R3制動，分離C1，接合C2，輸入變?yōu)镻C1，即進入發(fā)動機驅(qū)動的減速1擋；繼續(xù)保持R3制動，分離C2，接合C3，輸入變?yōu)镾3，進入減速2擋；不制動R3，接合C2，變速器掛入3擋，即直接擋；分離C2，制動R1，進入4擋，即超速1擋；分離B1，制動PC1，進入5擋，即超速2擋。

4.3 聯(lián)合驅(qū)動模式

當(dāng)車輛處于加速、爬坡、重載等需要大轉(zhuǎn)矩的行駛工況時，需要發(fā)動機和電機的聯(lián)合驅(qū)動。由于電機具有低速大轉(zhuǎn)矩和高速大功率的特性，電機的助力性能可得到充分發(fā)揮。電機在短時間內(nèi)提高車輛動力性的同時，對發(fā)動機的影響較小，所以在聯(lián)合驅(qū)動時，可使發(fā)動機更好地運行在高效工作區(qū)。接合C3和C4，則實現(xiàn)電機和發(fā)動機的聯(lián)合驅(qū)動模式。

4.4 行車發(fā)電模式

當(dāng)電池電量較低或負荷較低時，為保證汽車的正常行駛，并維持發(fā)動機在高效區(qū)域工作，啟用電機以發(fā)電模式工作，為蓄電池充電，實現(xiàn)行車發(fā)電模式，各電機的工作狀態(tài)見表4。

表4 行車發(fā)電模式電機工作狀態(tài)

純電動驅(qū)動時，在減速1擋和2擋時，接合C1，啟用M1作為發(fā)電機，M2的一部分能量分流至M1轉(zhuǎn)化為電能儲存至蓄電池中。

發(fā)動機驅(qū)動時，減速1擋和減速2擋時，接合C1，M1作為發(fā)電機啟用；直接擋時接合C4，M2也作為發(fā)電機啟用；超速1擋時接合C4，僅啟用M2作為發(fā)電機；超速2擋時接合C1再啟用M1作為發(fā)電機。發(fā)動機的一部分能量分流到電機，轉(zhuǎn)化為電能儲存到蓄電池中。

聯(lián)合驅(qū)動時，接合C1啟用M1作為發(fā)電機。一部分能量分流到M1，轉(zhuǎn)化為電能儲存到蓄電池中。

4.5 再生制動模式

在中等制動強度及長下坡制動時，接合C1和C4，且M1與M2啟用為發(fā)電機狀態(tài)，則將制動產(chǎn)生的能量通過電機發(fā)電轉(zhuǎn)化為電能存儲至蓄電池中。

5 變速器傳遞功率流分析

5.1 變速器的拓撲結(jié)構(gòu)

利用拓撲特性[14]將變速器傳動方案簡化為拓撲結(jié)構(gòu)，本文中變速器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖11所示，其中太陽輪S、齒圈R、行星架PC用方框表示，相互連接的構(gòu)件用直線連接。為更直觀清楚地表達傳遞的功率流，后續(xù)功率流的分析將不工作的接合元件和動力元件省略，并用實、虛線箭頭分別表示傳遞功率流與回收功率流。

圖11 HEV自動變速器拓撲結(jié)構(gòu)

5.2 純電驅(qū)動模式

該模式的功率流向如圖12所示，其中圖12(a)和圖12(b)分別為正常起步狀態(tài)的前進擋和倒擋；圖12(c)～圖12(e)分別為低速行駛工況下的減速1，2和3擋。其中圖12(e)局部存在封閉功率回路：PC2→S1→PC1→S2→PC2，而造成循環(huán)功率。由于該循環(huán)功率對傳動效率的影響并不大，而且該擋位傳動比符合傳動要求，故此種工作模式仍具有合理性。

圖12 純電動模式功率流向圖

5.3 發(fā)動機驅(qū)動模式

該模式的功率流向如圖13所示，其中圖13(a)為倒擋，圖13(b)～圖13(f)為前進擋，分別為減速1與2擋、直接擋和超速1與2擋。

圖13 發(fā)動機驅(qū)動功率流向圖

5.4 聯(lián)合驅(qū)動模式

該模式的功率流向如圖14所示，傳遞的功率分兩路傳至PC3匯合輸出，其中一路為M2→R3→PC3，另一路為E→S1→PC2→S3→PC3。功率回收路線亦分兩路傳至R1后流入M1，一路為E→PC1→R1，另一路為M2→R3→R2→PC2→S2→PC1→R1。

圖14 聯(lián)合驅(qū)動功率流向圖

6 結(jié)論

本文中探索了基于杠桿法的HEV自動變速器的設(shè)計方法，經(jīng)驗證，將杠桿法原理應(yīng)用到PGT混合動力自動變速器的設(shè)計過程中具有可行性，對HEV自動變速器性能進一步研究與探索提供了方便。

(1) 提出了基于5節(jié)點杠桿的HEV自動變速器的傳動方案，并分析設(shè)計了動力元件、接合元件和輸出可能的合理布置形式。

(2) 分析設(shè)計的HEV自動變速器具有純電驅(qū)動、發(fā)動機驅(qū)動、聯(lián)合驅(qū)動、行車發(fā)電和再生制動5種工作模式，且純電驅(qū)動和發(fā)動機驅(qū)動分別可實現(xiàn)4和5個前進擋，對降低整車油耗，提高HEV動力性、延長續(xù)駛里程具有重要意義。

(3) 利用拓撲特性對該HEV自動變速器在不同工作模式進行功率流向分析，綜合不同模式下各擋位的傳遞功率流和回收功率流，可知該HEV自動變速器整體具有較高的傳遞效率。

(4) 本文中提出的HEV自動變速器設(shè)計方案中在第一、二排PGT間存在疊套，使變速器實際結(jié)構(gòu)具有一定的復(fù)雜性，可能會使后續(xù)變速器具體結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計不容易控制，并影響到變速器在實際使用過程中的可靠性、維修性。

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Design and Research of Hybrid Electric Vehicle AutomaticTransmission Based on Lever Method

Liu Jinxia1, Yu Luda1, Yu Dongyang2& Wang Yu1

1.CollegeofTransportation,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590；2.GreatWallMotorCompanyLimited,Baoding071000

In order to reduce the fuel consumption, improve the power performance and extend the driving range of hybrid electric vehicle (HEV), an automatic transmission with parallel three-row planet gear train for HEV is proposed by using the principle of lever method and based on the design requirements of HEV automatic transmission. By drawing and analyzing 5-node lever rotational speed diagram and rationally arranging power and engagement elements, the transmission is finally enabled to have five working modes：motor driving, engine driving, compound driving, driving with electricity generation and regenerative braking, in which motor driving and engine driving can have four and five forward gears respectively. The results of power flow analysis in different working modes indicate that all working modes have fairly high efficiency.

HEV automatic transmission; lever method; planet gear train; power flow

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.07.009

于魯達，碩士，E-mail:441265440@qq.com。

*山東省自主創(chuàng)新專項(2013CXB40203)資助。

原稿收到日期為2016年8月8日，修改稿收到日期為2016年11月19日。