多功能油液混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)

馮曉華　陳星昊　陳斌

摘 要：火力發(fā)電占比大污染大，電動(dòng)汽車動(dòng)力元件功率密度小，制動(dòng)能量回收能力小。液壓傳動(dòng)功率密度大，能量轉(zhuǎn)換、蓄能、再生效率高特點(diǎn)，推出具有緩沖離合器、兩級扭矩變化、制動(dòng)能量回收再生功能于一體的行星差動(dòng)齒輪泵（馬達(dá)），以該元件為核心，添加比例變量泵、蓄能器、閥控系統(tǒng)組成無級變速混聯(lián)式油液混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：電能污染；行星差動(dòng)齒輪泵；液壓機(jī)械無級變速；汽車油液混合動(dòng)力；制動(dòng)蓄能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.036

1 前序

本文針對目前我國煤電占總電力比例大，使用電動(dòng)汽車既不節(jié)能又不減排，僅僅轉(zhuǎn)移了污染。油電混合動(dòng)力汽車又存在電磁動(dòng)力元件功率密度低，制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換和回收能力小、儲存效率低、節(jié)能效果不明顯的缺陷，介紹一種具有緩沖離合器、兩級扭矩變化、制動(dòng)能量回收再生功能于一體的行星差動(dòng)齒輪泵（馬達(dá)），以該元件為核心，添加比例變量泵、蓄能器、閥控系統(tǒng)，組成無級變速、功率分流（混聯(lián)式）油液混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有液壓傳動(dòng)功率密度大，能量轉(zhuǎn)換、蓄能、再生效率高的優(yōu)點(diǎn)，是目前汽車提高動(dòng)力性能和節(jié)能減排最有效的方案。

2 汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能途徑

汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能途徑有兩個(gè)，一是讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作在萬有特性圖所表述的高效區(qū)附近，二是將制動(dòng)動(dòng)能回收，在起動(dòng)和加速時(shí)再生為驅(qū)動(dòng)力。從發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性圖可以看出，現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)高效工作區(qū)在最大扭矩的70-90%且轉(zhuǎn)速在2500-3300r/min的封閉區(qū)域內(nèi)，而現(xiàn)有單一動(dòng)力形式的汽車，為了具備更好加速動(dòng)力性能，都將發(fā)動(dòng)機(jī)功率高配，其結(jié)果是發(fā)動(dòng)機(jī)長期工作在低速低輸出扭矩狀態(tài)，遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)的高效工作區(qū)，平均效率只有最高效率的60%-80%。如果把發(fā)動(dòng)機(jī)的功率減小到略高于勻速運(yùn)動(dòng)所需的功率，加速動(dòng)力由另一套動(dòng)力裝置迭加提供，讓發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間工作在高效區(qū)，這樣可降低油耗20-30%。

3 汽車混合動(dòng)力方案

從目前技術(shù)應(yīng)用來看，汽車混合動(dòng)力方案主要有兩種：油電混合、油液混合。

油電混合方案，其節(jié)能原理主要是減小發(fā)動(dòng)機(jī)排量，使發(fā)動(dòng)機(jī)在更多的時(shí)間工作在萬有特性圖所表述的高效區(qū)附近工作，起動(dòng)及加速動(dòng)力不足部分由電動(dòng)動(dòng)力補(bǔ)充。但受限于發(fā)電機(jī)功率及電磁原件儲能效率，同時(shí)要滿足汽車剎車性能，要有效回收制動(dòng)大功率能量很困難。

油液混合方案利用液壓傳動(dòng)功率密度大，能量轉(zhuǎn)換、蓄能、再生效率高特點(diǎn)，不但能通過減小發(fā)動(dòng)機(jī)排量方法，提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率，還可最大程度回收、儲存、再生制動(dòng)能量。對長時(shí)間行駛在城市道路的車輛，節(jié)能減排效果尤為突出，城市公交車采用油液混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，可節(jié)油40%以上，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益尤其是突出。

4 汽車油液混合動(dòng)力的類型

油液混合動(dòng)力分串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)式三類。串聯(lián)式效率低，不適合在汽車中使用，并聯(lián)式具有結(jié)構(gòu)簡單，聯(lián)接方便，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但汽車原有的傳動(dòng)系統(tǒng)必須保留，機(jī)構(gòu)占空間大、自重大?；炻?lián)式是在液壓機(jī)械無級變速傳動(dòng)基礎(chǔ)上，添加蓄能、閥控、裝置組成，不需保留汽車原有的傳動(dòng)系統(tǒng)，具有無級變速功能，能量轉(zhuǎn)換、蓄能、再生效率高，是油液混合動(dòng)力的發(fā)展方向。

5 液壓機(jī)械無級變速定義及背景技術(shù)

液壓機(jī)械無級變速傳動(dòng)分為匯速類和分速類兩大類型，行星差動(dòng)輪系直接與動(dòng)力輸入端相聯(lián)，行星差動(dòng)輪系對輸入動(dòng)力分速，定義為分速類。如圖1。

行星輪系與動(dòng)力輸出端相聯(lián)，機(jī)械輸入動(dòng)力和液壓動(dòng)力在行星差動(dòng)輪系匯速輸出，定義為匯速類。如圖2。

分速類變量馬達(dá)在輸出軸，轉(zhuǎn)速隨輸出軸轉(zhuǎn)速變化，變量馬達(dá)排量較大，定量泵排量小，制動(dòng)和起動(dòng)時(shí)可由兩個(gè)泵同時(shí)提供扭矩，并可通過行星差動(dòng)齒輪泵的串并聯(lián)分級變換和調(diào)整變量泵排量實(shí)現(xiàn)扭矩連續(xù)無級變化，提高了操控性和乘坐舒適感。匯速類液壓機(jī)械無級傳動(dòng)，變量馬達(dá)在輸入端，轉(zhuǎn)速等于輸入軸轉(zhuǎn)速，變量馬達(dá)排量小，定量泵排量大，變量馬達(dá)工作在高速、高效狀態(tài)。由于變量馬達(dá)在輸入軸排量又小，制動(dòng)時(shí)所能提供的扭矩小，因此制動(dòng)必須靠行星差動(dòng)齒輪泵的串并聯(lián)變換提供制動(dòng)扭矩，扭矩有階越變化，乘坐舒適感較差。

我公司在雙動(dòng)力輸入行星差動(dòng)齒輪泵（馬達(dá)）基礎(chǔ)上，根據(jù)液壓機(jī)械無級變速傳動(dòng)特點(diǎn)，研發(fā)車輛用多功能行星差動(dòng)齒輪泵（馬達(dá)）。圖3是功能圖，圖4是結(jié)構(gòu)圖。

該行星差動(dòng)齒輪泵（馬達(dá)）屬行星差動(dòng)輪系齒輪泵，機(jī)械工作原理與2K-H行星差動(dòng)輪系基本相同，所不同的是內(nèi)齒圈自由旋轉(zhuǎn)，按機(jī)械原理分析中心太陽輪不可能傳遞扭矩給行星架，但該行星輪系組成行星差動(dòng)輪系齒輪泵，主、被動(dòng)齒輪齒面均受液壓正壓力作用，因此中心太陽輪能傳遞扭矩給行星架。液壓工作原理與齒輪泵工作原理完全相同，齒輪嚙合旋轉(zhuǎn)，輸出液壓油，輸入與輸出轉(zhuǎn)速所減少的機(jī)械能等于液壓泵輸出增加的液壓能，輸入與輸出轉(zhuǎn)速差越大，行星輪系中主、被動(dòng)齒輪相對轉(zhuǎn)速越大，輸出液壓流量越大。輸入扭矩越大，液壓壓力越高，只要在輸入端或輸出端串接一個(gè)通軸變量泵，再將高壓油通入變量泵，即組成單軸向布置、功率分流液壓機(jī)械無級變速器。該產(chǎn)品除單軸向結(jié)構(gòu)、功能眾多優(yōu)點(diǎn)外，最大進(jìn)步在于將傳統(tǒng)液壓機(jī)械無級變速器三大元件減為兩個(gè)，大幅減小體積和重量，降低噪音和故障率，再添加蓄能、閥控裝置即組成集緩沖器、離合器、兩級扭矩變化、制動(dòng)能量回收再生功能于一體的多功能混聯(lián)式油液混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置。

6 多功能混聯(lián)式油液混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置工作原理

圖5是多功能混聯(lián)式油液混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置原理圖，如圖示1.發(fā)動(dòng)機(jī)，2.干式單片離合器，3.制動(dòng)器，4.低壓蓄能器，5.行星差動(dòng)齒輪泵（馬達(dá)），6.控制閥塊，7.通軸比例變量馬達(dá)（泵），8.壓力傳感器，9.高壓蓄能器，10.轉(zhuǎn)速傳感器，11.后橋。本節(jié)詳細(xì)分析該驅(qū)動(dòng)裝置在起步、巡航、動(dòng)力疊加驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)四過程的工作原理。

6.1 車輛起步

起步時(shí)制動(dòng)器（3）制動(dòng)，行星差動(dòng)齒輪泵（5）和通軸比例變量泵（7）工作在馬達(dá)狀態(tài)，控制閥塊（6）控制高壓蓄能器（9）給行星差動(dòng)齒輪泵（5）和通軸比例變量泵（7）供油，根據(jù)油門踏板踩踏距離由小到大，各泵切換工作秩序?yàn)樽兞勘?、變量泵加串接行星差?dòng)齒輪泵，變量泵加并接行星差動(dòng)齒輪泵，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)扭矩由零至最大連續(xù)無級變化。當(dāng)車速達(dá)到20-40公里/小時(shí)，干式單片離合器（2）貼合，制動(dòng)器（3）分離，行星差動(dòng)齒輪泵（5）進(jìn)入緩沖離合器工作方式，通軸比例變量泵（7）驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)（1）旋轉(zhuǎn)點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，立即工作在高速低扭矩狀態(tài)，行星差動(dòng)齒輪泵（5）與通軸比例變量泵（7）切換成液壓機(jī)械無級變速器，通過轉(zhuǎn)速傳感器（10）監(jiān)測車速自動(dòng)調(diào)整變量泵排量改變傳動(dòng)比，排量調(diào)至零時(shí)，速比為一。倒車只需將油馬達(dá)（泵）進(jìn)出油口對換即可，但發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)。

6.2 巡航行駛

根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器（8）反饋轉(zhuǎn)速信號，控制通軸比例變量泵（7）排量，轉(zhuǎn)速越低排量越大，傳動(dòng)比也越大，反之則反，時(shí)速達(dá)70KM/小時(shí)后，通軸變量泵（7），以小排量自循環(huán)工作，滿足自身潤滑，行星差動(dòng)齒輪泵（5）出油口封閉，工作在聯(lián)軸器狀態(tài)，傳動(dòng)比為一，相當(dāng)于手動(dòng)檔位車工作第5檔位。

6.3 加速及動(dòng)力疊加驅(qū)動(dòng)

動(dòng)力疊加驅(qū)動(dòng)分勢能釋放、功率并聯(lián)、功率混聯(lián)三種模式。勢能釋放模式與起動(dòng)模式一樣，發(fā)動(dòng)機(jī)脫離，制動(dòng)器（3）貼合，全液壓大扭矩驅(qū)動(dòng)，這一模式扭矩大、加速快，適合中低速段強(qiáng)加速超越。功率并聯(lián)模式，行星差動(dòng)齒輪泵以聯(lián)軸器形式工作，蓄能器向變量泵輸油放能，這一模式適合高速段，但扭矩偏小。功率混聯(lián)模式，行星差動(dòng)齒輪泵與變量泵組成液壓機(jī)械無級變速，但在液壓功率分流的回路上并接高壓蓄能器，蓄能器可隨時(shí)吸收和釋放液壓流量。

6.4 蓄能制動(dòng)

蓄能制動(dòng)過程，行星差動(dòng)齒輪泵（5）和比例變量泵（7）工作在泵狀態(tài)，干式單片離合器（2）分離，根據(jù)制動(dòng)踏板踩踏距離由小到大，各泵工作狀態(tài)依次為變量泵（7）排量由小到大，制動(dòng)器（3）貼合，行星差動(dòng)齒輪泵（5）串聯(lián)工作，小排量向高壓蓄能器（9）充油蓄能，當(dāng)制動(dòng)踏板行程繼續(xù)加大，行星差動(dòng)齒輪泵（5）切換并聯(lián)工作，大排量向蓄能器（9）充油蓄能，比例變量泵（7）排量隨制動(dòng)踏板行程比例變排量，齒輪泵（5）與變量泵（7）合并成無級變排量，當(dāng)制動(dòng)踏板行程加大至下死點(diǎn)附近，疊加傳統(tǒng)摩擦制動(dòng)。

7 結(jié)論

由于我國電能結(jié)構(gòu)煤電占75-80%，電能是污染最大的能源，大量使用電車，不但實(shí)際能耗大，污染也嚴(yán)重，由于電磁動(dòng)力元件能量密度低，不可能有效回收大部分制動(dòng)能量，因此油電混合動(dòng)力方案節(jié)能能力有限。以多功能行星差動(dòng)齒輪泵為核心元件組成的混聯(lián)式油液混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方案，具有功率密度大、制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換、儲存、再生效率高的特點(diǎn)，是迄今所公開的最適合汽車節(jié)能減排的驅(qū)動(dòng)方案，對今后發(fā)展高效節(jié)能減排汽車具有深遠(yuǎn)意義。

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作者簡介：馮曉華（1972-），男，浙江義烏人，本科，工程師，研究方向：機(jī)電液一體化比例控制注塑機(jī)。