“神奇”的行星系統(tǒng)

　　太陽(yáng)系相信大家都不陌生，八大行星圍繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)而又自轉(zhuǎn)，這就是我們每天身在其中的行星系統(tǒng)。而我們今天要談的就是汽車或者工程上所應(yīng)用的行星系統(tǒng)，它和我們的太陽(yáng)系有著一樣的“神奇”，讓我們來(lái)看看這些行星系統(tǒng)在我們汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　行星齒輪結(jié)構(gòu)其實(shí)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)很久了，市面上大部分自動(dòng)變速箱都是使用若干組行星齒輪，再配合液力變矩器來(lái)達(dá)到變速的功能。而世界上第一款在商業(yè)上獲得成功混合動(dòng)力汽車——1999年推出的豐田普銳斯一代，也是采用的這種結(jié)構(gòu)。

　　行星系統(tǒng)如上圖所示，其中Sun gear是太陽(yáng)輪、Ring gear是齒圈，Planet carrier是行星架。這三個(gè)機(jī)構(gòu)分別可以連接三個(gè)動(dòng)力輸出或輸入端。它是一個(gè)典型的二自由度系統(tǒng)，如果固定其中任何一個(gè)，則另外兩個(gè)相當(dāng)于普通的齒輪咬合;如果固定其中兩個(gè)，則整個(gè)行星齒輪被鎖死。

　　上圖所示就是典型的單級(jí)行星系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速關(guān)系和杠桿圖，大家有興趣可以翻看電驅(qū)技術(shù)EDT公眾號(hào)之前的文章《行星齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理和結(jié)構(gòu)--1.2.3》，深入了解行星系統(tǒng)行星架、太陽(yáng)輪和齒圈之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的關(guān)系，我們這里就談?wù)勂涞湫偷囊恍?yīng)用。

　　行星系統(tǒng)之所以能夠獲得這么廣泛的應(yīng)用，主要在于其“神奇”傳動(dòng)特點(diǎn)：

　　1) 體積小，重量輕，承載能力大;

　　2) 結(jié)構(gòu)緊湊，同軸布置，有效利用齒圈空間;

　　3) 傳動(dòng)效率高，可達(dá)0.97~0.99;

　　4) 傳動(dòng)比較大，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的合成和分解;

　　5) 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、抗沖擊和振動(dòng)能力強(qiáng);

　　總之，這些神奇的特點(diǎn)，使其幾乎可以適用一切功率和轉(zhuǎn)速范圍，廣泛應(yīng)用在生活中的各個(gè)方面。當(dāng)然，其也有一些缺點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，散熱要求高，成本相對(duì)較高等，但是隨著設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝水平的提升，這些缺點(diǎn)正在慢慢被平衡，被當(dāng)前新能源電氣化傳動(dòng)系統(tǒng)越來(lái)越多的采用。

　　行星系統(tǒng)的電氣化傳動(dòng)應(yīng)用

　　按照SAE J1715-2014，根據(jù)系統(tǒng)功能進(jìn)行定義，將混合動(dòng)力分為動(dòng)力分流、串聯(lián)、并聯(lián)三種主要的形式，具體如下圖所示。

　　隨著混合動(dòng)力的應(yīng)用發(fā)展，又是根據(jù)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的功能，延續(xù)傳統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的分類，在MT、AMT、AT、CVT、DCT的基礎(chǔ)上增加了DHT和AHT的分類，同時(shí)DHT根據(jù)結(jié)構(gòu)形式分為PS-DHT和MMT-DHT類型，具體如下所示。

　　仔細(xì)研究下上圖，可以發(fā)現(xiàn)一些很有意思的事情，從世界范圍來(lái)看，占主流的混動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用以功率分流和P2為主，而中國(guó)市場(chǎng)鑒于起步比較晚，又由于專利壁壘，中國(guó)車企的路線一直以來(lái)都按照“大眾化”的德系思路在前進(jìn)，到了最近幾年，中國(guó)車企又一股腦的全部向“本田”的方向前進(jìn)，是不是有點(diǎn)見異思遷的感覺。

　　上圖中除卻功率分流是采用行星系統(tǒng)外，MMT-DHT路線中，像廣汽的GMC 2.0和吉利的 GHS2.0 3DHT也采用了行星系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)并聯(lián)的應(yīng)用，也算是走出了自己的特色。下面來(lái)著重說(shuō)下功率分流的行星系統(tǒng)應(yīng)用。

　　豐田的功率分流混動(dòng)將行星系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)揚(yáng)光大，是汽車工業(yè)傳動(dòng)電氣化應(yīng)用的代表;緊隨其后，因?yàn)門HS，后續(xù)的各種行星構(gòu)型，為避開豐田，采用了較復(fù)雜成本較高的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　功率分流：一種通過(guò)與至少一個(gè)電動(dòng)-發(fā)電機(jī)連接的差動(dòng)齒輪傳動(dòng)裝置提供連續(xù)變矩/速比的傳動(dòng)裝置。功率分流又分為輸入、輸出和復(fù)合功率分流。

　　豐田前驅(qū)的功率分流混動(dòng)THS I、THSII、THSIII、THSIV成為輸入功率分流系統(tǒng)，具體的詳細(xì)描述可以參考電驅(qū)技術(shù)EDT之前的文章《電驅(qū)技術(shù) | 豐田THS-Ⅳ(P610)技術(shù)分析》。

　　豐田最擅長(zhǎng)的就是平臺(tái)化(主要是賊摳，節(jié)約資源)，將功率分流系統(tǒng)擴(kuò)展后驅(qū)應(yīng)用為L(zhǎng)110F和L310，結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。

　　L110縱置后驅(qū)功率分流系列

　　從L110到L310的演進(jìn)，主要是提升系統(tǒng)效率和平順性，帶來(lái)的成本也相應(yīng)的提升很多，主要應(yīng)用在豐田的雷克薩斯系列的LC500h上。

　　通用雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)車型是全球第一輛采用輸出式功率分流系統(tǒng)(Output Powersplit)的車型，當(dāng)年推出來(lái)的時(shí)候叫增程式電動(dòng)車 EREV(Extended Range Electric Vehicle)，這就是通用欲蓋彌彰，所以大眾不買賬，也就不了了之，才有了后來(lái)的升級(jí)款。

　　雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)在低速時(shí)跳出功率分流模式，轉(zhuǎn)換到其他模式行駛。為此，通用公司在這款4ET50變速器內(nèi)安裝了三個(gè)濕式離合器(下圖中C1、C2、C3)，分別安裝在行星齒輪組齒圈上、發(fā)電機(jī)與行星齒輪組之間、發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)之間。

　　5ET50，從2015年開始配備雪弗蘭沃藍(lán)達(dá)第二代車型。它實(shí)現(xiàn)了兩種功率分流模式，第一種模式是輸入式功率分流;而另一個(gè)模式就是復(fù)合式功率分流。

　　另外通用也把這款產(chǎn)品做成了縱置后驅(qū)，應(yīng)用在了凱迪拉克車型上面。

　　基于行星排的電橋類產(chǎn)品應(yīng)用，可所謂出類拔萃，為啥這么說(shuō)呢，因?yàn)檎麄€(gè)高大上的乘用車應(yīng)用基本上都是大眾系的車型，看看下面這一大家子，真的是有錢真好。不過(guò)說(shuō)起來(lái)，其最主要的關(guān)鍵傳動(dòng)行星輪系供應(yīng)商就是非常出圈的舍弗勒，看來(lái)德國(guó)人還是要靠德國(guó)人啊。

　　Audi e-tron 前驅(qū)是單檔行星齒輪平行輸出減速器;后驅(qū)是兩個(gè)版本，一個(gè)是雙電機(jī)輪邊驅(qū)動(dòng)，一個(gè)是單電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)。

　　保時(shí)捷taycan，這個(gè)產(chǎn)品的傳動(dòng)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)直是精華(部分圖轉(zhuǎn)自汽車電子設(shè)計(jì)公眾號(hào))。

　　前橋變速箱由三個(gè)總成所組成，軸向排列分別為輸入級(jí)行星齒輪組、負(fù)載級(jí)行星齒輪組和直齒輪差速器。

　　后橋的這個(gè)變速箱，是三軸變速箱，擁有一個(gè)行星齒輪組和兩個(gè)離合器，一個(gè)離合器負(fù)責(zé)完成正常的換擋動(dòng)作，第二個(gè)可以使后橋電動(dòng)機(jī)和整個(gè)后軸分離。整個(gè)變速箱中只有一個(gè)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)控制兩個(gè)離合器的開合負(fù)責(zé)一檔(15.561：1)、二檔(8.16：1)、倒檔、空檔、P檔所有檔位的執(zhí)行。如下圖所示，這個(gè)變速箱包含：等速齒輪組1、行星齒輪組、飛輪齒輪組2、爪形聯(lián)軸器、膜片彈簧多片式離合器和換擋鼓執(zhí)行器。

　　其實(shí)除了上述大眾系的應(yīng)用，在混動(dòng)上最經(jīng)典的應(yīng)用莫過(guò)于比較短命的長(zhǎng)安CS75 PHEV和長(zhǎng)城WEY P8 PHEV兩款產(chǎn)品，標(biāo)志性的采用了舍弗勒家族的行星排兩檔設(shè)計(jì)，也是國(guó)內(nèi)主機(jī)廠開創(chuàng)先河的產(chǎn)品嘗試，非常具有里程碑的意義。下圖是長(zhǎng)城P8 PHEV的底盤結(jié)構(gòu)圖。

　　絕大多數(shù)電動(dòng)車做同軸方案都是采用偏置同軸，通過(guò)斜面齒輪連接來(lái)驅(qū)動(dòng)車輪，而I-Pace使用了行星齒輪組，這樣既節(jié)省了空間，又在一定程度上提升了效率。

　　減速器為塔輪結(jié)構(gòu)是NW行星排結(jié)構(gòu)，該行星排結(jié)構(gòu)中的行星架同樣集成了差速器殼體的結(jié)構(gòu)功能，結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)會(huì)比舍弗勒的輕量化差速器結(jié)構(gòu)要大一些，重一些，但是成本會(huì)低一些。

　　傳動(dòng)界的一股清流就是GKN，一直深耕傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)，單檔，電磁斷開裝置等等都是做的精益求精，這不是又帶來(lái)了神器，兩檔eTwinsterX。eTwinsterX 電軸含括了之前提到的所有功能：同軸的布置、矢量扭矩分配、兩個(gè)檔位。吉?jiǎng)P恩在兩個(gè)檔位的實(shí)現(xiàn)上也走了不尋常的道路。eTwinsterX 內(nèi)安裝了一個(gè)不常見的行星齒輪組，它由兩個(gè)太陽(yáng)輪(下圖中S1及S2)和一個(gè)行星齒輪架組成，沒有齒圈。

　　最后，我們來(lái)講下，行星排最重要的應(yīng)用就是把動(dòng)力源和傳動(dòng)部分都丟到輪子里的家伙，輪轂電機(jī)應(yīng)用，舍弗勒在這塊已經(jīng)在歐洲示范運(yùn)營(yíng)了，讓我們拭目以待未來(lái)多場(chǎng)景的應(yīng)用。

　　小小總結(jié)

　　本篇借著現(xiàn)在混動(dòng)的大勢(shì)，簡(jiǎn)要的總結(jié)了下乘用車行星系統(tǒng)的傳動(dòng)應(yīng)用，這些只是目前或者未來(lái)多樣化應(yīng)用的冰山一角，隨著中國(guó)整個(gè)零部件產(chǎn)業(yè)的成熟，未來(lái)我相信，要在有限的空間和重量?jī)?nèi)實(shí)現(xiàn)同樣的功能和性能，會(huì)有越來(lái)越多電氣化的行星排傳動(dòng)緊湊化產(chǎn)品推出市場(chǎng)，讓我們用未來(lái)的眼光照亮現(xiàn)實(shí)吧。