01 某混動專用箱(DHT)結(jié)構(gòu)簡介

　　該款混合動力專用變速箱是采用WW型簡單行星排為耦合機構(gòu)的雙電機無級變速系統(tǒng)，主要由臺階式無齒圈行星排總成、發(fā)電機、電動機、減速齒輪、差速器、單向離合器、雙機械油泵等組成。其中太陽輪1(S1)連接發(fā)電機(ISG電機)，太陽輪2(S2)連接發(fā)動機，行星架作為輸出端連接著驅(qū)動動機(TM電機)，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

　　圖1 DHT結(jié)構(gòu)示意圖

　　該動力耦合機構(gòu)屬于輸入動力分流結(jié)構(gòu)，其特點是在低速高傳動比的時候效率較高，類似于豐田THS系統(tǒng)。行星架相當(dāng)于THS的齒圈，和輸出端相連接，因此當(dāng)車速一定時，行星架的轉(zhuǎn)速就唯一確定，根據(jù)簡單行星排的運動學(xué)方程，連接發(fā)電機的太陽輪S1和連接發(fā)動機的太陽輪S2，它們的轉(zhuǎn)速可以自由匹配。這樣發(fā)動機的轉(zhuǎn)速就和車速解耦，而且能在一定區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)變動(無級變速)。

　　02 WW型行星排特性參數(shù)

　　模擬杠桿作為行星排分析的有力工具，其直觀性大大降低了行星排理解上的難度。模擬杠桿如圖2所示，三根縱線代表兩個太陽輪和行星架的轉(zhuǎn)速，以行星架為基準(zhǔn)，齒數(shù)越少，也即速比越大的杠桿離基準(zhǔn)越遠。當(dāng)行星架固定時，s1和s2的轉(zhuǎn)速方向相同，因而它們分布于行星架杠桿的同一側(cè)。設(shè)S2到基準(zhǔn)行星架的距離為1，S1到行星架的距離為k+1，k稱為行星排的特性參數(shù)。

　　圖2 DHT行星排等效杠桿

　　根據(jù)定義，行星排的特性參數(shù)可以看成行星架固定時的太陽輪到齒圈的速比，這里是兩個太陽輪之間的轉(zhuǎn)速之比。如圖2，根據(jù)三角形相似原理，有

　　03 轉(zhuǎn)速、扭矩特性方程

　　該箱行星排的運動學(xué)方程如下推導(dǎo)

　　圖3 轉(zhuǎn)速特性示意圖

　　如圖3所示，根據(jù)三角形相似原理，有如下關(guān)系

　　由公式1可見，與帶齒圈的簡單行星排比較，該行星排的行星架相當(dāng)于簡單行星排的齒圈，而行星排的大太陽輪S2相當(dāng)于簡單行星排的行星架。

　　根據(jù)杠桿平衡原理，在圖3中，分別對s1和pc取矩得

　　由上述方程知，行星排內(nèi)部受力中s1和pc的方向相同，與s2相反。

　　04 電功率比例、輸出效率分析

　　在式1中，小太陽輪s1有三種狀態(tài)：1)轉(zhuǎn)速為0;2)正轉(zhuǎn)速;3)負(fù)轉(zhuǎn)速。

　　定義行星排元件的轉(zhuǎn)速和發(fā)動機相同時為正轉(zhuǎn)速，反之為負(fù)轉(zhuǎn)速。定義發(fā)動機轉(zhuǎn)速和輸出端轉(zhuǎn)速之比為系統(tǒng)傳動比，即

　　在無電池參與情況下，當(dāng)小太陽輪s1轉(zhuǎn)速為0時，電功率為0，發(fā)動機能量全部用于驅(qū)動車輪，系統(tǒng)效率最高。定義小太陽輪s1轉(zhuǎn)速為0時的速比為機械點速比，即

　　根據(jù)小太陽的狀態(tài)，系統(tǒng)的電功率比例、輸出效率也分三種情況討論：

　　a)ns1=0,此時i=λ，如圖4所示

　　圖4 機械點傳動比杠桿

　　由行星排各軸扭矩平衡，可得如下方程

　　其中Ts1、Ts2、Tpc分別是小太陽輪、大太陽輪、行星架的扭矩，Tg、Tm、Te分別是發(fā)電機、驅(qū)動電機、發(fā)動機的扭矩，Tout是輸出扭矩。因小太陽輪轉(zhuǎn)速為0，所以電功率為0，即

　　Tg=0,Tm=0

　　聯(lián)立上述方程，解得

　　當(dāng)ns1<0時，ISG電機功率大于0，為電動，TM電機功率小于0，為發(fā)電，假設(shè)系統(tǒng)運行過程中電池不參與，那么ISG電機的電能來自于TM電機的發(fā)電，于是根據(jù)電功率平衡得

　　發(fā)動機功率經(jīng)過行星架后，一部分用于驅(qū)動TM電機發(fā)電，所以輸出功率為

　　仿情形b)討論，但此時電功率平衡方程為

　　綜合a)、b)、c)三種情況，行星排特性參數(shù)k取為2.65，兩電機的發(fā)電或電動效率取為0.85，則該系統(tǒng)的電功率比例為

　　05 總結(jié)

　　根據(jù)蓋世汽車《新能源汽車電驅(qū)動產(chǎn)業(yè)報告(2021版)》預(yù)測，DHT將成為機電一體化的發(fā)展方向，混合專用變速箱DHT在系統(tǒng)集成度、重量以及綜合能效方面的優(yōu)勢非常明顯。

　　目前我司開發(fā)的該款DHT已經(jīng)搭載樣車，其動力性經(jīng)濟性的表現(xiàn)獲得國內(nèi)一眾主機廠的廣泛認(rèn)可。

　　WW型行星排在動力系統(tǒng)中的應(yīng)用并不多見，對其認(rèn)識不夠深入。本文結(jié)合實例試從該行星排的運動學(xué)、動力學(xué)以及能量方面對其展開討論，拋磚引玉，以期更多同行參與討論。