电气化背景下行星系统传动应用漫谈

文章来源:电驱技术EDT 发布时间:2021-11-04
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我们今天要谈的就是汽车或者工程上所应用的行星系统,它和我们的太阳系有着一样的“神奇”,让我们来看看这些行星系统在我们汽车领域的应用。

“神奇”的行星系统


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太阳系相信大家都不陌生,八大行星围绕着太阳公转而又自转,这就是我们每天身在其中的行星系统。而我们今天要谈的就是汽车或者工程上所应用的行星系统,它和我们的太阳系有着一样的“神奇”,让我们来看看这些行星系统在我们汽车领域的应用。

行星齿轮结构其实在汽车领域的应用已经很久了,市面上大部分自动变速箱都是使用若干组行星齿轮,再配合液力变矩器来达到变速的功能。而世界上第一款在商业上获得成功混合动力汽车——1999年推出的丰田普锐斯一代,也是采用的这种结构。

行星系统如上图所示,其中Sun gear是太阳轮、Ring gear是齿圈,Planet carrier是行星架。这三个机构分别可以连接三个动力输出或输入端。它是一个典型的二自由度系统,如果固定其中任何一个,则另外两个相当于普通的齿轮咬合;如果固定其中两个,则整个行星齿轮被锁死。

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上图所示就是典型的单级行星系统的转速关系和杠杆图,大家有兴趣可以翻看电驱技术EDT公众号之前的文章《行星齿轮机构传动原理和结构--1.2.3》,深入了解行星系统行星架、太阳轮和齿圈之间的运动学和动力学的关系,我们这里就谈谈其典型的一些应用。

行星系统之所以能够获得这么广泛的应用,主要在于其“神奇”传动特点:

1) 体积小,重量轻,承载能力大;

2) 结构紧凑,同轴布置,有效利用齿圈空间;

3) 传动效率高,可达0.97~0.99;

4) 传动比较大,可以实现运动的合成和分解;

5) 运动平稳、抗冲击和振动能力强;

总之,这些神奇的特点,使其几乎可以适用一切功率和转速范围,广泛应用在生活中的各个方面。当然,其也有一些缺点,如结构复杂,散热要求高,成本相对较高等,但是随着设计及生产工艺水平的提升,这些缺点正在慢慢被平衡,被当前新能源电气化传动系统越来越多的采用。



行星系统的电气化传动应用


按照SAE J1715-2014,根据系统功能进行定义,将混合动力分为动力分流、串联、并联三种主要的形式,具体如下图所示。

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随着混合动力的应用发展,又是根据动力传动系统的功能,延续传统动力传动系统的分类,在MT、AMT、AT、CVT、DCT的基础上增加了DHT和AHT的分类,同时DHT根据结构形式分为PS-DHT和MMT-DHT类型,具体如下所示。

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仔细研究下上图,可以发现一些很有意思的事情,从世界范围来看,占主流的混动系统应用以功率分流和P2为主,而中国市场鉴于起步比较晚,又由于专利壁垒,中国车企的路线一直以来都按照“大众化”的德系思路在前进,到了最近几年,中国车企又一股脑的全部向“本田”的方向前进,是不是有点见异思迁的感觉。

上图中除却功率分流是采用行星系统外,MMT-DHT路线中,像广汽的GMC 2.0和吉利的 GHS2.0  3DHT也采用了行星系统来实现串联并联的应用,也算是走出了自己的特色。下面来着重说下功率分流的行星系统应用。

丰田的功率分流混动将行星系统的应用发扬光大,是汽车工业传动电气化应用的代表;紧随其后,因为THS,后续的各种行星构型,为避开丰田,采用了较复杂成本较高的方式来实现。

功率分流:一种通过与至少一个电动-发电机连接的差动齿轮传动装置提供连续变矩/速比的传动装置。功率分流又分为输入、输出和复合功率分流。

丰田前驱的功率分流混动THS I、THSII、THSIII、THSIV成为输入功率分流系统,具体的详细描述可以参考电驱技术EDT之前的文章《电驱技术 | 丰田THS-Ⅳ(P610)技术分析》。 

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丰田最擅长的就是平台化(主要是贼抠,节约资源),将功率分流系统扩展后驱应用为L110F和L310,结构原理如下图所示。

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L110纵置后驱功率分流系列 

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从L110到L310的演进,主要是提升系统效率和平顺性,带来的成本也相应的提升很多,主要应用在丰田的雷克萨斯系列的LC500h上。 

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通用雪佛兰沃蓝达车型是全球第一辆采用输出式功率分流系统(Output Powersplit)的车型,当年推出来的时候叫增程式电动车 EREV(Extended Range Electric Vehicle),这就是通用欲盖弥彰,所以大众不买账,也就不了了之,才有了后来的升级款。

雪佛兰沃蓝达在低速时跳出功率分流模式,转换到其他模式行驶。为此,通用公司在这款4ET50变速器内安装了三个湿式离合器(下图中C1、C2、C3),分别安装在行星齿轮组齿圈上、发电机与行星齿轮组之间、发动机与发电机之间。

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5ET50,从2015年开始配备雪弗兰沃蓝达第二代车型。它实现了两种功率分流模式,第一种模式是输入式功率分流;而另一个模式就是复合式功率分流。

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另外通用也把这款产品做成了纵置后驱,应用在了凯迪拉克车型上面。

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基于行星排的电桥类产品应用,可所谓出类拔萃,为啥这么说呢,因为整个高大上的乘用车应用基本上都是大众系的车型,看看下面这一大家子,真的是有钱真好。不过说起来,其最主要的关键传动行星轮系供应商就是非常出圈的舍弗勒,看来德国人还是要靠德国人啊。

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Audi e-tron 前驱是单档行星齿轮平行输出减速器;后驱是两个版本,一个是双电机轮边驱动,一个是单电机集中驱动。

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保时捷taycan,这个产品的传动设计,简直是精华(部分图转自汽车电子设计公众号)。

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前桥变速箱由三个总成所组成,轴向排列分别为输入级行星齿轮组、负载级行星齿轮组和直齿轮差速器。

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后桥的这个变速箱,是三轴变速箱,拥有一个行星齿轮组和两个离合器,一个离合器负责完成正常的换挡动作,第二个可以使后桥电动机和整个后轴分离。整个变速箱中只有一个换挡执行机构,通过控制两个离合器的开合负责一档(15.561:1)、二档(8.16:1)、倒档、空档、P档所有档位的执行。如下图所示,这个变速箱包含:等速齿轮组1、行星齿轮组、飞轮齿轮组2、爪形联轴器、膜片弹簧多片式离合器和换挡鼓执行器。

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其实除了上述大众系的应用,在混动上最经典的应用莫过于比较短命的长安CS75 PHEV和长城WEY P8 PHEV两款产品,标志性的采用了舍弗勒家族的行星排两档设计,也是国内主机厂开创先河的产品尝试,非常具有里程碑的意义。下图是长城P8 PHEV的底盘结构图。

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绝大多数电动车做同轴方案都是采用偏置同轴,通过斜面齿轮连接来驱动车轮,而I-Pace使用了行星齿轮组,这样既节省了空间,又在一定程度上提升了效率。

减速器为塔轮结构是NW行星排结构,该行星排结构中的行星架同样集成了差速器壳体的结构功能,结构相对应会比舍弗勒的轻量化差速器结构要大一些,重一些,但是成本会低一些。

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传动界的一股清流就是GKN,一直深耕传动部件设计,单档,电磁断开装置等等都是做的精益求精,这不是又带来了神器,两档eTwinsterX。eTwinsterX 电轴含括了之前提到的所有功能:同轴的布置、矢量扭矩分配、两个档位。吉凯恩在两个档位的实现上也走了不寻常的道路。eTwinsterX 内安装了一个不常见的行星齿轮组,它由两个太阳轮(下图中S1及S2)和一个行星齿轮架组成,没有齿圈。

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最后,我们来讲下,行星排最重要的应用就是把动力源和传动部分都丢到轮子里的家伙,轮毂电机应用,舍弗勒在这块已经在欧洲示范运营了,让我们拭目以待未来多场景的应用。

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小小总结

本篇借着现在混动的大势,简要的总结了下乘用车行星系统的传动应用,这些只是目前或者未来多样化应用的冰山一角,随着中国整个零部件产业的成熟,未来我相信,要在有限的空间和重量内实现同样的功能和性能,会有越来越多电气化的行星排传动紧凑化产品推出市场,让我们用未来的眼光照亮现实吧。


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