并联式混合动力汽车传动系统结构分析

中， 当汽车处 于停 止状态 时 ， 发动机 不 能作 为发 电机
蚕
图 ８ 分 离 轴 式 转 矩 耦 合
另一种 单轴 式转矩 耦合 的传 动 系统是分 离 轴结 构 的 ， 图 ８所示 。 如 两个独 立 的变速 器分别 由发 动机 和 电动机驱 动 。两个 动力 系统 同时为 汽车提 供 牵 引
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并联式混合动力汽车传动 系统结构分析
占泽 晟
（ 汉理工 大 学汽车 工程 学院 武
杜 晓梅 贾 辉
现代 汽车 零部 件技 术湖 北省 重点 实验 室 ）
摘 要
分析 混合 动 力汽 车传 动 系统 的结 构 ， 对混 合动 力车辆 进 行 选型 、 化 设计 及控 制 是 优
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必须有 相 同的速度 范 围 。这 种结构 通 常是在 小 功率
阳轮 ， 圈 以及 行 星齿 轮 的传 动 而输 出 的 。该 常数 齿 Ｋ 和 Ｋ 取决 于齿 轮 的半径 和齿 数 。
电机 的情况 下使用 ， 为轻 度混合 动 力传动 系统 ， 称 其
中电机是作 为发 动机起 动机 、发 电机 和发 动机 的能 量辅 助 以及 回收再 生制 动能 。而 在 图 ７所示 的变速 器前 置结构 中 ， 动轴 只改 变发 动机扭 矩 ， 电动机 传 而 转矩直 接传 递到 驱动 车轮 。这种 配置 常用 于大 功率
图 １ 带行 星 齿 轮 的 速 度 耦 合 ０
力 ， 基本原 理与 图 ４ 示 的两轴 结构 相似 。 动机 其 所 发 和 电动 机 的变 速 器 都 既 可 以是 单 级 也 可 以是 多 级 的 。分 离轴 的结构 相 当于保 留了传 统 的汽 车原有 的
发 动机 和变速器 没有 改变 ， 并增 加 了 电力 牵 引系统 。 它 可 以很 好地应 用 于 四轮 驱动 ，优 化在湿 滑 路面 的 牵 引力及 减少对 单一 轮胎 上牵 引力 的依赖 。 同样 ， 它 也是 结构较 为复 杂并且 占用较 大的 空间 ，而且 车辆 停止 时发 动机不 能给 电池 充 电。
机 性 能 以及 电机 特 性 等 因 素 来选 取 合适 的耦 合 方
式
传输 池充 Байду номын сангаас
图 １ 并 联 式 混合 动 力传 动 系统 结 构 示 意 图
图 ２ 转 矩 耦 合 原 理 图
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常 见 的机 械 转 矩 耦 合 器 工作 原 理 图 如 ３所
示 。在 混合 动力 汽车 中转 矩耦 合 有 多种 结 构形 式 ，
通 常 可 以分 为两 轴 的和一 轴 的两种 形式 。耦 合器 的 不 同位 置 以及 齿 轮 的 不 同结 合 方 式 都 会 产生 不 同 的牵 引 特性 ， 因此 常 需 根 据 车 辆 牵 引 的需 求 、 动 发
图 １ 带 传 动 器 的转 矩 耦 合 与 速 度 耦合 ３ 混 合 的 动 力 传递 系统
带 传动器 的混合 耦合式传 动 系统如 图 ｌ ３所
示， 其工 作 原理 是 ： 离合 器 １ 合 ， 动机 轴与 传 动 结 发
３ 转矩耦合和速度耦合混合 的动力
传 动 系 统
结 构分 别是 带行 星 轮和 带有 浮 动定 子 的 电动机 （ 也
（ ２）发 动 机 单 独 驱 动 ： ２将 齿 圈 与 车 架 锁 锁
定 ， 锁 １打 开 ， 时 只有 发 动 机 提 供 动 力 驱 动 车 而 此
轮。
称 为传 动器 ） 的耦 合 器 。 星轮 是 由太 阳轮 ， 圈和 行 齿 行 星架 三部分 组成 的 。速度就 是通 过耦 合器 中的太
传 动 系统
两个 动力 源 的动力 也可 以通过 速度耦 合 方式 耦 合在 一起 进行 传动 ， 图 ９所示 。 如 速度耦 合特 性可 以 描述 为 ：
’ Ｔ Ｔ
轮 和环 形 齿轮 ， 以满 足 不 同操作 模 式 的要 求 。它可
以实现 ：
Ｉ ｔ ｌ ＋２ 。 ． ： 【 ｌ （ｎ Ｏ ｋ ｏ ｋ ｏ２
在其 最佳 区域提 供 了更 多 的机会 。这种 结构 形式 也 为 发 动 机 和 电 动机 设 计 及 选 择 提 供 了更 大 的灵 活 性 。 的缺 点就 是整 个传 动系统 结构 较为复 杂 。 它 在实 际混 合动 力传动 系统 中 ，变速器 １ 常用单 级齿 轮 通 传动， 而变 速器 ２多用 多级 齿轮 传动 。 因为单级 齿轮
通 常 由机 械耦合 装置 合并 并进 行传输 ，即发 动机 和 电动机提 供 的动力是 通过 机械耦 合 方式耦 合 在一 起 的 ， 结构 原理 如 图 １ 其 所示 。 发动 机 和电动 机 的动 将
１ 转矩 耦 合 的并 联 式 混 合动 力 传 动 系 统
转 矩 耦 合 是将 发 动 机 和 电 动机 的扭 矩 加 剑 一
起 或将 发 动 机 的转 矩 分成 两 部 分 ： 部 分用 于推 动 一 车辆行 驶 ， 另一 部 分则 给 电池 充 电 。机 械转 矩 耦 合
的原理 图如 图 ２所 示 ， 此种 状 态 下发 动 机 和 电动机
力进 行机 械耦合 有 以下三 种不 同 的方式 ：转 矩耦 合 方式 、速度 耦合 方式 以及转 矩耦 合 与速度 耦合 并存
传动可充分发挥电机在低速时高转矩特性的内在优 势 ，而 多级 齿 轮传 输 可 以弥补 发 动 机转 速 一 扭 矩 特性 的一 些缺 陷 （ 发动 机高转 速 时扭矩不 增加 等 ） ， 此时多级齿轮传动可 以提高发动机的效率 ，从而也 可以降低电池的放电量。另一种两轴转矩耦合器结 构如图 ５ 所示 ，其中变速器位于转矩耦合器和驱动 轴之间。 在传递驱动力时 ， 它同时加强了发动机和电 动 机 的扭 矩 。此时 电动机 和发 动机 可 以在 不 同 的转
策略 开发 的基础 ， 整个 汽车 产品 结构 的创新设 计也 具 有十 分重要 的 意 义。本 文对 比分 对
析 了几种 常见 的并联 式 混合动 力传 动 系统 的结构及 其 工作原 理 ，建 立 了传 统发 动机 、 动
力耦 合装 置 、 力传输 装 置 以及 电动 机 ／发 电机之 间的 关 系模 型 ， 并联 式 混合 动 力 车 动 为
（） ５ 发动机给电池充 电： 当控制器给电机以反 向转 速时 ， 发动 机 即可给 电池充 电 。 带传动器的传动系统如图 １ 所示 ， １ 其结构与图 １ 的类似。 ｌ ２ ０ 锁 和 分别用于将定子与车架锁定和 与转子锁定。这种传动系统也可以实现上述所几种 运行模式。速度耦合混合动力传动系统的主要优点 是， 两个动力源的转速是分开 的， 因此 ， 两个动力装 置 的速度 可 自由匹配 。
的方式
同时提 供 动 力 ， 并将 其 传递 到 机 械传 动 系统 。如 果 忽 略传 递 过程 中的损 耗 ， 出的转 矩 和速 度 可 以表 输
示为：
Ｔ ：ｋ Ｔ ｋ Ｔｎ ＋ ２ ２ ： 一 ｉ ｎ ｌ：
Ｋｌ Ｋ２
其 中 ， ｋ 是 由转矩耦 合 参数确 定 的常数 ｋ和 ：
ｌ—１ — ｔ｛ ； ＝Ｋ ＝Ｋ２ 堕
（ ）混 合 动力 驱 动 ： １和锁 ２都 打 开 ， 阳 １ 锁 太 齿 轮 和环形 齿 轮 都可 以 自由旋转 ， 发动 机 和 电机 同 时提供 正 向的转 速 和扭矩 （ 正转矩 ） 到驱 动 车轮 。
其 中 ｋ 和 ｋ 是与 实际设 计相 关 的常数 。 ： 典 型 的速 度耦 合器 如 图 １ 、１ ０ １ 所示 ，图 中两 种
图 １ 带传 动 器 的 速 度 耦 合 １
２ 速度 耦合 的 并联 混 合 动力
图 ｌ ０中 ，发 动机 通过 离 合 器 和变 速 器 为太 阳 轮提 供 动力 。变 速 器用 来 改变 发 动机 的转速 一 转 矩特性 ， 以满 足 牵 引力 的需 求 。电动 传 动器 通 过 环
形 齿轮 副提供 动 力 。锁 １ ２分别 用于 锁定 太 阳齿 和
图 ３常见的机械转矩耦合器工作原理 图
两轴 机 械 转矩 耦 合 器 的结 构形 式 如 图 ４所示 ，
两个变速器分别安装在发动机和转矩耦合器之间以 及电机和转矩耦合器之间。这两个变速器既可以是 单级传动也可以是多级传动。由于多级齿轮传输能 够提 供更 大范 围的牵 引力输 出 ，因此 这种条 件 下车 辆 的传 动效 能 和整 体 性 能就 要优 于其 他 的形 式 ， 并 且 也为 发动 机 和 电气 牵 引 系统 （ 电机 和 电池 ） 作 工
（ 电机 单 独驱 动 ： １ 太 阳轮 与车 架 锁定 ３） 锁 将
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（ 发动机被关闭或离合器张开 ） 而锁 ２打开 ， 此时只 有 电动 机提 供动力 驱动 车轮 。
（ ４）再 生制 动 ： １ 锁 在锁 定 （ 动 机被 关 闭或 发 离合器脱开 ） 电动机开始发电 （ ， 负转矩 ） 车辆 的 ， 部分 能量 被 电力系统 吸 收 。
图 ５ 两轴式转矩耦合器的另一种结构
并 联 式混合 动 力转 矩耦 合 器 的另 一 种形 式 ： 单 轴 式结 构 是一 种 简单 紧凑 的 配置 ， 中电动 机 的转 其 子 即是 转矩耦 合 器 ，其结 构如 图 ６７ ８ 示 。 图 ６ 、、所 中， 变速 器 安 装 在 电动 机 之后 ， 通 过 离 合器 与 发 并 动 机连 接 ， 即变速 器后 置 式 ； ７中 ， 速器 放在 发 图 变 动 机和 电动机 之 间 ， 即变 速器前 置式 。
Ｔｌ ・ ｎ ∞ １ ｌ
速 度 Ｔ 。１ （越 ） 耦合 器
・１ （ ）
电机 的传动 系统 中 ，传输 仅 用于 改变发 动机 的工 作 点 ， 高车辆 性能 和发 动机 的运行效 率 。 这种 结构 提 在
运行 电动机 给 电池 充 电。
管
图 ９ 速 度耦 合 器 原 理 图
图 ６ 变速 器 后 置 式 转 矩耦 合
图 ７ 变速器前置式转矩耦合
在 变 速器 后置 的结构 中 ， 动机 的转 矩 和 电机 发
图 ４ 两 轴 式 转矩 耦 合 器 结 构
转矩 都通 过 变速 器来 传 输 ， 这就 要 求发 动 机 和 电机
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将转矩耦合和速度耦合结合到一起 ，可以构成
一
器转轴耦合 ， 离合器 ２ 张开 ， 锁将传动器定子与车 架锁定。此时驱动器就是在扭矩耦合模式下工作 ； 当离 合 器 １ 张开 ， 合 器 ２结 合 ， 离 锁定解 除时 ， 动 传
系统 即在速 度耦 合模式 下工作 。
速范围内工作 ， 即高速电机也可以在这种结构中使
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用 。因此 这种配 置适用 于低 速发 动机 与电动 机一起
使用 ， 在低速时使用多级传递来提高车辆牵引力。
辆传 动 系统 的设 计和控 制 策略提 供 了参 考依 据 。 关键词 ： 混合 动力 传 动 系统 优 化设 计
混合 动力汽车的传 动系统与传统燃油汽车一
样 ，都 是将动 力源 提供 的动力 通过 机械传 动 装 置传 递 到车 轮上 。 由于混合 动力 车辆 的动力 源是 传 统 的 内燃 机 和 由电池 带 动 的电机组 成 ，因此 它们 的动 力