混合动力汽车用新型无级变速传动系统的研究

发布时间:2021-08-01 04:51:03

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2 8 月  0 年4   0 

农 业 机 械 学 报 

第3卷第4   9 期

混 合 动 力汽 车 用新 型 无 级 变 速 传 动 系 统 的研 究 *  
周 云 山 苏建 业  刘 金 刚  邹乃 威   
【 要 】 在 分 析 现 有 行 星 齿轮 机 构 无 级 变 速 方 案 的 基 础 上 , 出 了一 种 新 型 无 级 变 速 传 动 ( V 系 统 。 该 系  摘   提 C T) 统 具 有 既 变速 又 变矩 、 比变 化 范 围大 等 特 点 , 有 效 降 低 对 电动 机 功 率 的 需 求 且 适 合 轻 、 、 各 类 混 合 动 力 汽  速 能 中 重
车 ( E 应 用 。阐 述 了该 系 统 的 组 成 和 工 作 原 理 , 析 了其 速 比无 级 变 化 的 实 现 条 件 , 揭 示 了 调 速 电 动 机 传递   H V) 分 并 功 率 的 变 化 规律 。   关 键 词 :混 合 动 力 汽 车  无 级 变 速 传 动  行 星 齿 轮  电动 机 

中 图分 类 号 :U 6 .  4 97

文献标识码 :   A

引言 
未来 2 0年 内, 合 动 力 汽 车 ( V) 可 能 成  混 HE 有

动系统。   1 新 型 C T系 统 的组 成 和 工 作 原理  V
1 1 系 统组 成  . 新型 行 星齿轮 机构 无级 变速 传动 系统 的结构 组  成 示意 图, 图 1所 示 。主 要 包 括 2组 定轴 齿 轮 副  如

为传统 内燃 机 汽 车 的 替 代 者 _ 。 由 于 无 级 变 速 传  l   J
动( V 能够 连续 改 变速 比, 得 汽 车 在 任 意 工况  C T) 使 下, 都可 以按 照驾 驶员 的操 作意 图, 实现发 动机 和 电  动 机工 作点 的最佳 匹配 ( 佳 经 济 性 或 最佳 动 力性  最

( 互 啮合 的齿轮 z 、 相 1 中间惰 轮 z 2和 齿轮 z 3以及  相互 啮合 的 齿 轮 z 4和 z ) 3个 行 星 排 ( 行 星 齿  5、 双 轮排 K1 K 、 行 星齿 轮 排 K3 、 离 合 器 ( 合  、 2单 ) 3个 离
器 C 、 2 C ) 1 制动 器 ( 动器 B) 1C 、3 和 个 制 。此 外还 包  括作 为主 动力 源 的发 动 机 、 供 辅 助 动 力 的 电动 机  提 2 也 有发 电功 能 ) 主要 用来 调速 的调 速 电动机 以及  ( 、

匹配 )从 而 有效 降低排 放 , , 提高 整车燃 油经 济性 、 动 
力性 以及 乘坐 舒 适 性 。 因此 , 于 无 级 变速 传 动 的  基

混合动力 电动汽车 已成 为 了首选 方 案 _ 。 2  』 HE V按 照 能 量 合 成 方 式 不 同 , 以 分 为 串联  可 式、 并联 式和 混联 式 3种 不 同的结构 形 式 _ 。 其 中, 3   J   混 联式结 合 了 串、 并联 两式 的优 点, 其 中最优 秀 的  是 方 案[ 5。在现 有 的混 联 式 传 动 方 案 中, 丰 田公  4 ] - 以 司 P US为代 表 的 两 自由度 行 星齿 轮 无 级 传 动 系  RI
统最 具优 势 , 由于 其本 身 固有 的性 质 , 在 “ 速  但 存 变 不变 矩” 的缺 点_ , 速 比变 化 范 围也 比较 小 , 响  6且 j 影 了汽 车 的动力性 , 适 合 于载 荷 及 其 变 化均 不大 的  只

蓄 电池 和 逆 变 器 , 部 分 的组 成 结 构 和 丰 田公 司  这
P US的动 力 传动 系统类似 。 RI  

轻型 混合 动 力 轿 车 , 用 范 围 受 到 了很 大 的 限 制 。 应  
在 这里需 要特 别指 出的是 , 文献 [ ] 对现 有方 案 的  7针 不 足 , 出 了一种 新型 多能 源动 力总 成方 案, 了很  提 做 多有意 义 的工 作 。  

为 了 克服 现 有方 案 的缺 陷 , 本文 以理 论 分析 和 
研 究为基 础 , 出一 种 既能 变 速 又 能 变矩 的行 星机  提 构无级 变 速系 统 , 之成 为 既 具 备 速 比连 续 变 化范  使

图 1 新 型 无 级 变 速 传 动 系统 组 成 示 意 图   

1 2 工 作原 理  .

围大 的优 点 , 又能 有效 降低 对 电动 机 功率 的 需求 且  适合 轻 、 、 各类 型 HE 应用 的新 型 无级 变 速 传  中 重 V
收 稿 E期 :2 0 0 l 0 7— 7—0   9

该系 统共 有 3个 工 作段 位 ( 个 段 位离 合 器 和  各
制动 器 的工作 状态 , 如表 1所 示 ) 通 过调 节调 速 电  ,

* 湖 南 省 科 技 发 展 重 点 项 目( 目编 号 :0 G 0 7 和 湖 南 大 学 “ 8 ” 程 二 期 资 助 项 目 项 5 K2 0 ) 95工   周 云 山  湖 南 大 学 汽 车 车 身 先 进 设 计 制 造 国 家 重 点 实 验 室 苏 建业 刘 金 刚  湖 南 大 学 汽 车 车 身 先 进 设 计 制 造 国 家 重 点 实 验 室 教授 博 士 生 导师 .4 0 8 长 沙 市  102 湖 南 大 学 汽 车 车 身 先 进 设 计 制 造 国 家 重 点 实 验 室  硕 士 生  博士 生 

邹乃威

吉林大学汽车工程学院

博士生,1 0 2  长春市  305

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第 4期 

周 云 山 等 : 合 动 力 汽 车 用 新 型 无 级 变 速 传 动 系 统 的 研 究  混

11 8 

动 机 的转速 。 使输 入 轴 3转 速 在 规 定 的较 窄 范 围 内 

式中

愚—— 行 星排数 i i , )   ( =1 2 的特 性参 数  k —— 行 星排 K3的 特性 参数   

做正 、 向的往复 连续 无 级变 化 , 反 同时通 过控 制 离合 
器 和制 动器 的工 作状 态 ( 合 或分 离 ) 从 而 形 成 总  接 , 速 比分段 的连 续无 级变 化 。车辆 的倒 车行 驶 是通 过  调节 电动 机 2实现 的 。  
表 1 离 合 器和 制 动 器 的 工 作 状 态 

它 们的值 均 为 各 对 应 行 星 排 齿 圈 与 太 阳 轮 的 齿 数 
比。  

系统工 作于 第 1段 时 , 星排 K2 K3工 作, 行 、 联  立式 ( ) 2 得 , 1段 时 系统 的速 比 i = 1   1 ~( ) 第 】  /  4 为 ( 、 分 别 为输 入 轴 1和输 出轴 4的 转 速 ,  1  4 第  Ⅱ、 Ⅲ段时 系统 的速 比 i、 的 定义方 法 与 i 相 同) 2i 3 1  
i = 愚 一( 2 ) l   2 愚 —1  (  3  ) j

式 中  i 一 齿轮 z   3与 z 1的齿数 比 
以下 阐述 其 工作过 程 :   记 i  为调速 电动机 与发 动 机 转速 之 比 ( 电动 机 

同理 , 以 得到 其他 各段 的速 比表 达 式 , 表 2 可 如  
所 示 
表 2 各 段 的 速 比 表 达 式 

正转 , 与发 动 机 转 向 相 同, i 正 ; 即 则  为 电动 机 反 
转 , 与 发 动 机 转 向相 反 , i 负 ) 其 变 化 范 围  即 则  为 , 取为 一1 。 在 离合 器 C 、 动器 B接 合 , 合 器  ~1 1制 离

C 、 3分离 的情 况 下 , 2C 系统首 先 工作 于第 1段 , 开  i
始从 1向 ~1连 续 变化 , 作 段 I开 始 把 最大 的速  工 比、 最大 的转 矩 传递 到输 出轴 4 此 时, 星排 K 、 。 行 2 

K3工 作 ; i 变 化 到 一1时 , 当   使离 合 器 C 2接 合 , 离 
合 器 C 、 3和 制 动器 B分 离 , 星 机 构工 作 于第 Ⅱ 1C 行   段, 同时 , 开 始从 一1向 1连 续 变 化 , 作 段 Ⅱ开  i 工

2 2 行 星排 特 性参 数的 选择  .
由表 2可 以看 出, 段 速 比与行 星 排 特性 参 数  各

始把 次大 的 速 比、 次大 的转 矩 传递 到输 出轴 4 。此 
时 , 星排 K1 作 ; i 行 工 当  变化 到 1时 , 离合 器 C   使 1 和离合 器 C 3接 合 , 合 器 C 离 2和 制 动 器 B分 离 。 行  星机 构工 作于 第 Ⅲ段 , 同时 ,  始从 1向 一1连 续  i开 变化, 工作 段 Ⅲ开始 把较 小 的速 比、 小 的转 矩传 递  较 到输 出 轴 4 此 时 , 星 排 K2 K3工 作 。如 此 。 。 行 、 使  i 反 复变 化 ,   同时 不跳 段 、 无冲 击地 切换 制 动器 和各 

值 密 切相关 , 在选 择特 性参 数 时, 文综 合考 虑 了连  本 续性 条件 和等 比性 条 件 。为 了能够 *滑 无 冲击 的实 
现换 段 , 使系 统 总速 比连 续无级 的 变化 , 先要满 足  首 连 续性 条 件, 即当 电动 机 转 速达 到 正 向或 反 向最 大 

值 (  i=1或 i= 一1 需 要 换 段 时 , 输 出轴 ( 4  7 ) 使 轴 ) 在 相 邻两段 下 的转 速 相 等 或 转 速 差等 于 零 。 为此 ,   满足连 续性 条 件就 要 满足 以下 等式 

离 合器 的工 作 状态 ( 合 或 分 离 ) 就 实现 了系 统 总  接 ,
速 比分 段连 续 无级 的变 化 。  

2 新 型 C T系 统 速 比 无 级 变 化 的 实 现  V
2 1 速 比变 化特 性分 析  .

即 f )3i一 。 I ̄1(1     ::i=   i==  )   1i(  2  = l )2 : -=:   (  c   i) i  
内的最 小值  内的最大 值 

( … 4 )  

由于 该 系 统 在 I、 Ⅲ段 的 工 作 特 性 基 本 相  Ⅱ、 同, 比推 导方法 类似 。因此 , 里 只对第 1段 进 行  速 这
详 细分析 。  

式 中  i i Zm —— 速 比 i、 2在 i 化 范 围之  1n 。i m 、2 n 1i  变
i 2 Zmx   。a 3 —— 速 比 i、 3在 i 化 范 围之  2i  变 参 照表 2 由式 ( ) 得 特 性 参 数 愚 、 2和 愚  , 4可 1愚 3 的关 系为 
走   愚 :—— _ —一   3 = = t, 1    :1 2   ) L   ()   5

3个行 星排 均 由 3个 基 本 构 件 ( 阳轮 S 齿 圈  太 , R, 星架 H) 行 星 轮 ( 、 行 及 K1 K2是 双 行 星 轮 , K3是  单行 星轮 ) 成 , 基 本 构 件 的 转 速  s  组 其 、
足关 系 [   引: 对双 行 星排 K1 K 、 2有 
s iR一( 一是) —kn 1   H=0   () 1 

H满 

此 外 , 了获 得 “ 载 低速 变 化 * 缓 , 载 高速  为 重 轻
变 化急剧 ” 的具 有双 曲线 特性 的调 速效 果 , 电动机  使 在不 同段位 工 作 时 所 分 担 的 功率 尽 可 能 均 衡 , 使  并
() 2 

对单 行 星排 K3有 
s 愚 R一 ( +愚 ) + 3 1 3 H=0  

系 统输 出 的最大 功率 为 恒定值 , 出转矩 逐段 下降 , 输  

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12 8 











报 

特性 参 数 的选 择还 应符 合各 段速 比成 等 比级数 的准  则, 即各 段 最 大 速 比与 最 小速 比的 比值 为 一 定 值 。   也就 是说 要保证 以下等式 成 立 
21 x  ma 21 n n ri  22r a     nx 22r i   nn  23 x   ma   23r i     nn

根据行 星 排 的基本 特 性, 由式 ( ) ( ) 1 、2 可得 出系  统在各段 工作 时, 调速 电动机承担 的功 率与发 动机输  出功率 的 比值 e( =12 3 表达 式,  i , , ) 如表 3 所示 。  
表 3 调 速 电 动 机 与 发 动 机 输 出 功率 比值 表达 式 

即   i (  一1  li= )
~ =

i (  1  li= )



i (  一1  i ( =1  2 i= )  i 3 ) i (  ) 2 i :1   i (  一1  ( ) 3 i= ) 6 
= 一  

参照表 2 由式( ) , 6可得特性 参数 k 、 2   k 的关 系为  l 图 3为 £  随 i  的变 
志  2 () 7   

化 规 律 曲 线, 图 中 可 以  从

由上 述 分 析 , 合 单  结 个 行 星 排 在 结 构 、 寸 及  尺 装配 方 面 的 约 束 条 件 ( 各  行 星排 特性 参数 k取值 应  在 [ / , ] 围 内 ) 本 系  43 4 范 , 统取 如 下 参 数 : 定 k   设  =
3 8 5 由关 系式 ( ) ( ) .5 , 5 ~ 7 
得 k ,: 1. 3  1 1= 5 9 ,k  
图 2 系统 总速 比随  i的 变 化 规 律   

看 出, 统 在 各 段 工 作 所  系 对应 的 e 变 化 曲线完 ~  的   全 相 同 ,且 最 大 值 为 ~  
3 %。也 就 是 说, 好 地  5 较 实 现 了该 系统 在各 段工 作 图 3 f    e 随i的变化规律 

时 , 电动 机 分 担 功 率 尽 可 能 均 衡 , 可 能 小” 目 “ 尽 的  
标。  

需 要指 出 的是 , 适 当 收 窄 i 若  的上 下 限 范 围,  
会使调 速 电动机 在 更 高效 的 区域 中工 作 , 且可 以  而

3 3 88 图 2为 系统 总速 比随 i . 1  。  的变化 曲线 , 图  从 中可 以看 出 , 系统 的 总速 比随段 位 * 似 按 双 曲 线规  律 呈连 续无级 变 化 。在 上 述 参 数 下 , 速 比的变 化  总 区域 是 4 3 9~0 4 1 2 速 比 变 化 R .1 .8  , 6=4 3 9   .1/ 0 4 1 :8 9 55 .8  2 .7   。可 见 , 系统 提 供 了 较 大 的 速  本 比变化 范 围, 以满 足一般 车辆 的使 用要 求 。  

进 一步 降低 其承 担传 递 的功率 。  

4 结 束 语 
通 过对 目前 主流 行星 机构 无级 变速 传动方 案 的 
分 析, 出 了一 种 HE 用 的 新 型 C 提 V vT 系 统, 通  并 过理 论分 析说 明了该 系统速 比无级变 化 的实现 条件  及设 计准 则 , 揭示 了调 速 电动机 传 递 功 率 的变 化 规  律 。该新 型 C vT 系 统 克 服 了 现 有 方 案 变 速 不 变 

3 调 速 电 动 机 承 担 功 率 的变 化 规 律 
新型 C vT系统 的 重要 优 点 之 一 就 是可 以通 过  设置 一个较 小功率 的调 速 电动 机, 实 现 系统 总速  来 比较 大范 围 的无 级 变 化 。 电动 机功 率 小, 以减 少  可 汽 车对蓄 电池 数量 的需 求 , 而 降 低 整 车 的重 量 和  从 生产成本 。 因此 , 小 电 动机 承 担 的 功 率 与发 动 机  减 输 出功 率 的 比值是 关键 目标 之 一。  
参 考

矩 , 比变 化范 围 小, 动机 功 率 大 的 缺 陷, 速 电 有利 于 
应 用先进 的 优化控 制 策略 , 并对 轻 、 重 各型 HE   中、 V

没有 特殊 的 限制 , 以 实 现 各 种 工 作 模 式 灵 活 、 可 频 
繁、 可靠 的切 换 , 是一 个较 好 的无级 传动 方案 。其 实 

际 应用前 景 还有 待实 验验证 。  
文 献 

1 C a    Th  ae fteat f l tcadh bi vhc sJ . rceig f h E E 0 2 0 2 :4 ~2 5    hnCC. es t o h r o e cr n  yr  ei e[] P oednso teI E ,2 0 ,9 ( )2 7 7 . t     e i d l  

2 钟 勇 . 于 c T 的 类 菱 形 混 合 动 力 电动 汽 车 系 统 研 究与 仿 真 [ . 沙 : 南 大 学 , 0 5 基 v D] 长 湖 20 .  
3 邓 元望 , 耀 南 , 洁 * . 合 动 力 驱 动 系统 及 其 在 越 野 车 中的 应 用 []农 业 机 械 学 报 ,20 , 7 1 )3 ~4 . 王 陈 混 J. 0 6 3 ( 0 :8 1   4 钟 虎, 林, 杨 张毅 , . 合动 力 无 级 变 速 运 行 模 式 的 试 验 研 究 [] 汽 车工 程 ,0 5 2 ( )4 4 3 . 等 混 J. 2 0 , 7 4 :3 ~4 7  

5 邱 国茂 , 国 强 , 敖 杨林 , . 合 动 力 汽 车 测 试 系 统 设 计 与 应 用 []农 业 机 械 学 报 ,2 0 , 6 9 :5 ~16  等 混 J. 0 5 3 ( ) 13 5 .
6 MuivV H,S t  E o nB t 1 aa tc dl gada a s f  l eay er VT mehns J . oi   c    n mi J ,C wa  ,e a h    .P rme imo en  n n l io  p ntr  a c   c ai r  i ys a a g — m[] Se   —
eyo  uo t e n ier,1 9 ,1 3( 3 7 2 8 2  t f tmoi   gn es 9 4 0 3 ): 9 ~ 0 . A vE

7 黄 向 东 , 小 琴 , 玉 涛 , .功率 分 流 双 向 汇 流 的 新 型 复 合 无 级 变 速 系统 [] 张 罗 等 J .华南 理 工 大 学 学报 ; 自然 科 学 版 , 02  20 ,
3 ( 1 :0 0 1 ) 1 6~1 2  1.

8 饶 振 纲 .行 星 齿 轮 传 动 设 计 [ . 京 : 学 工 业 出版 社 ,0 3  M] 北 化 20 .


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