基于杠杆法的混合动力自动变速器设计研究*

刘晋霞,于鲁达，蔚东洋，王 宇

(1.山东科技大学交通学院，青岛 266590； 2.长城汽车股份有限公司，保定 071000)



基于杠杆法的混合动力自动变速器设计研究*

刘晋霞1,于鲁达1，蔚东洋2，王 宇1

(1.山东科技大学交通学院，青岛 266590； 2.长城汽车股份有限公司，保定 071000)

为使混合动力汽车降低油耗，提高动力性和延长续驶里程，根据混合动力汽车自动变速器的设计要求，利用杠杆法原理提出一种3排行星齿轮并联混合动力自动变速器。建立5节点杠杆转速线图，并进行详细分析，合理布置动力元件与接合元件，最终使该变速器具备纯电驱动、发动机驱动、联合驱动、行车发电和再生制动5种工作模式，且纯电驱动和发动机驱动时，可分别实现4和5个前进挡。对不同工作模式的功率流向进行分析的结果表明，各工作模式具有较高的传动效率。

混合动力自动变速器；杠杆法；行星轮系；功率流向

前言

混合动力汽车(HEV)变速器的结构、性能直接影响整车的动力性、经济性等指标[1]。由于行星轮系(planet gear train, PGT)具有结构紧凑、传动比范围大、传动平稳和效率高等优点，并且能够实现灵活的动力合成与分配，因此，在最初的HEV自动变速器中就得到了运用。丰田Prius THS I、II代传动系统采用单排PGT作为动力合成组件，2009年推出的Prius THS III直接由双排PGT构成混合动力传动系统[2]。文献[3]中对双排PGT混合动力自动变速器构型作了深入研究，列出了所有可行的双排PGT的连接方式和布置形式。然而，在所有连接方式和布置形式中，当发动机或电机单独驱动时，只能分别实现最多4或3个前进挡位。采用多个挡位的HEV自动变速器对降低整车油耗、提高HEV动力性和延长续驶里程具有重要意义。

PGT杠杆法最早于1981年在文献[4]中提出。文献[5]中首次将杠杆法引入国内，经过多年的不断完善[6-12]，杠杆法已经形成一套较为完善的理论。文献[13]中利用杠杆法对单排PGT连接方式进行优化分析，提出了一种加速性能明显优于Prius THS II的配置形式。文献[14]中设计了一种混合动力多模变速器，并利用杠杆法对其转矩进行了分析。文献[15]中运用杠杆法确定了4种基于PGT动力耦合功能和无级变速特性的新型混合动力传动系统的传动方案。文献[16]中对原有杠杆法进行了拓展，并用拓展后的杠杆法对ZF 6速自动变速器进行了传动分析研究，结果验证了新方法的正确性，在此基础上设计了一种8速自动变速器的方案。

本文中结合HEV自动变速器的设计要求，将杠杆法原理融入3排PGT自动变速器的设计过程，并对各部件连接、输入点与制动点的选择、动力源的连接位置及挡位的选取等方面进行了详尽的分析，在此基础上提出一种3排并联PGT混合动力自动变速器结构，该HEV自动变速器能提供纯电驱动、发动机驱动、联合驱动、行车发电和再生制动5种工作模式，并且在纯电驱动和发动机驱动时，可分别提供4和5个前进挡。

1 杠杆法的基本原理

杠杆法是将PGT的旋转运动系统转化为直线运动系统，并直观地利用杠杆作用原理对PGT变速器的输出转速、传动比关系等进行分析的一种方法。

1.1 单排PGT的等效杠杆图

对于单排PGT，杠杆法将其简化为一个由太阳轮S、行星架PC和齿圈R组成的3支点杠杆，如图1所示。支点S和支点R距支点PC的长度(力臂)分别与齿圈齿数ZR和太阳轮齿数ZS成正比，K为PGT特征参数。

图1 单排PGT等效杠杆图

1.2 PGT变速器等效杠杆图的转化

PGT变速器由单排或多排PGT加上接合元件(离合器、制动器、单向离合器)组成。图2(a)所示为某PGT变速器的传动简图，该变速器由PGT1(S1PC1R1)，PGT2(S2PC2R2)，3个离合器(C1，C2，C3)，2个制动器(B1，B2)和1个单向离合器F组成，图中i为输入，o为输出。

图2 某PGT变速器等效杠杆图的转化

PGT变速器在转化为等效杠杆图时，如图2(b)所示，PGT间相互连接部分合并为一个点，并用一水平线表示连接点，调整力臂长度，使连接点间的公共长度相等，图中虚线部分即为图2(a)中PGT结构的等效杠杆图，在此基础上加上接合元件并标明输入和输出即得PGT变速器整体的等效杠杆图。

1.3 PGT变速器等效杠杆转速分析

利用等效杠杆图建立等效杠杆转速线图，能够清楚表达自动变速器在各挡位状态下，输出端的转速大小和方向。图2中自动变速器的等效杠杆转速线图如图3所示。图中：坐标系XOY的X表示构件转速的方向和大小；设输入转速为1，X=1的直线则表示输入构件转速；Y轴代表制动构件的0转速；斜线为各挡位转速线；各挡位转速线与过输出点的长横线的交点位置代表输出转速的大小和方向，交点位置与输出的方向及所处的挡位关系见表1。例如，转速线①表示S2为输入点，PC1PC2为制动点，与输出线交于(0,1)间，则该为减速挡。

图3 某PGT变速器等效杠杆转速线图

位置(-∞,0)(0,1)1(1,+∞)方向-+++挡位倒挡减速挡直接挡超速挡

注：输出与输入转速同向为+，反向为-。

2 变速器结构形式的确定

2.1 连接方式的确定

3排PGT有3种连接方式：串联、并联和混联[10]。其中，并联机构是指每两个相邻PGT的3个基本构件中任意连接两个，这种连接方式的传动机构整体上只有两个自由度，换挡时只需两个接合元件工作，换挡控制容易，结构尺寸较小，传动效率高。而串联机构自由度多，换挡时接合元件工作数量多，结构尺寸大，传动效率低。混联机构在结构上介于串联和并联之间，自由度通常大于或等于3，换挡时接合元件工作数量多，使得结构尺寸偏大，传动效率不高。综合以上分析，本文中3排PGT混合动力自动变速器选择并联连接方式进行设计研究。

2.2 输出点的确定

3排并联PGT的杠杆图为5节点形式，动力的输出点可有3种形式，如图4所示，图4(a)～图4(c)的输出点分别为端点E(或A)、中央点C和中间点B(或D)。

图4 五节点杠杆输出形式

根据图4(a)中转速线与输出点长横线的交点可知，以端点E(或A)为输出点的输出形式没有减速挡，不符合变速器的传动要求；以中央点C作为输出点的图4(b)可看出，中央点输出形式的减速挡间转速变化很小，而从直接挡进入超速挡时，传动比的跨度又极大，容易造成换挡冲击；而以中间点B(或D)为输出点的图4(c)则说明，该种输出形式理论上能产生6个减速挡，1个直接挡，3个超速挡和3个倒挡，且传动比变化较为合理，有多个超速挡来适应不同的车速。综合以上分析，本文3排并联PGT混合动力自动变速器选择以中间点B(或D)作为输出点。

2.3 各构件的连接方案确定

一般地，变速器要求[11-12]应至少具有1个倒挡、1个超速挡、1个直接挡和3个减速挡，且速比变化合理；各构件转速和相对转速不宜过高，PGT的迂回线不应过多，以免造成结构复杂；构件连接，以相邻同名构件相连为最好，齿圈与行星架相连或太阳轮与行星架相连次之，太阳轮与齿圈相连最差；应容易引出制动器；输出构件只能是行星架或与行星架相连的齿圈。

根据以上要求，在确定PGT为并联连接且输出点为中间点的输出方式基础上，本文中提出3排并联PGT的各构件连接方案，如图5所示。其中R1不与任何构件连接，PC1与S2相连，S1，PC2和S33者相连，R2与R3相连，PC3为输出。

图5 3排并联PGT的各构件连接方案示意图

2.4 连接方案杠杆图

根据杠杆法原理，由图5确定的3排并联PGT连接方案可转变为图6所示的等效杠杆图。将图6中PC1与S2，S1与PC2，S3和R2与R3分别合为一个节点，R1与PC3均为单独节点即形成如图7所示的杠杆转速线图，图7中a，b，1和c分别为杠杆力臂长度，且a=K1·ZS1，b=K1·ZR1=K2·ZR2，1=K3·ZR3，c=K3·ZS3，1+c=K2·ZS2。

图6 连接方案等效杠杆图

图7 连接方案杠杆转速线图

分析图7中的各转速线，发现倒挡转速线①和超速挡转速线②均为转速过大的情况，不符合实际应用要求，故设计过程取消转速线①和转速线②。

3 变速器布置形式的确定

3.1 输入元件的布置分析

HEV自动变速器的输入元件为发动机和既能作发电机又能作电动机的电机。

电机只能与齿圈或太阳轮相连[3]，应连接在能够驱动车辆起步的构件上，而且电机驱动应能实现倒挡。因此，将电机与R1相连，既能驱动车辆起步，又能实现倒挡。

在城市或其他低速行驶工况下，为降低整车油耗和排放，应使变速器尽量工作在纯电动驱动模式下。按前述方案所述电机与R1相连，变速器只能产生1个前进挡，不能满足不同行驶路段对行车速度的要求。此时增加一电机，并与R3相连，通过改变制动点的位置，可使变速器产生3个前进挡，可满足在低速行驶工况下对行车速度的要求。

发动机的连接应考虑能够使变速器实现超速，故将发动机与S1相连；在发动机驱动时，若从减速挡直接转到超速挡传动比变化范围过大，需要直接挡作为过渡，同时连接S1和PC1即进入直接挡。若在电量不足的情况下，即电机不能驱动车辆起步与后退，此时需要发动机驱动作为备用起步方案，将发动机与PC1相连亦能实现车辆的起步和倒退。

综合以上，输入元件两电机分别与R1和R3相连，发动机通过离合器分别与S1和PC1相连，形成如图8所示的输入方式，其中M1为电机1，M2为电机2，E为发动机。

图8 输入元件的布置

3.2 接合元件的布置分析

根据以上分析，该变速器有R1，R3，S1和PC1共4个输入点，因此需要采用4个离合器来实现动力的传递与分离；除PC3输出外，R1，PC1，PC2和R3均存在制动情况，因此在这些构件上分别布置1个制动器。在等效杠杆图上接合元件的布置如图9所示。

图9 接合元件的布置

3.3 变速器整体布置形式

在确定输入元件和接合元件布置的基础上，考虑变速器实际结构布置，接合变速器各构件连接方案示意图，设计HEV自动变速器的整体布置形式如图10所示。该HEV自动变速器的布置形式合理且结构紧凑。

图10 变速器的整体布置形式

4 变速器工作模式分析

4.1 纯电驱动模式

本文中提出的设计方案中有M1和M2两个电机，故有2种纯电驱动模式，传动情况见表2，M1驱动为正常起步条件下的纯电动模式，该模式以R1为输入，制动R3时驱动车辆起步，制动PC2时实现车辆倒挡；M2驱动为低速行驶工况下的纯电动模式，该模式以R3为输入，当分别制动PC2，PC1和R1时，可获得3个减速挡驱动车辆前进。

表2 纯电驱动模式传动情况

4.2 发动机驱动模式

发动机驱动有2种工作模式，其传动情况见表3。

表3 发动机驱动工作模式传动情况

当电池容量低至不足以驱动车辆起步与倒退时，这时需要发动机驱动起步，此时接合C2，以PC1为输入，制动R3即可驱动车辆起步，制动PC2则驱动车辆后退。

当纯电驱动满足不了行驶要求时，则切换至发动机驱动模式，此时保持R3制动，分离C1，接合C2，输入变为PC1，即进入发动机驱动的减速1挡；继续保持R3制动，分离C2，接合C3，输入变为S3，进入减速2挡；不制动R3，接合C2，变速器挂入3挡，即直接挡；分离C2，制动R1，进入4挡，即超速1挡；分离B1，制动PC1，进入5挡，即超速2挡。

4.3 联合驱动模式

当车辆处于加速、爬坡、重载等需要大转矩的行驶工况时，需要发动机和电机的联合驱动。由于电机具有低速大转矩和高速大功率的特性，电机的助力性能可得到充分发挥。电机在短时间内提高车辆动力性的同时，对发动机的影响较小，所以在联合驱动时，可使发动机更好地运行在高效工作区。接合C3和C4，则实现电机和发动机的联合驱动模式。

4.4 行车发电模式

当电池电量较低或负荷较低时，为保证汽车的正常行驶，并维持发动机在高效区域工作，启用电机以发电模式工作，为蓄电池充电，实现行车发电模式，各电机的工作状态见表4。

表4 行车发电模式电机工作状态

纯电动驱动时，在减速1挡和2挡时，接合C1，启用M1作为发电机，M2的一部分能量分流至M1转化为电能储存至蓄电池中。

发动机驱动时，减速1挡和减速2挡时，接合C1，M1作为发电机启用；直接挡时接合C4，M2也作为发电机启用；超速1挡时接合C4，仅启用M2作为发电机；超速2挡时接合C1再启用M1作为发电机。发动机的一部分能量分流到电机，转化为电能储存到蓄电池中。

联合驱动时，接合C1启用M1作为发电机。一部分能量分流到M1，转化为电能储存到蓄电池中。

4.5 再生制动模式

在中等制动强度及长下坡制动时，接合C1和C4，且M1与M2启用为发电机状态，则将制动产生的能量通过电机发电转化为电能存储至蓄电池中。

5 变速器传递功率流分析

5.1 变速器的拓扑结构

利用拓扑特性[14]将变速器传动方案简化为拓扑结构，本文中变速器的拓扑结构如图11所示，其中太阳轮S、齿圈R、行星架PC用方框表示，相互连接的构件用直线连接。为更直观清楚地表达传递的功率流，后续功率流的分析将不工作的接合元件和动力元件省略，并用实、虚线箭头分别表示传递功率流与回收功率流。

图11 HEV自动变速器拓扑结构

5.2 纯电驱动模式

该模式的功率流向如图12所示，其中图12(a)和图12(b)分别为正常起步状态的前进挡和倒挡；图12(c)～图12(e)分别为低速行驶工况下的减速1，2和3挡。其中图12(e)局部存在封闭功率回路：PC2→S1→PC1→S2→PC2，而造成循环功率。由于该循环功率对传动效率的影响并不大，而且该挡位传动比符合传动要求，故此种工作模式仍具有合理性。

图12 纯电动模式功率流向图

5.3 发动机驱动模式

该模式的功率流向如图13所示，其中图13(a)为倒挡，图13(b)～图13(f)为前进挡，分别为减速1与2挡、直接挡和超速1与2挡。

图13 发动机驱动功率流向图

5.4 联合驱动模式

该模式的功率流向如图14所示，传递的功率分两路传至PC3汇合输出，其中一路为M2→R3→PC3，另一路为E→S1→PC2→S3→PC3。功率回收路线亦分两路传至R1后流入M1，一路为E→PC1→R1，另一路为M2→R3→R2→PC2→S2→PC1→R1。

图14 联合驱动功率流向图

6 结论

本文中探索了基于杠杆法的HEV自动变速器的设计方法，经验证，将杠杆法原理应用到PGT混合动力自动变速器的设计过程中具有可行性，对HEV自动变速器性能进一步研究与探索提供了方便。

(1) 提出了基于5节点杠杆的HEV自动变速器的传动方案，并分析设计了动力元件、接合元件和输出可能的合理布置形式。

(2) 分析设计的HEV自动变速器具有纯电驱动、发动机驱动、联合驱动、行车发电和再生制动5种工作模式，且纯电驱动和发动机驱动分别可实现4和5个前进挡，对降低整车油耗，提高HEV动力性、延长续驶里程具有重要意义。

(3) 利用拓扑特性对该HEV自动变速器在不同工作模式进行功率流向分析，综合不同模式下各挡位的传递功率流和回收功率流，可知该HEV自动变速器整体具有较高的传递效率。

(4) 本文中提出的HEV自动变速器设计方案中在第一、二排PGT间存在叠套，使变速器实际结构具有一定的复杂性，可能会使后续变速器具体结构尺寸的设计不容易控制，并影响到变速器在实际使用过程中的可靠性、维修性。

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Design and Research of Hybrid Electric Vehicle AutomaticTransmission Based on Lever Method

Liu Jinxia1, Yu Luda1, Yu Dongyang2& Wang Yu1

1.CollegeofTransportation,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590；2.GreatWallMotorCompanyLimited,Baoding071000

In order to reduce the fuel consumption, improve the power performance and extend the driving range of hybrid electric vehicle (HEV), an automatic transmission with parallel three-row planet gear train for HEV is proposed by using the principle of lever method and based on the design requirements of HEV automatic transmission. By drawing and analyzing 5-node lever rotational speed diagram and rationally arranging power and engagement elements, the transmission is finally enabled to have five working modes：motor driving, engine driving, compound driving, driving with electricity generation and regenerative braking, in which motor driving and engine driving can have four and five forward gears respectively. The results of power flow analysis in different working modes indicate that all working modes have fairly high efficiency.

HEV automatic transmission; lever method; planet gear train; power flow

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.07.009

于鲁达，硕士，E-mail:441265440@qq.com。

*山东省自主创新专项(2013CXB40203)资助。

原稿收到日期为2016年8月8日，修改稿收到日期为2016年11月19日。