多功能油液混合动力汽车传动系统

冯晓华　陈星昊　陈斌

摘 要：火力发电占比大污染大，电动汽车动力元件功率密度小，制动能量回收能力小。液压传动功率密度大，能量转换、蓄能、再生效率高特点，推出具有缓冲离合器、两级扭矩变化、制动能量回收再生功能于一體的行星差动齿轮泵（马达），以该元件为核心，添加比例变量泵、蓄能器、阀控系统组成无级变速混联式油液混合动力汽车传动系统。

关键词：电能污染；行星差动齿轮泵；液压机械无级变速；汽车油液混合动力；制动蓄能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.036

1 前序

本文针对目前我国煤电占总电力比例大，使用电动汽车既不节能又不减排，仅仅转移了污染。油电混合动力汽车又存在电磁动力元件功率密度低，制动能量转换和回收能力小、储存效率低、节能效果不明显的缺陷，介绍一种具有缓冲离合器、两级扭矩变化、制动能量回收再生功能于一体的行星差动齿轮泵（马达），以该元件为核心，添加比例变量泵、蓄能器、阀控系统，组成无级变速、功率分流（混联式）油液混合动力汽车传动系统。该系统具有液压传动功率密度大，能量转换、蓄能、再生效率高的优点，是目前汽车提高动力性能和节能减排最有效的方案。

2 汽车动力传动系统节能途径

汽车动力传动系统节能途径有两个，一是让发动机工作在万有特性图所表述的高效区附近，二是将制动动能回收，在起动和加速时再生为驱动力。从发动机万有特性图可以看出，现有的内燃机高效工作区在最大扭矩的70-90%且转速在2500-3300r/min的封闭区域内，而现有单一动力形式的汽车，为了具备更好加速动力性能，都将发动机功率高配，其结果是发动机长期工作在低速低输出扭矩状态，远离发动机的高效工作区，平均效率只有最高效率的60%-80%。如果把发动机的功率减小到略高于匀速运动所需的功率，加速动力由另一套动力装置迭加提供，让发动机长时间工作在高效区，这样可降低油耗20-30%。

3 汽车混合动力方案

从目前技术应用来看，汽车混合动力方案主要有两种：油电混合、油液混合。

油电混合方案，其节能原理主要是减小发动机排量，使发动机在更多的时间工作在万有特性图所表述的高效区附近工作，起动及加速动力不足部分由电动动力补充。但受限于发电机功率及电磁原件储能效率，同时要满足汽车刹车性能，要有效回收制动大功率能量很困难。

油液混合方案利用液压传动功率密度大，能量转换、蓄能、再生效率高特点，不但能通过减小发动机排量方法，提高发动机工作效率，还可最大程度回收、储存、再生制动能量。对长时间行驶在城市道路的车辆，节能减排效果尤为突出，城市公交车采用油液混合动力驱动，可节油40%以上，经济效益和社会效益尤其是突出。

4 汽车油液混合动力的类型

油液混合动力分串联、并联、混联式三类。串联式效率低，不适合在汽车中使用，并联式具有结构简单，联接方便，成本低廉等优点，但汽车原有的传动系统必须保留，机构占空间大、自重大。混联式是在液压机械无级变速传动基础上，添加蓄能、阀控、装置组成，不需保留汽车原有的传动系统，具有无级变速功能，能量转换、蓄能、再生效率高，是油液混合动力的发展方向。

5 液压机械无级变速定义及背景技术

液压机械无级变速传动分为汇速类和分速类两大类型，行星差动轮系直接与动力输入端相联，行星差动轮系对输入动力分速，定义为分速类。如图1。

行星轮系与动力输出端相联，机械输入动力和液压动力在行星差动轮系汇速输出，定义为汇速类。如图2。

分速类变量马达在输出轴，转速随输出轴转速变化，变量马达排量较大，定量泵排量小，制动和起动时可由两个泵同时提供扭矩，并可通过行星差动齿轮泵的串并联分级变换和调整变量泵排量实现扭矩连续无级变化，提高了操控性和乘坐舒适感。汇速类液压机械无级传动，变量马达在输入端，转速等于输入轴转速，变量马达排量小，定量泵排量大，变量马达工作在高速、高效状态。由于变量马达在输入轴排量又小，制动时所能提供的扭矩小，因此制动必须靠行星差动齿轮泵的串并联变换提供制动扭矩，扭矩有阶越变化，乘坐舒适感较差。

我公司在双动力输入行星差动齿轮泵（马达）基础上，根据液压机械无级变速传动特点，研发车辆用多功能行星差动齿轮泵（马达）。图3是功能图，图4是结构图。

该行星差动齿轮泵（马达）属行星差动轮系齿轮泵，机械工作原理与2K-H行星差动轮系基本相同，所不同的是内齿圈自由旋转，按机械原理分析中心太阳轮不可能传递扭矩给行星架，但该行星轮系组成行星差动轮系齿轮泵，主、被动齿轮齿面均受液压正压力作用，因此中心太阳轮能传递扭矩给行星架。液压工作原理与齿轮泵工作原理完全相同，齿轮啮合旋转，输出液压油，输入与输出转速所减少的机械能等于液压泵输出增加的液压能，输入与输出转速差越大，行星轮系中主、被动齿轮相对转速越大，输出液压流量越大。输入扭矩越大，液压压力越高，只要在输入端或输出端串接一个通轴变量泵，再将高压油通入变量泵，即组成单轴向布置、功率分流液压机械无级变速器。该产品除单轴向结构、功能众多优点外，最大进步在于将传统液压机械无级变速器三大元件减为两个，大幅减小体积和重量，降低噪音和故障率，再添加蓄能、阀控装置即组成集缓冲器、离合器、两级扭矩变化、制动能量回收再生功能于一体的多功能混联式油液混合动力驱动装置。

6 多功能混联式油液混合动力驱动装置工作原理

图5是多功能混联式油液混合动力驱动装置原理图，如图示1.发动机，2.干式单片离合器，3.制动器，4.低压蓄能器，5.行星差动齿轮泵（马达），6.控制阀块，7.通轴比例变量马达（泵），8.压力传感器，9.高压蓄能器，10.转速传感器，11.后桥。本节详细分析该驱动装置在起步、巡航、动力叠加驱动、制动四过程的工作原理。

6.1 车辆起步

起步时制动器（3）制动，行星差动齿轮泵（5）和通轴比例变量泵（7）工作在马达状态，控制阀块（6）控制高压蓄能器（9）给行星差动齿轮泵（5）和通轴比例变量泵（7）供油，根据油门踏板踩踏距离由小到大，各泵切换工作秩序为变量泵、变量泵加串接行星差动齿轮泵，变量泵加并接行星差动齿轮泵，实现启动扭矩由零至最大连续无级变化。当车速达到20-40公里/小时，干式单片离合器（2）贴合，制动器（3）分离，行星差动齿轮泵（5）进入缓冲离合器工作方式，通轴比例变量泵（7）驱动发动机（1）旋转点火，发动机起动后，立即工作在高速低扭矩状态，行星差动齿轮泵（5）与通轴比例变量泵（7）切换成液压机械无级变速器，通过转速传感器（10）监测车速自动调整变量泵排量改变传动比，排量调至零时，速比为一。倒车只需将油马达（泵）进出油口对换即可，但发动机不启动。

6.2 巡航行驶

根据转速传感器（8）反馈转速信号，控制通轴比例变量泵（7）排量，转速越低排量越大，传动比也越大，反之则反，时速达70KM/小时后，通轴变量泵（7），以小排量自循环工作，满足自身润滑，行星差动齿轮泵（5）出油口封闭，工作在联轴器状态，传动比为一，相当于手动档位车工作第5档位。

6.3 加速及动力叠加驱动

动力叠加驱动分势能释放、功率并联、功率混联三种模式。勢能释放模式与起动模式一样，发动机脱离，制动器（3）贴合，全液压大扭矩驱动，这一模式扭矩大、加速快，适合中低速段强加速超越。功率并联模式，行星差动齿轮泵以联轴器形式工作，蓄能器向变量泵输油放能，这一模式适合高速段，但扭矩偏小。功率混联模式，行星差动齿轮泵与变量泵组成液压机械无级变速，但在液压功率分流的回路上并接高压蓄能器，蓄能器可随时吸收和释放液压流量。

6.4 蓄能制动

蓄能制动过程，行星差动齿轮泵（5）和比例变量泵（7）工作在泵状态，干式单片离合器（2）分离，根据制动踏板踩踏距离由小到大，各泵工作状态依次为变量泵（7）排量由小到大，制动器（3）贴合，行星差动齿轮泵（5）串联工作，小排量向高压蓄能器（9）充油蓄能，当制动踏板行程继续加大，行星差动齿轮泵（5）切换并联工作，大排量向蓄能器（9）充油蓄能，比例变量泵（7）排量随制动踏板行程比例变排量，齿轮泵（5）与变量泵（7）合并成无级变排量，当制动踏板行程加大至下死点附近，叠加传统摩擦制动。

7 结论

由于我国电能结构煤电占75-80%，电能是污染最大的能源，大量使用电车，不但实际能耗大，污染也严重，由于电磁动力元件能量密度低，不可能有效回收大部分制动能量，因此油电混合动力方案节能能力有限。以多功能行星差动齿轮泵为核心元件组成的混联式油液混合动力驱动方案，具有功率密度大、制动能量转换、储存、再生效率高的特点，是迄今所公开的最适合汽车节能减排的驱动方案，对今后发展高效节能减排汽车具有深远意义。

参考文献：

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[2]赵应樾，陈斌.液压控制阀及其修理[M].上海：上海交通大学出版社，1999.

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[4]吴根茂，邱敏秀，王庆丰.新编实用电液比例技术[M].杭州：浙江大学出版社，2006.

作者简介：冯晓华（1972-），男，浙江义乌人，本科，工程师，研究方向：机电液一体化比例控制注塑机。