混合動力汽車IVT構(gòu)型分析

聞勍鵬+楊樹軍+唐先智+王波

摘 要：IVT可增大傳動比的變化范圍，提高傳動系統(tǒng)的效率。本文提出6種基于IVT的雙電機(jī)混合動力構(gòu)型，建立了6種傳動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。分析了每種構(gòu)型在低速和高速模式下速比特性和功率循環(huán)特性。探明了每種構(gòu)型的傳動特點(diǎn)。選擇出一種最適合混合動力傳動系統(tǒng)的構(gòu)型。為IVT在混合動力汽車上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：IVT 混合動力汽車 功率流 行星輪系

中圖分類號：TV381 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）11（a）-0098-06

Abstract：Infinitely Variable Transmission（IVT） can increase the range of transmission ratios and raise the efficiency of powertrain. Six dual-motor hybrid power configurations based on IVT were presented. Six mathematical models of powertrain system are established. Ratio characteristics and circling power flow characteristics of each configuration under low speed mode and high speed mode are analyzed. Transmission characteristics of each configuration are proven. One of the most suitable configurations of hybrid powertrain system is selected. Lay a foundation for the application of IVT in hybrid electric vehicle.

Key Words：IVT；Hybrid electric vehicle；Power flow；Planetary gear

IVT（Infinitely Variable Transmission），即“無限變速式機(jī)械無級變速器”，通常是針對無級變速傳動（Continuously Variable Transmission，簡稱CVT）實(shí)行轉(zhuǎn)矩分流的一種布置形式。傳統(tǒng)意義上的IVT是CVT與其他機(jī)構(gòu)組合起來，實(shí)現(xiàn)最終的動力輸出。IVT不僅繼承了CVT可以無級變速的特點(diǎn)，同時還擴(kuò)大了傳動比范圍。與CVT類似，IVT可以始終令發(fā)動機(jī)在最佳工作點(diǎn)處工作。而且IVT不需要液力變矩器，所以IVT的效率比傳統(tǒng)CVT的效率更高[1]。隨著國家對新能源汽車扶植力度的不斷加大，混合動力汽車的產(chǎn)量逐年增高。目前IVT主要應(yīng)用在傳統(tǒng)汽車上，還沒有在混合動力汽車上進(jìn)行廣泛推廣。

華中科技大學(xué)的金國棟和鄧潤林[2]對全環(huán)面IVT的牽引傳動進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析。北京理工大學(xué)的陳東升和劉化雪[3]對串聯(lián)IVT傳動機(jī)構(gòu)的傳動特性進(jìn)行了分析。武漢理工大學(xué)的陸磊、王澤銘等[4]對摩擦半球式IVT的傳動特性進(jìn)行了分析。總體來說國內(nèi)的眾多論文將研究的重點(diǎn)大多放在了IVT變速機(jī)構(gòu)環(huán)面variator的動力學(xué)建模和分析上，鮮有對功率循環(huán)和效率的計算。

本文提出了6種裝有IVT的混合動力汽車構(gòu)型，這6種構(gòu)型都是將CVT與行星輪系結(jié)合起來，根據(jù)齒輪分矩，行星輪系匯速的原理實(shí)現(xiàn)無限變速。通過對比6種構(gòu)型的功率循環(huán)和效率的合理性，選出了一種效率最優(yōu)的構(gòu)型。

1 雙電機(jī)混合動力構(gòu)型

IVT是一種無限變速傳動機(jī)構(gòu)，由一個無級變速器和行星輪系組成，它可以在不改變動力輸入方向的前提下，不需要倒擋機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)倒擋。與傳統(tǒng)變速器相比，分流齒輪G和行星排分別對IVT的功率產(chǎn)生分流和匯流的作用[5]。功率分流是把CVT、行星齒輪PG和定速比齒輪結(jié)構(gòu)FR結(jié)合起來，可提高系統(tǒng)的性能，增大傳動比變化范圍，提高傳動效率。在輸入軸持續(xù)轉(zhuǎn)動的情況下，通過調(diào)整CVT傳動比可以實(shí)現(xiàn)輸出軸不動，即IVT的速比為零，從而保證減速比在無限范圍內(nèi)連續(xù)變化。由于IVT速比是連續(xù)變化的，所以IVT減速比可以達(dá)到正無窮（前進(jìn)時）和負(fù)無窮（倒車時），進(jìn)一步擴(kuò)大了傳動比范圍[6]。CVT和定軸齒輪FR分別與行星輪系的太陽輪、行星架和齒圈三者中的兩者相連即可構(gòu)成一種IVT構(gòu)型[7]。根據(jù)IVT構(gòu)型的不同，本文提出了6種混合動力汽車傳動系統(tǒng)的布置方案。混合動力汽車的6種構(gòu)型如圖1～圖6所示。圖中，PG為行星輪系；FR1為定軸齒輪1；FR2為定軸齒輪2；G為分流齒輪；L為低速離合器；H為高速離合器。

2 IVT轉(zhuǎn)矩控制原理

傳統(tǒng)變速器采用速比控制，即根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和車輪轉(zhuǎn)矩選擇特定的比值。而IVT采用轉(zhuǎn)矩控制，即根據(jù)車輪轉(zhuǎn)速和車輛需求扭矩來改變變速器的傳動比[8]。對于行星輪系而言，太陽輪、行星架和齒圈的轉(zhuǎn)速關(guān)系始終滿足：

式中，為太陽輪的絕對角速度；為行星架的絕對角速度；為齒圈的絕對速度；為齒圈與太陽輪的齒數(shù)比。根據(jù)方程（1），如果輸入轉(zhuǎn)速恒定，IVT不需要其他動力源，就可以實(shí)現(xiàn)由正向到反向的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。IVT的轉(zhuǎn)矩控制使低速模式下的汽車在動力不中斷的情況下實(shí)現(xiàn)變速器空擋狀態(tài)，并且能輸出正向和反向的傳動比，產(chǎn)生更大的輸出扭矩[9]。高速模式下，IVT切換成傳統(tǒng)變速器的工作模式，能實(shí)現(xiàn)超速傳動。

3 構(gòu)型分析

當(dāng)汽車從靜止開始啟動和由高速減速到低速之后，IVT處于低速模式。離合器H處于分離狀態(tài)，離合器L處于接合狀態(tài)。以構(gòu)型1為例，分流齒輪G將輸入動力分為兩個支路，一部分動力經(jīng)過CVT傳遞給太陽輪S，另一部分經(jīng)過定速比齒輪FR2傳遞給行星架PC，這兩部分動力在行星輪系上進(jìn)行合成，從齒圈C輸出。

在低速模式中，IVT內(nèi)部有功率循環(huán)，所以在空擋時，發(fā)動機(jī)必須輸出一部分功率來克服系統(tǒng)損耗[10]。當(dāng)IVT處于輸出正向轉(zhuǎn)速和反向轉(zhuǎn)速兩種狀態(tài)時，循環(huán)功率的大小和方向也有所不同。

低速模式下，構(gòu)型1IVT輸入功率與循環(huán)功率的比值如圖9所示。從圖中可以看出，輸入功率與循環(huán)功率的比值在空擋時最小，約為0.3。隨著車速的提高，輸入功率與循環(huán)功率的比值迅速增大。在IVT速比為0.32的時候，IVT輸入功率與循環(huán)功率比值為正無窮，隨后下降至0.8。也就是說在IVT速比為0.32時，幾乎沒有功率循環(huán)。

用同樣的方法可以計算出構(gòu)型2的輸入功率與循環(huán)功率的比值和效率，如圖11、圖12所示。

低速模式下，構(gòu)型2IVT輸入功率與循環(huán)功率的比值如圖11所示。從圖中可以看出，輸入功率與循環(huán)功率的比值也在空擋時最小，約為0.37。IVT速比為-0.4時，構(gòu)型2輸入功率與循環(huán)功率的比值為無窮大，此時IVT幾乎沒有功率循環(huán)。

帶有行星輪系的變速器通常以行星架或者齒圈作為輸出構(gòu)件。構(gòu)型3和構(gòu)型6的輸出軸與太陽輪相連，這會導(dǎo)致IVT單方向變速范圍過大，變速過于靈敏。如果采用小傳動比范圍的CVT克服變速范圍過大的缺點(diǎn)，會導(dǎo)致CVT磨損嚴(yán)重，增加了IVT的使用成本。而構(gòu)型4、構(gòu)型5和構(gòu)型6在高速模式下，IVT輸出軸與定軸齒輪FR相連，導(dǎo)致了高速模式下IVT速比固定。只有增大低速模式的最大速比，才能使得IVT平穩(wěn)的進(jìn)行模式切換。但是這會導(dǎo)致IVT內(nèi)部長時間存在功率循環(huán)，效率始終處于較低的區(qū)間。所以這3種構(gòu)型也不能成立。通過對比IVT6個構(gòu)型的結(jié)構(gòu)可以看出，構(gòu)型1和構(gòu)型2在結(jié)構(gòu)上要優(yōu)于余下構(gòu)型。從構(gòu)型1和構(gòu)型2的圖像中可以看出，在空擋時，構(gòu)型2輸入功率與循環(huán)功率的比值更大。這兩種構(gòu)型都存在效率最高的點(diǎn)，構(gòu)型1效率的最高點(diǎn)出現(xiàn)在速比為0.32處，而構(gòu)型2效率最高的點(diǎn)出現(xiàn)在速比為-0.4處。顯然，車輛在低速起步或者爬坡的時候，需要更高的效率。并且在切換模式的時候，構(gòu)型1的CVT速比是連續(xù)變化的，而構(gòu)型2的CVT速比需要在極短的時間內(nèi)從最大值變成最小值，所以構(gòu)型1模式切換時的控制更加簡單（見圖13～圖17）。

當(dāng)車輛向前行駛，駕駛員踩下加速踏板，車速不斷提高，當(dāng)車速到達(dá)低速區(qū)的最高速時，行星架、齒圈和太陽輪轉(zhuǎn)速相同。此時離合器L斷開，離合器H結(jié)合，太陽輪和行星架鎖止共速。這樣換擋的好處就在于太陽輪和齒圈共速，換擋沖擊小。切換到高速模式后，動力從輸入軸輸入，經(jīng)過定速比齒輪FR1、分流齒輪G、無級變速器CVT、太陽輪和齒圈輸出給車輪。由于L離合器斷開，所以高速模式下沒有功率循環(huán)。

4 結(jié)語

本文對提出的6種構(gòu)型進(jìn)行了分析和計算。構(gòu)型1在結(jié)構(gòu)、效率的合理性和控制的難易程度3個方面都要優(yōu)于其他5個構(gòu)型，更適用于混合動力汽車。IVT可以在不中斷動力的情況下實(shí)現(xiàn)正向行駛到停車再到反向行駛，增大了傳動比范圍。但是在傳動過程中出現(xiàn)功率循環(huán)，降低了IVT傳動效率。隨著混合動力汽車的發(fā)展，IVT憑借著結(jié)構(gòu)和傳動比范圍上的優(yōu)勢，必將會在混合動力汽車上得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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