第四代豐田普銳斯緊湊型P610混合動力驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)及技術(shù)亮點介紹

◆編譯/江蘇 高惠民

高惠民 (本刊編委會委員)現(xiàn)任江蘇省常州外汽豐田汽車銷售服務(wù)有限公司技術(shù)總監(jiān)，江蘇技術(shù)師范學(xué)院、常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程運用系專家委員，高級技師。

一、概述

自從1997年世界上第一個大規(guī)模生產(chǎn)的混合動力系統(tǒng)被豐田汽車公司開發(fā)出來，安裝在第一代普銳斯汽車上，混合動力汽車的銷量連年增加。隨著人們對環(huán)境保護(hù)意識的提高，導(dǎo)致對環(huán)保汽車性能的要求不斷增加，要求汽車具有優(yōu)越的燃油效率和更清潔的廢氣排放以及更好的駕駛性能。本文介紹豐田在TNGA平臺上研制的第四代普銳斯緊湊型P610混合動力驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)和技術(shù)亮點。開發(fā)P610的目的是驅(qū)動橋要適應(yīng)TNGA新的平臺生產(chǎn)，減輕重量和降低機(jī)械損耗，有利于燃油經(jīng)濟(jì)性，改善噪音和振動性能，保持車輛安靜行駛。

二、基本規(guī)格及結(jié)構(gòu)

新型混合動力驅(qū)動橋的規(guī)格詳情如表1所示,圖1和圖2所示分別為P610驅(qū)動橋截面圖和示意圖。

表1 新型混合動力驅(qū)動橋的規(guī)格

圖1 P610驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)橫截面圖

P610驅(qū)動橋由扭矩減振器和4根軸組成，包括 輪組、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、主減速器齒輪和差速器齒輪。行星齒輪組的作用是動力分流裝置，它把發(fā)動機(jī)的動力分配給車輛驅(qū)動力和發(fā)電機(jī)的驅(qū)動力。電動機(jī)安裝在單獨一根軸上，與發(fā)動機(jī)輸出軸分開，作為電動機(jī)減速裝置采用平行軸齒輪結(jié)構(gòu)，中間軸從動齒輪接收發(fā)動機(jī)和電動機(jī)的動力，并把它們的動力傳遞給主減速器齒輪和差速器齒輪。

圖2 P610驅(qū)動橋齒輪嚙合示意圖

圖3 P610和P410之間的尺寸比較

圖4 帶PCU的變速驅(qū)動橋示意圖

三、緊湊和重量減輕

P610驅(qū)動橋采用行星輪系和定軸輪系相結(jié)合新型輪系，新型電機(jī)和雙軸電機(jī)結(jié)構(gòu)。雖然P610驅(qū)動橋輸出扭矩與以前第3代普銳斯P410驅(qū)動橋略有降低，卻實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊和減重。P610的總長度比P410縮短了47mm，零件數(shù)量和重量也分別減少了20%和6.3%，如圖3所示。詳細(xì)的尺寸和減重技術(shù)介紹如下。

1.PCU安裝

如圖4所示，PCU(混合動力功率轉(zhuǎn)換器)安裝在驅(qū)動橋頂部，以保持傳動系統(tǒng)緊湊性。這使得前一代普銳斯放在后行李箱里的輔助蓄電池能夠裝進(jìn)發(fā)動機(jī)艙，由此，它有助于縮短電力電纜，并擴(kuò)大了后行李箱的空間。此外，將動力總成放置在較低的位置，可以實現(xiàn)車輛較低的重心，有助于提高動態(tài)行駛性能。

2.雙軸電機(jī)結(jié)構(gòu)和電機(jī)減速裝置

在前P410驅(qū)動橋中，發(fā)電機(jī)和電動機(jī)安裝在同一軸上，采用行星齒輪作為電動機(jī)減速裝置。 P610驅(qū)動橋的雙軸電機(jī)結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)和電動機(jī)位于單獨的軸上，平行軸齒輪用作電機(jī)減速裝置，大大減少了整體長度。如圖5所示，雖然電動機(jī)最大扭矩有所降低，但可以減小電機(jī)尺寸。此外，中間軸從動齒輪嚙合來自發(fā)動機(jī)輸出驅(qū)動齒輪和電動機(jī)減速輸出驅(qū)動齒輪的新結(jié)構(gòu)也有助于縮短驅(qū)動橋總長度。因此，如上所述修改結(jié)構(gòu)，使P610驅(qū)動橋能夠安裝在新的TNGA平臺上。

3.新型電機(jī)

第四代普銳斯開發(fā)了一種新型電機(jī)，其目標(biāo)是減少機(jī)械損耗和重量。 對于驅(qū)動電動機(jī)，開發(fā)出具有分布繞組型的分段線圈定子和高速轉(zhuǎn)子。結(jié)果，與P410相比，機(jī)械損失減少了至少20%。此外，與P410相比，減小電機(jī)尺寸也有助于減輕至少21%的重量。

圖5 縮小的電動機(jī)指標(biāo)比較

圖6所示的驅(qū)動電機(jī)具有分布式繞組型分段線圈定子。該定子的主要特征如下：(1)新開發(fā)的分布式繞組旨在增加高空間系數(shù)并減少機(jī)械損耗。從圓形導(dǎo)線切換到矩形導(dǎo)線將空間系數(shù)提高了至少15%。 此外，通過分段繞組減少線圈導(dǎo)線，有助于減輕重量和銅損。(2)新開發(fā)的線圈導(dǎo)線適用于分段繞組。為了改善繞組空間系數(shù)，開發(fā)了一種新的涂層材料，可以處理匝間涂層的高電壓絕緣，并提供改善的可焊性和可加工性。(3)這種分布繞組型分段線圈具有許多線圈段通過焊接連接的結(jié)構(gòu)。在這里，使用創(chuàng)新的生產(chǎn)技術(shù)(如窄間隙多點焊接和高速線圈成型技術(shù))實現(xiàn)了批量生產(chǎn)。

圖6 電動機(jī)定子

圖7 電動機(jī)轉(zhuǎn)子

圖8 高壓電力電纜

開發(fā)出一種新型高速低損耗轉(zhuǎn)子。為了支撐如圖7所示高速轉(zhuǎn)子，采用了鎖緊螺母方法來擰緊鐵芯。此外，磁路設(shè)計上，轉(zhuǎn)子鐵芯的磁阻轉(zhuǎn)矩得到改善。 通過諸如轉(zhuǎn)速增加的措施實現(xiàn)的電機(jī)尺寸減小，結(jié)果，與P410相比，所用磁鐵的體積減少了至少15%。在減少電機(jī)損耗方面，通過優(yōu)化磁鐵位置，大大減小了磁通量的諧波分量，從而減少了鐵損。此外，開發(fā)了薄電磁鋼板和新磁鐵材料，減少了電機(jī)損耗。

如圖8所示，電力電纜開發(fā)了一種新結(jié)構(gòu)，用于將電機(jī)連接到逆變器，以滿足新的安裝要求。利用多軸布局，電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的每根電纜都縮短并集成在一起，這使得重量減輕了至少60%。

4.電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)

P610采用由發(fā)動機(jī)驅(qū)動的水泵作為發(fā)電機(jī)和電動機(jī)冷卻系統(tǒng)的流體循環(huán)結(jié)構(gòu)。 與P410相比，它具有由齒輪泵結(jié)構(gòu)，提高了冷卻效率，簡單的冷卻結(jié)構(gòu)有助于驅(qū)動橋的緊湊性和輕量化。圖9顯示了P610冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 泵出的流體由安裝在變速驅(qū)動橋外部的流體冷卻器冷卻，并通過內(nèi)置管道供給發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的定子。另外，轉(zhuǎn)子鐵芯冷卻導(dǎo)致磁體的溫度顯著降低，并且，與P410相比，磁體中稀土元素的含量減少了至少85%。

圖9 電機(jī)冷卻的概念圖

5.驅(qū)動橋差速器新結(jié)構(gòu)

P610驅(qū)動橋采用壓配和鉚接方法固定差速器殼和齒圈。圖10顯示了差速器結(jié)構(gòu)。與P410使用螺栓固定的方法相比，減少了零件數(shù)量和尺寸，從而減輕了重量。

圖10 差速器新結(jié)構(gòu)示意圖

四、機(jī)械損失減少

與P410相比，P610在綜合工況模式下減少了22%的機(jī)械損失，在NEDC(新歐洲駕駛循環(huán))模式下減少了21%。圖11顯示了變速驅(qū)動橋的機(jī)械損耗。

圖11 機(jī)械損失比較

圖12 電機(jī)減速裝置

圖13 內(nèi)置小型軸承示意圖

圖14 潤滑油液流動的概念圖

圖15 優(yōu)化中間軸從動齒輪接合力示意圖

通過圖12中所示的新開發(fā)的電動機(jī)減速裝置以及通過使用如圖13所示的支撐發(fā)動機(jī)輸出驅(qū)動齒輪的內(nèi)置軸承最小化尺寸，來實現(xiàn)機(jī)械損失減少。

圖14所示為由齒輪傳動產(chǎn)生驅(qū)動橋內(nèi)飛濺的潤滑油流體，依靠驅(qū)動橋中的油液擋板阻止流體的流動。 通過儲存和分配潤滑油的液體收集罐，優(yōu)化了齒輪和軸承的潤滑油液位。 結(jié)果使?jié)櫥X輪和軸承油液攪拌引起的損失最小化。

五、靜音

P610通過分散零部件的共振頻率，優(yōu)化套管的剛度，在減速裝置零件上加入磨削工藝，以降低NVH(NV和Harshness)。如圖15所示，通過優(yōu)化兩個齒輪嚙合點的剛性(中間軸從動齒輪與發(fā)動機(jī)輸出驅(qū)動齒輪和電機(jī)減速輸出驅(qū)動齒輪)，來實現(xiàn)以防止齒輪接合力增加的開發(fā)目標(biāo)。

六、結(jié)論

與P410驅(qū)動橋相比，新開發(fā)的P610驅(qū)動橋在諸如總長度、重量、車輛安裝、機(jī)械損失等各種性能方面具有顯著優(yōu)勢。 可以肯定的是，TOYOTA讓全球各地的客戶對配備這款新型混合動力驅(qū)動橋的車輛滿意。

譯者注：本文譯自2016年SAE論文“Development of New Hybrid Transaxle for Compact-Class Vehicles。SAE Technical Paper 2016-01-1163, 2016,doi：10.4271/2016-01-1163(開發(fā)適用于緊湊型車輛的新型混合動力變速驅(qū)動橋.sae技術(shù)論文2016-01-1163，2016，doi：10.4271/2016-01-1163)。此外，國內(nèi)新上市豐田AVALON亞洲龍混合動力版采用的P710驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)與P610完全相同，只是一些部件參數(shù)有所不同。