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  • 行星齿轮变速机构在新能源汽车中的应用

    日期: 2018-10-8
    作者:


    行星轮系结构介绍

    行星齿轮是指除了能像定轴齿轮那样围绕着自己的转动轴转动之外,它们的转动轴还随着行星架绕其它齿轮的轴线转动的齿轮系统。

    绕自己轴线的转动称为“自转”,绕其它齿轮轴线的转动称为“公转”,就象太阳系中的行星那样,因此得名。

    结构特点:

  • 位于中心的进行自转的为太阳轮;

  • 行星轮围绕太阳轮公转,同时在进行自转;

  • 行星齿轮和相邻的太阳轮、齿圈总是处于常啮合状态;

  • 结构紧凑,太阳轮、行星架和齿圈都是同心的,这就能够取消中间轴和中间齿轮;

  • 通常都采用斜齿轮以提高工作的平稳性;

  • 行星齿轮一般3/4个,个数越多承载能力越强。

  • 传动组合

    在包含行星齿轮的齿轮系统中,传动原理与定轴齿轮不同。

    由于存在行星架,因此可以有三条转动轴允许动力输入/输出,还可以用离合器或制动器之类的手段,在需要的时候限制其中一条轴的转动,只剩下两条轴进行传动。

    因此,互相啮合的齿轮之间的关系可以有多种组合:

    (1)动力从太阳轮输入,从外齿圈输出,行星架通过机构锁死;

    (2)动力从太阳轮输入,从行星架输出,外齿圈锁死;

    (3)动力从行星架输入,从太阳轮输出,外齿圈锁死;

    (4)动力从行星架输入,从外齿圈输出,太阳轮锁死;

    (5)动力从外齿圈输入,从行星架输出,太阳轮锁死;

    (6)动力从外齿圈输入,从太阳轮输出,行星架锁死;

    (7)两股动力分别从太阳轮和外齿圈输入,合成后从行星架输出;

    (8)两股动力分别从行星架和太阳轮输入,合成后从外齿圈输出;

    (9)两股动力分别从行星架和外齿圈输入,合成后从太阳轮输出;

    (10)动力从太阳轮输入,分两路从外齿圈和行星架输出;

    (11)动力从行星架输入,分两路从太阳轮和外齿圈输出;

    (12)动力外齿圈输入,分两路从太阳轮和行星架输出。

    速比如何计算-单排行星齿轮机构 

    固定三个元件中的任意一个,其它两个元件都可以输出恒定的传动比;

    没有元件固定,其中两个元件相固联后带动另一个输出;

    Note: 详细速比推导过程请参考网上资料

    相对运动

    对于相对运动,也就是以行星架为参照,各轮传动可视为定轴轮系,存在一定的转速关系:

    式中----太阳轮相对行星架的转速

    ----齿圈相对行星架的转速

    K----齿圈齿数和太阳轮齿数之比,称为行星排特性参数

    横坐标代表传动比;

    纵坐标代表齿轮转速和旋转方向;

    速度图解法

    相对于分析法,图解法不只局限于数学上的理解,其更为直观,各构件的转速一目了然。随着CAD技术的普及,原来计算结果不精确的情况也大为改善。

    由《理论力学》中的刚体平面运动原理,可将物体的平面运动简化为平面图形的运动。当平面图形运动时,在每一时刻都有一个瞬时转动中心,即图形绕着一个速度等于零的点转动,这个点称为绝对瞬心。应用这个原理来绘制平面图形运动的速度图的方法,称之为速度图解法。

    为了便于理解,分析前, 先看一下车轮子沿水平路面作等速直线纯滚动的情况。车轮的滚动情况与行星轮有一定的相似之处, 平直的路面可以看作半径为∞的圆周, 而行星轮只不过是在有限半径的圆周上滚动罢了。

    车轮前进示意图

    速比如何计算-单排行星齿轮机构 

    通过推导,最终得到我们需要的行星齿轮机构运动规律公式,如下所示:

    AT变速器速比计算-1挡

    行星轮系的运动规律方程式:Ns+a*Nr-(1+a)*Nc=0

    其中:N1、N2、N3分别表示前排/中排/后排元件,a为齿圈与太阳轮的齿数比;

          Ns、Nr、Nc分别表示太阳轮/齿圈/行星架的转速.


    自动模式1挡时,C1和F3起作用,Ns1=Ns2=Ns3、Nc2=Nr3=0

    前排太阳轮输入,行星架(固连中排齿圈)和齿圈空转;

    中排太阳轮输入,行星架固定,齿圈(固连前排行星架)空转;

    后排太阳轮输入,齿圈固定,行星架输出.

    速比i=输入/输出=Ns1/Nc3= Ns3/Nc3 =(1+a3)=1+78/30=3.6

    速比如何计算-DCT/MT 

    MT/DCT变速器的速比直接是齿轮齿数比得到挡位齿轮的速比;

    行星轮系结构的应用

    行星齿轮机构的应用首先会想到AT自动变速器,发动机出来是液力变矩器,然后是行星齿轮组,排列组合产生数个速比

    行星轮系结构在新能源汽车中的应用

    丰田的THS系统(Toyota Hybrid System)

    齿圈连接驱动电机,行星架连接发动机,太阳轮连接发电机/启动电机;

    两个电机同轴布置;

    E-CVT的结构非常的简单,仅仅由外齿圈(这里的外齿圈同时连接2号电机和输出轴)和行星齿轮架(连接发动机)和太阳齿轮(连接1号电机)组成,即动力传递流为:2号电机—外齿圈—输出轴,同时由于行星齿轮组的存在,故亦有:发动机—行星组—外齿圈—输出轴。

    Power-Split 结构 

    发动机连接行星架;

    发电机连接太阳轮;

    齿圈与动力输出相连;

    两个电机非同轴布置;

    发动机启动——混动车型相对于传统动力汽车是没有启动电机的,那混动车如何启动发动机呢?

    当齿圈固定不动(即车轮不动)时,只有行星齿轮的自转,太阳齿轮(发电机/启动电机)才可以带动架(即发动机)转动,这个过程即启动发动机过程;

    此时电动机没有启动。

    有了行星齿轮的自转,当齿圈(MG2)正转时,太阳齿轮(MG1)也可以反转。反之,而当齿圈(MG2)反转时,恒星齿轮(MG1)又可以正转。

    又比如,外齿圈和太阳齿轮同向转动时,行星齿轮可以不自转,只公转,从而带动汽油机转动。当行星齿轮座不转时,齿圈和太阳齿轮仍可以自由转动。正是因为行星齿轮组的这个巧妙的特性,发动机、车轮、电动机才能时时连接在一起运转而又能互不干扰,故此省去了离合的结构。

    纯电驱动模式

    在动力电池电量充足且功率需求较小(如轻加速或稳定加速时),进入纯电工作模式

    倒挡时,控制系统控制反向供给电压,实现电动机反转,实现倒挡

    动力流(如左图所示):

     高压电池→电动机→齿轮组→传动轴→ 驱动轮

    此时:发动机静止,发电机空转,电动机驱动

    能量回收(Regenerative braking )

    在踩下制动踏板或松开加速踏板时。发电机停止喷油,电动机工作于发电机模式,将动能转化电能向电池充电,以备后用

    动力流(如左图所示) :

    车轮→斜齿轮组→电动机→高压电池

    此时:发动机不工作,发电机空转,电动机发电

    为高压电池充电

    动力流(如左图所示) :

       发动机→行星齿轮组→发电机→高压电池

    此时:发动机工作,发电机发电,电动机驱动静止


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