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DHT混動(dòng)專用變速器選換擋元件設(shè)計(jì)

2022-01-22 00:23:17·  來源：汽車動(dòng)力總成  
　
前言DHT的概念是在2015年CTI柏林論壇上被提出來的，剛一提出即得到廣泛關(guān)注，事實(shí)上DHT變速器早已有之，典型的代表就是豐田的Prius，此外還有通用的Volt，上汽ED
前言
DHT的概念是在2015年CTI柏林論壇上被提出來的，剛一提出即得到廣泛關(guān)注，事實(shí)上DHT變速器早已有之，典型的代表就是豐田的Prius，此外還有通用的Volt，上汽EDU等。通常DHT采用行星排結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其緊湊性，這主要是因?yàn)樾行桥庞卸嘧杂啥?，易于?shí)現(xiàn)多動(dòng)力源的接入，無需額外增加零部件即可滿足動(dòng)力的匯流、分流、輸出。行星排和動(dòng)力源通過制動(dòng)器、離合器、單向離合器等選換擋元件制動(dòng)或結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)多種模式的驅(qū)動(dòng)，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間，提高燃油效率，因此選換擋元件作為DHT的重要組成部分，討論、掌握其設(shè)計(jì)計(jì)算尤為必要。

1.選換擋元件受力分析

1.1DHT方案簡介
新開發(fā)的DHT混動(dòng)專用箱是基于行星排的方案，如下圖1所示：
其中發(fā)動(dòng)機(jī)（命名為1軸）通過離合器C1連接到齒圈R1（命名為2軸）上、通過離合器C2連接到行星架上（命名為4軸），電機(jī)EM通過減速齒輪也連接到齒圈R1上，齒圈R1通過制動(dòng)器B1實(shí)現(xiàn)鎖止，太陽輪（命名為5軸）通過離合器C3和行星架相連、通過制動(dòng)器B2實(shí)現(xiàn)鎖止，齒圈R2（命名為3軸）通過減速齒輪連接到差速器主減齒輪輸出動(dòng)力。通過兩個(gè)制動(dòng)器B1、B2以及三個(gè)離合器C1、C2、C3的不同組合，從而實(shí)現(xiàn)2種純電動(dòng)、4種混動(dòng)、1種無級(jí)變速共7種驅(qū)動(dòng)模式。各種工作模式的換擋邏輯如表1所示：
1.2設(shè)計(jì)輸入條件
為后面各小節(jié)闡述方便，本節(jié)給出設(shè)計(jì)的初始條件，如表2：
1.3DHT工作模式簡介
了解所開發(fā)的DHT的典型工作模式，是設(shè)計(jì)選換擋元件的前提，只有清楚了各種模式下制動(dòng)器和離合器應(yīng)該執(zhí)行的動(dòng)作才能開發(fā)出符合要求的選換擋元件。本節(jié)簡要介紹本文所闡述的DHT的典型工作模式。
EV1：車輛起步時(shí)有兩種純電動(dòng)方式，其中EV1模式是將制動(dòng)器B2閉合，此時(shí)電機(jī)EM通過減速齒輪將動(dòng)力傳至齒圈R1，再經(jīng)過行星架、齒圈R2，最后動(dòng)力輸出到差速器，其直觀的杠桿圖如下：
該模式下可以列出運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，解出各個(gè)構(gòu)件的轉(zhuǎn)速：

其中C代表常量，此處n2的轉(zhuǎn)速由電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和iEM的比值確定，上述方程是一個(gè)線性方程組，如下解之：

EV2：當(dāng)車速進(jìn)一步提升，仍工作在純電模式下時(shí)，進(jìn)入EV2模式。EV2模式的杠桿圖如下：

EV2模式是C3離合器閉合，此時(shí)太陽輪和行星架成為一體。根據(jù)行星排特性，當(dāng)任意兩個(gè)行星排的基礎(chǔ)元件結(jié)合時(shí)，整個(gè)行星排即成為一體，也就是說該模式下是個(gè)直接檔。電機(jī)動(dòng)力經(jīng)減速齒輪傳到R1后，行星排作為一個(gè)整體將動(dòng)力經(jīng)由R2輸出至差速器，驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。
EV2模式的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和已知條件同EV1類似，不再贅述。
HEV1：車輛進(jìn)入混動(dòng)模式，此時(shí)B2鎖止，離合器C1結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)動(dòng)力通過齒圈R1共同驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)。杠桿圖如圖4所示：
該模式下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：
寫成矩陣形式為：

此模式下n3的轉(zhuǎn)速作為已知條件，它由車速?zèng)Q定。n3是個(gè)區(qū)間值，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的車速為v01，由HEV1模式進(jìn)入HEV2模式時(shí)的車速為v12，那么n3位于v01和v12確定的轉(zhuǎn)速之間。
HEV2：該模式下起作用的選換擋元件是B2和C2，發(fā)動(dòng)機(jī)通過C2連接到行星架上，B2鎖止太陽輪作為支點(diǎn)，其杠桿圖如下：

HEV2模式的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和HEV1類似，區(qū)別在于行星架的轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)一樣（C2連接發(fā)動(dòng)機(jī)和行星架），即n1和n4相等。
HEV3：該模式下C1和C3同時(shí)閉合，使得齒圈R1和行星架4連接在一起，根據(jù)行星排特性，此時(shí)整個(gè)行星排成為一個(gè)整體，也就是說該模式類似純電動(dòng)的EV2是一個(gè)直接檔，通過圖6的杠桿圖可以很直觀的看出：
HEV4：該模式屬于超速檔，需要閉合的選換擋元件是制動(dòng)器B1和離合器C2，如下圖：
E-CVT：該模式下閉合離合器C2，該工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的能量一部分用于發(fā)電，一部分用于驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)，因此效率較低，用于車輛起步或SOC較低時(shí)充電，杠桿圖如圖8所示：

總之上述各種模式下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可用下式表示：

其中系數(shù)矩陣AN是5×5的方陣，代表著該DHT方案的5根軸，除E-CVT模式之外，其他模式控制一個(gè)變量即可得到各元件的轉(zhuǎn)速參數(shù)。在進(jìn)行選換擋元件設(shè)計(jì)時(shí)，各元件的轉(zhuǎn)速是有限制的，一般規(guī)定選換擋元件的最大直徑處的線速度不得高于90m/s，因此必須根據(jù)已知條件利用方程（1）計(jì)算各工況下選換擋元件的轉(zhuǎn)速，以避免設(shè)計(jì)不當(dāng)，造成元件無法承受離心力而失效。

1.4選換擋元件受力分析

設(shè)計(jì)選換擋元件時(shí)，必須知道各元件傳遞的最大扭矩作為邊界條件，也就是說必須根據(jù)給定條件進(jìn)行受力分析。 限于篇幅本文僅取7種典型工況中的一種（HEV2）進(jìn)行闡述，其他模式下的受力分析與此類似。分三步進(jìn)行：第一步確定未知量，第二步列方程，第三步解方程。
一、確定未知量：
二、列方程：
上述1）~ 6）共20個(gè)方程，因此能夠解出20個(gè)未知扭矩量，其中發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的扭矩值要視實(shí)際情況確定，如：發(fā)動(dòng)機(jī)不能出現(xiàn)反拖，車輪不能打滑，等等條件，具體情況不在本文討論范圍，不再贅述。
三、解方程：
上述20個(gè)方程是一個(gè)線性方程組，列如下矩陣方程解之：
2.選換擋元件設(shè)計(jì)
2.1給定邊界條件
通過第一節(jié)的受力分析，已經(jīng)得到各個(gè)不同工況下，選換擋元件的受力限值，也就是清楚了選換擋元件所傳遞的扭矩極限值，但是還需要根據(jù)整箱（本文是DHT變速箱）給定的包絡(luò)空間、選換擋元件的材料性質(zhì)等才能進(jìn)行設(shè)計(jì)。給定邊界條件如表3所示：
上表中摩擦片外徑大小由DHT變速箱包絡(luò)空間決定，摩擦片寬度、摩擦片壓力、摩擦片最大線速度由摩擦片強(qiáng)度決定，摩擦片片數(shù)由效率決定，活塞承壓由其材料決定。

2.2制動(dòng)器、離合器尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算

限于篇幅本文僅以B1制動(dòng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算為例進(jìn)行闡述，其他選換擋元件設(shè)計(jì)計(jì)算過程與B1類似。
由第一節(jié)計(jì)算知：B1制動(dòng)器最大受力為TB1=107.51Nm，最大轉(zhuǎn)速為nB1=5500rpm；
假設(shè)摩擦片外徑為：ra=45，則根據(jù)表3，ri=34；

至此關(guān)于B1制動(dòng)器的所有設(shè)計(jì)計(jì)算完成，計(jì)算結(jié)果表明摩擦片和對(duì)偶片的尺寸符合表3的要求。此外計(jì)算過程中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先給定摩擦片和活塞的內(nèi)外徑，然后根據(jù)已知條件去求證所給定尺寸的合理性，若計(jì)算過程中出現(xiàn)尺寸不符合表3的條件，需要再次修正初始內(nèi)外徑尺寸，再次計(jì)算，直至給定的初始內(nèi)外徑符合表3要求。此外，計(jì)算了推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)需要的流量，該參數(shù)的計(jì)算為
液壓泵的選型提供參考。

3.結(jié)語

汽車行業(yè)法規(guī)政策日趨嚴(yán)格，排放政策倒逼企業(yè)深挖動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)能潛力，混合動(dòng)力技術(shù)將在行業(yè)內(nèi)贏得越來越重要的市場(chǎng)地位，DHT作為混合動(dòng)力專用變速器越來越受到主機(jī)廠的重視，尤其是隨著《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》的發(fā)布，DHT將迎來井噴式發(fā)展。發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的結(jié)合是通過行星排完成的，即通過行星排中的太陽輪、行星架、齒圈的不同鎖定方式，改變動(dòng)力流模式。而行星排中基本元件的不同鎖定方式要靠選換擋元件來進(jìn)行，因此深入研究選換擋元件的性能變得十分必要。本文基于某DHT變速器方案，分析了其工作模式，建立各元件的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程，解得各元件在不同工況下的受力情況，再根據(jù)選換擋元件的設(shè)計(jì)輸入條件，確定選換擋元件的尺寸，并進(jìn)行了理論求證，結(jié)果表明設(shè)計(jì)尺寸符合要求。
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