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基于行星齒輪機構的兩擋電橋傳動方案分析

2022-01-25 13:37:38·  來源：汽車動力總成  
　
01、兩擋驅動橋概述目前主流的純電動汽車均采用單電機匹配單擋減速器的結構，其原因在于，單擋減速器不需要選換擋元件，結構簡單，成本低。但是單擋減速器無法對
01、兩擋驅動橋概述
目前主流的純電動汽車均采用單電機匹配單擋減速器的結構，其原因在于，單擋減速器不需要選換擋元件，結構簡單，成本低。但是單擋減速器無法對電機的工作狀態(tài)進行有效調節(jié)，對電機的性能要求較高。有統(tǒng)計顯示某國外汽車零部件公司開發(fā)的兩擋箱，NEDC工況下百公里電耗比單擋減速器降低6.3%，續(xù)航里程增加了6.4%。多擋化將是未來電橋發(fā)展的趨勢。
基于行星齒輪機構的兩擋電橋多采用離合器、制動器等進行擋位切換，也有采用同步器進行換擋的，但極少。根據(jù)行星排的特點，通過離合器、制動器的配合使用，從而實現(xiàn)不同的傳動比。目前這種技術相對成熟，結構緊湊、換擋平順。
02、兩擋電橋傳動方案分析
2.1、奧林康兩擋混動電驅橋
奧林康提出一款兩擋混動后驅電橋，電機和后橋同軸布置，發(fā)動機動力通過一對柱齒斜齒輪（一級減速）和一對弧齒錐齒輪（二級減速）傳入到差殼，電機動力通過狗牙離合器傳遞至差殼，也就是說發(fā)動機和電機動力在差殼上耦合，然后通過半軸輸出，驅動車輛前進或后退。
圖1 Oerlikon兩擋混動后驅動橋
除了布置為P3構型外，奧林康兩擋箱稍經(jīng)改動，取消發(fā)動機輸入即可作為兩擋后驅電橋使用，也就是P4構型，本文主要討論后者。
傳動部分的核心部件為一套行星排機構，剖面圖如下

圖2 Oerlikon兩擋箱行星排
該行星排有兩個太陽輪Z1和Z5，其中Z1連接電機作為動力輸入，Z5和狗牙離合器結合后作為二擋輸出，齒圈Z2通過螺栓和殼體固連，Z3和Z4是固連在一起的雙聯(lián)行星輪。和常見行星排不同的是奧林康行星排的行星輪通過兩端的錐軸承連接到行星架上，實際上和普通行星排一樣，都是實現(xiàn)行星輪的自傳和公轉。整個行星齒輪機構可以看成是兩個行星排的組合，NGW行星排：Z5-PC-Z2，NW行星排：Z1-PC-Z2。結構簡圖如下

圖3 Oerlikon兩擋箱結構簡圖

圖4 擋位切換杠桿圖
上圖中行星排特性參數(shù)i2=Z2/Z5，i1=(Z2*Z3)/(Z4*Z1)。一擋時狗牙離合器連接行星架PC和差殼，動力從Z1傳遞至行星架PC，再經(jīng)狗牙離合器到差殼，由圖4知此時速比為

二擋時狗牙離合器連接太陽輪Z5和差殼，動力從Z1傳遞至太陽輪Z5，再經(jīng)狗牙離合器到差殼，由圖4知此時速比為

聯(lián)立上述兩式即可求得特性參數(shù)i1=10.9，i2=1.6，再根據(jù)特性參數(shù)和齒數(shù)之間的關系式就可以進行配齒，進而開展行星排的設計。
Oerlikon兩擋箱還配置了電子限滑差速器，其核心部件為圖3中所示的離合器C1。當輪胎打滑時，例如右輪陷入泥淖中，可將C1閉合，此時差速器行星架和左半邊太陽輪（左半軸）成為一體，根據(jù)行星排特性，則整個差速器整體轉動，也就是左右半軸轉速一樣，從而使整車成功脫困。
Oerlikon兩擋箱巧妙地利用狗牙離合器結合不同的行星排元件實現(xiàn)兩擋的切換，結構緊湊，扭矩密度大，但是該行星排結構復雜，裝配困難，尤其是NW行星排涉及到雙聯(lián)齒行星輪，齒數(shù)需要進行特別的設計，加工時需要對齒做標記，生產效率低。此外系統(tǒng)中用到了狗牙離合器，這種換擋元件對控制精度要求較高，需要精確測得主從動件的轉速及扭矩。換擋時主從動件的轉速差不能太大，扭矩不能過大，否則極易造成狗牙離合器失效。
2.2、保時捷Taycan后橋
Taycan后橋是一個平行軸兩擋箱，如下圖所示
圖5 保時捷Taycan后驅動橋
后橋電機的性能參數(shù)如下表
表1 保時捷Taycan電機性能參數(shù)

表2 Taycan后橋-兩擋性能提高對比

上表顯示，與單級減速器相比，兩擋箱把0-60英里/小時的加速時間減少0.3秒，100-150英里/小時的加速時間減少1.4秒，并且續(xù)航里程提升了0.3%。所以，保時捷為Taycan配備的兩擋箱，主要目的是為了提升加速性能而不是續(xù)航里程。

圖6 Taycan 后橋兩擋箱
狗牙離合器用于鎖止太陽輪，使得后橋在1擋驅動，多片離合器用于結合齒圈和太陽輪使得后橋為直接擋驅動，此外該箱還有兩對減速齒輪，結構簡圖如圖7所示

圖7 后驅動橋傳動結構簡圖
根據(jù)圖7結構簡圖，Taycan兩擋箱的一擋和二擋表現(xiàn)在模擬杠桿上見圖8

圖8 擋位切換邏輯
一擋時狗牙離合器閉合，太陽輪鎖止，離合器C1打開，設i1=(Z2/Z1)*(Z4/Z3)，則一擋速比為

其中i2為行星排特性參數(shù)，i2=ZR/ZS，根據(jù)保時捷官方公布的速比，i1=8.05，i=16，則根據(jù)上述公式，容易算出行星排特性參數(shù)約為2.013
二擋時狗牙離合器打開，多片離合器C1閉合，行星排整體轉動，此時整個傳動機構相當于一個常規(guī)的二級減速齒輪，速比i=i1=8.05
該箱的換擋元件同樣使用了狗牙離合器，帶來了控制上的困難，行星排機構采用的是雙行星輪行星排，這一點是我們對標分析中存在困惑的地方。根據(jù)上述計算，行星排的特性參數(shù)為2.013，完全可以用更簡單、更可靠、成本更低的NGW行星排替代，但是保時捷Taycan開發(fā)團隊選擇了雙星輪行星排，難道真是有錢任性？或許因為它是保時捷吧！
2.3、GKN兩擋箱
GKN的兩擋箱有同步器換擋方案，也有行星排方案，本文討論如下圖所示搭載于寶馬i8上行星齒輪機構兩擋箱，其中一擋速比17，二檔速比9.5，行星排特性參數(shù)1.79。
圖9 GKN兩擋箱——eTwinsterX

圖10 eTwinsterX剖視圖
eTwinsterX的行星齒輪機構是WW型行星排，經(jīng)過三級減速將動力傳出到差殼，第一級為直齒斜齒輪，電機的動力經(jīng)過該級減速進入到行星排進行二級減速增扭。一擋時多模離合器B1閉合鎖止小太陽輪S1，C1打開，行星架作為輸入，動力經(jīng)大太陽輪S2輸出到第三級減速齒輪，然后經(jīng)差速器到兩半軸；二擋時B1處于自由狀態(tài)，C1閉合將行星架和大太陽輪S2結合在一起，由此形成直接擋傳動，減速比由第一級和第三級決定。

圖11 一擋換擋邏輯

圖12 二擋換擋邏輯
圖11、圖12中行星排特性參數(shù)k=(ZP1/ZS1)*(ZS2/ZP2)。eTwinsterX涉及到WW型行星排的雙聯(lián)行星輪，同樣存在裝配困難的問題。根據(jù)經(jīng)驗為了解決大批量生產的問題，為了裝配時盡可能的容易，配齒時兩太陽輪要設計成行星輪個數(shù)的倍數(shù)，同時為了對齒方便，兩行星輪齒數(shù)最好設計成倍數(shù)關系。但齒數(shù)如此設計，可能會帶來NVH問題，即所謂相位同步，所以有時就不得不進行平衡折中，需要掌握好度。
2.4、FEV兩擋箱
FEV于2018年提出一款基于拉維納行星排的二合一兩擋箱樣箱，電機和減速器一體式設計，控制器采用弱連接，通過螺栓固定到主箱體上，整箱不含潤滑油重量不超過85kg。電機采用英國YASA的盤式電機，最高轉速10000rpm(現(xiàn)在看來這個轉速很低，也只能匹配兩擋箱)，最大扭矩500Nm，峰值功率300kW，持續(xù)功率150kW，最高車速＞200kph。

圖13 FEV兩擋電橋
拉維納行星排和電機同軸布置，太陽輪SS連接電機作為輸入，大齒圈R輸出動力，行星架PC通過制動器B1進行鎖止，實現(xiàn)一擋輸出，速比為12.3，太陽輪SL通過制動器B2進行鎖止，實現(xiàn)二擋輸出，速比為8.48，結構簡圖如下

圖14 FEV拉維納行星排
一擋和二擋的換擋邏輯參考圖15

圖15 FEV兩擋切換杠桿圖
圖15中is=ZR/Zss，iL=ZR/ZL，其中

圖16 平行軸減速齒輪
FEV兩擋箱采用了拉維納行星排，這種行星齒輪機構配齒設計也比較麻煩，為了避免齒圈和行星輪（雙行星排的行星輪）之間干涉，需要反復試算宏觀參數(shù)，直至找出一組間隙滿足設計要求的齒輪參數(shù)。此外由于拉維納行星排同時嚙合的齒輪對較多，也容易引起NVH問題，而且不容易通過修形進行修正，設計時需要給予足夠的重視。

2.5、舍弗勒

舍弗勒很早之前即推出過一款面向未來的純電動汽車動力系統(tǒng)——eDrive電動概念車，那還是2011年，不得不佩服舍弗勒的戰(zhàn)略眼光。他們認為通過使用可變速雙速驅動器，在混動汽車中將具有非常大的優(yōu)勢。以下為其平行軸布置的兩擋解決方案。

圖17 舍弗勒平行軸兩擋箱
舍弗勒這款兩擋箱的核心部件為NGW行星排和專門開發(fā)的一套同步器式換擋機構，為便于看清圖17中的傳動機構繪制結構簡圖如下

圖18 平行軸兩擋箱結構簡圖
換擋機構有三個位置——左、中、右，分別對應，1擋、空擋和2擋。1擋時撥叉往右撥動帶動同步器齒套往左運動，TM電機動力經(jīng)NGW進行第一級減速，齒圈鎖止，太陽輪輸入，行星架輸出，這是NGW行星排的典型功能之一，而后由正齒輪進行二級減速輸出到差殼；2擋時撥叉往左撥動帶動同步器齒套往右運動，動力由太陽輪直接輸出到二級減速齒輪，最后經(jīng)差殼到半軸輸出。
舍弗勒為該箱匹配的電機及其技術參數(shù)見下表
表3 舍弗勒平行軸兩擋電橋技術參數(shù)

顯然該方案使用NGW行星排使得結構簡單、緊湊，功率密度高，成本低，目前搭載該款減速器的國內車型有長城WEY P8以及長安CS75 PHEV
除上述正齒輪作為二級減速的兩擋方案外，舍弗勒還開發(fā)了一款峰值功率為12kW的48V電橋。包括一個電機，兩個NGW行星排串聯(lián)在一起的兩擋減速器，以及電子機械式換擋機構，見圖19

圖19 行星排方案兩擋電橋
同樣繪制上圖的結構簡圖如下

圖20 行星排兩擋方案結構簡圖
換擋機構和平行軸兩擋一樣，撥叉處于左、中、右位置時分別對應2擋、空擋和1擋。1擋時同步器右邊結合，電機驅動力經(jīng)過S1-PC1-S2-PC2，再由同步器齒套輸出；2擋時同步器左邊結合，電機動力僅由S1-PC1-R1單個行星排傳動。具體見圖21

圖21 舍弗勒行星排兩擋方案擋位切換杠桿圖
由上圖，1擋時，S1輸入動力，PC2輸出，速比為nS1/nPC2=(1+i1)*(1+i2)=15，同樣2擋時，S1輸入，輸出軸為PC1，此時根據(jù)上圖右邊杠桿，速比為nS1/nPC1=1+i1，其中i1=ZR1/ZS1，i2=ZR2/ZS2。
舍弗勒平行軸兩擋方案采用了NGW行星排，NGW是所有行星排中結構最為簡單的，成本低，大批量生產容易。但是選換擋元件采用的是同步器，換擋時存在動力中斷的情況，對控制要求較高。

2.6、馨聯(lián)動力EV3000兩擋純電動

馨聯(lián)動力成立于2013年，坐落于上海嘉定，專注于新能源電驅動總成的研發(fā)，其開發(fā)的兩擋純電動結構新穎，性能卓越，功率密度高，目前樣箱已經(jīng)搭車驗證。

圖22 EV3000爆炸圖
EV3000為三合一純電動兩擋箱，兩級減速，電機動力經(jīng)過無齒圈的拉維納行星排減速后由行星架輸出，經(jīng)過二級減速齒輪，最終由輸出到差殼，經(jīng)半軸傳遞到車輪。
小太陽輪S1連接多模離合器B1，鎖止S1提供支點，大太陽輪連接電機為動力輸入，兩個太陽輪之間布置多片離合器C1，當C1閉合，B1打開時，實現(xiàn)兩太陽輪的連接，整個行星排為一整體，形成直接檔，是為2擋。多模離合器B1的使用，可以提高系統(tǒng)效率，設置B1為常閉，2擋時B1回到中間位置，由于多模離合器沒有多片式離合器的摩擦片、對耦片等元件，所以2擋高轉速時，拖曳損失較小，對于整個系統(tǒng)的效率提升有1~2%的貢獻。

圖23 馨聯(lián)兩擋純電動樣箱
該箱電機性能參數(shù)見下表
表4 馨聯(lián)平行軸兩擋箱電機技術參數(shù)

結構簡圖見圖24

圖24 馨聯(lián)兩擋純電動結構簡圖

03、總結

基于行星排的兩擋電橋方案，有采用簡單的NGW的，有采用拉維納或變形的拉維納式的，有采用雙行星輪行星排的，有采用NW的，也有采用NW+NGW的，布置形式豐富多樣；換擋元件一般采用制動器+離合器的組合形式，當然也有同步器式的。不管是哪一種方案，目前見諸于市的多是國外公司設計生產，顯見我們的差距。


拆解分析別人的方案，也是個學習成長的過程，關鍵是要拆的清楚，學的明白，本文寫作過程中查詢了很多資料，發(fā)現(xiàn)有些文章存在誤導，需要我們有一定的辨識度。
盤點了一下目前搭車的主要的兩擋純電動，多是國外開發(fā)出品，贊嘆他們工程師的業(yè)務水平，贊嘆他們對復雜零部件的把握，尤其是行星排及精妙的選換擋方案，這些都是國內公司的短板，但他們的工程師卻運用嫻熟，各種大膽的方案層出不窮。
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