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邁銳寶XL行星排齒輪測繪及工作原理分析

2022-02-08 12:57:50·  來源：汽車動力總成  
　
01、概述說起混動，人們首先想到的是豐田Prius，其實還有一位優(yōu)等生——通用Volt，沃藍達變速箱共迭代了兩次，在通用內(nèi)部第一代命名為4ET50，第二代命名為5ET50
01、概述
說起混動，人們首先想到的是豐田Prius，其實還有一位優(yōu)等生——通用Volt，沃藍達變速箱共迭代了兩次，在通用內(nèi)部第一代命名為4ET50，第二代命名為5ET50。
圖1 Volt第一代和第二代DHT
關(guān)注混動發(fā)展，了解這段歷史的人們都知道，豐田于1995年在東京車展上推出第一代Prius，并于1996年提出THS-Ⅰ的專利，1997年P(guān)rius正式上市。同樣，通用在混動上的研究也不差。幾乎和豐田THS同步，通用于1995年即提出自己的功率分流方案專利申請，2001年Volt-Ⅱ的方案就已經(jīng)成型，2007年底特律車展上Volt-Ⅰ揭開面紗，2010年11月Volt-Ⅰ在北美上市，2016年10月Volt-Ⅱ正式推出。5ET50分別搭載于凱迪拉克CT6、別克君越和邁銳寶XL上面，本文的齒輪測繪即基于混動版邁銳寶XL行星排開展，并分析其工作原理。
圖2 邁銳寶XL 混動版
Volt-Ⅱ的特點是雙電機系統(tǒng)，采用兩個簡單行星排的組合，有一個制動器、一個離合器、一個多模離合器?？蓪崿F(xiàn)兩種純電模式，一個輸入動力分流模式(ECVT1)，一個固定速比模式，一個復(fù)合動力分流模式(ECVT2)。功率分流模式高效運行兼顧了經(jīng)濟性，固定傳動比模式大扭矩輸出兼顧了動力性，0-100kph加速時間為8.8s，百公里油耗為4.3L，其動力系統(tǒng)參數(shù)見下表。
表1 邁銳寶動力系統(tǒng)性能參數(shù)
02、行星排齒輪測繪
邁銳寶XL混動系統(tǒng)DHT的剖視面圖如下
圖3 5ET50剖面圖
為了闡述方便同時為了避免混淆，對5ET50行星排進行編號命名，見如下結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 結(jié)構(gòu)簡圖
限于篇幅，這里直接給出測繪和計算的結(jié)果，略去繁瑣的測量和計算過程，具體參見表2和表3
表2 PG1齒輪參數(shù)測繪表


PG1太陽輪、行星輪和齒圈測繪齒形同實物對比見圖5、6、7

圖5 PG1太陽輪測繪齒形和實物對比



圖7 PG1大齒圈測繪齒形和實物對比
表3 PG2齒輪參數(shù)測繪表


PG2太陽輪、行星輪和齒圈測繪齒形同實物對比見圖8、9、10

圖8 PG2太陽輪測繪齒形和實物對比

圖9 PG2行星輪測繪齒形和實物對比
圖10 PG2內(nèi)齒圈測繪齒形和實物對比
03、工作模式分析
觀察圖4，邁銳寶XL混動箱的連接方式是發(fā)動機ICE動力經(jīng)過扭轉(zhuǎn)減振器后和PG1的齒圈R1相連，S1連接輔助電機MotorA，PC1和PC2共軸并通過鏈條傳動將動力輸出到和差速器相連的行星排，S2連接驅(qū)動電機MotorB，PG2的內(nèi)齒圈R2可以通過制動器B1固連到殼體，同時R2又通過離合器C1實現(xiàn)和PG1的太陽輪S1相連。
除駐車充電、能量回收外，該箱共有5種常用的工作模式，其中兩種純電動模式，分別定義為EV1和EV2，EV1是輔助電機A驅(qū)動，EV2為驅(qū)動電機B驅(qū)動。邁銳寶DHT取消了單向離合器，因為沒有了大小電機共同驅(qū)動的模式，不用擔(dān)心發(fā)動機被反拖的情況，所以取消了單向離合器。HEV有三種模式，輸入動力分流模式定義為ECVT1，固定速比模式定義為HEV，復(fù)合動力分流模式定義為ECVT2。其控制策略是在0~60kph大扭矩或者20~40kph小扭矩時使用ECVT1模式，在70~110kph大扭矩或者40~60kph小扭矩時使用HEV模式，在大于110kph大扭矩或者大于60kph小扭矩時使用ECVT2模式。模式切換邏輯見表4
表4 邁銳寶XL模式切換邏輯
EV1模式的杠桿圖，功率流如圖11所示

圖11 EV1模式
上圖中EM1為MotorA，EM2為MotorB。i1=ZR1/ZS1，結(jié)合表2齒數(shù)信息，i1=86/46=1.87。i2=ZR2/ZS2，結(jié)合表3齒數(shù)信息，i2=81/39=2.08。EV1因R1和發(fā)動機連接，此時發(fā)動機曲軸的摩擦力使得R1固定不動提供支點，速比i=ns1/npc1=i1+1=2.87。
EV2模式的杠桿圖，功率流如圖12所示

圖12 EV2模式
當(dāng)車速進一步增加，需求扭矩增大，發(fā)動機介入，進入輸入功率分流模式，功率流和杠桿姿態(tài)如圖13所示

圖13 ECVT1模式
ECVT1模式為輸入動力分流，發(fā)動機能量在PG1行星排上被分成兩路，一路為機械路徑直接通過PC1輸出驅(qū)動車輛，另一路為電功率，驅(qū)動EM1轉(zhuǎn)子切割磁感線發(fā)電，電能或用于儲存(SOC低于設(shè)定值時)或用于驅(qū)動EM2電機進而驅(qū)動車輛。
固定速比HEV模式，B1和C1同時閉合，此時S1和R2同軸，PC1和PC2同軸，杠桿圖可以方便的用四軸系統(tǒng)描述，具體見圖14

圖14 固定速比HEV模式
固定速比模式時，EM1空轉(zhuǎn)，EM2有三種狀態(tài)，當(dāng)SOC值較低時，EM2被發(fā)動機驅(qū)動對電池進行充電；當(dāng)EM2和EM1一樣空轉(zhuǎn)時，發(fā)動機直驅(qū)；當(dāng)SOC值較高時，EM2電動助力和發(fā)動機共同驅(qū)動車輛。

圖15 ECVT2模式
ECVT2模式是復(fù)合動力分流模式，所謂“復(fù)合”包含著這樣的涵義，即至少有兩種單一分流模式組合在一起。ECVT2正是這樣，它由輸入和輸出兩種分流模式復(fù)合，見圖15。
04、關(guān)于復(fù)合動力分流的討論
復(fù)合動力分流有個很神奇的特點，EM1和EM2的角色會隨著速比的變化而相互轉(zhuǎn)變，也即在某一時刻，EM1為發(fā)電，EM2為電動，而隨著車速的增快，下一時刻，EM1轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?，而EM2則轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電。下面根據(jù)5ET50行星排齒輪參數(shù)，在軟件中繪制電機EM1的功率占比曲線，結(jié)合功率比曲線討論EM1和EM2的角色互換。

圖16 復(fù)合動力分流杠桿模型
圖16是基于5ET50繪制，在杠桿圖上設(shè)輸出端到發(fā)動機距離為單位1，到EM1距離為a，到EM2距離為b，這里a=i1=-1.87(負(fù)號表示EM1在輸出端左側(cè))，b=|i1*i2|=3.89，則有如下公式

上式中，i是發(fā)動機轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)速的比值，也就是速比，η是EM1和EM2能量轉(zhuǎn)換時的效率，αE1是EM1的電功率和發(fā)動機功率的比值，根據(jù)上述公式，得到如下曲線

圖17 復(fù)合動力分流模式下電機EM1功率和發(fā)動機功率的比
圖17中，在A點的右側(cè)，速比較大，車速較慢，此時EM1電功率＜0，也就是說EM1處于發(fā)電狀態(tài)，假設(shè)不考慮電池的充放電，顯然EM1 發(fā)的電能只能由EM2來消耗，也就是說EM2必然處于電動狀態(tài)，事實上將αE1和αE2繪制在一張圖上看得更為清晰，見圖18

圖18 復(fù)合動力分流模式下電機EM1、EM2功率和發(fā)動機功率的比
再看圖17，A點右側(cè)時的杠桿姿態(tài)見圖16，此時的功率流向如圖19所示。

圖19 點A右側(cè)時的功率流
解釋一下圖19，發(fā)動機功率①在PG1行星排上被分成②③兩路，第②路又被分成④⑤兩路，第④路驅(qū)動EM1發(fā)電，電能用于EM2的驅(qū)動，是為第⑥路，⑤和⑥兩路在PG2上匯流成第⑦路，最后③和⑦兩路匯合成⑧輸出。該狀態(tài)下，PG1為輸入動力分流，PG2為輸出動力分離，兩種單一分流模式合在一起，故稱為復(fù)合動力分流。
當(dāng)車速進一步增加，速比減小，越過A點，此時EM1電功率＞0，在AB之間，也就是說EM1處于電動狀態(tài)，由圖18知，EM2為發(fā)電狀態(tài)，杠桿姿態(tài)如下圖

圖20 復(fù)合動力分流模式AB之間杠桿姿態(tài)
此時的功率流如圖21所示
圖21 AB之間時的功率流
比較圖21和圖19，功率流截然相反，發(fā)動機功率①在PG1行星排上和功率流②匯聚成③輸出，顯然這是輸出動力分流模式。第③路又被分成⑦⑧兩路，支路⑧直接輸出，支路⑦進入PG2行星排后分成⑤和⑥兩路，顯然這是輸入動力分流。第⑥路驅(qū)動EM2發(fā)電，產(chǎn)生的電能驅(qū)動EM1，是為第④路，④和⑤匯流成第②路。與圖19不同的是該狀態(tài)下，PG1為輸出動力分流，PG2為輸入動力分離，它們組合在一起也稱為復(fù)合動力分流。
總結(jié)下來，所謂復(fù)合動力分流就是將單一的輸入或是輸出動力分流組合在一起，根據(jù)效率高低擇優(yōu)進行單獨或是組合使用，以達到高效省油的目的，這也是復(fù)合動力分流DHT設(shè)計的初衷。
05、總結(jié)
雖然通用在2019年因研發(fā)資源向純電動傾斜而終止了包括Volt、Malibu在內(nèi)的混動車型，但是5ET50任然是一款及其優(yōu)秀的變速箱，值得我們研究學(xué)習(xí)。4ET50是業(yè)界首次使用輸出動力分流量產(chǎn)的DHT，具有極大的創(chuàng)新，豐富了功率分流的使用范圍。不管是4ET50還是5ET50，其對性能的不斷追求，值得我們投去敬意的一瞥。
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