行星齒輪變速機構在新能源汽車中的應用

2020-12-03 機工教育

行星輪繫結構介紹

行星齒輪是指除了能像定軸齒輪那樣圍繞著自己的轉動軸轉動之外,它們的轉動軸還隨著行星架繞其它齒輪的軸線轉動的齒輪系統。

繞自己軸線的轉動稱為「自轉」,繞其它齒輪軸線的轉動稱為「公轉」,就象太陽系中的行星那樣,因此得名。

結構特點:

位於中心的進行自轉的為太陽輪;行星輪圍繞太陽輪公轉,同時在進行自轉;行星齒輪和相鄰的太陽輪、齒圈總是處於常嚙合狀態;結構緊湊,太陽輪、行星架和齒圈都是同心的,這就能夠取消中間軸和中間齒輪;通常都採用斜齒輪以提高工作的平穩性;行星齒輪一般3/4個,個數越多承載能力越強。

傳動組合

在包含行星齒輪的齒輪系統中,傳動原理與定軸齒輪不同。

由於存在行星架,因此可以有三條轉動軸允許動力輸入/輸出,還可以用離合器或制動器之類的手段,在需要的時候限制其中一條軸的轉動,只剩下兩條軸進行傳動。

因此,互相嚙合的齒輪之間的關係可以有多種組合:

(1)動力從太陽輪輸入,從外齒圈輸出,行星架通過機構鎖死;

(2)動力從太陽輪輸入,從行星架輸出,外齒圈鎖死;

(3)動力從行星架輸入,從太陽輪輸出,外齒圈鎖死;

(4)動力從行星架輸入,從外齒圈輸出,太陽輪鎖死;

(5)動力從外齒圈輸入,從行星架輸出,太陽輪鎖死;

(6)動力從外齒圈輸入,從太陽輪輸出,行星架鎖死;

(7)兩股動力分別從太陽輪和外齒圈輸入,合成後從行星架輸出;

(8)兩股動力分別從行星架和太陽輪輸入,合成後從外齒圈輸出;

(9)兩股動力分別從行星架和外齒圈輸入,合成後從太陽輪輸出;

(10)動力從太陽輪輸入,分兩路從外齒圈和行星架輸出;

(11)動力從行星架輸入,分兩路從太陽輪和外齒圈輸出;

(12)動力外齒圈輸入,分兩路從太陽輪和行星架輸出。

速比如何計算-單排行星齒輪機構

固定三個元件中的任意一個,其它兩個元件都可以輸出恆定的傳動比;

沒有元件固定,其中兩個元件相固聯後帶動另一個輸出;

Note: 詳細速比推導過程請參考網上資料

相對運動

對於相對運動,也就是以行星架為參照,各輪傳動可視為定軸輪系,存在一定的轉速關係:

式中----太陽輪相對行星架的轉速

----齒圈相對行星架的轉速

K----齒圈齒數和太陽輪齒數之比,稱為行星排特性參數

橫坐標代表傳動比;

縱坐標代表齒輪轉速和旋轉方向;

速度圖解法

相對於分析法,圖解法不只局限於數學上的理解,其更為直觀,各構件的轉速一目了然。隨著CAD技術的普及,原來計算結果不精確的情況也大為改善。

由《理論力學》中的剛體平面運動原理,可將物體的平面運動簡化為平面圖形的運動。當平面圖形運動時,在每一時刻都有一個瞬時轉動中心,即圖形繞著一個速度等於零的點轉動,這個點稱為絕對瞬心。應用這個原理來繪製平面圖形運動的速度圖的方法,稱之為速度圖解法。

為了便於理解,分析前, 先看一下車輪子沿水平路面作等速直線純滾動的情況。車輪的滾動情況與行星輪有一定的相似之處, 平直的路面可以看作半徑為∞的圓周, 而行星輪只不過是在有限半徑的圓周上滾動罷了。

車輪前進示意圖

速比如何計算-單排行星齒輪機構

通過推導,最終得到我們需要的行星齒輪機構運動規律公式,如下所示:

AT變速器速比計算-1擋

行星輪系的運動規律方程式:Ns+a*Nr-(1+a)*Nc=0

其中:N1、N2、N3分別表示前排/中排/後排元件,a為齒圈與太陽輪的齒數比;

Ns、Nr、Nc分別表示太陽輪/齒圈/行星架的轉速.

自動模式1擋時,C1和F3起作用,Ns1=Ns2=Ns3、Nc2=Nr3=0

前排太陽輪輸入,行星架(固連中排齒圈)和齒圈空轉;

中排太陽輪輸入,行星架固定,齒圈(固連前排行星架)空轉;

後排太陽輪輸入,齒圈固定,行星架輸出.

速比i=輸入/輸出=Ns1/Nc3= Ns3/Nc3 =(1+a3)=1+78/30=3.6

速比如何計算-DCT/MT

MT/DCT變速器的速比直接是齒輪齒數比得到擋位齒輪的速比;

行星輪繫結構的應用

行星齒輪機構的應用首先會想到AT自動變速器,發動機出來是液力變矩器,然後是行星齒輪組,排列組合產生數個速比

行星輪繫結構在新能源汽車中的應用

豐田的THS系統(Toyota Hybrid System)

齒圈連接驅動電機,行星架連接發動機,太陽輪連接發電機/啟動電機;

兩個電機同軸布置;

E-CVT的結構非常的簡單,僅僅由外齒圈(這裡的外齒圈同時連接2號電機和輸出軸)和行星齒輪架(連接發動機)和太陽齒輪(連接1號電機)組成,即動力傳遞流為:2號電機—外齒圈—輸出軸,同時由於行星齒輪組的存在,故亦有:發動機—行星組—外齒圈—輸出軸。

Power-Split 結構

發動機連接行星架;

發電機連接太陽輪;

齒圈與動力輸出相連;

兩個電機非同軸布置;

發動機啟動——混動車型相對於傳統動力汽車是沒有啟動電機的,那混動車如何啟動發動機呢?

當齒圈固定不動(即車輪不動)時,只有行星齒輪的自轉,太陽齒輪(發電機/啟動電機)才可以帶動架(即發動機)轉動,這個過程即啟動發動機過程;

此時電動機沒有啟動。

有了行星齒輪的自轉,當齒圈(MG2)正轉時,太陽齒輪(MG1)也可以反轉。反之,而當齒圈(MG2)反轉時,恆星齒輪(MG1)又可以正轉。

又比如,外齒圈和太陽齒輪同向轉動時,行星齒輪可以不自轉,只公轉,從而帶動汽油機轉動。當行星齒輪座不轉時,齒圈和太陽齒輪仍可以自由轉動。正是因為行星齒輪組的這個巧妙的特性,發動機、車輪、電動機才能時時連接在一起運轉而又能互不幹擾,故此省去了離合的結構。

純電驅動模式

在動力電池電量充足且功率需求較小(如輕加速或穩定加速時),進入純電工作模式

倒擋時,控制系統控制反向供給電壓,實現電動機反轉,實現倒擋

動力流(如左圖所示):

高壓電池→電動機→齒輪組→傳動軸→ 驅動輪

此時:發動機靜止,發電機空轉,電動機驅動

能量回收(Regenerative braking)

在踩下制動踏板或鬆開加速踏板時。發電機停止噴油,電動機工作於發電機模式,將動能轉化電能向電池充電,以備後用

動力流(如左圖所示) :

車輪→斜齒輪組→電動機→高壓電池

此時:發動機不工作,發電機空轉,電動機發電

為高壓電池充電

動力流(如左圖所示):

發動機→行星齒輪組→發電機→高壓電池

此時:發動機工作,發電機發電,電動機驅動靜止

來源:驅動視界

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