多功能油液混合動力汽車傳動系統

馮曉華　陳星昊　陳斌

摘 要：火力發電占比大污染大，電動汽車動力元件功率密度小，制動能量回收能力小。液壓傳動功率密度大，能量轉換、蓄能、再生效率高特點，推出具有緩沖離合器、兩級扭矩變化、制動能量回收再生功能于一體的行星差動齒輪泵（馬達），以該元件為核心，添加比例變量泵、蓄能器、閥控系統組成無級變速混聯式油液混合動力汽車傳動系統。

關鍵詞：電能污染；行星差動齒輪泵；液壓機械無級變速；汽車油液混合動力；制動蓄能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.036

1 前序

本文針對目前我國煤電占總電力比例大，使用電動汽車既不節能又不減排，僅僅轉移了污染。油電混合動力汽車又存在電磁動力元件功率密度低，制動能量轉換和回收能力小、儲存效率低、節能效果不明顯的缺陷，介紹一種具有緩沖離合器、兩級扭矩變化、制動能量回收再生功能于一體的行星差動齒輪泵（馬達），以該元件為核心，添加比例變量泵、蓄能器、閥控系統，組成無級變速、功率分流（混聯式）油液混合動力汽車傳動系統。該系統具有液壓傳動功率密度大，能量轉換、蓄能、再生效率高的優點，是目前汽車提高動力性能和節能減排最有效的方案。

2 汽車動力傳動系統節能途徑

汽車動力傳動系統節能途徑有兩個，一是讓發動機工作在萬有特性圖所表述的高效區附近，二是將制動動能回收，在起動和加速時再生為驅動力。從發動機萬有特性圖可以看出，現有的內燃機高效工作區在最大扭矩的70-90%且轉速在2500-3300r/min的封閉區域內，而現有單一動力形式的汽車，為了具備更好加速動力性能，都將發動機功率高配，其結果是發動機長期工作在低速低輸出扭矩狀態，遠離發動機的高效工作區，平均效率只有最高效率的60%-80%。如果把發動機的功率減小到略高于勻速運動所需的功率，加速動力由另一套動力裝置迭加提供，讓發動機長時間工作在高效區，這樣可降低油耗20-30%。

3 汽車混合動力方案

從目前技術應用來看，汽車混合動力方案主要有兩種：油電混合、油液混合。

油電混合方案，其節能原理主要是減小發動機排量，使發動機在更多的時間工作在萬有特性圖所表述的高效區附近工作，起動及加速動力不足部分由電動動力補充。但受限于發電機功率及電磁原件儲能效率，同時要滿足汽車剎車性能，要有效回收制動大功率能量很困難。

油液混合方案利用液壓傳動功率密度大，能量轉換、蓄能、再生效率高特點，不但能通過減小發動機排量方法，提高發動機工作效率，還可最大程度回收、儲存、再生制動能量。對長時間行駛在城市道路的車輛，節能減排效果尤為突出，城市公交車采用油液混合動力驅動，可節油40%以上，經濟效益和社會效益尤其是突出。

4 汽車油液混合動力的類型

油液混合動力分串聯、并聯、混聯式三類。串聯式效率低，不適合在汽車中使用，并聯式具有結構簡單，聯接方便，成本低廉等優點，但汽車原有的傳動系統必須保留，機構占空間大、自重大。混聯式是在液壓機械無級變速傳動基礎上，添加蓄能、閥控、裝置組成，不需保留汽車原有的傳動系統，具有無級變速功能，能量轉換、蓄能、再生效率高，是油液混合動力的發展方向。

5 液壓機械無級變速定義及背景技術

液壓機械無級變速傳動分為匯速類和分速類兩大類型，行星差動輪系直接與動力輸入端相聯，行星差動輪系對輸入動力分速，定義為分速類。如圖1。

行星輪系與動力輸出端相聯，機械輸入動力和液壓動力在行星差動輪系匯速輸出，定義為匯速類。如圖2。

分速類變量馬達在輸出軸，轉速隨輸出軸轉速變化，變量馬達排量較大，定量泵排量小，制動和起動時可由兩個泵同時提供扭矩，并可通過行星差動齒輪泵的串并聯分級變換和調整變量泵排量實現扭矩連續無級變化，提高了操控性和乘坐舒適感。匯速類液壓機械無級傳動，變量馬達在輸入端，轉速等于輸入軸轉速，變量馬達排量小，定量泵排量大，變量馬達工作在高速、高效狀態。由于變量馬達在輸入軸排量又小，制動時所能提供的扭矩小，因此制動必須靠行星差動齒輪泵的串并聯變換提供制動扭矩，扭矩有階越變化，乘坐舒適感較差。

我公司在雙動力輸入行星差動齒輪泵（馬達）基礎上，根據液壓機械無級變速傳動特點，研發車輛用多功能行星差動齒輪泵（馬達）。圖3是功能圖，圖4是結構圖。

該行星差動齒輪泵（馬達）屬行星差動輪系齒輪泵，機械工作原理與2K-H行星差動輪系基本相同，所不同的是內齒圈自由旋轉，按機械原理分析中心太陽輪不可能傳遞扭矩給行星架，但該行星輪系組成行星差動輪系齒輪泵，主、被動齒輪齒面均受液壓正壓力作用，因此中心太陽輪能傳遞扭矩給行星架。液壓工作原理與齒輪泵工作原理完全相同，齒輪嚙合旋轉，輸出液壓油，輸入與輸出轉速所減少的機械能等于液壓泵輸出增加的液壓能，輸入與輸出轉速差越大，行星輪系中主、被動齒輪相對轉速越大，輸出液壓流量越大。輸入扭矩越大，液壓壓力越高，只要在輸入端或輸出端串接一個通軸變量泵，再將高壓油通入變量泵，即組成單軸向布置、功率分流液壓機械無級變速器。該產品除單軸向結構、功能眾多優點外，最大進步在于將傳統液壓機械無級變速器三大元件減為兩個，大幅減小體積和重量，降低噪音和故障率，再添加蓄能、閥控裝置即組成集緩沖器、離合器、兩級扭矩變化、制動能量回收再生功能于一體的多功能混聯式油液混合動力驅動裝置。

6 多功能混聯式油液混合動力驅動裝置工作原理

圖5是多功能混聯式油液混合動力驅動裝置原理圖，如圖示1.發動機，2.干式單片離合器，3.制動器，4.低壓蓄能器，5.行星差動齒輪泵（馬達），6.控制閥塊，7.通軸比例變量馬達（泵），8.壓力傳感器，9.高壓蓄能器，10.轉速傳感器，11.后橋。本節詳細分析該驅動裝置在起步、巡航、動力疊加驅動、制動四過程的工作原理。

6.1 車輛起步

起步時制動器（3）制動，行星差動齒輪泵（5）和通軸比例變量泵（7）工作在馬達狀態，控制閥塊（6）控制高壓蓄能器（9）給行星差動齒輪泵（5）和通軸比例變量泵（7）供油，根據油門踏板踩踏距離由小到大，各泵切換工作秩序為變量泵、變量泵加串接行星差動齒輪泵，變量泵加并接行星差動齒輪泵，實現啟動扭矩由零至最大連續無級變化。當車速達到20-40公里/小時，干式單片離合器（2）貼合，制動器（3）分離，行星差動齒輪泵（5）進入緩沖離合器工作方式，通軸比例變量泵（7）驅動發動機（1）旋轉點火，發動機起動后，立即工作在高速低扭矩狀態，行星差動齒輪泵（5）與通軸比例變量泵（7）切換成液壓機械無級變速器，通過轉速傳感器（10）監測車速自動調整變量泵排量改變傳動比，排量調至零時，速比為一。倒車只需將油馬達（泵）進出油口對換即可，但發動機不啟動。

6.2 巡航行駛

根據轉速傳感器（8）反饋轉速信號，控制通軸比例變量泵（7）排量，轉速越低排量越大，傳動比也越大，反之則反，時速達70KM/小時后，通軸變量泵（7），以小排量自循環工作，滿足自身潤滑，行星差動齒輪泵（5）出油口封閉，工作在聯軸器狀態，傳動比為一，相當于手動檔位車工作第5檔位。

6.3 加速及動力疊加驅動

動力疊加驅動分勢能釋放、功率并聯、功率混聯三種模式。勢能釋放模式與起動模式一樣，發動機脫離，制動器（3）貼合，全液壓大扭矩驅動，這一模式扭矩大、加速快，適合中低速段強加速超越。功率并聯模式，行星差動齒輪泵以聯軸器形式工作，蓄能器向變量泵輸油放能，這一模式適合高速段，但扭矩偏小。功率混聯模式，行星差動齒輪泵與變量泵組成液壓機械無級變速，但在液壓功率分流的回路上并接高壓蓄能器，蓄能器可隨時吸收和釋放液壓流量。

6.4 蓄能制動

蓄能制動過程，行星差動齒輪泵（5）和比例變量泵（7）工作在泵狀態，干式單片離合器（2）分離，根據制動踏板踩踏距離由小到大，各泵工作狀態依次為變量泵（7）排量由小到大，制動器（3）貼合，行星差動齒輪泵（5）串聯工作，小排量向高壓蓄能器（9）充油蓄能，當制動踏板行程繼續加大，行星差動齒輪泵（5）切換并聯工作，大排量向蓄能器（9）充油蓄能，比例變量泵（7）排量隨制動踏板行程比例變排量，齒輪泵（5）與變量泵（7）合并成無級變排量，當制動踏板行程加大至下死點附近，疊加傳統摩擦制動。

7 結論

由于我國電能結構煤電占75-80%，電能是污染最大的能源，大量使用電車，不但實際能耗大，污染也嚴重，由于電磁動力元件能量密度低，不可能有效回收大部分制動能量，因此油電混合動力方案節能能力有限。以多功能行星差動齒輪泵為核心元件組成的混聯式油液混合動力驅動方案，具有功率密度大、制動能量轉換、儲存、再生效率高的特點，是迄今所公開的最適合汽車節能減排的驅動方案，對今后發展高效節能減排汽車具有深遠意義。

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作者簡介：馮曉華（1972-），男，浙江義烏人，本科，工程師，研究方向：機電液一體化比例控制注塑機。