一種專用增程式減速箱的布置

周飛

（寶能汽車有限公司廣州研究院）

純電動汽車的發展受到各國政府的倡導和鼓勵，然而目前受動力電池比能量較小、價格高等因素的影響，續駛里程不能滿足遠距離出行和公交日行駛里程的需要[1-2]。為了解決人們對純電動車的“里程焦慮”，隨時為汽車補充電能，達到延長續駛里程的目的，國內各大主機廠紛紛開展了增程式汽車的研發工作。文章結合某增程式汽車機艙布置的實際項目開發經歷，基于傳統單級減速箱提出了2 種機艙布置方案并分別指出了不足，采用增程式專用減速箱提出了新的布置方案，有效解決了空間布置不足、吸能空間不足等問題。

1 傳統單級減速箱布置存在的問題

隨著增程器電動車的日益普及，增程器（傳統發動機和發電機的統稱）的布置受制于目前減速箱的結構和機艙空間，越來越難以布置及安裝。文章以2 種增程器的布置方案為例說明其缺點。

采用某SUV 車型（長×寬=4 700 mm×1 840 mm）的機艙、3 缸發動機（已用于某增程式車型）、增程器發電機、減速箱、電機做布置，其中機艙大小約為710 mm×900 mm（即機艙左右縱梁距離約為900 mm，前端冷卻模塊的風扇至前圍板的間隙約為710 mm），發動機尺寸為356 mm×445 mm×622 mm，發電機尺寸為Φ346 mm×115 mm 或Φ260 mm×283 mm，減速箱的寬度為186 mm，電機尺寸為Φ260 mm×283 mm。

1.1 布置方案1

為便于懸置的安裝及滿足布置空間的需求，需要將增程器與動力總成（即減速箱和電機）集成為一體布置在前艙，即傳統的減速箱直接通過法蘭面與增程器同軸布置，如圖1 所示。

圖1 增程器與動力總成同軸布置圖

該方案有以下2 個缺點。

1）從圖1 可知，當發動機與機艙縱梁預留20 mm的懸置安裝空間時，電機與機艙縱梁干涉嚴重，不滿足空間布置要求。即：增程器和動力總成同軸布置時需要的軸向空間較大，易與機艙縱梁干涉。

2）發動機與發電機同軸布置。發動機效率最高時的轉速一般為1 500～2 500 r/min[3]，發電機效率最高時的轉速一般為4 500～7 000 r/min。目前，市場上有較多的增程器是將發動機和發電機同軸布置，即發動機的轉速與發電機的轉速一致，如圖2 所示，致使發電機不能在最高效率狀態下工作，導致能量流失較多。

圖2 發動機與發電機同軸布置圖

1.2 布置方案2

增程器總成（主要含發動機、發電機）與動力總成（主要含電機、減速箱）分開布置，即增程器在機艙前部，動力總成在機艙后部，如圖3 所示。

圖3 增程器與動力總成前后布置圖

由圖3 可知，增程器一側可在機艙縱梁上布置懸置，另一側無法布置懸置；增程器基本與前端散熱模塊干涉，且動力總成與前圍板的間隙較小，即機艙正向安全距離較小，正碰風險較大。由圖3b 可知，減速箱垂直布置，難以滿足潤滑的需求。總結得出，該布置方案有3 個缺點：1）增程器的懸置不便布置；2）占用機艙前后空間較大，正碰時，會使動力總成對駕駛室的侵入量增大；3）減速箱布置角度為90°，即幾套齒輪基本垂直布置，不便于實現潤滑。

2 增程式專用減速箱設計原理

該減速箱較之傳統的單級減速箱多1 套齒輪，可實現傳統電動車單級減速箱的功能，還可將發動機的動力通過齒輪傳遞給發電機，并可將發動機的低轉速傳遞到發電機的高轉速，其結構如圖4 所示。

圖4 增程式專用減速箱結構示意圖

由于發電機、發動機、電機安裝在該減速箱上，使得結構更加緊湊，同時也便于懸置的安裝（即增程器和動力總成只需要3～4 個懸置安裝，且有2 個主要承載懸置安裝在機艙縱梁上）。

經過減速箱結構的改善，機艙可以滿足增程器和動力總成的布置空間要求。該減速箱可使發動機的動力有效地通過齒輪傳遞給發電機，同時也可以將電機的動力有效地傳遞給驅動軸。具體原理如圖5 所示。

圖5 增程式專用減速箱內部齒輪示意圖

發動機的動力通過發動機的輸出軸，再經過第一中間軸傳遞給發電機輸入軸，即發動機通過2 級齒輪傳遞給發電機，使發電機發電；電機的動力通過電機輸出軸經過第二中間軸傳遞給差速器，差速器再傳遞給驅動軸，使得整車行駛。

3 增程式專用減速箱優化設計

基于該減速箱的結構，可以將電機和發電機并聯安裝在減速箱的同一側，減速箱的另一側匹配發動機（國產車尚未出現這種裝配方式，進口車有類似裝配方式，但減速箱的原理不同）。圖6 示出同軸布置與專用減速箱布置的對比圖。

圖6 減速箱軸向空間布置對比圖

從圖6a 可以看出，若同軸布置，則軸向空間要求為949 mm；若使用該專用減速箱做布置，如圖6b 所示，則軸向空間要求為842 mm，較之同軸布置減小107 mm，有效節省了整車Y 向空間，避免了軸向空間較大，使得對機艙的寬度要求減小，如圖7 所示。

圖7 優化后汽車前艙布置示意圖

3.1 與布置方案1的對比

由于電機和發電機并聯布置，與同軸布置相比較，降低了對整車橫向空間的要求，避免因軸向空間不足，增程器和動力總成不能布置的情況發生。

該減速箱與發動機之間有齒輪嚙合，即存在一定的傳動比，可以通過齒輪之間的嚙合使發動機的轉速和發電機的轉速達到理想要求[4]，如圖8 所示。

圖8 優化后發動機、減速箱、發電機連接圖

其原理是通過2 級分度圓較大的齒輪和分度圓較小的齒輪嚙合，實現轉速增加，圖9 示出發動機至電機轉速傳遞路徑示意圖。通過發動機輸出軸大齒輪與中間軸的小齒輪嚙合，使轉速改變，再經過中間軸的大齒輪與中間軸的小齒輪嚙合，再次改變轉速，即發動機的轉速通過2 級齒輪嚙合，使發電機的輸出轉速與發動機輸出的轉速不一致。

圖9 發動機至電機轉速傳遞路徑示意圖

圖10 示出優化后減速箱內部齒輪嚙合示意圖。發動機通過輸入軸，將動力通過4 個齒輪傳遞到輸出軸，由于4 個齒輪的分度圓直徑不一致，即可使輸入軸和輸出軸的轉速不一致。

圖10 優化后減速箱內部齒輪嚙合示意圖

假設圖10 中1～4#齒輪的分度圓直徑（d/mm）分別為d1，d2，d3，d4，則發動機的轉速（n1/（r/min））與發電機的轉速（n2/（r/min））有如下的關系[5]：

通過調整齒輪之間分度圓直徑的比例，即可同時滿足發動機和發電機在最高效率下的轉速。如當發動機最高效率的轉速為1 500 r/min，發電機最高效率下的轉速為6 000 r/min，則將d1，d2，d3，d4分別調整為100，50，80，40 mm，即可滿足要求。

3.2 與布置方案2的對比

由于增程器與動力總成集成在一起，發動機、減速箱、發電機、電機形成一個剛體。懸置可以采用3 點或4 點布置，在電機或發電機外側、發動機外側各安裝1個承載懸置，如圖11 所示。其中左右懸置分別布置在機艙的左右縱梁側，后懸置布置在前副車架。

圖11 優化后的動力總成懸置安裝點布置圖

該方案有效地實現了1 套懸置承載2 套動力總成的方案，同時懸置便于布置。

這種布置方式較之發電機與發動機前后布置的方式，有效地節約了前后的布置空間，優化了正碰空間，減小動力總成對駕駛室的侵入，提升了駕駛安全性。該減速箱的布置，使減速箱內部的齒輪有一定的斜度，有利于減速箱內部的齒輪潤滑，設計難度大大降低。

4 結論

增程式專用減速箱通過在單級減速箱增加1 對齒輪嚙合，使發動機與發電機有效連接，節約了前艙的布置空間，可使前艙的空間與結構得到優化，有利于前艙的布置。該減速箱若能應用于實際增程式電動車，將解決增程式布置的難題，為增程式的發展推進一步。然而本設計仍有不足之處，如由于其較純電動車的單級減速箱結構更為復雜，制造難度、成本和質量會增加，工藝精度要求較高。后續可從輕量化角度著手，如選用新型材料或制造工藝，同時擴大生產，從而使得單件成本和質量得以降低。