從傳動(dòng)系統(tǒng)角度簡(jiǎn)述普銳斯的優(yōu)缺點(diǎn)

馮浩成，侯旭輝，拜鼎邦，嚴(yán)思敏，王凱峰

（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710119）

前言

自1997年推出后，普銳斯目前已發(fā)展二十余年。目前，普銳斯第一混動(dòng)的地位已無(wú)人能夠撼動(dòng)[1]。這一殊榮的背后有眾多原因，有普銳斯優(yōu)秀的阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)[2]、較好的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，最重要的是其天才般創(chuàng)意的混動(dòng)系統(tǒng)，豐田一般稱(chēng)之為T(mén)HS（Toyota Hybrid System）。THS的結(jié)構(gòu)組成較為簡(jiǎn)單，由單級(jí)行星排將發(fā)動(dòng)機(jī)、MG1、MG2連接起

1 普銳斯傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 行星排的轉(zhuǎn)速與扭矩計(jì)算方法簡(jiǎn)述

左圖為常見(jiàn)的單級(jí)行星排結(jié)構(gòu)。為簡(jiǎn)化分析，行星排常被處理成圖1中右邊所示的杠桿結(jié)構(gòu)。我們常用A來(lái)代替齒圈，PC代替行星架，S代表太陽(yáng)輪。若太陽(yáng)輪的齒數(shù)標(biāo)記為ZS，齒圈的齒數(shù)標(biāo)記為ZA，則行星排的傳動(dòng)比，對(duì)于THS，k＞0。

圖1 行星排及其杠桿原理圖

1.1.1 行星排轉(zhuǎn)速計(jì)算方法

當(dāng)行星排中兩個(gè)零件的轉(zhuǎn)速固定時(shí)，通過(guò)杠桿原理圖可以很輕松得到另一個(gè)零件的轉(zhuǎn)速。在圖2中，水平線(xiàn)的長(zhǎng)度就是該構(gòu)件的轉(zhuǎn)速大小，當(dāng)確定轉(zhuǎn)速nA和轉(zhuǎn)速nPC后，可以由相似三角形原理得到太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速nS=（k+1）nPC-k·nA。

圖2 杠桿法分析轉(zhuǎn)速示意

nS——太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速；nA——齒圈轉(zhuǎn)速；nPC——行星架轉(zhuǎn)速。

1.1.2 行星排扭矩計(jì)算方法

行星排中零部件承受的扭矩大小在數(shù)值上則存在如下關(guān)系：

Ts——太陽(yáng)輪扭矩；TA——齒圈扭矩；TPC——行星架扭矩。

1.2 THS的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

圖3表示THS的連接方式。發(fā)動(dòng)機(jī)連接行星架，MG1連接太陽(yáng)輪，MG2連接齒圈[2]。其中，MG1作為發(fā)電機(jī)使用，MG2即可作為電動(dòng)機(jī)也可作為發(fā)電機(jī)。MG2通過(guò)定軸齒輪或傳動(dòng)帶將轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞至車(chē)輪。

圖3 THS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

2 THS的優(yōu)點(diǎn)

2.1 THS可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速

由于在THS中發(fā)動(dòng)機(jī)和兩個(gè)電機(jī)是通過(guò)行星排連接在一塊的，所以車(chē)速需要上升或下降時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速或調(diào)節(jié)MG1的轉(zhuǎn)速來(lái)改變MG2的轉(zhuǎn)速，從而改變車(chē)速[3]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)處于高效區(qū)時(shí)，可以通過(guò)改善MG1的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)MG2；也可以保持MG1轉(zhuǎn)速不變，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速重新調(diào)整到新的高效區(qū)來(lái)調(diào)節(jié)MG2；也可以同時(shí)改變MG1和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2.2 THS不需變速箱

其他混動(dòng)系統(tǒng)如i-DCD（本田DCT的混動(dòng)系統(tǒng)）、基于AT或AMT的P2混動(dòng)系統(tǒng)為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)在HEV模式下可以工作在高效區(qū)，都無(wú)法離開(kāi)變速箱。變速箱的存在就勢(shì)必會(huì)增加換擋沖擊的可能，導(dǎo)致頓挫感的產(chǎn)生。當(dāng)前僅有iMMD（本田的一種混動(dòng)系統(tǒng)）不需要變速箱，因?yàn)閕MMD在混動(dòng)模式下是增程式的。

2.3 THS無(wú)分離離合器

這里的分離離合器指的是發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間的離合器。在基于AT或AMT的混動(dòng)系統(tǒng)中，分離離合器的結(jié)合可以使車(chē)輛進(jìn)入混動(dòng)系統(tǒng)。

分離離合器常為濕式摩擦片式的離合器結(jié)構(gòu)。當(dāng)汽車(chē)處于蠕行階段（HEV，車(chē)速≤5km/h）時(shí)，必須依靠分離離合器的滑摩才可以保證車(chē)輛前進(jìn)，此時(shí)，滑摩會(huì)產(chǎn)生大量的熱，且會(huì)對(duì)摩擦片的壽命具有一定的影響[4]。

其次，當(dāng)需要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，基于AT或AMT的混動(dòng)系統(tǒng)也需要利用滑摩將發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)到1000rpm左右進(jìn)行點(diǎn)火，這也會(huì)使摩擦片的壽命在一定程度上降低。普銳斯只需要利用MG1將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高到發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火轉(zhuǎn)速即可，省去了分離離合器這一結(jié)構(gòu)。

3 THS的缺點(diǎn)

3.1 扭矩、功率分流

根據(jù)公式（1），行星排中一個(gè)零部件如果受到扭矩，那其他零部件也會(huì)因扭矩平衡受到一定比例的扭矩。所以，在HEV模式下當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)提供一定的扭矩T發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，可以傳到MG2的扭矩僅為，另外有的扭矩傳遞到MG1，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩不會(huì)完全傳遞到車(chē)輪，而像基于AT或AMT的P2混動(dòng)系統(tǒng)則可以完全利用發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩。

因?yàn)樾行桥沤Y(jié)構(gòu)的固有特性，k值一般在1.6～3之間，所以發(fā)動(dòng)機(jī)最大也僅有75%的扭矩可以傳遞到車(chē)輪。

3.2 高速滑行狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)

在普銳斯處于高速滑行狀態(tài)下時(shí)，MG2具有較高的轉(zhuǎn)速nMG2，由于此時(shí)是高速滑行狀態(tài)，不需要發(fā)動(dòng)機(jī)或MG2提供動(dòng)力，所以發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有扭矩輸出，轉(zhuǎn)速為0，那么由杠桿原理圖分析可知（圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)狀態(tài)），此時(shí)MG1的轉(zhuǎn)速nMG1=-k·nMG2，很容易便可以超過(guò)MG1的最高轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致MG1燒毀。

所以，為了不使MG1超過(guò)其最高轉(zhuǎn)速，在高速滑行狀態(tài)下需要適當(dāng)?shù)膯?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，使MG1的轉(zhuǎn)速降下來(lái)（圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)）。

圖4 高速滑行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速示意

這是非動(dòng)力性需求也非能量需求引起的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，在高速滑行狀態(tài)下是一種迫不得已的選擇，所以這也是普銳斯傳動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)不完美之處。

4 總結(jié)

THS的強(qiáng)大之處便在于它使用了行星排結(jié)構(gòu)將發(fā)動(dòng)機(jī)、MG1、MG2連接起來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)變速，且省去了變速箱和分離離合器結(jié)構(gòu)。同樣，也因?yàn)樾行桥沤Y(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩僅有一部分可以轉(zhuǎn)化為汽車(chē)的牽引力，而且在特定的高速滑行工況下會(huì)造成非動(dòng)力性非能量性需求導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。可以說(shuō)，THS的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都是來(lái)自于其行星排的結(jié)構(gòu)。但是，瑕不掩瑜，THS仍是當(dāng)今世界首屈一指的混動(dòng)系統(tǒng)。