從傳動系統角度簡述普銳斯的優缺點

馮浩成，侯旭輝，拜鼎邦，嚴思敏，王凱峰

（陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西 西安 710119）

前言

自1997年推出后，普銳斯目前已發展二十余年。目前，普銳斯第一混動的地位已無人能夠撼動[1]。這一殊榮的背后有眾多原因，有普銳斯優秀的阿特金森循環發動機[2]、較好的空氣動力學設計，最重要的是其天才般創意的混動系統，豐田一般稱之為THS（Toyota Hybrid System）。THS的結構組成較為簡單，由單級行星排將發動機、MG1、MG2連接起

1 普銳斯傳動系統簡介

1.1 行星排的轉速與扭矩計算方法簡述

左圖為常見的單級行星排結構。為簡化分析，行星排常被處理成圖1中右邊所示的杠桿結構。我們常用A來代替齒圈，PC代替行星架，S代表太陽輪。若太陽輪的齒數標記為ZS，齒圈的齒數標記為ZA，則行星排的傳動比，對于THS，k＞0。

圖1 行星排及其杠桿原理圖

1.1.1 行星排轉速計算方法

當行星排中兩個零件的轉速固定時，通過杠桿原理圖可以很輕松得到另一個零件的轉速。在圖2中，水平線的長度就是該構件的轉速大小，當確定轉速nA和轉速nPC后，可以由相似三角形原理得到太陽輪的轉速nS=（k+1）nPC-k·nA。

圖2 杠桿法分析轉速示意

nS——太陽輪轉速；nA——齒圈轉速；nPC——行星架轉速。

1.1.2 行星排扭矩計算方法

行星排中零部件承受的扭矩大小在數值上則存在如下關系：

Ts——太陽輪扭矩；TA——齒圈扭矩；TPC——行星架扭矩。

1.2 THS的結構簡述

圖3表示THS的連接方式。發動機連接行星架，MG1連接太陽輪，MG2連接齒圈[2]。其中，MG1作為發電機使用，MG2即可作為電動機也可作為發電機。MG2通過定軸齒輪或傳動帶將轉速和扭矩傳遞至車輪。

圖3 THS結構簡述

2 THS的優點

2.1 THS可實現無級變速

由于在THS中發動機和兩個電機是通過行星排連接在一塊的，所以車速需要上升或下降時，可以通過調節發動機轉速或調節MG1的轉速來改變MG2的轉速，從而改變車速[3]。當發動機已經處于高效區時，可以通過改善MG1的轉速來調節MG2；也可以保持MG1轉速不變，使發動機轉速重新調整到新的高效區來調節MG2；也可以同時改變MG1和發動機的轉速。

2.2 THS不需變速箱

其他混動系統如i-DCD（本田DCT的混動系統）、基于AT或AMT的P2混動系統為了保證發動機在HEV模式下可以工作在高效區，都無法離開變速箱。變速箱的存在就勢必會增加換擋沖擊的可能，導致頓挫感的產生。當前僅有iMMD（本田的一種混動系統）不需要變速箱，因為iMMD在混動模式下是增程式的。

2.3 THS無分離離合器

這里的分離離合器指的是發動機和電機之間的離合器。在基于AT或AMT的混動系統中，分離離合器的結合可以使車輛進入混動系統。

分離離合器常為濕式摩擦片式的離合器結構。當汽車處于蠕行階段（HEV，車速≤5km/h）時，必須依靠分離離合器的滑摩才可以保證車輛前進，此時，滑摩會產生大量的熱，且會對摩擦片的壽命具有一定的影響[4]。

其次，當需要啟動發動機時，基于AT或AMT的混動系統也需要利用滑摩將發動機帶動到1000rpm左右進行點火，這也會使摩擦片的壽命在一定程度上降低。普銳斯只需要利用MG1將發動機轉速提高到發動機點火轉速即可，省去了分離離合器這一結構。

3 THS的缺點

3.1 扭矩、功率分流

根據公式（1），行星排中一個零部件如果受到扭矩，那其他零部件也會因扭矩平衡受到一定比例的扭矩。所以，在HEV模式下當發動機提供一定的扭矩T發動機時，可以傳到MG2的扭矩僅為，另外有的扭矩傳遞到MG1，所以發動機的扭矩不會完全傳遞到車輪，而像基于AT或AMT的P2混動系統則可以完全利用發動機的扭矩。

因為行星排結構的固有特性，k值一般在1.6～3之間，所以發動機最大也僅有75%的扭矩可以傳遞到車輪。

3.2 高速滑行狀態下發動機啟動

在普銳斯處于高速滑行狀態下時，MG2具有較高的轉速nMG2，由于此時是高速滑行狀態，不需要發動機或MG2提供動力，所以發動機沒有扭矩輸出，轉速為0，那么由杠桿原理圖分析可知（圖4 發動機未啟動狀態），此時MG1的轉速nMG1=-k·nMG2，很容易便可以超過MG1的最高轉速，導致MG1燒毀。

所以，為了不使MG1超過其最高轉速，在高速滑行狀態下需要適當的啟動發動機，使MG1的轉速降下來（圖4 發動機啟動狀態）。

圖4 高速滑行狀態下的轉速示意

這是非動力性需求也非能量需求引起的發動機啟動，在高速滑行狀態下是一種迫不得已的選擇，所以這也是普銳斯傳動系統中的一個不完美之處。

4 總結

THS的強大之處便在于它使用了行星排結構將發動機、MG1、MG2連接起來，能夠實現無級變速，且省去了變速箱和分離離合器結構。同樣，也因為行星排結構，發動機的扭矩僅有一部分可以轉化為汽車的牽引力，而且在特定的高速滑行工況下會造成非動力性非能量性需求導致的發動機啟動。可以說，THS的優點和缺點都是來自于其行星排的結構。但是，瑕不掩瑜，THS仍是當今世界首屈一指的混動系統。