鄧 濤，周 豪，唐 鵬

(1.重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶 400074； 2.城市軌道交通車輛系統(tǒng)集成與控制重慶市重點實驗室，重慶 400074)

前言

隨著混合動力汽車迅速發(fā)展，構型成了各大汽車企業(yè)研究重點[1]。目前大多構型是由傳統(tǒng)自動變速器衍生發(fā)展而來，如利用桿逆向拆分方法對功率分流系統(tǒng)進行構型分析，從現(xiàn)有復合分配結構獲得適用于混聯(lián)式所有結構[2-3]；基于傳統(tǒng)4速變速器設計單電機混合動力系統(tǒng)構型[4]；針對單行星排混合動力系統(tǒng)利用機械創(chuàng)新設計方法獲得22種新的混聯(lián)混合動力傳動系統(tǒng)[5]。也有一些學者提出了一些創(chuàng)新構型，如Tsai等人提出的單電機并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)新構型[6-7]；謝天禮等人提出的多自由度行星齒輪拓撲結構[8-9]。然而上述構型設計并未進行全面分析，構型的遞推方法缺乏理論支撐，且傳動評價系統(tǒng)缺乏整體評價。

本文中以單電機并聯(lián)式混合動力汽車傳動系統(tǒng)為研究對象，引入機械創(chuàng)新設計方法[10]進行構型設計，從機械運動鏈方法出發(fā)，著重于構型的設計過程，獲取多種并聯(lián)混合動力傳動系統(tǒng)創(chuàng)新構型。

1 并聯(lián)式混合動力傳動系統(tǒng)分析

1.1 單電機并聯(lián)混合動力系統(tǒng)

單電機并聯(lián)混合動力傳動系統(tǒng)構型如圖1所示，采用雙行星排2自由度行星齒輪耦合結構，控制CL1和CL2與B1和B2，進行發(fā)動機單獨驅動、電機單獨驅動、混合驅動、制動能量回收和怠速充電等模式之間的切換。其中，圖1(a)為朱福堂[4]提出的構型，其功率流傳輸更為靈活，且發(fā)動機功率可直接傳遞到傳動軸上，避免了能量轉換損耗，但整體結構較為復雜。圖1(b)為Tsai[6-7]提出的構型，其結構相對簡單，將電機與輸出行星排太陽輪同軸連接，發(fā)動機單獨驅動模式的傳動比變化接近于恒定值。

圖1 單電機并聯(lián)混合傳動系統(tǒng)行星機構簡圖

1.2 機械拓撲結構分析

在2自由度行星輪機構中，連桿數(shù)量、轉動副數(shù)量與齒輪副數(shù)量之間的關系式為

式中：NJ為運動副數(shù)量；NJR為轉動副數(shù)量；NJG為齒輪副數(shù)量；NL為連桿數(shù)。7桿機構并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的運動副、齒輪副和轉動副數(shù)量分別為10，4和6。

根據(jù)圖1，可將行星齒輪系統(tǒng)概括為拓撲結構，如圖2所示。它包含7大構件：固定桿1，轉臂2，兩個行星輪3和6，太陽輪4，齒圈5，第7構件(第2行星排的齒圈、太陽輪或轉臂中之一)。具有10個運動副：4個齒輪副(其中包括2個外齒副，2個內齒副)，6個轉動副。4個獨立構件(兩個離合器CL1與CL2和兩個制動器B1與B2)與固定構件(齒輪箱)鄰接，其中至少一個構件與發(fā)動機連接，一個構件與電機連接，一個構件與輸出端連接。

圖2 單電機并聯(lián)混合傳動系統(tǒng)拓撲結構圖

2 機械創(chuàng)新設計方法

機械創(chuàng)新性設計方法[10]包括5個步驟：一般化、特定化、具體化、動力輸入輸出分析和運行模式分析，其流程如圖3所示。

2.1 一般化規(guī)則

根據(jù)圖1(b)構型拓撲結構圖和機械創(chuàng)新性設計一般化設計規(guī)則[10]，固定桿(構件1)關聯(lián)著4個運動副，釋放并一般化為具有4個運動副的構件，簡稱為4副件(以下的2副件、3副件同義)；轉臂(構件2)與3個運動副關聯(lián)，一般化為3副桿；同理行星輪(構件3，6)一般化為3副桿；太陽輪(構件4)一般化為3副桿；齒圈(構件5)和第7構件(第2行星排的齒圈)一般化為2副桿；固定桿與轉臂、固定桿與太陽輪、固定桿與齒圈、轉臂與行星輪和固定桿與第7構件(齒圈)之間運動副皆一般化為JR(轉動副)；行星輪與太陽輪之間的運動副一般化為JGo(外齒輪副)；行星輪與環(huán)齒輪(齒圈)之間的運動副、第7構件與行星輪之間運動副一般化為JGi(內齒輪副)。最后得到圖1(b)的運動鏈圖如圖4所示。

圖3 機械創(chuàng)新設計流程圖

圖4 一般化運動鏈圖

通過圖1(b)構型拓撲圖的運動鏈分析得到7桿10運動副運動鏈，查詢一般化鏈圖譜[9]，得到(7，10)一般化鏈圖譜，如圖5所示。

2.2 設計約束分析

對圖1(b)的行星齒輪進行結構特性分析，可得到其設計約束[11]如下。

(1)固定桿(構件1)

在每個行星齒輪機構中必有一桿為固定桿；固定桿必須至少是一個4副桿；為避免機構退化，固定桿不能包含在三桿回路中；除了行星齒輪，其余任何連接都必須與固定桿連接。

(2)轉臂(構件2)

圖5 (7，10)一般化運動鏈圖譜

每1個行星輪都有轉臂支撐；轉臂機構必須與和它鄰近的行星輪連接，同時與固定桿連接。

(3)行星輪(構件3和6)

在行星齒輪機構中需有2個單獨的行星輪；行星輪與固定桿不相鄰；1個行星輪至少有2個齒輪副和1個轉動副(轉動副與轉臂伴隨)，是一個多重連接；行星輪機構不能包含在三桿回路中。

(4)太陽輪(構件4)

行星齒輪機構中至少有1個構件為太陽輪；太陽輪必須與固定桿和行星齒輪連接。

(5)齒圈(構件5)

在行星齒輪機構中必須有1個構件為齒圈；齒圈必須與固定桿和行星齒輪連接；第7構件可以為齒圈、太陽輪或轉臂。

(6)轉動副(JR)

通過計算，必須有6個轉動副；每一個構件都必須至少有1個轉動副；每1個與固定桿鄰接的運動副都必須為轉動副；轉臂與行星輪之間的運動副為轉動副；1個行星輪至少有1個轉動副；轉動副之間不能形成三桿回路。

(7)齒輪副(JG)

通過計算，必須有4個齒輪副，包括2個外嚙合齒輪副與2個內嚙合齒輪副；太陽輪與行星輪之間的運動副為外嚙合齒輪副；齒圈與行星輪之間的運動副為內嚙合齒輪副；齒輪副之間也不可能形成三桿回路。

2.3 特定化分析

將一般化運動鏈根據(jù)設計要求進行特定化以后，即成為特定化鏈，滿足設計約束的特定化鏈稱為可行特定化鏈。分析所有構件與運動鏈的類型，考慮其設計約束以獲得特定化鏈，步驟如下。

(1)分配接地連接(1)，至少為一個4重連接作為主框架，根據(jù)其它設計約束，只有3個廣義運動鏈滿足要求，分別是圖6中的(15)，(36)和(49)。

(2)分配行星齒輪(3，6)，根據(jù)上一步結果，考慮設計約束，得到其可行運動鏈A，B和C，如圖6所示。

(3)分配太陽輪轉臂(2)，根據(jù)設計約束得到a與b，如圖6所示。

(4)分配太陽輪與齒圈(4，5)，根據(jù)上一步結果，考慮設計約束，得到可行運動鏈，分配剩余第7構件。 得到 a(1)，a(2)和 a(3)與 b(1)，b(2)和b(3)，如圖6所示。

圖6 具體化過程

(5)分配轉動副與齒輪副(外嚙合與內嚙合齒輪副)，得到 α1-α16與 β1-β13，如圖 7所示。

通過特定化過程，且受限于設計約束，可以得到29種特定化鏈圖，去除其中同構的特定化鏈，最終得到12種可行特定化鏈，通過逆序運用一般化規(guī)則，將每一個可行特定化鏈具體化[12]，以獲得與其對應的行星輪系的機構簡圖，如圖8所示。

2.4 動力輸入輸出分析

針對圖1，考慮到輸入源與輸出源的各種限制[5]，按照下列步驟分配動力輸入輸出端。

(1)分配輸出端，行星齒輪機構中需要一個構件與輸出端連接，且為保持電機單獨驅動時有較高的轉矩傳遞，輸出端至少要連接在一個轉臂上。

圖7 可行特定化鏈圖譜

圖8 7桿并聯(lián)混合動力汽車傳動系統(tǒng)行星機構簡圖

(2)分配電機，為在輸出軸上維持較高轉矩，電機軸只能連接齒圈或太陽輪；如果兩個行星排的太陽輪連接在一起，則必須連在電機上。

(3)分配發(fā)動機，剩余的連接都可與發(fā)動機連接，并要保證分配完其余動力源。

其中共有12種具體結構示意圖，由于種類很多，故只選擇圖8中的(4)作下一步示例分析，得到16種動力輸入輸出分配，如圖9所示。

圖9 動力輸入輸出分配

受設計約束的限制，按照上述步驟進行動力源輸入輸出分配。第1步分配輸出端，得到4種結構，如圖9 中(4-1)，(4-2)，(4-15)和(4-16)所示；第2步分配電機，得到8種帶有輸出端與電機結構，如圖9中的(4-3)-(4-6)和(4-17)-(4-20)所示；第3步分配發(fā)動機，將發(fā)動機分配到剩余連接中，最后得到16種無離合器并聯(lián)混合動力汽車傳動系統(tǒng)結構，如圖9中的(4-7)-(4-14)和(4-21)-(4-28)所示。選取圖9中上半部分(4-7)-(4-10)和下半部分(4-21)-(4-24)共8種無離合器并聯(lián)混合動力汽車傳動系統(tǒng)結構作下一步運行模式分析。

2.5 運行模式分析

基于并聯(lián)混合動力汽車所需的各個運行模式，須加入離合器與制動器[13]，設計過程如下。

(1)電機單獨驅動模式：此時發(fā)動機不能直接連接傳動系統(tǒng)，系統(tǒng)為1自由度，制動器1用于控制系統(tǒng)，離合器1用于分離發(fā)動機軸與傳動系統(tǒng)。

(2)發(fā)動機單獨驅動模式：此時發(fā)動機連接傳動系統(tǒng)驅動輸出軸，系統(tǒng)需為1自由度，需制動器來控制，且由于每個系統(tǒng)都有幾種發(fā)動機驅動模式，在一些運行模式下電機甚至處于空轉狀態(tài)，因此須加入多個制動器；其中制動器2鎖止電機軸，制動器3為保證進行第2步時，系統(tǒng)為1自由度；當每個系統(tǒng)中加入的離合器與制動器滿足所有的運行模式，多余的離合器與制動器可以省略。

針對圖9中的(4-7)-(4-10)，按照動力輸入輸出分配步驟，首先根據(jù)電機單獨驅動模式安放離合器 1 與制動器 1，得到(a1)，(a2)，(b1)，(b2)，(c1)，(c2)，(d1)和(d2)；然后根據(jù)發(fā)動機單獨驅動模式分析，安放離合器 2、制動器 2和 3，得到(a3)，(a4)，(b3)，(b4)，(c3)，(c4)，(d3)和(d4)；由于離合器控制行星排自由度，單行星排只需1個制動器，其余可省略，如(a3)中的B1與B3重復，即可省略B1，最后得到可行結構為(a5)，(b5)，(c5)和(d5)，如圖10所示。

圖10 運行模式管理分析

同理，針對圖9中(4-21)-(4-24)，進行各個動力源的分配，通過運行模式分析，去除同構類型后最后得到了(e3)，(f5)，(g4)和(h3)4種可行構型，如圖11所示。

將圖8中的12種可行傳動結構示意圖按照上述過程，通過輸入輸出分配、運行模式的分析，合理地進行輸入輸出和離合器與制動器分配，最終可得132種單電機并聯(lián)式混合動力汽車傳動系統(tǒng)構型。

3 新構型分析

選取圖11中(g4)作為示例，分析其合理性。通過離合器與制動器狀態(tài)選擇，獲得電機單獨驅動、發(fā)動機單獨驅動、混合驅動、功率分流、制動能量回收和怠速充電共6種模式，能量流動如圖12所示。

單行星排為2自由度機構，包含了齒圈(R)、太陽輪(S)與轉臂(C)，當其中某部分為固定連接時，單行星排輸出與輸入的轉速和轉矩關系式[14]如表1所示。

圖11 運行模式管理分析

圖12 運行模式下的能量流簡圖

表1 單行星排輸入輸出的轉速比與轉矩比

3.1 電機單獨驅動模式

B1接合，其余斷開。電機與S2連接，單獨提供驅動力，能量流動如圖12(a)所示。輸入輸出轉速轉矩為

式中：ωoutput和 ωm分別為輸出端與電機的角速度；Toutput和Tm分別為輸出端和電機的轉矩；NR1和NS1分別為第一行星排中齒圈和太陽輪的齒數(shù)。

3.2 發(fā)動機單獨驅動模式

(1)發(fā)動機單獨驅動模式1

B1和CL2接合，其余斷開。發(fā)動機單獨提供驅動力，能量流動如圖12(b)所示。輸入輸出轉速轉矩為

(2)發(fā)動機單獨驅動模式2

B1和CL1接合，其余斷開。發(fā)動機通過兩級齒輪減速后來驅動車輛，且S1作為一個固定構件，電機空轉，能量流動如圖12(c)所示。輸入輸出轉速轉矩為

式中：ωe和Te分別為發(fā)動機的角速度和轉矩；NR2和NS2分別為第二行星排中齒圈和太陽輪的齒數(shù)。

(3)發(fā)動機單獨驅動模式3

CL1和CL2接合，其余斷開。行星齒輪鎖止為單自由度裝置，發(fā)動機單獨驅動，能量流動如圖12(d)所示。輸入輸出轉速轉矩為

(4)發(fā)動機單獨驅動模式4

CL1和B2接合，其余斷開。S2作為一個固定構件，電機停止運轉，能量流動簡圖如圖12(e)所示。輸入輸出轉速轉矩為

3.3 混合驅動模式

(1)混合驅動模式1

B1和CL2接合，其余斷開。S1作為減速構件，發(fā)動機與電機同時提供驅動力，能量流動如圖12(f)所示。輸入輸出轉速轉矩為

(2)混合驅動模式2

B1和CL1接合，其余斷開。電機與發(fā)動機各自提供驅動力，能量流動簡圖如圖12(g)所示。輸入輸出轉速轉矩為

(3)混合驅動模式3

CL1和CL2接合，其余斷開。電機與發(fā)動機同時驅動車輛，能量流動簡圖如圖12(h)所示。輸入輸出轉速轉矩為

3.4 功率分流運行模式

中高速行駛時，只有CL1接合，其他斷開。第2行星排作為一個功率分流裝置(2自由度)，一部分能量通過R2驅動車輛，另一部分能量通過S2驅動電機，此時電機作為發(fā)電機運行，輸出速度通過控制發(fā)電機的轉速與負載來控制，使之運行在最佳區(qū)域，其能量流動如圖12(i)所示。輸入輸出轉速轉矩為

3.5 制動能量回收模式

(1)制動能量回收模式1

B1接合，其余斷開。此時所有能量通過發(fā)電機轉化為電能對電池進行充電，發(fā)動機空轉或怠速，能量流動如圖12(j)所示。輸入輸出轉速轉矩為

(2)制動能量回收模式2

B1和CL2接合，其余斷開。電機與發(fā)動機都提供制動效果，能量流動如圖12(k)所示。輸入輸出轉速轉矩為

(3)制動能量回收模式3

B1和CL1接合，其余斷開。電機與發(fā)動機也都提供制動效果，能量流動如圖12(l)所示。輸入輸出轉速轉矩為

(4)制動能量回收模式4

CL1和CL2接合，其余斷開。此時行星齒輪結構變成1自由度，電機與發(fā)動機都提供制動力，能量流動如圖12(m)所示，輸入輸出轉速轉矩為

(5)制動能量回收模式5

只有CL1接合，其余斷開。此時為功率分流式充電模式，能量流動如圖12(n)所示。輸入輸出轉速轉矩為

3.6 怠速充電模式

輸出軸用機械制動固定，CL1或者CL2接合。發(fā)動機直接驅動發(fā)電機，對電池充電，便于下次使用，太陽輪S1空轉，能量流動如圖12(o)所示。

4 結論

(1)從兩種單電機并聯(lián)混合動力汽車傳動結構出發(fā)，將其轉換為運動鏈形式，通過構件數(shù)與運動副數(shù)量得到一般化運動鏈。

(2)根據(jù)設計約束，將一般化鏈具體化，分配各個構件和運動副，得到29種可行運動鏈圖，去除同構類型，轉化為具體結構最終得到12種傳動系統(tǒng)示意圖。

(3)通過輸入輸出分析與運行模式管理分析，從12種傳動系統(tǒng)示意圖中分配電機、發(fā)動機和輸出軸，按照運行模式約束分配離合器與制動器。選取其中1種構型進行分析，得到了4種可行構型。衍生到上述12種耦合結構，獲得了132種構型。

(4)選取其中1種新構型驗證其運行模式和工作模式下的能量流動，獲得15種離合器與制動器狀態(tài)組合，并歸納為6種基本運行模式：電機單獨驅動、發(fā)動機單獨驅動、混合驅動、功率分流、制動回收和怠速充電。