用于行星轮式耦合装置的锁止离合器动力学分析

黄 东

(奇瑞汽车股份有限公司， 安徽 芜湖 241006)

用于行星轮式耦合装置的锁止离合器动力学分析

黄 东

(奇瑞汽车股份有限公司， 安徽 芜湖 241006)

确保纯电动行驶中快速、平稳地启动发动机，是P2构型混合动力系统的技术难点之一。行星轮耦合式混合动力系统应用锁止离合器的分离或接合，以实现行星轮装置的差速运动或同速运动，可实现混合动力不同模式间的切换。通过行星轮锁止离合器的动力学分析，以启动冲击最小化为目标，推导了纯电动行驶中启动发动机时锁止离合器的力矩计算公式。

行星轮； 冲击； 耦合装置； 锁止离合器

从1997年第一代丰田Prius上市销售以来，丰田汽车公司搭载THS混合动力系统的车型销售量逐年攀升。THS技术的核心零部件为双电机、发动机及行星轮装置，可使汽油机和电力两种动力系统通过串联、并联相结合的形式进行工作，以实现低排放的目标[1]。

P2构型混合动力系统，常见的有离合器耦合式和行星轮耦合式。离合器耦合式混合动力系统利用离合器的分离或接合，实现发动机和电机的动力耦合。行星轮耦合式混合动力系统应用锁止离合器的分离或接合，可实现行星轮装置的差速运动或同速运动，使混合动力在不同模式间切换。P2构型混合动力系统的技术难点是，如何实现纯电动行驶中快速、平稳地启动发动机。张俊智等人对离合器耦合式的混合动力车辆纯电动行驶中启动发动机的冲击度及离合器动力学计算进行了研究，未针对行星轮耦合式混合动力系统的锁止离合器进行分析，缺乏针对性[2]。刘振军等人对离合器耦合式混合动力系统纯电动行驶中启动发动机的冲击度进行了研究，但未对行星轮耦合式锁止离合器动力学进行分析[3]。

1 锁止离合器动力学分析

本次研究中的混合动力系统采用P2构型的单排行星轮耦合形式，系统主要由电机、发动机、锁止离合器、太阳轮、行星齿轮、行星架及齿圈等构成(见图1)。发动机与太阳轮相连并互传动力，电机与齿圈相连并互传动力，行星架作为动力输出端与变速器输入轴相连并互传动力。锁止离合器设置在齿圈和行星架之间，通过控制该离合器的分离或接合，实现混合动力不同模式间的切换。

1—发动机；2—电机；3—变速器；4—行星架；5—锁止离合器；6—齿圈；7—太阳轮。

混合动力系统不同工作模式下的各部件工作状态见表1。通常，行星轮系统3个轴的速度具有下列关系：

ωS·rS+ωR·rR=ωC·(rS+rR)

(1)

式中：ωS表示太阳齿轮轴的转速；ωR表示齿圈轴的转速；ωC表示行星架轴的转速；rS表示太阳齿轮S的半径；rR表示齿圈R的半径。

表1 混合动力系统不同工作模式下各部件工作状态

注：○表示分离；●表示接合。

当其中任意2轴的速度已知，则第3轴的转速是确定的，可根据式(1)计算得出。式(1)可以用直观的杠杆图来表示(见图2)，3条水平线段的长度分别代表太阳齿轮轴转速ωS、齿圈轴转速ωR和行星架轴转速ωC，箭头则分别指出了3个轴转动的正方向。

图2 太阳轮、齿圈、行星架转速杠杆图

行星轮系统3个轴的力矩存在下列关系：

TC=TS+TR

(2)

(3)

式中：TS表示太阳轮的扭矩；TR表示齿圈的扭矩；TC表示行星架扭矩；ZR表示齿圈的齿数；ZS表示太阳轮的齿数。

当其中某一个轴的扭矩已知，则另外2轴的扭矩是确定的，可以通过式(2)、(3)计算得出。式(2)、(3)也可以用直观的杠杆图来表示(见图3)，3条水平线段的长度分别代表电机作用在齿圈轴上的扭矩TM、发动机作用在太阳轮轴S上的扭矩TS和行星架轴输出的扭矩TC，其箭头则分别指出了3个轴正向扭矩的方向。

在纯电驱动下需要启动发动机时，必须通过接合锁止离合器来使行星轮系锁定，并由太阳轮轴拖动发动机轴转动。在离合器耦合之前，发动机处于静止状态，其轴转速为零，而电机和变速箱输入轴(连行星架)高速转动。这3个轴各自具有转动惯量，转速不同。若此时将3个轴锁在一起，行星齿轮系的3个轴就要进行一个完全非弹性的转动碰撞。这个转动碰撞会在行星架上产生冲击负扭矩，而负扭矩传递到车轮上时会使车辆产生振动，并使乘车者感到难受，更甚者可能导致机械结构的损坏而发生安全事故。

图3 太阳轮、齿圈、行星架3轴的力矩图

图4 离合器耦合时行星齿轮受力及角加速度示意图

(4)

图5 离合器耦合时齿圈受力及角加速度示意图

分析行星齿轮C受力情况(见图6)。小行星齿轮P的质量和惯性矩较小，故忽略不计。图中，FS表示太阳齿轮S对行星齿轮P的作用力；FR表示齿圈R对行星齿轮P的作用力；FC表示行星架对小行星齿轮的作用力；r表示小行星齿轮的半径。其动力学方程为：

FR·r′=FS·r′

(5)

图6 离合器耦合时小行星齿轮受力及角加速度示意图

(6)

由式(5)得：

F=FS=FR

(7)

由式(6)、(7)可得出

FC=2FS=2FR

(8)

(9)

图7 离合器耦合时行星架受力及角加速度示意图

分析行星架轴C受力情况(见图7)，TFV为整车阻力矩对行星架作用力矩。由由式(8)、(9)得：

(10)

(11)

图8 离合器耦合时太阳轮受力及角加速度示意图

行星轮系统3个齿轮的速度关系为：

ωS·rS+ωR·rR=ωC·(rS+rR)

对上述速度方程求导，可得3轴的加速度方程：

(12)

根据上述行星齿轮机构3个齿轮的受力分析和3个齿轮轴加速度方程的推导，可得到如下4个方程：

由式(11)得：

(13)

由式(10)得：

(14)

由方程(13)、(14)得：

(15)

由式(4)得：

(16)

由式(13)、(16)得

(17)

2 应用举例

(1) 整车和系统参数：JS=0.131 3 kg·m2，rR=0.071 55 m，rS=0.039 7 m，JR=0.036 7 kg·m2，TFE=20 N·m；车重1 690 kg，车轮半径0.307 m。

(5) 根据公式(1)，可得：

(6)根据式(15)计算得到

=6.06×0+8.01+(0.071 55+0.039 7)×

=167(N·m)

(7)根据公式 (17)，计算得到

=167+0.036 7×(-155.36)-0.071 55×

=59(N·m)

3 结 语

本次研究中，通过对行星轮耦合式混合动力系统纯电动行驶中启动发动机时锁止离合器的动力学分析，结合行星轮的杠杆分析图，推导出行星轮锁止离合器的力矩计算公式。将力矩公式用于实例计算，验证了其可靠性。

[1] 张金柱. 丰田第二代混合动力系统(THSⅡ)[J]. 内燃机, 2005(3):6-9.

[2] 张俊智, 李波, 薛俊亮,等. 混合动力电动汽车冲击度的试验[J]. 机械工程学报, 2008, 44(4):87-91.

[3] 刘振军, 史波, 赵江灵,等. 强混CVT轿车模式切换控制[J]. 重庆理工大学学报(自然科学版), 2013, 27(7):1-7.

[4] 戴一凡, 罗禹贡, 李克强,等. 单电机强混合动力电动车辆的动态协调控制[J]. 汽车工程, 2011, 33(12):1007-1012.

[5] 杨阳, 黄剑峰, 秦大同,等. 双离合器式混合动力汽车模式切换控制策略[J]. 汽车工程, 2013, 35(8):723-730.

[6] 李彤, 樊军, 董平. ISG型混合动力汽车节能离合器的接合过程研究[J]. 机床与液压, 2011, 39(21):73-74.

[7] 叶明, 程越, 舒红. 机电式CVT插电式混合动力系统模式切换控制[J]. 中国机械工程, 2012, 23(5):585-589.

[8] 闫晓磊, 钟勇, 钟志华. HEV传动系统动力平顺切换最优控制的研究[J]. 汽车工程, 2008, 30(4):309-311.

DynamicAnalysisoftheLockingClutchinHybridCouplingMechanismwithPlanetaryGearSet

HUANGDong

(Chery Motor Limited, Wuhu Anhui 241006, China)

It is one of the technical difficulties of the P2 hybrid system to start the engine smoothly and stably in the course of pure electric driving. In the planetary gear coupled hybrid system, the separation or engagement of the locking clutch is applied to realize the differential motion or simultaneous motion of the planetary gear, so that the switching between the different modes of the hybrid system can be realized. Through dynamic analysis of planetary gear locking clutch, formula for calculating torque of lock clutch is deduced for starting the engine during pure electric driving, to minimize the impact of start shock.

planetary gear; impact; coupling mechanism; locking clutch

2017-09-27

国家财政部、工业和信息化部、科技部新能源汽车产业技术创新工程项目“奇瑞插电式混合动力汽车技术开发”；国家“863”计划项目“电动汽车关键技术与系统集成”(2011AA11A226)

黄东(1978 — )，男，工程师，研究方向为新能源汽车混合动力系统。

TH113

A

1673-1980(2017)06-0095-04