用于混合动力车和电动车的低成本传动模块

1 动力传动系统的工作方式

IAV汽车工程公司开发的低成本传动模块是一种可有效优化成本的专用混合变速器(DHT)，可用于替代混合动力方案。与众所周知的混合动力传动方案[1-3]相比，该模块化方案致力于将工作效率及技术含量最大化并且尽可能降低成本费用。

该方案的参数选择和结构设计需要采用系统预开发的方式。为了完成该项挑战，IAV汽车工程公司采用了传动系统合成方法[4]，以此得到处于最佳工况的内燃机、变速器和电机的技术组合。

2 传动模块的结构

传动模块由4种不同的基本结构组成，电动车(EV)和混合动力车(HEV)分别各有2种结构方案(图1)。所有传动模块方案的主要特点是配备有多种连接可能性的统一齿轮组，以便连接内燃机、电机和换档部件，从而可最大程度地利用相同零件以实现可变的传动功能。

图1 用于电动车和混合动力车的传动模块，具有1～ 4种传动部件结构和特性方案(AB=输出)

用于电动车的方案1和2是具有3个档位的模块化传动结构，其中方案1代表一种非常简单的自动变速器(AT)，它可完全根据驱动力来进行换档，并且采用简化的双离合器原理，通过特殊定位和单个摩擦离合器以达到降低传动系统的复杂性和减少零件数的开发目标。下文详细描述了功率分配和换档过程。

方案2通过取消摩擦离合器可进行进一步简化。该方案具有3个档位，同时也包含了用于电动车的固定两级传动速比的标准型传动系统，由于取消了摩擦离合器，而采用一种在换档期间可中断驱动力输出的机械式自动变速器(AMT)。在爪式离合器打开时，可借助电机通过转速同步的辅助方式使驾驶员察觉到无驱动力输出的工作状态。

另一个开发目标是采用由电动车衍生出的传动齿轮组以实现混合驱动的目标。为此采用方案3(见图1)，内燃机通过模块组合式变速器上的分离离合器与3个档位相连接。针对此类传动布局而进行的方案研究表明，3档变速器对于限制最高车速的小型车辆在燃油耗和行驶功率之间采用了折中方案。

为使结构型式进一步紧凑化，从而开发了另一种传动结构，将内燃机与电机固定连接在不同档位上来替代离合器，此时驱动方式(电机驱动、混合动力驱动和内燃机驱动)被分配到传动系中某个确定的功率传递路径上，从而减少了所需的换档部件。在方案4中，电机能够通过2个爪式离合器分别与第一档位或第二档位相连接，而内燃机则通过摩擦离合器连接到第二档位或第三档位，因此以降低燃油耗为目标的混合动力运行策略的典型特性将直接传递到该传动结构中。出于该原因，方案4即为DHT，该变速器具有最少的档位、运行模式和零部件。

3 采用单级离合器根据负荷换档的过程

为了说明仅用单摩擦离合器即可依据负荷状态进行换档的过程，图2示出了换档阶段及其相应的功率传递途径。该行驶状况由电机起动开始，借助于换档部件A通过爪式离合器挂入第一档(阶段Ⅰ)。转换到第二档时，扭矩传递从第一档转换到第二档，为此换档部件C首先闭合，接着通过持续闭合的摩擦离合器E实现扭矩的传递。在阶段Ⅱ结束时，几乎所有的驱动扭矩均由第二档齿轮和滑差式离合器E进行传递。

图2 方案1牵引传动时根据负荷换档的过程(从第一档 转换到第二档的换高档过程实例的功率传递途径)

只要电机或内燃机具有足够的的扭矩储备或功率储备，就能补偿离合器的摩擦损失，在整个过程期间为车辆提供无中断的驱动扭矩。从换档部件A打开时刻起，动力驱动(电机/内燃机)与从动部件之间就不存在运动连接。在下一个换档的过程阶段，通过电机的脉冲式扭矩降低方式使惰转齿轮2的转速得以同步化。

在该过程期间，由作用于换档部件E上的力控制传动扭矩(阶段Ⅲ)。一旦与输入轴的转速差减小到约50 r/min以下，爪式离合器B闭合，该换档过程结束。从第二档至第三档的换档过程与之相类似。牵引力无中断的换低档过程采用与上述阶段相反的顺序进行。除了连续的换高档和换低档之外，这种变速器也能在第一档和第三档之间实现牵引力无中断的直接换档过程。

4 方案研究

表1除了传动系统参数和常数之外还涵盖了目标值和边界条件等重要信息。在方案研究中考虑了所有参数和特性场完整的组合变化，并分别进行了全球统一的轻型车测试程序(WLTP)燃油耗和行驶性能的分析。由于要在应用技术费用最低的3个平行的变速器档位的情况下，达到最低的燃油耗并满足所需的行驶功率目标值。对传动系统的优化过程而言，可谓一大挑战。为此，多种多样的内燃机与不同的变速器相组合，以此可最优地使用内燃机和电机。

对于传动模块的一个重要规定是需使用48 V直流电压，以便能限制系统安全方面的复杂性并且降低传动系统的总成本。对于系统功率为60 kW的电动车而言，需提供较高的电压。

5 传动模块方案研究的结果

图3示出了采用自然吸气发动机的传动系统方案的燃油耗和加速时间的关系。所有配置参数没有高于或低于标准规范的都是有效的传动系统方案。图中所标出的曲线示出了3档和4档变速器的Pareto前锋，它们分别表示燃油耗和行驶功率之间所能达到的最佳折中。对图3所示出的敏感度分析表明，两档变速器在整车质量相对较轻的同时已无法满足有关燃油耗方面的要求。

表1 用于传动系方案研究的参数、常数、目标值和边界条件

图3 带有2、3、4档变速器的自然吸气发动机在WLTP 行驶循环中燃油耗与加速时间的关系

此外，已证实使用3档变速器能达到最低的燃油耗，但是可达到的行驶功率却有所降低。与性能最为优越的3档变速器相比，4档变速器在WLTP行驶循环中的节油潜力并不大。

6 优化结果

为了客观评价所有试验方案，下一步需进行多标准效益分析，从而得到所有传动方案的优先次序。为此，表2示出了加权系数和从最终得到的最佳传动系统配置及其性能。

总效益最高的方案包括了最大扭矩为105 N·m和最大功率约为68 kW的1.0 L自然吸气汽油机。采用这种配置能达到表1所示的所有目标值和要求，并具有最低的系统复杂性和制造成本。

表2 用于评价方案研究的最终结果

7 方案开发

在表2所示的优化结果基础上，由于在使用最少的零件和最小的结构空间的同时具有足够的运行模式，因而需更仔细地验证DHT方案。正如图4所示，它涉及到一种与手动和自动变速器高度相似的模块化变速器结构，因为仅需要3个圆柱正齿轮级和3个换档部件，因而能够实现较短的轴向长度和较轻的总质量。为了优化结构空间和成本，使用爪式离合器时可进行惰转齿轮的换档。总之，采用当前的方案就能使总轴向长度缩短为349 mm。

图4 传动模块的变速器设计和3D方案研究

齿轮组的开发首先要关注简单的制造工艺和传动比，使其具有尽可能高的灵活性，以此具有统一外壳和统一齿轮组的传动模块就可应用于多种多样的车型。除此之外，该方案只要采用浮动轴承-固定支承原理，就能保持较小的传动比损失，从而达到较高的总效率。

方案中所包括的诸如换档执行机构以及冷却液和润滑剂供应装置等外围部件的设计，主要关注其成本效益、降低复杂性和减少损失等方面。在该边界条件下力争采用众所周知的手动变速器(MT)的通用件，特别是换档部件E，由于其换档负荷较小也可采用摩擦离合器，除了能降低总成本之外还能减少运行损失。

为了使电机和内燃机可实现分开换档，用于惰转齿轮的换档部件被换成单个分段式换档套筒，并带有2个电换档执行器,以此可随着运行工况和档位变换而采用灵活的换档策略。由于采用了电控系统，因而能明显降低液力系统的成本，其中采用了一个紧凑的48 V电动机油泵，即可满足要求，并确保电机的冷却和齿轮组的润滑。机电式换档部件的控制和润滑剂的供应有助于使整个传动系统的运行损失降至最低。

齿轮组和附属的外围部件被设计成轻型结构，包括上述部件在内的总质量(包括电机和单质量飞轮)仅为42.1 kg。小于350 mm的较短轴向尺寸和较轻的运行质量，展示了包括结构和零部件优化在内的整个传动系设计过程中所显现出的潜力。

8 电机

针对多用途设计的电机是混合传动系统中的核心部件。其外形尺寸受到结构空间、峰值功率、电流密度、效率和持续功率等方面因素的影响，而且为满足该类要求所采用的技术也是多样化的，这就需要从设计阶段初始就进行仔细分析。为此，应用了一种特殊方法(IAV电机合成法[5])来制定系统参数方案，以便能在一个较大的参数场中改变电传动的电性能、几何学性能和磁性能。

对于每一种虚拟电机都要进行自动有限元法(FEM)试验，以便查明其详细性能，并通过效率分析验证最佳的电机参数。图5示出了用于混合动力模块的电机配置及其性能概况。为了在有限的轴向结构空间和相电流受限的范围内能实现宽广的恒定功率，选择了一种配备有10个线圈绕组的永磁同步电机(PMSM)。

图5 用于传动模块混合动力方案的电机有限元法(FEM)通量优化和特性参数

着眼于降低成本的制造工艺，采用了定子叠片铁芯作为极链系统，为此每个线圈均匀地环绕定子元件的10个齿进行缠绕，这也包括线圈与整个绕组系统之间的部分连接。按照该方法旋绕定子叠片铁芯，封闭包括预装配绕组在内的极链。由来自电动机油泵单元的机油进行冷却。

9 总结和结论

IAV汽车工程公司介绍了一种低成本传动模块，用于混合动力车和电动车，具有较高结构灵活性的同时，还具有技术成本低的优点。这种模块最多可在3种行驶速度等级的范围内改变其档位数，仅使用一种摩擦离合器即可在牵引运行期间实现按负荷换档需求。在该研究框架下，已对众多电机和变速器进行了试验，由此所得到的结果表明，通过优化内燃机、变速器和电机的参数选择和结构设计，在考虑到所需的行驶功率的情况下仅用3个档位就能实现最低的燃油耗。

DHT方案符合设计要求，轴向结构长度为349 mm，总质量为42.1 kg(包括了电机与单质量飞轮)。传动模块的混合动力方案包含有一台48 V永磁同步电机，具有较高的扭矩密度、效率最佳的绕组技术和低成本的制造工艺。