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DHT混动专用变速器选换挡元件设计
2022-01-22 00:23:17· 来源：汽车动力总成
前言DHT的概念是在2015年CTI柏林论坛上被提出来的，刚一提出即得到广泛关注，事实上DHT变速器早已有之，典型的代表就是丰田的Prius，此外还有通用的Volt，上汽ED
前言
DHT的概念是在2015年CTI柏林论坛上被提出来的，刚一提出即得到广泛关注，事实上DHT变速器早已有之，典型的代表就是丰田的Prius，此外还有通用的Volt，上汽EDU等。通常DHT采用行星排结构实现其紧凑性，这主要是因为行星排有多自由度，易于实现多动力源的接入，无需额外增加零部件即可满足动力的汇流、分流、输出。行星排和动力源通过制动器、离合器、单向离合器等选换挡元件制动或结合从而实现多种模式的驱动，优化发动机工作区间，提高燃油效率，因此选换挡元件作为DHT的重要组成部分，讨论、掌握其设计计算尤为必要。
1.选换挡元件受力分析
1.1DHT方案简介
新开发的DHT混动专用箱是基于行星排的方案，如下图1所示：
其中发动机（命名为1轴）通过离合器C1连接到齿圈R1（命名为2轴）上、通过离合器C2连接到行星架上（命名为4轴），电机EM通过减速齿轮也连接到齿圈R1上，齿圈R1通过制动器B1实现锁止，太阳轮（命名为5轴）通过离合器C3和行星架相连、通过制动器B2实现锁止，齿圈R2（命名为3轴）通过减速齿轮连接到差速器主减齿轮输出动力。通过两个制动器B1、B2以及三个离合器C1、C2、C3的不同组合，从而实现2种纯电动、4种混动、1种无级变速共7种驱动模式。各种工作模式的换挡逻辑如表1所示：
1.2设计输入条件
为后面各小节阐述方便，本节给出设计的初始条件，如表2：
1.3DHT工作模式简介
了解所开发的DHT的典型工作模式，是设计选换挡元件的前提，只有清楚了各种模式下制动器和离合器应该执行的动作才能开发出符合要求的选换挡元件。本节简要介绍本文所阐述的DHT的典型工作模式。
EV1：车辆起步时有两种纯电动方式，其中EV1模式是将制动器B2闭合，此时电机EM通过减速齿轮将动力传至齿圈R1，再经过行星架、齿圈R2，最后动力输出到差速器，其直观的杠杆图如下：
该模式下可以列出运动学方程，解出各个构件的转速：
其中C代表常量，此处n2的转速由电机的输出转速和iEM的比值确定，上述方程是一个线性方程组，如下解之：
EV2：当车速进一步提升，仍工作在纯电模式下时，进入EV2模式。EV2模式的杠杆图如下：
EV2模式是C3离合器闭合，此时太阳轮和行星架成为一体。根据行星排特性，当任意两个行星排的基础元件结合时，整个行星排即成为一体，也就是说该模式下是个直接档。电机动力经减速齿轮传到R1后，行星排作为一个整体将动力经由R2输出至差速器，驱动车辆前进。
EV2模式的运动学方程和已知条件同EV1类似，不再赘述。
HEV1：车辆进入混动模式，此时B2锁止，离合器C1结合，发动机和电机动力通过齿圈R1共同驱动车辆前进。杠杆图如图4所示：
该模式下的运动学方程为：
写成矩阵形式为：
此模式下n3的转速作为已知条件，它由车速决定。n3是个区间值，假设发动机启动时的车速为v01，由HEV1模式进入HEV2模式时的车速为v12，那么n3位于v01和v12确定的转速之间。
HEV2：该模式下起作用的选换挡元件是B2和C2，发动机通过C2连接到行星架上，B2锁止太阳轮作为支点，其杠杆图如下：
HEV2模式的运动学方程和HEV1类似，区别在于行星架的转速和发动机一样（C2连接发动机和行星架），即n1和n4相等。
HEV3：该模式下C1和C3同时闭合，使得齿圈R1和行星架4连接在一起，根据行星排特性，此时整个行星排成为一个整体，也就是说该模式类似纯电动的EV2是一个直接档，通过图6的杠杆图可以很直观的看出：
HEV4：该模式属于超速档，需要闭合的选换挡元件是制动器B1和离合器C2，如下图：
E-CVT：该模式下闭合离合器C2，该工况下发动机的能量一部分用于发电，一部分用于驱动车辆前进，因此效率较低，用于车辆起步或SOC较低时充电，杠杆图如图8所示：
总之上述各种模式下的运动学方程可用下式表示：
其中系数矩阵AN是5×5的方阵，代表着该DHT方案的5根轴，除E-CVT模式之外，其他模式控制一个变量即可得到各元件的转速参数。在进行选换挡元件设计时，各元件的转速是有限制的，一般规定选换挡元件的最大直径处的线速度不得高于90m/s，因此必须根据已知条件利用方程（1）计算各工况下选换挡元件的转速，以避免设计不当，造成元件无法承受离心力而失效。
1.4选换挡元件受力分析
设计选换挡元件时，必须知道各元件传递的最大扭矩作为边界条件，也就是说必须根据给定条件进行受力分析。 限于篇幅本文仅取7种典型工况中的一种（HEV2）进行阐述，其他模式下的受力分析与此类似。分三步进行：第一步确定未知量，第二步列方程，第三步解方程。
一、确定未知量：
二、列方程：
上述1）~ 6）共20个方程，因此能够解出20个未知扭矩量，其中发动机和电机的扭矩值要视实际情况确定，如：发动机不能出现反拖，车轮不能打滑，等等条件，具体情况不在本文讨论范围，不再赘述。
三、解方程：
上述20个方程是一个线性方程组，列如下矩阵方程解之：
2.选换挡元件设计
2.1给定边界条件
通过第一节的受力分析，已经得到各个不同工况下，选换挡元件的受力限值，也就是清楚了选换挡元件所传递的扭矩极限值，但是还需要根据整箱（本文是DHT变速箱）给定的包络空间、选换挡元件的材料性质等才能进行设计。给定边界条件如表3所示：
上表中摩擦片外径大小由DHT变速箱包络空间决定，摩擦片宽度、摩擦片压力、摩擦片最大线速度由摩擦片强度决定，摩擦片片数由效率决定，活塞承压由其材料决定。
2.2制动器、离合器尺寸设计计算
限于篇幅本文仅以B1制动器的设计计算为例进行阐述，其他选换挡元件设计计算过程与B1类似。
由第一节计算知：B1制动器最大受力为TB1=107.51Nm，最大转速为nB1=5500rpm；
假设摩擦片外径为：ra=45，则根据表3，ri=34；
至此关于B1制动器的所有设计计算完成，计算结果表明摩擦片和对偶片的尺寸符合表3的要求。此外计算过程中根据经验预先给定摩擦片和活塞的内外径，然后根据已知条件去求证所给定尺寸的合理性，若计算过程中出现尺寸不符合表3的条件，需要再次修正初始内外径尺寸，再次计算，直至给定的初始内外径符合表3要求。此外，计算了推动活塞运动需要的流量，该参数的计算为
液压泵的选型提供参考。
3.结语
汽车行业法规政策日趋严格，排放政策倒逼企业深挖动力系统的节能潜力，混合动力技术将在行业内赢得越来越重要的市场地位，DHT作为混合动力专用变速器越来越受到主机厂的重视，尤其是随着《节能与新能源汽车技术路线图2.0》的发布，DHT将迎来井喷式发展。发动机和电机的结合是通过行星排完成的，即通过行星排中的太阳轮、行星架、齿圈的不同锁定方式，改变动力流模式。而行星排中基本元件的不同锁定方式要靠选换挡元件来进行，因此深入研究选换挡元件的性能变得十分必要。本文基于某DHT变速器方案，分析了其工作模式，建立各元件的运动学和动力学方程，解得各元件在不同工况下的受力情况，再根据选换挡元件的设计输入条件，确定选换挡元件的尺寸，并进行了理论求证，结果表明设计尺寸符合要求。
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