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基于行星齿轮机构的两挡电桥传动方案分析
2022-01-25 13:37:38· 来源：汽车动力总成
01、两挡驱动桥概述目前主流的纯电动汽车均采用单电机匹配单挡减速器的结构，其原因在于，单挡减速器不需要选换挡元件，结构简单，成本低。但是单挡减速器无法对
01、两挡驱动桥概述
目前主流的纯电动汽车均采用单电机匹配单挡减速器的结构，其原因在于，单挡减速器不需要选换挡元件，结构简单，成本低。但是单挡减速器无法对电机的工作状态进行有效调节，对电机的性能要求较高。有统计显示某国外汽车零部件公司开发的两挡箱，NEDC工况下百公里电耗比单挡减速器降低6.3%，续航里程增加了6.4%。多挡化将是未来电桥发展的趋势。
基于行星齿轮机构的两挡电桥多采用离合器、制动器等进行挡位切换，也有采用同步器进行换挡的，但极少。根据行星排的特点，通过离合器、制动器的配合使用，从而实现不同的传动比。目前这种技术相对成熟，结构紧凑、换挡平顺。
02、两挡电桥传动方案分析
2.1、奥林康两挡混动电驱桥
奥林康提出一款两挡混动后驱电桥，电机和后桥同轴布置，发动机动力通过一对柱齿斜齿轮（一级减速）和一对弧齿锥齿轮（二级减速）传入到差壳，电机动力通过狗牙离合器传递至差壳，也就是说发动机和电机动力在差壳上耦合，然后通过半轴输出，驱动车辆前进或后退。
图1 Oerlikon两挡混动后驱动桥
除了布置为P3构型外，奥林康两挡箱稍经改动，取消发动机输入即可作为两挡后驱电桥使用，也就是P4构型，本文主要讨论后者。
传动部分的核心部件为一套行星排机构，剖面图如下
图2 Oerlikon两挡箱行星排
该行星排有两个太阳轮Z1和Z5，其中Z1连接电机作为动力输入，Z5和狗牙离合器结合后作为二挡输出，齿圈Z2通过螺栓和壳体固连，Z3和Z4是固连在一起的双联行星轮。和常见行星排不同的是奥林康行星排的行星轮通过两端的锥轴承连接到行星架上，实际上和普通行星排一样，都是实现行星轮的自传和公转。整个行星齿轮机构可以看成是两个行星排的组合，NGW行星排：Z5-PC-Z2，NW行星排：Z1-PC-Z2。结构简图如下
图3 Oerlikon两挡箱结构简图
图4 挡位切换杠杆图
上图中行星排特性参数i2=Z2/Z5，i1=(Z2*Z3)/(Z4*Z1)。一挡时狗牙离合器连接行星架PC和差壳，动力从Z1传递至行星架PC，再经狗牙离合器到差壳，由图4知此时速比为
二挡时狗牙离合器连接太阳轮Z5和差壳，动力从Z1传递至太阳轮Z5，再经狗牙离合器到差壳，由图4知此时速比为
联立上述两式即可求得特性参数i1=10.9，i2=1.6，再根据特性参数和齿数之间的关系式就可以进行配齿，进而开展行星排的设计。
Oerlikon两挡箱还配置了电子限滑差速器，其核心部件为图3中所示的离合器C1。当轮胎打滑时，例如右轮陷入泥淖中，可将C1闭合，此时差速器行星架和左半边太阳轮（左半轴）成为一体，根据行星排特性，则整个差速器整体转动，也就是左右半轴转速一样，从而使整车成功脱困。
Oerlikon两挡箱巧妙地利用狗牙离合器结合不同的行星排元件实现两挡的切换，结构紧凑，扭矩密度大，但是该行星排结构复杂，装配困难，尤其是NW行星排涉及到双联齿行星轮，齿数需要进行特别的设计，加工时需要对齿做标记，生产效率低。此外系统中用到了狗牙离合器，这种换挡元件对控制精度要求较高，需要精确测得主从动件的转速及扭矩。换挡时主从动件的转速差不能太大，扭矩不能过大，否则极易造成狗牙离合器失效。
2.2、保时捷Taycan后桥
Taycan后桥是一个平行轴两挡箱，如下图所示
图5 保时捷Taycan后驱动桥
后桥电机的性能参数如下表
表1 保时捷Taycan电机性能参数
表2 Taycan后桥-两挡性能提高对比
上表显示，与单级减速器相比，两挡箱把0-60英里/小时的加速时间减少0.3秒，100-150英里/小时的加速时间减少1.4秒，并且续航里程提升了0.3%。所以，保时捷为Taycan配备的两挡箱，主要目的是为了提升加速性能而不是续航里程。
图6 Taycan 后桥两挡箱
狗牙离合器用于锁止太阳轮，使得后桥在1挡驱动，多片离合器用于结合齿圈和太阳轮使得后桥为直接挡驱动，此外该箱还有两对减速齿轮，结构简图如图7所示
图7 后驱动桥传动结构简图
根据图7结构简图，Taycan两挡箱的一挡和二挡表现在模拟杠杆上见图8
图8 挡位切换逻辑
一挡时狗牙离合器闭合，太阳轮锁止，离合器C1打开，设i1=(Z2/Z1)*(Z4/Z3)，则一挡速比为
其中i2为行星排特性参数，i2=ZR/ZS，根据保时捷官方公布的速比，i1=8.05，i=16，则根据上述公式，容易算出行星排特性参数约为2.013
二挡时狗牙离合器打开，多片离合器C1闭合，行星排整体转动，此时整个传动机构相当于一个常规的二级减速齿轮，速比i=i1=8.05
该箱的换挡元件同样使用了狗牙离合器，带来了控制上的困难，行星排机构采用的是双行星轮行星排，这一点是我们对标分析中存在困惑的地方。根据上述计算，行星排的特性参数为2.013，完全可以用更简单、更可靠、成本更低的NGW行星排替代，但是保时捷Taycan开发团队选择了双星轮行星排，难道真是有钱任性？或许因为它是保时捷吧！
2.3、GKN两挡箱
GKN的两挡箱有同步器换挡方案，也有行星排方案，本文讨论如下图所示搭载于宝马i8上行星齿轮机构两挡箱，其中一挡速比17，二档速比9.5，行星排特性参数1.79。
图9 GKN两挡箱——eTwinsterX
图10 eTwinsterX剖视图
eTwinsterX的行星齿轮机构是WW型行星排，经过三级减速将动力传出到差壳，第一级为直齿斜齿轮，电机的动力经过该级减速进入到行星排进行二级减速增扭。一挡时多模离合器B1闭合锁止小太阳轮S1，C1打开，行星架作为输入，动力经大太阳轮S2输出到第三级减速齿轮，然后经差速器到两半轴；二挡时B1处于自由状态，C1闭合将行星架和大太阳轮S2结合在一起，由此形成直接挡传动，减速比由第一级和第三级决定。
图11 一挡换挡逻辑
图12 二挡换挡逻辑
图11、图12中行星排特性参数k=(ZP1/ZS1)*(ZS2/ZP2)。eTwinsterX涉及到WW型行星排的双联行星轮，同样存在装配困难的问题。根据经验为了解决大批量生产的问题，为了装配时尽可能的容易，配齿时两太阳轮要设计成行星轮个数的倍数，同时为了对齿方便，两行星轮齿数最好设计成倍数关系。但齿数如此设计，可能会带来NVH问题，即所谓相位同步，所以有时就不得不进行平衡折中，需要掌握好度。
2.4、FEV两挡箱
FEV于2018年提出一款基于拉维纳行星排的二合一两挡箱样箱，电机和减速器一体式设计，控制器采用弱连接，通过螺栓固定到主箱体上，整箱不含润滑油重量不超过85kg。电机采用英国YASA的盘式电机，最高转速10000rpm(现在看来这个转速很低，也只能匹配两挡箱)，最大扭矩500Nm，峰值功率300kW，持续功率150kW，最高车速＞200kph。
图13 FEV两挡电桥
拉维纳行星排和电机同轴布置，太阳轮SS连接电机作为输入，大齿圈R输出动力，行星架PC通过制动器B1进行锁止，实现一挡输出，速比为12.3，太阳轮SL通过制动器B2进行锁止，实现二挡输出，速比为8.48，结构简图如下
图14 FEV拉维纳行星排
一挡和二挡的换挡逻辑参考图15
图15 FEV两挡切换杠杆图
图15中is=ZR/Zss，iL=ZR/ZL，其中
图16 平行轴减速齿轮
FEV两挡箱采用了拉维纳行星排，这种行星齿轮机构配齿设计也比较麻烦，为了避免齿圈和行星轮（双行星排的行星轮）之间干涉，需要反复试算宏观参数，直至找出一组间隙满足设计要求的齿轮参数。此外由于拉维纳行星排同时啮合的齿轮对较多，也容易引起NVH问题，而且不容易通过修形进行修正，设计时需要给予足够的重视。
2.5、舍弗勒
舍弗勒很早之前即推出过一款面向未来的纯电动汽车动力系统——eDrive电动概念车，那还是2011年，不得不佩服舍弗勒的战略眼光。他们认为通过使用可变速双速驱动器，在混动汽车中将具有非常大的优势。以下为其平行轴布置的两挡解决方案。
图17 舍弗勒平行轴两挡箱
舍弗勒这款两挡箱的核心部件为NGW行星排和专门开发的一套同步器式换挡机构，为便于看清图17中的传动机构绘制结构简图如下
图18 平行轴两挡箱结构简图
换挡机构有三个位置——左、中、右，分别对应，1挡、空挡和2挡。1挡时拨叉往右拨动带动同步器齿套往左运动，TM电机动力经NGW进行第一级减速，齿圈锁止，太阳轮输入，行星架输出，这是NGW行星排的典型功能之一，而后由正齿轮进行二级减速输出到差壳；2挡时拨叉往左拨动带动同步器齿套往右运动，动力由太阳轮直接输出到二级减速齿轮，最后经差壳到半轴输出。
舍弗勒为该箱匹配的电机及其技术参数见下表
表3 舍弗勒平行轴两挡电桥技术参数
显然该方案使用NGW行星排使得结构简单、紧凑，功率密度高，成本低，目前搭载该款减速器的国内车型有长城WEY P8以及长安CS75 PHEV
除上述正齿轮作为二级减速的两挡方案外，舍弗勒还开发了一款峰值功率为12kW的48V电桥。包括一个电机，两个NGW行星排串联在一起的两挡减速器，以及电子机械式换挡机构，见图19
图19 行星排方案两挡电桥
同样绘制上图的结构简图如下
图20 行星排两挡方案结构简图
换挡机构和平行轴两挡一样，拨叉处于左、中、右位置时分别对应2挡、空挡和1挡。1挡时同步器右边结合，电机驱动力经过S1-PC1-S2-PC2，再由同步器齿套输出；2挡时同步器左边结合，电机动力仅由S1-PC1-R1单个行星排传动。具体见图21
图21 舍弗勒行星排两挡方案挡位切换杠杆图
由上图，1挡时，S1输入动力，PC2输出，速比为nS1/nPC2=(1+i1)*(1+i2)=15，同样2挡时，S1输入，输出轴为PC1，此时根据上图右边杠杆，速比为nS1/nPC1=1+i1，其中i1=ZR1/ZS1，i2=ZR2/ZS2。
舍弗勒平行轴两挡方案采用了NGW行星排，NGW是所有行星排中结构最为简单的，成本低，大批量生产容易。但是选换挡元件采用的是同步器，换挡时存在动力中断的情况，对控制要求较高。
2.6、馨联动力EV3000两挡纯电动
馨联动力成立于2013年，坐落于上海嘉定，专注于新能源电驱动总成的研发，其开发的两挡纯电动结构新颖，性能卓越，功率密度高，目前样箱已经搭车验证。
图22 EV3000爆炸图
EV3000为三合一纯电动两挡箱，两级减速，电机动力经过无齿圈的拉维纳行星排减速后由行星架输出，经过二级减速齿轮，最终由输出到差壳，经半轴传递到车轮。
小太阳轮S1连接多模离合器B1，锁止S1提供支点，大太阳轮连接电机为动力输入，两个太阳轮之间布置多片离合器C1，当C1闭合，B1打开时，实现两太阳轮的连接，整个行星排为一整体，形成直接档，是为2挡。多模离合器B1的使用，可以提高系统效率，设置B1为常闭，2挡时B1回到中间位置，由于多模离合器没有多片式离合器的摩擦片、对耦片等元件，所以2挡高转速时，拖曳损失较小，对于整个系统的效率提升有1~2%的贡献。
图23 馨联两挡纯电动样箱
该箱电机性能参数见下表
表4 馨联平行轴两挡箱电机技术参数
结构简图见图24
图24 馨联两挡纯电动结构简图
03、总结
基于行星排的两挡电桥方案，有采用简单的NGW的，有采用拉维纳或变形的拉维纳式的，有采用双行星轮行星排的，有采用NW的，也有采用NW+NGW的，布置形式丰富多样；换挡元件一般采用制动器+离合器的组合形式，当然也有同步器式的。不管是哪一种方案，目前见诸于市的多是国外公司设计生产，显见我们的差距。
拆解分析别人的方案，也是个学习成长的过程，关键是要拆的清楚，学的明白，本文写作过程中查询了很多资料，发现有些文章存在误导，需要我们有一定的辨识度。
盘点了一下目前搭车的主要的两挡纯电动，多是国外开发出品，赞叹他们工程师的业务水平，赞叹他们对复杂零部件的把握，尤其是行星排及精妙的选换挡方案，这些都是国内公司的短板，但他们的工程师却运用娴熟，各种大胆的方案层出不穷。
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