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迈锐宝XL行星排齿轮测绘及工作原理分析

2022-02-08 12:57:50·  来源：汽车动力总成  
　
01、概述说起混动，人们首先想到的是丰田Prius，其实还有一位优等生——通用Volt，沃蓝达变速箱共迭代了两次，在通用内部第一代命名为4ET50，第二代命名为5ET50
01、概述
说起混动，人们首先想到的是丰田Prius，其实还有一位优等生——通用Volt，沃蓝达变速箱共迭代了两次，在通用内部第一代命名为4ET50，第二代命名为5ET50。
图1 Volt第一代和第二代DHT
关注混动发展，了解这段历史的人们都知道，丰田于1995年在东京车展上推出第一代Prius，并于1996年提出THS-Ⅰ的专利，1997年Prius正式上市。同样，通用在混动上的研究也不差。几乎和丰田THS同步，通用于1995年即提出自己的功率分流方案专利申请，2001年Volt-Ⅱ的方案就已经成型，2007年底特律车展上Volt-Ⅰ揭开面纱，2010年11月Volt-Ⅰ在北美上市，2016年10月Volt-Ⅱ正式推出。5ET50分别搭载于凯迪拉克CT6、别克君越和迈锐宝XL上面，本文的齿轮测绘即基于混动版迈锐宝XL行星排开展，并分析其工作原理。
图2 迈锐宝XL 混动版
Volt-Ⅱ的特点是双电机系统，采用两个简单行星排的组合，有一个制动器、一个离合器、一个多模离合器。可实现两种纯电模式，一个输入动力分流模式(ECVT1)，一个固定速比模式，一个复合动力分流模式(ECVT2)。功率分流模式高效运行兼顾了经济性，固定传动比模式大扭矩输出兼顾了动力性，0-100kph加速时间为8.8s，百公里油耗为4.3L，其动力系统参数见下表。
表1 迈锐宝动力系统性能参数
02、行星排齿轮测绘
迈锐宝XL混动系统DHT的剖视面图如下
图3 5ET50剖面图
为了阐述方便同时为了避免混淆，对5ET50行星排进行编号命名，见如下结构简图

图4 结构简图
限于篇幅，这里直接给出测绘和计算的结果，略去繁琐的测量和计算过程，具体参见表2和表3
表2 PG1齿轮参数测绘表


PG1太阳轮、行星轮和齿圈测绘齿形同实物对比见图5、6、7

图5 PG1太阳轮测绘齿形和实物对比



图7 PG1大齿圈测绘齿形和实物对比
表3 PG2齿轮参数测绘表


PG2太阳轮、行星轮和齿圈测绘齿形同实物对比见图8、9、10

图8 PG2太阳轮测绘齿形和实物对比

图9 PG2行星轮测绘齿形和实物对比
图10 PG2内齿圈测绘齿形和实物对比
03、工作模式分析
观察图4，迈锐宝XL混动箱的连接方式是发动机ICE动力经过扭转减振器后和PG1的齿圈R1相连，S1连接辅助电机MotorA，PC1和PC2共轴并通过链条传动将动力输出到和差速器相连的行星排，S2连接驱动电机MotorB，PG2的内齿圈R2可以通过制动器B1固连到壳体，同时R2又通过离合器C1实现和PG1的太阳轮S1相连。
除驻车充电、能量回收外，该箱共有5种常用的工作模式，其中两种纯电动模式，分别定义为EV1和EV2，EV1是辅助电机A驱动，EV2为驱动电机B驱动。迈锐宝DHT取消了单向离合器，因为没有了大小电机共同驱动的模式，不用担心发动机被反拖的情况，所以取消了单向离合器。HEV有三种模式，输入动力分流模式定义为ECVT1，固定速比模式定义为HEV，复合动力分流模式定义为ECVT2。其控制策略是在0~60kph大扭矩或者20~40kph小扭矩时使用ECVT1模式，在70~110kph大扭矩或者40~60kph小扭矩时使用HEV模式，在大于110kph大扭矩或者大于60kph小扭矩时使用ECVT2模式。模式切换逻辑见表4
表4 迈锐宝XL模式切换逻辑
EV1模式的杠杆图，功率流如图11所示

图11 EV1模式
上图中EM1为MotorA，EM2为MotorB。i1=ZR1/ZS1，结合表2齿数信息，i1=86/46=1.87。i2=ZR2/ZS2，结合表3齿数信息，i2=81/39=2.08。EV1因R1和发动机连接，此时发动机曲轴的摩擦力使得R1固定不动提供支点，速比i=ns1/npc1=i1+1=2.87。
EV2模式的杠杆图，功率流如图12所示

图12 EV2模式
当车速进一步增加，需求扭矩增大，发动机介入，进入输入功率分流模式，功率流和杠杆姿态如图13所示

图13 ECVT1模式
ECVT1模式为输入动力分流，发动机能量在PG1行星排上被分成两路，一路为机械路径直接通过PC1输出驱动车辆，另一路为电功率，驱动EM1转子切割磁感线发电，电能或用于储存(SOC低于设定值时)或用于驱动EM2电机进而驱动车辆。
固定速比HEV模式，B1和C1同时闭合，此时S1和R2同轴，PC1和PC2同轴，杠杆图可以方便的用四轴系统描述，具体见图14

图14 固定速比HEV模式
固定速比模式时，EM1空转，EM2有三种状态，当SOC值较低时，EM2被发动机驱动对电池进行充电；当EM2和EM1一样空转时，发动机直驱；当SOC值较高时，EM2电动助力和发动机共同驱动车辆。

图15 ECVT2模式
ECVT2模式是复合动力分流模式，所谓“复合”包含着这样的涵义，即至少有两种单一分流模式组合在一起。ECVT2正是这样，它由输入和输出两种分流模式复合，见图15。
04、关于复合动力分流的讨论
复合动力分流有个很神奇的特点，EM1和EM2的角色会随着速比的变化而相互转变，也即在某一时刻，EM1为发电，EM2为电动，而随着车速的增快，下一时刻，EM1转变为电动，而EM2则转变为发电。下面根据5ET50行星排齿轮参数，在软件中绘制电机EM1的功率占比曲线，结合功率比曲线讨论EM1和EM2的角色互换。

图16 复合动力分流杠杆模型
图16是基于5ET50绘制，在杠杆图上设输出端到发动机距离为单位1，到EM1距离为a，到EM2距离为b，这里a=i1=-1.87(负号表示EM1在输出端左侧)，b=|i1*i2|=3.89，则有如下公式

上式中，i是发动机转速和输出转速的比值，也就是速比，η是EM1和EM2能量转换时的效率，αE1是EM1的电功率和发动机功率的比值，根据上述公式，得到如下曲线

图17 复合动力分流模式下电机EM1功率和发动机功率的比
图17中，在A点的右侧，速比较大，车速较慢，此时EM1电功率＜0，也就是说EM1处于发电状态，假设不考虑电池的充放电，显然EM1 发的电能只能由EM2来消耗，也就是说EM2必然处于电动状态，事实上将αE1和αE2绘制在一张图上看得更为清晰，见图18

图18 复合动力分流模式下电机EM1、EM2功率和发动机功率的比
再看图17，A点右侧时的杠杆姿态见图16，此时的功率流向如图19所示。

图19 点A右侧时的功率流
解释一下图19，发动机功率①在PG1行星排上被分成②③两路，第②路又被分成④⑤两路，第④路驱动EM1发电，电能用于EM2的驱动，是为第⑥路，⑤和⑥两路在PG2上汇流成第⑦路，最后③和⑦两路汇合成⑧输出。该状态下，PG1为输入动力分流，PG2为输出动力分离，两种单一分流模式合在一起，故称为复合动力分流。
当车速进一步增加，速比减小，越过A点，此时EM1电功率＞0，在AB之间，也就是说EM1处于电动状态，由图18知，EM2为发电状态，杠杆姿态如下图

图20 复合动力分流模式AB之间杠杆姿态
此时的功率流如图21所示
图21 AB之间时的功率流
比较图21和图19，功率流截然相反，发动机功率①在PG1行星排上和功率流②汇聚成③输出，显然这是输出动力分流模式。第③路又被分成⑦⑧两路，支路⑧直接输出，支路⑦进入PG2行星排后分成⑤和⑥两路，显然这是输入动力分流。第⑥路驱动EM2发电，产生的电能驱动EM1，是为第④路，④和⑤汇流成第②路。与图19不同的是该状态下，PG1为输出动力分流，PG2为输入动力分离，它们组合在一起也称为复合动力分流。
总结下来，所谓复合动力分流就是将单一的输入或是输出动力分流组合在一起，根据效率高低择优进行单独或是组合使用，以达到高效省油的目的，这也是复合动力分流DHT设计的初衷。
05、总结
虽然通用在2019年因研发资源向纯电动倾斜而终止了包括Volt、Malibu在内的混动车型，但是5ET50任然是一款及其优秀的变速箱，值得我们研究学习。4ET50是业界首次使用输出动力分流量产的DHT，具有极大的创新，丰富了功率分流的使用范围。不管是4ET50还是5ET50，其对性能的不断追求，值得我们投去敬意的一瞥。
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