新能源混动之传动系统模块设计介绍

  近几年新能源电机产品快速的提升，电机高转速、高集成、高性能的实现需要传动系统更优越的设计作为支撑。同时，所有动力输出途径都需要由传动系统完成，既要保证传动丝滑，又要保证传动高效。混动传动系统最佳设计要保证发电机、电动机、发动机较好的动力输出过程，同时实现高效（可达98%）、高可靠性、超高的性价比和极致舒适性等目标。

  传动系统最重要的包含的零部件为轴、差速器、齿轮以及离合器等，见下表1所示。与电机与发动机组合，通过传动系统把电动力和机械动力传递到输出轴，实现车轮驱动车辆，传动系统简图如下图1所示。

  传动系统主要是设计发电传动、直驱传动、电动传动、中间传动，以及电和机械动力输出共用的输出差速传动，上表1与下图1示意图中零部件编号相互对应。

  传动系统最重要的包含五个总成系统，分别包括壳体总成、液压模块、电子驻车系统、主减差速总成、轴系齿轮总成等，如下表2所列。

  如下图2所示混动混动系统中，示意图中2、3、8、9、10是传动系统主要系统部件，是连接车轮实现输出的主要途径。

  混动混动系统可实现整车主要工作模式有：纯电动模式、混动模式、发动机直驱模式行驶。进一步细化整车工作模式有：纯电动模式、混动模式、发动机直驱模式、空档模式、倒档模式、能量回收模式、空载充电模式、启停模式。以动力传动的方式示意解读混动工作模式，第一种工作模式：展示纯电模式，如表3所示。

  纯电输出主要传动途径为：驱动电机输出动力至中间轴齿至减速齿至轴差速器至后轮。第二种工作模式：展示混动模式，如表4所示。

  混动输出主要传动途径为：本项目为单档混动，主要的混动模式为增程串联模式，混动传动途径有两条，第一条传动路径为增程发电，发动机至减速齿至发电机，实现发电增程，电传输给电动机；第二条传动路径为电池电传递给电动机。电动机获取电池电+增程电后，输出动力，通过减速齿轮，再通过差速器输出至传动轴，实现驱动车轮。第三种工作模式：展示发动机直驱模式，如表5所示。

  发动机直驱主要传动途径为：发动机直驱模式主要的传动途径为（路径一），离合接合，发动机动力输出至中间齿轮后传递到差速器，再经过输出轴驱动车轮；另外一种发动机直驱模式（路径二）是发电机可以同步发电（行车充电），发动机输出动力分为两个部分，发动机的一部分动力输出直接实现驱动（路径一），同时发动机的另一部分动力传递到发电机，实现增程发电，电传输给动力电池，进行电池充电（此时电池SOC较低，处于馈电状态）；还有一种发动机直驱模式，发动机动力输出状态为路径一，此时发电机空转不发电，而因为高速巡航动力输出加大，驱动电机会偶尔进行辅助驱动，动力电池输出电给驱动电机，驱动电机经过减速齿轮、差速器，驱动轴辅助进行动力输出，此时能够理解为并联模式。第四种工作模式：展示空档模式，如表6所示。

  空档模式主要传动途径为：发动机空档模式主要的动力传递分为两种状态，一种状态为空档停机，此时没有输出，发动机、发电机、电动机、离合器等零部件都不工作，停止传动，如上表8中“无”；另一种状态为空档充电，此时整车停车，整车处于空档N，发动机启动，离合器分离，发动机驱动发电机发电，处于增程发电模式，传动路径为发动机经一级传动齿轮至发电机，发电机发电输出给电池。第五种工作模式：展示倒档模式，如表7所示。

  倒档模式主要传动途径为：倒档为整车倒车模式，该模式下发动机停机、发电机不工作、离合器分离、驱动电机工作但反转。主要的动力传递方式为驱动电机工作（动力电池供电），驱动电机反转，此时电机处于第三象限工作，电机动力输出至中间齿轮后再传递到差速器后桥输出至车轮，进行车辆倒车行驶。第六种工作模式：展示能量回收模式，如表8所示。

  能量回收模式主要传动途径为：能量回收一般是整车高速行驶后减速停车的过程，开始车辆滑行，发动机如果处于运作时的状态，会断油熄火有个过程，发电机与发动机协调进行，电动机会加载负扭矩发电制动，实现能量回收给电池充电。此过程主要的传递路径为车辆减速，电动机施加发电负扭矩，电量传递到电池充电。第七种工作模式：展示空载充电模式，如表9所示。

  空载充电模式主要传动途径为：空载充电模式首先在车辆行驶前检测到电池SOC偏低，电池的电量不足，启动发动机怠速空载充电。此过程主要的传递路径为车辆启动，发电机驱动状态开启发动机，发动机启动后发电机转化为发电状态，形成增程模式，为电池充电。第八种工作模式：展示启动模式，如表10所示。

  启动模式主要传动途径为：启动模式指发电机开启发动机过程，混动系统，发动机的启动靠发电机拖动到较高转速（本项目为2000rpm），该段拖动时间较短（一般要求≤0.5s），然后发动机喷油点火输出扭矩完成启动成功，启动过程发电机作为驱动电机使用，输出正扭矩。此过程主要的传递路径为电池供电给发电机，发电机输出驱动正扭矩，拖动发动机至一定转速，发动机点火喷油启动成功后发动机转速稳定至怠速。

  本项目齿轮传动系为平行轴式渐开线圆柱斜齿轮传动。共有四轴七个齿轮，在离合器作用下形成发电传动系、电驱动传动系、发动机直驱传动系。混动混动传动系统3D示意图如下所示。

  上图显示传动系统主要零部件共七组，主要的零部件构成为齿轴结构，零部件列表如下表11所示。

  传动系统中发电系统是发动机与发电机连接、电驱动系统是驱动电机与减速输出连接、发动机直驱系统是发动机与减速输出连接，三大传动系统3D示意如下表12所示。

  传动系统三个主要传递路径最主要的传递方式是齿轮传动，三个路径存在不同的齿轮传动比，列表如13所示。

  三个传动系统传动比差别较大，每个系统传动比定义要求不同，三个传动系具体传动比设计匹配要求具体说明如下。发电机传动系：发电机传动系为增程系统，由发动机与发电机传动组成，实现发电功能，不参与机械驱动。发动机输出动力给发电机，发电机发电为动力电池充电，发动机与发电机之间传动比为0.513，即发电机转速约为发动机的2倍。增程工况发动机一般工作在（1500-3000）rpm，处于发动机高效转速工况，而对应的发电机转速约为升速（3000-6000）rpm，发电机转速提升，体积更小集成度更高，同时，发电机更高的转速使用与高效率使用重合度更好。电驱动传动系：电驱动传动系为纯电系统，由电池或者增程供电，驱动电机独立实现纯电驱动，驱动电机经过副轴一组减速齿轮，再经过主减速齿轮，最终差速轴输出，总的减速比为8.397，经过此减速比后差速输出端实现减速增矩的大扭矩输出效果，而电动机端必须高电机转速加持。发动机直驱传动系：发动机直驱情况下，发动机直接参与机械输出来驱动车轮，离合器接合，发动机输入轴连接超越驱动齿轮，经过副轴齿轮组传动，再经过主减速齿轮组，实现发动机直接输出端减速增矩，该传递路径总减速比为2.757，比电驱动端传动比小，该发动机直驱路径主要是实现发动机独立驱动的高速巡航，实现高速驱动使用发动机最高效区间。

  对三个传动系统来进行详细传动设计细节说明，对核心传动齿轮参数进行详细解析。

  首先对发电传动系统细节解析，如下表14所示，进行详细说明如下。A）发电传动系从输入发动机端动力实现输入，输入轴端与发动机采用花键连接，发动机端为花键孔，匹配减速齿轮端花键轴；B) 经过发动机发电机一组减速齿轮（斜齿轮啮合传动）完成电机转速升速；C）升速后的小齿轮把动力传递到发电机轴，发电机转子与发电机轴也采用花键连接，轴端为花键轴，电机转子端为花键孔，匹配后传递动力输出，实现发电机发电。

  在传动过程中，传动中转速变化、动力变化都依靠齿轮和轴来完成，下面针对发电传动系中主要的两个齿轮参数设计进行详细说明。如下表15所示。

  发电传动齿轮组齿轮精度等级不高，该组传动齿轮受力不大、转速不高，属于常规范围传动，对齿轮要求较低些，可以在设计该组齿轮时侧重成本考虑。该组齿轮传动，其它如模数、压力角、螺旋角、重合度等参数都属于正常齿轮设计。

  对电驱动传动系统细节解析，如下表16所示，进行详细说明如下。A）电动传动系从输入驱动电机轴端动力实现输入，输入轴端与电机转子采用花键连接，驱动电机转子为花键孔，匹配驱动电机花键轴；B) 经过驱动电机轴上齿轮与副轴齿轮啮合，进行第一组减速增扭传递；C）副轴另一侧小齿轮与差速器齿轮啮合，进行第二组减速增扭传递；D）差速器与底盘传动半轴花键连接，实现动力输出至车轮；E）传动轴支撑采用轴承，传动齿形皆为斜齿轮，能轻松的获得更好地轴向间隙，有利于NVH效果。

  电动传动端传递要求相对于发电端更高，下面针对电动传动系中主要的四个齿轮参数设计进行详细说明。如下表17所示。

  电动传动齿轮组齿轮精度等级要求相对发电要高，尤其该组传动齿轮受力较大副轴大齿轮以及转速要求比较高的驱动电机轴齿轮，这两个齿轮精度要求比较高。3级精度在国内混动箱批量齿轮制造中比较少见，难度较大。5级精度属于国内混动箱常规的高精度水准。副轴小齿轮和主减差速器齿轮属于常规范围传动，对齿轮要求较低些，可以在设计该组齿轮时按照常规设计规定要求即可。该组齿轮传动，主要齿轮参数，如模数、压力角、螺旋角、重合度等参数都属于正常齿轮设计。

  对发动机直驱传动系统细节解析，如下表18所示，进行详细说明如下。A）发动机直驱传动系从发动机飞轮扭转系统花键孔与动力输出轴花键配合，离合器啮合，输入端动力实现传输至超越驱动齿轮；B) 超越齿轮与副轴齿轮啮合，进行第一组减速增扭传递；C）副轴另一侧小齿轮与差速器齿轮啮合，进行第二组减速增扭传递（与驱动电机输出使用同一组齿轮传递）；D）差速器与底盘传动半轴花键连接，实现动力输出至车轮（同电驱动传动）；E）两组传动齿轮，其中副轴传递到差速器端与电驱动相同，另一组超越驱动与副轴齿轮组传动比较小（与电驱动传递相比），实现比电驱动需求更小的传动比。

  选用的轴承多为主流专业轴承厂商，例如NACHI、NSK等。轴承大多为非标轴承。轴承的选用主要是依据轴承承载力和轴承最高转速需求。

  传动系统间连接多为花键连接，花键连接的设计根据花键规定要求来执行，设计完成后进行花键强度校核。

  混动传动系最重要的包含发电传动、电动传动与发动机直驱传动，传动系的设计主要涉及总成设计、轴设计、齿轮设计、连接花键设计以及轴承选配等。传动总成设计要完成混动传动功能、花键设计要完成传动连接、轴承设计要完成支撑、轴齿轮设计要完成动力传递，在系统及各零部件设计过程中要遵循相应国标、企标，保证传递可靠性同时也要获得优秀的NVH性能。

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