杠杆法普锐斯动力系统分析

摘要：在全球汽车市场，丰田堪称是混合动力的鼻祖，混合动力技术是丰田的核心技术，行星齿轮机构杠杆分析法就是把行星齿轮机构用垂直布置的一根或多根杠杆等效的代替，这样行星齿轮机构复杂的动力分析转化为平面垂直布置的杠杆系统的分析。本课题就是以丰田普锐斯汽车为基础，清晰的分析其传动系统各个部件的工作情况，并运用便于直观理解的杠杆法分析其各个工况发电机、发动机以及行星齿轮的动力分配。

关键词：杠杆法；普锐斯；动力分配

随着现代科学技术的高速发展与技术创新的不断升级。数字技术、网络控制等高新技术在汽车上的运用，使汽车高科技含量的比重越来越大。与传统的汽油或柴油汽车相比，混合动力汽车所运用的电子技术更加先进，这就促使汽车维修人员的技术要求越来越高，与之相对应对汽车维修人员的培训的教学内容以及教学方法和教学手段都要做出相应的改善。在全球汽车市场，丰田堪称是混合动力的鼻祖，混合动力技术是丰田的核心技术。本课题就是以丰田普锐斯汽车为基础，清晰的分析其传动系统各个部件的工作情况，并运用便于直观理解的杠杆法分析其各个工况发电机、发动机以及行星齿轮的动力分配，为大家学习混合动力汽车传动系统的结构、组成以及工作状态与工作原理提良好的平台。

1普锐斯混合动力系统的类型及驱动桥

1.1混合动力汽车的分类。混合动力汽车综合了传统燃油车和电动车的优点，使用内燃机和电动机/发电机进行驱动[3]。这两种动力源装置—内燃机和电动机，从能量传递的角度看，既可以以串联的方式连接也可以同过并联的方式连接。当这两种动力源串联时，就是串联式混合动力汽车，这时只有电动机为车轮提供动力，而内燃机只是将其产生的机械能通过发电机转化为电能，以驱动电动机工作，串联式结构可使发动机不受汽车行驶工况的影响始终在最佳的工作区域稳定运行，但是发动机的输出需全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能，由于机电能量转换和电池充放电的效率较低使得燃油能量的利用比较低；并联式混合动力汽车，发动机和电动机可以共同驱动或者是各自单独驱动车轮，另外电动机也可以作为发电机回收内燃机的部分能量或者制动时的动能。与串联式的混合动力系统相比，发动机直接通过机械装置与车轮相连，使得其能量的利用效率相对较高，所以燃油经济性比串联式的好；并联式的混合动力汽车，综合了串联式和并联式混合动力系统的特点，既能以串联模式工作，又能以并联模式工作，因此根据车辆的行驶工况，能够优化它的燃油经济性和驾驶性能，是现在最常见的一种布置形式。本课题所研究的丰田普锐斯混合动力汽车就是采用的混联式的混合动力系统，该系统采用阿特金森循环发动机以及最高电压500V的交流永磁电动机（MG2）作为动力，动力合成装置采用行星齿轮机构。车辆平稳起步、低速、低负荷时车轮主要由电动机（MG2）驱动，当HV蓄电池电量不足时发动机将驱动发电机（MG1）发电为其充电，在高速大负荷时使发动机和电动机共同驱动，车辆减速或者制动时MG2做为发电机工作回收车辆的动能转化为电能储存在HV蓄电池中，使得燃油经济性排放性能等都得到了很大的改善。1.2普锐斯混合动力汽车的变速驱动桥。普锐斯混合动力汽车采用P112型混合动力变速驱动桥，主要由变速驱动阻尼器、MG1、MG2、行星齿轮机构和减速装置（包括链条、中间轴主动齿轮、中间轴从动齿轮、主减速器主动齿轮、主减速器从动齿轮）以及差速器组成，行星中心长轴一端连接变速驱动桥阻尼器，另一端连接油泵；MG1与行星齿轮机构的太阳轮连接；MG2通过机械装置与齿圈相连；传动链通过机械装置与齿圈相连。

2基于杠杆法分析普锐斯混合动力汽车工作原理

2.1杠杆法原理。行星齿轮机构杠杆分析法就是把行星齿轮机构用垂直布置的一根或多根杠杆等效的代替，这样行星齿轮机构复杂的动力分析转化为平面垂直布置的杠杆系统的分析。一个行星排由行星轮、太阳轮、行星架、齿圈组成，根据此结构把一个行星排简化为一个垂直杠杆和三个支点，三个支点分别代表齿圈R、太阳轮S和行星架P[4]。对于单行星的行星齿轮机构太阳轮和齿圈相对于行星架的运动方向相反，所以中间支点是行星架P，两端支点是齿圈R和太阳轮S。对于有两个行星轮的行星齿轮机构，齿圈和太阳轮相对于行星架的运动方向相同，所以支点R（齿圈）和支点S（太阳轮）位于支点P（行星架）的同一侧。齿圈R和太阳轮S支点S和支点R到支点P的距离（力臂）分别与齿圈数ZR和太阳轮齿数ZS成正比，即LSP/LRP=ZR/ZS。前边我们介绍了普锐斯混合动力汽车变速驱动桥采用的是一排单行星行星齿轮机构，它的太阳轮、行星架、齿圈分别与电动发电机MG1、发动机、电动发电机MG2机械连接，设ZR/ZS=Ρ，其等效杠杆图如图1（a），其中X轴表示转速的大小，X轴正向为正向旋转，反向为逆向旋转，过各个支点平行于X轴的线表示各个支点的转速。普锐斯混合动力系统采用发电机和发动机两个动力源，根据其行驶条件的不同会出现两个动力源同时输入的情况，与传统的自动变速器相比不存在始终有一个元件被锁止的惯例。因此为了便于理解，本文在传统杠杆法的基础上加入一些箭头，MG1、MG2的充放电状态，以及他们与发动机之间的主从动关系。当MG1、MG2作为主动输入时，其箭头背离垂直杠杆，消耗电能处于放电状态；反之，箭头指向垂直杠杆，作为发电机处于充电状态。例如图1（b）所示，行星架（发动机）转速大小为其横坐标，旋转方向为正向，主动输出驱动车辆；太阳轮（MG1）转速大小为其横坐标，旋转方向为正向，被动输出，作为发电机产生电能；齿圈（MG2）静止。2.2系统工作状态分析。根据行驶条件的不同，在汽车在稳定运行中，为了最大程度的适应车辆的行驶状况，系统可能处于以下工作状态。①只有MG2驱动车辆，此时HV蓄电池的电能输出给电动机（MG2），其产生的动力用来驱动车轮，系统各部件工作状态如图2，设MG2输出的动力为1，等效杠杆图如图3。②发动机、MG2同时驱动车轮，此时发动机通过行星齿轮机构驱动车辆，同时带动MG1旋转为MG2提供电能，使MG2也能驱动车轮。系统工作状态如图4，发动机产生的动力分为两部分，一部分用来驱动车辆，另一部分经过机械能到电能再到机械能的转变也用来驱动车轮，设发动机输出动力为1，其等效杠杆图如图5。③齿圈不输出动力，发动机通过行星齿轮带动发电机MG1旋转，给HV蓄电池充电，系通工作状态和等效杠杆如图6、图7。④车辆减速时，发动机停止工作，车轮的动能被回收转化为电能，并通过电动发电机MG2为HV蓄电池再次充电，系统工作状态图和等效杠杆图分别如图8、9。HVECU根据车辆的行驶状态在①、②、③、①+②+③或④工作模式间转换，但是，一旦HV蓄电池的SOC（Stateofcharge，充电状态）较低时，发动机就会带动电动发电机MG1旋转，为HV蓄电池充电。与传统的汽油发动机汽车相比，该系统具有更高的燃油经济性和低尾气排放量的特性，并且这种动力系统不需要外部的充电设备，避开了一些电动汽车的局限性。

3结论

通过上边的分析根据车辆的行驶状态锐斯会提供不同的控制方法。当车辆因为堵车而频繁起停时，普锐斯有纯电动模式，使车辆在纯电模式下行驶，解放发动机，降低燃油消耗；当车辆在路况相对较好的城市道路上行驶时，混合动力系统根据驾驶员的操作意图自动在低负荷和微加速两个工况变化，此时混合动力系统控制发动机工作在最佳工作范围内，并通过行星齿轮机构将发动机输出的动力进行分配可以得出以下结论：①MG2不工作，MG1作为动力源时，可以启动发动机。②发动机不工作，MG2作为动力源，其产生的动力用于驱动车轮。③发动机作为动力源时，既可以驱动车轮，也可以带动MG1工作，从而给蓄电池充电或者给MG2供电。④行星齿轮机构是驱动桥的核心部分，不仅将发动机、MG1、MG2连接起来，并且当有动力输入时可以对发动机、MG1、MG2的动力进行分配。⑤齿圈作为行星齿轮机构的输出原件，将动力传递给传动链，然后经过中间轴齿轮、主减速器、差速器最终将动力传递给车轮。

参考文献：

[1]姚科业.汽车混合动力系统[M].北京：机械工业出版社，2013：19-49.

[2]曹振华.混合动力汽车原理与维修技术[M].北京：电子工业出版社，2014：1-31.

[3]赵治国，姜娇龙，等.混合动力电动汽车原理及应用前景[M].北京：机械工业出版社，2013：11-14.

[4]尤明福，李志伟，等.基于杠杆法的8速自动变速器传动方案的设计[J].中国机械工程，2012（12）：：2801-2804.

作者:刘兵 单位:鹤壁职业技术学院