行星齒輪混動架構淺析

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使用行星齒輪組作為動力耦合裝置調節電動機與發電機之間的關係是目前混動車上面最常見的方式。而提到混合動力汽車，全世界以及整個銀河系都無人不知的就是豐田普銳斯（PRIUS）。PRIUS是豐田於1997年所推出世界上第一個大規模生產的混合動力車輛，可謂傾注了豐田40多年的心血。普銳斯將前衛的設計概念執行到完美符合豐田一貫的作風，搭載的一系列高智能黑科技讓其在北美叱詫風雲。

在普銳斯Prius的整個行駛過程中到底是用發動機還是用馬達來驅動汽車是要根據車輛的行駛狀態來決定的。普銳斯在僅利用電動機驅動時對環境沒有任何污染；在減速、制動和下坡時還能回收能量以供再利用；在遇到紅燈停駛時發動機會自動停止工作。這將沒有任何燃油的消耗，油耗和尾氣排放都得到了有效改善。通過測評，在城市工況下，排量為1.5L的PRIUS普銳斯達到了相當於2.0L傳統車型的動力性能；而油耗僅相當於1.0L的傳統車型。

圖1 豐田普銳斯

網上關於行星齒輪組的贅述很多，在傳動原理上面來說，行星齒輪組的行星齒圈、太陽輪和行星架轉速只需要滿足圖2的線性關係就可以了，通過分析不難理解。而想要獲得每個部件的扭矩大小就需要利用槓桿圖進行分析了，知道了扭矩與轉速，每個部件的功率便可以輕鬆地求出來。

圖2 行星齒輪組各部件轉速關係

另外從傳動精度與零件強度來說，行星齒輪減速器與普通的平行軸式齒輪減速器相比優勢巨大。首先，因為其緊密的結構形式可保證在傳動過程中保持相當高的精度並且對外輸出扭矩，這樣一來便減少了因為傳動誤差而引起的材料磨損，保證了減速器的壽命與可靠性。其次，三個以上的行星齒輪數目並沒有增加減速器的體積尺寸，反而會大大減小工作運轉時零件的載荷，另外還增加了機構的剛性，使整個機構「精緻強悍」。

下面步入正題，介紹豐田是如何通過一組行星齒輪實現內燃機與發電機的動力耦合。普瑞斯傳動系統的核心部件是一套豐田公司稱為「動力分配器」的行星齒輪組。普瑞斯的內燃機與行星齒輪齒圈相聯，當內燃機轉動時行星齒輪與太陽輪和外齒圈咬合併推動二者向同一方向旋轉。通過對太陽輪和外齒圈大小的精心設置，豐田公司把72%的扭矩分配給了外齒圈，把28%的扭矩傳給了太陽輪。獲得了大部分扭矩的外齒圈通過普通的減速齒輪聯接到差速器，然後再聯接到車輪推動前進。獲得小部分扭矩的太陽輪則與一台既是電動機又是發電機的電機相聯，我們稱這台電機為1號電機，內燃機帶動行星齒輪座圈，行星齒輪齒圈又帶動太陽輪，使1號電機旋轉起來。內燃機就是這樣以其72%的扭矩驅動普瑞斯，並以其28%的扭矩推動1號電機發電的。對某一指定車速n，ECU會求出外齒圈的轉速有多快，也就確定了內燃機需要達到什麼轉速、1號電機應旋轉多快。

圖3 普銳斯動力耦合裝置（動力分配器）

另一個既是電動機又是發電機的2號電機是與動力分配器的外齒圈相聯的。2號電機對來自內燃機的扭矩進行補充。所以，本來似乎要被浪費掉的動力，繞過了動力分配器，通過電氣迴路，最終還是用來推動車輪。外齒圈和2號電機一起通過減速齒輪和差速器來推動普瑞斯。補充一下兩個電機工作用途：1號電機在高速時，作為電動機和發動機共同推動車輪，還有一個重要作用就是平衡差速器的扭矩。2號電機只是用於起步、純電動行駛、加速、倒車工況，作為電動機來輔助驅動車輪，而其餘工況均是作為發電機使用。

當你完全理解豐田動力分配器的工作原理後，你會發現這個齒輪設計真TM簡單。因為豐田對此產品申請了專利，所以現在豐田在混合動力上一家獨大(福特、通用、大眾等大佬已經哭暈在廁所)。

文章最後，還要一如既往地對國產混動汽車打氣加油。國產混動汽車的前景是光明的，但是想要打造出一輛完美的電動汽車還需要汽車工程師們繼續熬夜奮鬥啦。我相信國人的智慧，戒驕戒躁，砥礪前行！

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