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混动百科 | 重温『字少事大』的丰田混动系统——THS(2)
来自:电动邦
作者:王元祺
2022-06-28 23:40:36
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从上一期研发THS的历史背景中看到,THS最初的设计逻辑仍然是将「发动机」作为主要驱动装置的混动系统,围绕着提升动力总成的经济性,工程师们为「发动机」配备一个主要用于调节「发动机」工况和发电的「1号电机」(暂称)和一个主要用于(辅助)驱动的「2号电机」(暂称)。从省油的角度来看,「1号电机」用来帮助「发动机」省油,而「2号电机」用来帮助整套动力总成省油。

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行星齿轮组(图片源自网络)

接下来的问题就是:如何选择一套能将「发动机」和「电机」混搭在一起的传动机构。这就好比给人介绍对象的『媒人』,见个面,吃个饭,这事儿很简单,关键能不能成的第一步,就是看『媒人』怎么撮合。否者,就算两个人再优秀,连初步的了解都实现不了,那何谈此后的深入交流呢?

而丰田汽车为THS这套系统寻来的『媒人』则是被各大自媒体老师聊出了八仙过海、百鬼夜行效果的——「行星齿轮机构」。

自动变速箱(AT)结构示意图

其实「行星齿轮机构」并非是什么开天辟地的发明,其应用几乎覆盖了整个机械领域。而且在汽车领域的运用也随处可见,比如使用在「自动变速器」(此处特指带液力变矩器的AT)中进行变速。

分动器中的行星齿轮组

我们还可在「全时四驱系统」找到它的身影,它位于「变速器」与「驱动桥」之间的「分动器」中(如上图)。当汽车转弯或遇到特殊路况时,左右「车轮」会产生转扭速差(即两根「输出轴」转速不同)。此时,便可以通过「分动器」中的「行星齿轮机构」按一定的比例将转扭分配给两根「输出轴」,确保各个「车轮」之间的运动协调,比如实现泥路脱困。

行星齿轮组示意图(仅供参考)

「行星齿轮机构」的核心组件「行星齿轮组」的结构其实并不复杂,由内到外分别是「太阳齿轮」、「行星齿轮」(日系著作中也会被翻译为「小齿轮」)和「齿圈」(在研究齿比时,通常指「内齿圈」)。通常情况下,多个「行星齿轮」会通过一个支架进行连接,这个支架被称为「行星齿轮盘」(或称「行星架」)。

太阳系示意图(亮点自找,源自网络)

「行星齿轮组」与太阳系的运行结构非常相似,以恒星太阳为中心,行星地球绕着太阳转,卫星月球绕着地球转。此外,太阳、地球和月球都还可「自转」。故此,我们可以看到3种带齿的组件也存在着「自转」(即绕本体轴线的转动)和「公转」(即是绕其它齿轮轴线的转动)运行原理。当我们固定「太阳齿轮」、「行星齿轮」和「齿圈」中的3种「齿轮」中的一种,便可利用另外2种「齿轮」进行变速了。是否感觉有点抽象?那我们来举个具体的例子。

行星齿轮组的参数假设

假设一组「行星齿轮组」中,「太阳齿轮」的半径为1个单位,「行星齿轮盘」的半径为2个单位,「齿圈」的半径为3个单位。我们来观察以下5种工况中,「行星齿轮组」是如何通过切换输入和输出的「齿轮」,进而改变「齿轮」的半径比,从而达到变速的效果。

工况1:固定外部「齿圈」,用手转动内部的「太阳齿轮」。此时「行星齿轮」会被带着有横向移动的趋势,这种趋势使得「行星齿轮」进行反向自转,这些「行星齿轮」一起绕着「太阳齿轮」公转,并带动「行星齿轮盘」转动。此时「太阳齿轮」与「行星齿轮盘」的半径比是1:2;

工况2:固定内部的「太阳齿轮」,用手转动「行星齿轮盘」,「行星齿轮」自转的同时绕着「太阳齿轮」公转。最终,带动外部的「齿圈」旋转。此时,「行星齿轮盘」与「齿圈」的半径比是2:3;

工况3:三种「齿轮」都不固定,此时用手转动任何一种「齿轮」,不久后,其余的「齿轮」都会以同样的速度旋转,图中我们转动的是「行星齿轮盘」,「齿圈」对外输出,「太阳齿轮」空转。总得来说,「输入齿轮」与「输出齿轮」的半径比是1:1;

工况4:固定内部的「太阳齿轮」,用手转动「齿圈」。「行星齿轮」自转的同时绕着「太阳齿轮」公转。最终,带动「行星齿轮盘」旋转,「齿圈」与「行星齿轮盘」的半径比是3:2;

工况5:固定外部「齿圈」,用手转动「行星齿轮盘」。「行星齿轮」自转的同时绕着「太阳齿轮」公转。最终,带动「太阳齿轮」旋转。此时,「行星齿轮盘」与「太阳齿轮」的半径比是3:1。

5种行星齿轮组的工况(仅供参考)

不同的「齿轮」半径比,对应了不同的转速,不知道大家是不是已经发现我举这5种工况的意图?若我们把每一种工况中,转动的动力源换成「发动机」,并将「车轮」与输出的「齿轮」连接后,你就会发现……

自动变速器(AT)的5个挡位逻辑(仅供参考)

没错,这5种工况恰好对应了5个挡位。若通过这几张表格已经有了一些眉目,那恭喜你,你已经初步的理解了「行星齿轮组」的变速的初步逻辑。

手动变速器1挡齿比通常为1:4

至于如何控制发动机的动力在行星齿轮组之间切换,这就是「自动变速器」其他组件的事儿了,这里不展开赘述。此外,补充说明一点,或许你会想到,「手动变速器」在1挡时的输入/输出「齿轮」的半径比一般为1∶4,而我举例的「行星齿轮组」在1挡时的半径比只有1∶2,那会不会造成起步时,扭矩不足呢?

自动变速器中存在多组行星齿轮组

这个问题十分关键,别急,在后续THS的原理介绍中,我们还会详解。对于「自动变速器」而言我们选择了一条简单粗暴的方式——再增加一组「行星齿轮组」!经过两组「行星齿轮组」齿比调整后,输入/输出「齿轮」的半径比就会变成1∶4,与手动变速器的1挡相同。

当然,我们可以通过不停地增加「行星齿轮组」来增加档位数,但考虑到实用性、变速器体积、控制难度等因素,故此,我们不会那样做,限于篇幅,这里不做展开。

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自动变速器(AT)5挡基本工作原理示意图(动图,仅供参考)

至此,我试图用「自动变速器」的工作原理来解释「行星齿轮组」变速的原理,这可能是全网唯一份吧,不知道大家是否能拿捏住呢?欢迎大家在评论区留言。

下一期,我会将THS的三个动力源——「发动机」和两个「电机」与「行星齿轮组」相连接,进一步解析THS的结构和工作原理。记得关注我哦~~

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