第四代豐田普銳斯緊湊型P610混合動力驅動橋結構及技術亮點介紹

◆編譯/江蘇 高惠民

高惠民 (本刊編委會委員)現(xiàn)任江蘇省常州外汽豐田汽車銷售服務有限公司技術總監(jiān)，江蘇技術師范學院、常州機電職業(yè)技術學院汽車工程運用系專家委員，高級技師。

一、概述

自從1997年世界上第一個大規(guī)模生產的混合動力系統(tǒng)被豐田汽車公司開發(fā)出來，安裝在第一代普銳斯汽車上，混合動力汽車的銷量連年增加。隨著人們對環(huán)境保護意識的提高，導致對環(huán)保汽車性能的要求不斷增加，要求汽車具有優(yōu)越的燃油效率和更清潔的廢氣排放以及更好的駕駛性能。本文介紹豐田在TNGA平臺上研制的第四代普銳斯緊湊型P610混合動力驅動橋的結構和技術亮點。開發(fā)P610的目的是驅動橋要適應TNGA新的平臺生產，減輕重量和降低機械損耗，有利于燃油經濟性，改善噪音和振動性能，保持車輛安靜行駛。

二、基本規(guī)格及結構

新型混合動力驅動橋的規(guī)格詳情如表1所示,圖1和圖2所示分別為P610驅動橋截面圖和示意圖。

表1 新型混合動力驅動橋的規(guī)格

圖1 P610驅動橋結構橫截面圖

P610驅動橋由扭矩減振器和4根軸組成，包括 輪組、發(fā)電機、電動機、主減速器齒輪和差速器齒輪。行星齒輪組的作用是動力分流裝置，它把發(fā)動機的動力分配給車輛驅動力和發(fā)電機的驅動力。電動機安裝在單獨一根軸上，與發(fā)動機輸出軸分開，作為電動機減速裝置采用平行軸齒輪結構，中間軸從動齒輪接收發(fā)動機和電動機的動力，并把它們的動力傳遞給主減速器齒輪和差速器齒輪。

圖2 P610驅動橋齒輪嚙合示意圖

圖3 P610和P410之間的尺寸比較

圖4 帶PCU的變速驅動橋示意圖

三、緊湊和重量減輕

P610驅動橋采用行星輪系和定軸輪系相結合新型輪系，新型電機和雙軸電機結構。雖然P610驅動橋輸出扭矩與以前第3代普銳斯P410驅動橋略有降低，卻實現(xiàn)了結構緊湊和減重。P610的總長度比P410縮短了47mm，零件數(shù)量和重量也分別減少了20%和6.3%，如圖3所示。詳細的尺寸和減重技術介紹如下。

1.PCU安裝

如圖4所示，PCU(混合動力功率轉換器)安裝在驅動橋頂部，以保持傳動系統(tǒng)緊湊性。這使得前一代普銳斯放在后行李箱里的輔助蓄電池能夠裝進發(fā)動機艙，由此，它有助于縮短電力電纜，并擴大了后行李箱的空間。此外，將動力總成放置在較低的位置，可以實現(xiàn)車輛較低的重心，有助于提高動態(tài)行駛性能。

2.雙軸電機結構和電機減速裝置

在前P410驅動橋中，發(fā)電機和電動機安裝在同一軸上，采用行星齒輪作為電動機減速裝置。 P610驅動橋的雙軸電機結構，發(fā)電機和電動機位于單獨的軸上，平行軸齒輪用作電機減速裝置，大大減少了整體長度。如圖5所示，雖然電動機最大扭矩有所降低，但可以減小電機尺寸。此外，中間軸從動齒輪嚙合來自發(fā)動機輸出驅動齒輪和電動機減速輸出驅動齒輪的新結構也有助于縮短驅動橋總長度。因此，如上所述修改結構，使P610驅動橋能夠安裝在新的TNGA平臺上。

3.新型電機

第四代普銳斯開發(fā)了一種新型電機，其目標是減少機械損耗和重量。 對于驅動電動機，開發(fā)出具有分布繞組型的分段線圈定子和高速轉子。結果，與P410相比，機械損失減少了至少20%。此外，與P410相比，減小電機尺寸也有助于減輕至少21%的重量。

圖5 縮小的電動機指標比較

圖6所示的驅動電機具有分布式繞組型分段線圈定子。該定子的主要特征如下：(1)新開發(fā)的分布式繞組旨在增加高空間系數(shù)并減少機械損耗。從圓形導線切換到矩形導線將空間系數(shù)提高了至少15%。 此外，通過分段繞組減少線圈導線，有助于減輕重量和銅損。(2)新開發(fā)的線圈導線適用于分段繞組。為了改善繞組空間系數(shù)，開發(fā)了一種新的涂層材料，可以處理匝間涂層的高電壓絕緣，并提供改善的可焊性和可加工性。(3)這種分布繞組型分段線圈具有許多線圈段通過焊接連接的結構。在這里，使用創(chuàng)新的生產技術(如窄間隙多點焊接和高速線圈成型技術)實現(xiàn)了批量生產。

圖6 電動機定子

圖7 電動機轉子

圖8 高壓電力電纜

開發(fā)出一種新型高速低損耗轉子。為了支撐如圖7所示高速轉子，采用了鎖緊螺母方法來擰緊鐵芯。此外，磁路設計上，轉子鐵芯的磁阻轉矩得到改善。 通過諸如轉速增加的措施實現(xiàn)的電機尺寸減小，結果，與P410相比，所用磁鐵的體積減少了至少15%。在減少電機損耗方面，通過優(yōu)化磁鐵位置，大大減小了磁通量的諧波分量，從而減少了鐵損。此外，開發(fā)了薄電磁鋼板和新磁鐵材料，減少了電機損耗。

如圖8所示，電力電纜開發(fā)了一種新結構，用于將電機連接到逆變器，以滿足新的安裝要求。利用多軸布局，電動機和發(fā)電機的每根電纜都縮短并集成在一起，這使得重量減輕了至少60%。

4.電機冷卻結構

P610采用由發(fā)動機驅動的水泵作為發(fā)電機和電動機冷卻系統(tǒng)的流體循環(huán)結構。 與P410相比，它具有由齒輪泵結構，提高了冷卻效率，簡單的冷卻結構有助于驅動橋的緊湊性和輕量化。圖9顯示了P610冷卻系統(tǒng)結構。 泵出的流體由安裝在變速驅動橋外部的流體冷卻器冷卻，并通過內置管道供給發(fā)電機和電動機的定子。另外，轉子鐵芯冷卻導致磁體的溫度顯著降低，并且，與P410相比，磁體中稀土元素的含量減少了至少85%。

圖9 電機冷卻的概念圖

5.驅動橋差速器新結構

P610驅動橋采用壓配和鉚接方法固定差速器殼和齒圈。圖10顯示了差速器結構。與P410使用螺栓固定的方法相比，減少了零件數(shù)量和尺寸，從而減輕了重量。

圖10 差速器新結構示意圖

四、機械損失減少

與P410相比，P610在綜合工況模式下減少了22%的機械損失，在NEDC(新歐洲駕駛循環(huán))模式下減少了21%。圖11顯示了變速驅動橋的機械損耗。

圖11 機械損失比較

圖12 電機減速裝置

圖13 內置小型軸承示意圖

圖14 潤滑油液流動的概念圖

圖15 優(yōu)化中間軸從動齒輪接合力示意圖

通過圖12中所示的新開發(fā)的電動機減速裝置以及通過使用如圖13所示的支撐發(fā)動機輸出驅動齒輪的內置軸承最小化尺寸，來實現(xiàn)機械損失減少。

圖14所示為由齒輪傳動產生驅動橋內飛濺的潤滑油流體，依靠驅動橋中的油液擋板阻止流體的流動。 通過儲存和分配潤滑油的液體收集罐，優(yōu)化了齒輪和軸承的潤滑油液位。 結果使?jié)櫥X輪和軸承油液攪拌引起的損失最小化。

五、靜音

P610通過分散零部件的共振頻率，優(yōu)化套管的剛度，在減速裝置零件上加入磨削工藝，以降低NVH(NV和Harshness)。如圖15所示，通過優(yōu)化兩個齒輪嚙合點的剛性(中間軸從動齒輪與發(fā)動機輸出驅動齒輪和電機減速輸出驅動齒輪)，來實現(xiàn)以防止齒輪接合力增加的開發(fā)目標。

六、結論

與P410驅動橋相比，新開發(fā)的P610驅動橋在諸如總長度、重量、車輛安裝、機械損失等各種性能方面具有顯著優(yōu)勢。 可以肯定的是，TOYOTA讓全球各地的客戶對配備這款新型混合動力驅動橋的車輛滿意。

譯者注：本文譯自2016年SAE論文“Development of New Hybrid Transaxle for Compact-Class Vehicles。SAE Technical Paper 2016-01-1163, 2016,doi：10.4271/2016-01-1163(開發(fā)適用于緊湊型車輛的新型混合動力變速驅動橋.sae技術論文2016-01-1163，2016，doi：10.4271/2016-01-1163)。此外，國內新上市豐田AVALON亞洲龍混合動力版采用的P710驅動橋結構與P610完全相同，只是一些部件參數(shù)有所不同。