一種專用增程式減速箱的布置

周飛

（寶能汽車有限公司廣州研究院）

純電動汽車的發(fā)展受到各國政府的倡導(dǎo)和鼓勵，然而目前受動力電池比能量較小、價格高等因素的影響，續(xù)駛里程不能滿足遠距離出行和公交日行駛里程的需要[1-2]。為了解決人們對純電動車的“里程焦慮”，隨時為汽車補充電能，達到延長續(xù)駛里程的目的，國內(nèi)各大主機廠紛紛開展了增程式汽車的研發(fā)工作。文章結(jié)合某增程式汽車機艙布置的實際項目開發(fā)經(jīng)歷，基于傳統(tǒng)單級減速箱提出了2 種機艙布置方案并分別指出了不足，采用增程式專用減速箱提出了新的布置方案，有效解決了空間布置不足、吸能空間不足等問題。

1 傳統(tǒng)單級減速箱布置存在的問題

隨著增程器電動車的日益普及，增程器（傳統(tǒng)發(fā)動機和發(fā)電機的統(tǒng)稱）的布置受制于目前減速箱的結(jié)構(gòu)和機艙空間，越來越難以布置及安裝。文章以2 種增程器的布置方案為例說明其缺點。

采用某SUV 車型（長×寬=4 700 mm×1 840 mm）的機艙、3 缸發(fā)動機（已用于某增程式車型）、增程器發(fā)電機、減速箱、電機做布置，其中機艙大小約為710 mm×900 mm（即機艙左右縱梁距離約為900 mm，前端冷卻模塊的風扇至前圍板的間隙約為710 mm），發(fā)動機尺寸為356 mm×445 mm×622 mm，發(fā)電機尺寸為Φ346 mm×115 mm 或Φ260 mm×283 mm，減速箱的寬度為186 mm，電機尺寸為Φ260 mm×283 mm。

1.1 布置方案1

為便于懸置的安裝及滿足布置空間的需求，需要將增程器與動力總成（即減速箱和電機）集成為一體布置在前艙，即傳統(tǒng)的減速箱直接通過法蘭面與增程器同軸布置，如圖1 所示。

圖1 增程器與動力總成同軸布置圖

該方案有以下2 個缺點。

1）從圖1 可知，當發(fā)動機與機艙縱梁預(yù)留20 mm的懸置安裝空間時，電機與機艙縱梁干涉嚴重，不滿足空間布置要求。即：增程器和動力總成同軸布置時需要的軸向空間較大，易與機艙縱梁干涉。

2）發(fā)動機與發(fā)電機同軸布置。發(fā)動機效率最高時的轉(zhuǎn)速一般為1 500～2 500 r/min[3]，發(fā)電機效率最高時的轉(zhuǎn)速一般為4 500～7 000 r/min。目前，市場上有較多的增程器是將發(fā)動機和發(fā)電機同軸布置，即發(fā)動機的轉(zhuǎn)速與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速一致，如圖2 所示，致使發(fā)電機不能在最高效率狀態(tài)下工作，導(dǎo)致能量流失較多。

圖2 發(fā)動機與發(fā)電機同軸布置圖

1.2 布置方案2

增程器總成（主要含發(fā)動機、發(fā)電機）與動力總成（主要含電機、減速箱）分開布置，即增程器在機艙前部，動力總成在機艙后部，如圖3 所示。

圖3 增程器與動力總成前后布置圖

由圖3 可知，增程器一側(cè)可在機艙縱梁上布置懸置，另一側(cè)無法布置懸置；增程器基本與前端散熱模塊干涉，且動力總成與前圍板的間隙較小，即機艙正向安全距離較小，正碰風險較大。由圖3b 可知，減速箱垂直布置，難以滿足潤滑的需求。總結(jié)得出，該布置方案有3 個缺點：1）增程器的懸置不便布置；2）占用機艙前后空間較大，正碰時，會使動力總成對駕駛室的侵入量增大；3）減速箱布置角度為90°，即幾套齒輪基本垂直布置，不便于實現(xiàn)潤滑。

2 增程式專用減速箱設(shè)計原理

該減速箱較之傳統(tǒng)的單級減速箱多1 套齒輪，可實現(xiàn)傳統(tǒng)電動車單級減速箱的功能，還可將發(fā)動機的動力通過齒輪傳遞給發(fā)電機，并可將發(fā)動機的低轉(zhuǎn)速傳遞到發(fā)電機的高轉(zhuǎn)速，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 增程式專用減速箱結(jié)構(gòu)示意圖

由于發(fā)電機、發(fā)動機、電機安裝在該減速箱上，使得結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時也便于懸置的安裝（即增程器和動力總成只需要3～4 個懸置安裝，且有2 個主要承載懸置安裝在機艙縱梁上）。

經(jīng)過減速箱結(jié)構(gòu)的改善，機艙可以滿足增程器和動力總成的布置空間要求。該減速箱可使發(fā)動機的動力有效地通過齒輪傳遞給發(fā)電機，同時也可以將電機的動力有效地傳遞給驅(qū)動軸。具體原理如圖5 所示。

圖5 增程式專用減速箱內(nèi)部齒輪示意圖

發(fā)動機的動力通過發(fā)動機的輸出軸，再經(jīng)過第一中間軸傳遞給發(fā)電機輸入軸，即發(fā)動機通過2 級齒輪傳遞給發(fā)電機，使發(fā)電機發(fā)電；電機的動力通過電機輸出軸經(jīng)過第二中間軸傳遞給差速器，差速器再傳遞給驅(qū)動軸，使得整車行駛。

3 增程式專用減速箱優(yōu)化設(shè)計

基于該減速箱的結(jié)構(gòu)，可以將電機和發(fā)電機并聯(lián)安裝在減速箱的同一側(cè)，減速箱的另一側(cè)匹配發(fā)動機（國產(chǎn)車尚未出現(xiàn)這種裝配方式，進口車有類似裝配方式，但減速箱的原理不同）。圖6 示出同軸布置與專用減速箱布置的對比圖。

圖6 減速箱軸向空間布置對比圖

從圖6a 可以看出，若同軸布置，則軸向空間要求為949 mm；若使用該專用減速箱做布置，如圖6b 所示，則軸向空間要求為842 mm，較之同軸布置減小107 mm，有效節(jié)省了整車Y 向空間，避免了軸向空間較大，使得對機艙的寬度要求減小，如圖7 所示。

圖7 優(yōu)化后汽車前艙布置示意圖

3.1 與布置方案1的對比

由于電機和發(fā)電機并聯(lián)布置，與同軸布置相比較，降低了對整車橫向空間的要求，避免因軸向空間不足，增程器和動力總成不能布置的情況發(fā)生。

該減速箱與發(fā)動機之間有齒輪嚙合，即存在一定的傳動比，可以通過齒輪之間的嚙合使發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速達到理想要求[4]，如圖8 所示。

圖8 優(yōu)化后發(fā)動機、減速箱、發(fā)電機連接圖

其原理是通過2 級分度圓較大的齒輪和分度圓較小的齒輪嚙合，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速增加，圖9 示出發(fā)動機至電機轉(zhuǎn)速傳遞路徑示意圖。通過發(fā)動機輸出軸大齒輪與中間軸的小齒輪嚙合，使轉(zhuǎn)速改變，再經(jīng)過中間軸的大齒輪與中間軸的小齒輪嚙合，再次改變轉(zhuǎn)速，即發(fā)動機的轉(zhuǎn)速通過2 級齒輪嚙合，使發(fā)電機的輸出轉(zhuǎn)速與發(fā)動機輸出的轉(zhuǎn)速不一致。

圖9 發(fā)動機至電機轉(zhuǎn)速傳遞路徑示意圖

圖10 示出優(yōu)化后減速箱內(nèi)部齒輪嚙合示意圖。發(fā)動機通過輸入軸，將動力通過4 個齒輪傳遞到輸出軸，由于4 個齒輪的分度圓直徑不一致，即可使輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)速不一致。

圖10 優(yōu)化后減速箱內(nèi)部齒輪嚙合示意圖

假設(shè)圖10 中1～4#齒輪的分度圓直徑（d/mm）分別為d1，d2，d3，d4，則發(fā)動機的轉(zhuǎn)速（n1/（r/min））與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速（n2/（r/min））有如下的關(guān)系[5]：

通過調(diào)整齒輪之間分度圓直徑的比例，即可同時滿足發(fā)動機和發(fā)電機在最高效率下的轉(zhuǎn)速。如當發(fā)動機最高效率的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，發(fā)電機最高效率下的轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，則將d1，d2，d3，d4分別調(diào)整為100，50，80，40 mm，即可滿足要求。

3.2 與布置方案2的對比

由于增程器與動力總成集成在一起，發(fā)動機、減速箱、發(fā)電機、電機形成一個剛體。懸置可以采用3 點或4 點布置，在電機或發(fā)電機外側(cè)、發(fā)動機外側(cè)各安裝1個承載懸置，如圖11 所示。其中左右懸置分別布置在機艙的左右縱梁側(cè)，后懸置布置在前副車架。

圖11 優(yōu)化后的動力總成懸置安裝點布置圖

該方案有效地實現(xiàn)了1 套懸置承載2 套動力總成的方案，同時懸置便于布置。

這種布置方式較之發(fā)電機與發(fā)動機前后布置的方式，有效地節(jié)約了前后的布置空間，優(yōu)化了正碰空間，減小動力總成對駕駛室的侵入，提升了駕駛安全性。該減速箱的布置，使減速箱內(nèi)部的齒輪有一定的斜度，有利于減速箱內(nèi)部的齒輪潤滑，設(shè)計難度大大降低。

4 結(jié)論

增程式專用減速箱通過在單級減速箱增加1 對齒輪嚙合，使發(fā)動機與發(fā)電機有效連接，節(jié)約了前艙的布置空間，可使前艙的空間與結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，有利于前艙的布置。該減速箱若能應(yīng)用于實際增程式電動車，將解決增程式布置的難題，為增程式的發(fā)展推進一步。然而本設(shè)計仍有不足之處，如由于其較純電動車的單級減速箱結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，制造難度、成本和質(zhì)量會增加，工藝精度要求較高。后續(xù)可從輕量化角度著手，如選用新型材料或制造工藝，同時擴大生產(chǎn)，從而使得單件成本和質(zhì)量得以降低。