混動納維娜行星排換擋過程離合器性能研究

摘要：我國新能源汽車行業正處于快速發展期，技術創新、政策支持和市場需求共同推動了行業的蓬勃發展。納維娜行星排混動變速箱因結構緊湊、成本低、擋位組合靈活等優點，受到了廣泛關注，但整個換擋控制相對復雜，離合器動態工作工況難以計算。因此，針對納維那行星排混動架構，進行了換擋控制和離合器工況的研究，通過Simulink構建了動力學模型，對離合器摩擦功率和單位面積滑摩功進行了仿真，研究結果可用于對離合器進行選型。

關鍵詞：新能源汽車；換擋；行星排；離合器；simulink

中圖分類號：U469 收稿日期：2024-09-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.011

1 前言

納維娜行星排被廣泛應用到混動變速箱中，具有較高的節油效率和駕駛性。納維娜行星排實質上是一個特殊的行星齒輪機構，由兩個行星齒輪共用一個齒圈和行星架。這些齒輪在不同的離合器和制動器組合下，可以實現多種速比變化。由于其結構非常緊湊，同時也很靈活，可以通過簡單結構實現多種換擋速比。特別是在大扭矩高速換擋過程中，離合器摩擦功率大，出現熱失效[1]。此外，隨著傳遞扭矩和速度的增加，其工況也一直在變化。因此需要構建納維娜行星排的換擋動態模型，以便能夠準確模擬星齒輪系統的狀態空間及離合器的承載扭矩。

本文涉及納維娜行星排混動變速箱，為簡化控制，將其轉換為杠桿系統模型[2]，分析換擋過程中各軸的轉速、扭矩和慣量關系。保證輪邊扭矩在一定范圍內，對整個換擋過程進行仿真，計算出換擋結束后平均滑摩功和最大滑摩功率，并于此結果評估離合器是否超其使用邊界[3]。這對于提高混動變速箱的可靠性、提升性能及冷卻控制具有重要意義。

2 納維那行星排混動架構介紹

納維娜行星排結構的特點是尺寸小、傳動比范圍大，可以實現多個擋位的變換。本文針對圖1所示的架構為研究對象，一個行星架上安裝了相互嚙合的兩套行星齒輪，即長行星齒輪和短行星齒輪。短行星齒輪與長行星齒輪相互嚙合，同時與小太陽輪嚙合。長行星齒輪分別與短行星齒輪、大太陽輪及齒圈等相嚙合。這種設計使得納維娜行星排可以由太陽輪、行星架或齒圈作為輸出元件，具有結構緊湊、齒輪接觸面積較大的優點。

為簡化分析，本文將納維娜行星排混動雙電機變速箱抽象簡化為杠桿系統，如圖2所示。發動機Eng和EM2是三杠桿系統，其實現了固定速比，EM2可以通過出正扭和負扭矩，實現發電或者助力，在前端進行增扭或者降扭。EM1為輪邊助力電機、Out軸為輪邊輸出軸；C1和C2是離合器、B1和B2為制動器。通過控制C1＼C2＼B1＼B2狀態配合切換，該系統可實現多個擋位切換。

3 納維娜行星排數學建模

圖2所示的行星排的結構，固定擋位和換擋過程中，各軸的轉速關系如下式所示：

[ns3+i1nc=（1+i1）nR] （1）

[ns2+i2nR=（1+i2）nc] （2）

[nc=1+i11+i1+i2ns2+i21+i1+i2ns3] （3）

[nR=1+i11+i1+i2ns2+i21+i1+i2ns3] （4）

式中，[i1]和[i2]為雙行星排轉換的第一杠桿速比和第二杠桿速比；[nc]為行星架轉速；[nR]為齒圈轉速；[ns2]為軸S1的轉速；[ns3]為S3軸對應轉速[4]。

行星排杠桿系統中各軸在換檔過程中的扭矩關系如下：

[Tc=-（1+i2）Ts2+i1Ts3] （5）

[TR=i2Ts2-（1+i1）Ts3] （6）

式中，[Tc]為行星架輸出扭矩;[TR]為整車需求扭矩;[Ts2]為軸S2輸出扭矩；[Ts3]為軸S3輸出扭矩;[i1]是行星排轉換的第一杠桿速比；[i2]是行星排第二杠桿速比。

根據以上推導，需要考慮慣性扭矩，各軸在換擋過程中的扭矩和慣性項關系如下：

[Ts3=TEM1-JEM1×aEM1]

[Ts2=TEM2-JEM2×aEM2]

[Tc=TENG-Jc×ac]

[TR=-（TL+JR×aR）]

式中，[Ts2]為S2軸輸出扭矩；[Ts3]為S3軸的輸出扭矩；[TEM1]、[JEM1]、[aEM1]分別為EM1電機的輸出扭矩、轉動慣量、角加速度，[TEM2]、[JEM2]、[aEM2]分別為EM2電機的輸出扭矩、轉動慣量、角加速度；[TENG]、[Jc]、[ac]分別為發動機的凈輸出扭矩、行星架轉動慣量、行星架角加速度；[TL]、[TR]、[JR]、[aR]分別為整車輪邊負載扭矩、整車需求扭矩、齒圈的轉動慣量、齒圈的角加速度；[Tc]為行星架的輸出扭矩。

4 換擋過程Simulink模型構建

根據上述杠桿關系，可以建立4根軸的轉速、慣性項及扭矩的關系，是服務與整個動態過程。

a.4根軸的轉速關系如圖3所示，通過輪邊的輸出軸轉速和S3軸轉速，間距杠桿的速比i1、i2分別求出S2軸和C軸轉速。

b.整個換擋過程中，轉速是一直變化的，因此慣性力矩不可以被忽略。杠桿系統通過S3軸的慣性變化以及輪邊的慣量變化求出S2軸的加速度和C軸加速度變化，如圖4所示。

c.換擋過程主要分扭矩交互階段和轉速調速階段，因此除了系統凈扭矩還需要考慮其慣性扭矩。扭矩交互階段，通過S3軸扭矩和輸出軸扭矩，及C軸的加速度及輸出軸加速度可以求出，S2軸和C軸的扭矩大小。另外調速階段通過輸出軸加速度，C軸加速度，S2軸扭矩輸出軸扭矩，求S3軸和C軸扭矩，如圖5所示。

d.離合器工況計算。在換擋過程中，根據隨時間變化的離合器扭矩，和隨時間變化離合器的轉速差。離合器總成的片數10片，以及離合器的單位摩擦面積59.2 cm2[5]。按照圖6模型可以實時計算離合器單位面積的摩擦功率和摩擦功。

5 仿真結果

高速動力1擋升2擋過程，整個換擋過程如表1所示。換擋初始B1鎖死，前端EM1和發動機提供動力；扭矩交互階段B1清扭同時B2加扭，進行扭矩交互。調速階段前端扭矩下降調整轉速姿態，最后B2結合，完成整個換擋過程。

假定輪邊扭矩衰減30%，根據發動機外特性曲線，前端最大扭矩變化從450～350 N·m，S2和C軸對應的離合器在0.3 s內完成扭矩交互。

在調速階段，前端輸入軸轉速按照一定速度進行變化5 500～3 000 r/min，期間S3軸會進行扭矩干預下降。仿真結果如圖7所示，分別表示各軸轉速變化（上左圖）、帶慣性項的各軸扭矩（上右圖）、各軸的凈輸出扭矩（下左圖），以及離合器的摩擦功率和摩擦功（下右圖）。

如圖7所示，整個換擋過程，扭矩交互及轉速調速過程離合器B2、B1滑摩做功。以B1離合器舉例，單次換擋93 kJ，最大功率為220 W/cm2。該數據可以作為離合器選型或者評定離合器性能重要依據。

6 結語

納維娜行星排結構混動變速箱可以簡化成杠桿，然后對其進行轉速和扭矩分析，通過Simulink構建換擋過程控制模型，選定嚴苛的換擋工況，作為模型輸入條件，仿真整個換擋過程，甚至多個連續換擋過程，并計算離合器平均滑摩功和最大滑摩功率，用于離合器選型或者評定離合器性能的重要依據。

參考文獻：

[1]吳鵬飛.高速大功率濕式離合器摩擦特性與動態強度數值分析及試驗研究[D].杭州：浙江大學，2021.

[2]吳飛.基于杠桿法的功率分流混合動力系統分析[J].汽車實用技術，2023（24）：89-94.

[3]湯鵬翔.多片濕式離合器優化設計[J].北京航空航天大學學報.2010（3）：291-294.

[4]汪芳麟，謝有浩.雙行星排式動力耦合系統的參數匹配與控制策略[J].邵陽學院學報（自然科學版），2024（4）：66-74.

[5]郭寬友.變速箱離合器設計及性能測試[J].機械管理開發，2007（7）：53-56.

作者簡介：

彭超，1991年生，男，工程師，研究方向為混動變速箱控制。