10.16638/jki.1671-7988.2021.012.064
从传动系统角度简述普锐斯的优缺点
冯浩成，侯旭辉，拜鼎邦，严思敏，王凯峰
高辛烷值汽油（陕西法士特齿轮有限责任公司，陕西西安710119）
天津限号2022最新限号2月摘要：普锐斯具有良好的舒适性与燃油经济性，但是也常被人诟病有加速性差等问题。文章对普锐斯的传动系统进行分析发现，由于普锐斯将发动机、MG1/MG2用行星排进行连接，优点是可以省去分离离合器与变速箱的复杂结构，但是由于行星排各传动件间的扭矩分配特性，也导致发动机的动力分流，即发动机扭矩无法全部传输到车轮的问题，这就会导致整车的动力性较差；同时，由于行星排各传动件的转速分配特性，会导致发动机在非动力工况下的启动。
关键词：普锐斯；混动；THS；行星排
中图分类号：U463.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)12-200-03
Advantages and Disadvantages of Prius about Transaxle
FENG Haocheng, HOU Xuhui, BAI Dingbang, YAN Simin, WANG Kaifeng
( Shaanxi Fastor Gear Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710119 )
Abstract: Prius is famous for its comfort and excellent fuel economy, but it is criticized for its bad power performance. By analyzing the powertrain of Prius, it is found that because Prius connects the engine and MG1/MG2 with planetary gearset, separating clutch and gearbox can be omitted. However, due to the torque distribution characteristics among the parts of planetary gearset, the power of the engine can be splited, that is, the engine torque can not be transmitted to the wheels completely, which will lead to the worse power performance. At the same time, because of the speed distribution characteristics of planetary gearset, the engine will start under non-power conditions.
Keywords: Prius; Hybrid; THS; Gearset
CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)12-200-03
前言
自1997年推出后，普锐斯目前已发展二十余年。目前，普锐斯第一混动的地位已无人能够撼动[1]。这一殊荣的背后有众多原因，有普锐斯优秀的阿特金森循环发动机[2]、较好的空气动力学设计，最重要
的是其天才般创意的混动系统，丰田一般称之为THS（Toyota Hybrid System）。THS的结构组成较为简单，由单级行星排将发动机、MG1、MG2连接起来，可以轻松地实现传动系统的无级变速且省去了变速箱。
1 普锐斯传动系统简介
1.1 行星排的转速与扭矩计算方法简述
左图为常见的单级行星排结构。为简化分析，行星排常被处理成图1中右边所示的杠杆结构。我们常用A来代替齿圈，PC代替行星架，S代表太阳轮。若太阳轮的齿数标记为Z S，齿圈的齿数标记为Z A，则行星排的传动比k =，对于THS，k＞0。
作者简介：冯浩成，硕士，助理工程师，就职于陕西法士特齿轮有限责任公司，研究方向为混动系统研究开发。
200
冯浩成 等：从传动系统角度简述普锐斯的优缺点
201
图1 行星排及其杠杆原理图
1.1.1 行星排转速计算方法
当行星排中两个零件的转速固定时，通过杠杆原理图可以很轻松得到另一个零件的转速。在图2中，水平线的长度就是该构件的转速大小，当确定转速n A 和转速n PC 后，可以由相似三角形原理得到太阳轮的转速n S =（k +1）n PC -k ∙n A 。
n S ——太阳轮转速；n A ——齿圈转速；n PC ——行星架转速。
图2 杠杆法分析转速示意
1.1.2行星排扭矩计算方法
行星排中零部件承受的扭矩大小在数值上则存在如下关系：
（1） T s ——太阳轮扭矩；T A ——齿圈扭矩；T PC ——行星架扭矩。
1.2 THS 的结构简述
图3表示THS 的连接方式。发动机连接行星架，MG1连接太阳轮，MG2连接齿圈[2]。其中，MG1作为发电机使用，MG2即可作为电动机也可作为发电机。MG2通过定轴齿轮或传动带将转速和扭矩传递至车轮。
图3 THS 结构简述
二级维护2 THS 的优点
2.1 THS 可实现无级变速
由于在THS 中发动机和两个电机是通过行星排连接在一块的，所以车速需要上升或下降时，可以通过调节发动机
转速或调节MG1的转速来改变MG2的转速，从而改变车速
[3]
。当发动机已经处于高效区时，可以通过改善MG1的转速
来调节MG2；也可以保持MG1转速不变，使发动机转速重新调整到新的高效区来调节MG2；也可以同时改变MG1和
发动机的转速。 2.2 THS 不需变速箱
其他混动系统如i-DCD （本田DCT 的混动系统）、基于AT 或AMT 的P2混动系统为了保证发动机在HEV 模式下可以工作在高效区，都无法离开变速箱。变速箱的存在就势必会增加换挡冲击的可能，导致顿挫感的产生。当前仅有iMMD （本田的一种混动系统）不需要变速箱，因为iMMD 在混动模式下是增程式的。 2.3 THS 无分离离合器
这里的分离离合器指的是发动机和电机之间的离合器。在基于AT 或AMT 的混动系统中，分离离合器的结合可以使车辆进入混动系统。
分离离合器常为湿式摩擦片式的离合器结构。当汽车处于蠕行阶段（HEV ，车速≤5km/h ）时，必须依靠分离离合器
的滑摩才可以保证车辆前进，此时，滑摩会产生大量的热，且会对摩擦片的寿命具有一定的影响[4]。闽运网上售票
其次，当需要启动发动机时，基于AT 或AMT 的混动系统也需要利用滑摩将发动机带动到1000rpm 左右进行点火，这也会使摩擦片的寿命在一定程度上降低。普锐斯只需要利
用MG1将发动机转速提高到发动机点火转速即可，省去了
分离离合器这一结构。
3 THS 的缺点
3.1 扭矩、功率分流
雷克萨斯论坛根据公式（1），行星排中一个零部件如果受到扭矩，那其他零部件也会因扭矩平衡受到一定比例的扭矩。所以，在HEV 模式下当发动机提供一定的扭矩T 发动机
时，可以传到
MG2的扭矩仅为
，另外
有
的扭矩传递到
尼桑越野车MG1，所以发动机的扭矩不会完全传递到车轮，而像基于AT 或AMT 的P2混动系统则可以完全利用发动机的扭矩。
因为行星排结构的固有特性，k 值一般在1.6~3之间，所以发动机最大也仅有75%的扭矩可以传递到车轮。
3.2 高速滑行状态下发动机启动
在普锐斯处于高速滑行状态下时，MG2具有较高的转速n MG 2，由于此时是高速滑行状态，不需要发动机或MG2提供动力，所以发动机没有扭矩输出，转速为0，那么由杠杆原理图分析可知（图4 发动机未启动状态），此时MG1的转速n MG 1=-k ∙n MG 2，很容易便可以超过MG1的最高转速，导致MG1烧毁。
所以，为了不使MG1超过其最高转速，在高速滑行状
汽车实用技术
202 态下需要适当的启动发动机，使MG1的转速降下来（图4 发动机启动状态）。
图4 高速滑行状态下的转速示意
这是非动力性需求也非能量需求引起的发动机启动，在高速滑行状态下是一种迫不得已的选择，所以这也是普锐斯传动系统中的一个不完美之处。
4 总结
THS 的强大之处便在于它使用了行星排结构将发动机、 MG1、MG2连接起来，能够实现无级变速，且省去了变速箱和分离离合器结构。同样，也因为行星排结构，发动机的扭矩仅有一部分可以转化为汽车的牵引力，而且在特定的高速滑行工况下会造成非动力性非能量性需求导致的发动机启动。可以说，THS 的优点和缺点都是来自于其行星排的结构。但是，瑕不掩瑜，THS 仍是当今世界首屈一指的混动系统。
参考文献
[1] 孙远涛，张洪田.丰田普锐斯混合动力汽车发动机的技术特点分析
[J].黑龙江工程学院学报(自然科学版),2011, 025(004):13-15+22. [2] 高惠民.丰田普锐斯电机及驱动控制系统解析[J].汽车维修与保养,
2007(5):28-31.
[3] 汪少华，姚勇，陈龙,et al.行星排式混合动力汽车发动机转速优化
[J].汽车工程学报,2016,006(005):325-331.
[4] 李东兵.混合动力车辆湿式多片离合器径向矩形油槽宽度对温度
场影响[J].机械传动,2015,39(12):49-52.
发布评论