Анализ и проектирование гибридных трансмиссий транспортных средств на основе планетарных механизмов

 

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

АНАЛИЗ И  ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
ГИБРИДНЫХ ТРАНСМИССИЙ  
ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ  
НА ОСНОВЕ ПЛАНЕТАРНЫХ  
МЕХАНИЗМОВ 
 
 
 
Рекомендовано Государственным образовательным  
учреждением высшего профессионального образования  
«Московский автомобильно-дорожный государственный  
технический университет (МАДИ)» в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся  
по направлению подготовки 190100 «Наземные транспортные 
системы» специальности 190202 «Многоцелевые  
гусеничные и колесные машины» 
 
 
 
 
 
 
 

М о с к в а  

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 1 0  

 

УДК 621.85(075.8) 
ББК 39.12 
А64 
Рецензенты: Г.О. Котиев, Е.А. Новицкий 

 
 
  
 
     Анализ и проектирование гибридных трансмиссий транспортных средств на основе планетарных механизмов : учеб. 
пособие / С.А. Харитонов, Е.Б. Сарач, М.В. Нагайцев, Е.Г. Юдин. 
— М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. — 92, [4] с. : ил.  

ISBN 978-5-7038-3331-5 

Рассмотрены вопросы проектирования гибридных трансмиссий 
транспортных средств на основе планетарных механизмов. Представлены кинематические схемы серийно выпускаемых гибридных 
трансмиссий. Описан метод построения динамических характеристик 
транспортных средств с гибридной трансмиссией. Предложена методика выбора характеристик электромашин, используемых в гибридных трансмиссиях. 
Для студентов, обучающихся по специальности «Многоцелевые 
гусеничные и колесные машины». 
 
УДК 621.85(075.8) 
ББК 39.12 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-3331-5 
 
 
         © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 

А64 

ВВЕДЕНИЕ 

Ужесточение требований к экономии топлива и сокращению 
вредных выбросов стимулировало быстрое продвижение новых 
технологий передачи мощности от источника энергии к ведущим 
колесам транспортного средства. Возможность непрерывно регулировать передаточное отношение трансмиссии — обязательное 
требование при решении задачи экономии топлива и уменьшения 
количества вредных примесей в выхлопных газах.  
В последние годы были существенно развиты типы трансмиссий, позволяющие одновременно обеспечить регулирование 
скорости транспортного средства и работу двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на постоянном режиме. Для уменьшения 
удельного расхода топлива и количества вредных выбросов требуется работа двигателя на некоторых определенных режимах. 
Для этого необходимо, чтобы трансмиссия имела большое (желательно бесконечное) число передач. Недавнее появление автоматических трансмиссий с шестью, семью и восемью передачами и различных типов трансмиссий с бесступенчатым 
изменением передаточного отношения отражает потребности 
современного рынка. 
Создание трансмиссии, позволяющей поддерживать частоту 
вращения вала и момент ДВС такими, при которых он работает на 
определенных режимах независимо от мощности, потребной на 
ведущих колесах, представляется большим достижением с точки 
зрения экономии топлива и уменьшения вредных выбросов.  
Бóльшая часть ДВС может работать эффективно только на 
некоторых весьма ограниченных режимах. Значение мощности 
на этих режимах не всегда соответствует потребной мощности 
на ведущих колесах. В связи с этим возникла необходимость 
создать между ДВС и ведущими колесами буфер мощности, который обеспечивал бы работу ДВС на постоянном режиме неза

висимо от изменения потребной мощности на ведущих колесах. 
В результате появились и стали стремительно развиваться 
транспортные средства с гибридной трансмиссией. 
Транспортное средство с гибридной трансмиссией — это такое 
транспортное средство, в котором привод ведущих колес может 
осуществляться от двух или более видов источников энергии. На 
практике используются комбинации ДВС, электрических и гидравлических двигателей. 
Применение на транспортном средстве гибридной трансмиссии 
позволяет уменьшить габариты ДВС, используемого в автомобиле, 
поскольку наличие дополнительного источника энергии в случае 
необходимости может обеспечить дополнительную мощность. 
Кроме того, наличие гибридной трансмиссии значительно облегчает решение задачи рекуперации мощности на режимах торможения, когда существенная часть кинетической энергии от ведущих 
колес может быть возвращена в аккумулирующее устройство, что 
невозможно в трансмиссиях обычных типов. 
Несмотря на большое число вариантов построения кинематических схем гибридных трансмиссий, все они должны обеспечивать [1]: 
• суммирование крутящего момента от двух видов источников 
энергии и передавать его на колеса транспортного средства; 
• разделение мощности ДВС, часть которой передается через 
электрическую ветвь трансмиссии, а другая часть — через механическую ветвь; 
• движение транспортного средства только на одном из двух 
источников энергии; 
• независимое управление двумя источниками энергии; 
• бесступенчатое изменение передаточного отношения трансмиссии; 
• регенерацию энергии торможения транспортного средства, а 
также иметь относительно небольшие механические и электрические потери. 
Наиболее часто в открытой литературе описываются последовательные и параллельные варианты построения гибридных 
трансмиссий. В настоящее время все большее распространение 
получают гибридные трансмиссии с разделением мощности 
ДВС. 

Рис. В1. Последовательный вариант построения гибридной 
трансмиссии 
 
При последовательном варианте построения гибридной 
трансмиссии (рис. В1) мощность передается от ДВС на генератор, далее — к электромашине, которая соединена с ведущими 
колесами. Между ДВС и ведущими колесами отсутствует прямая 
механической связь (ДВС и ведущие колеса независимы друг от 
друга). Пара электродвигатель — генератор совместно с аккумуляторами представляет собой электрическую трансмиссию, которая обеспечивает бесступенчатое изменение передаточного отношения и регулирование мощности между ДВС и ведущими 
колесами. В этом случае происходит двойное преобразование 
энергии ДВС: механической в электрическую и обратно. Каждое 
преобразование приводит к потере в среднем 10 % мощности [2]. 
Таким образом, КПД трансмиссии в этом случае может быть не 
более 81 %. Кроме того, максимальная мощность, по крайней мере, одной электромашины должна соответствовать максимальной 
мощности ДВС. Это условие приводит к увеличению габаритов и 
массы трансмиссии. По этим причинам последовательные варианты построения гибридной трансмиссии используются главным 
образом для коммерческих транспортных средств, работающих в 
режиме «stop-and-go». 
При параллельном варианте построения гибридной трансмиссии (рис. В2) электромашина располагается параллельно обычной механической трансмиссии. Электромашина может быть 
объединена с ДВС, трансмиссией или просто соединена с ведо

мым валом. В этом случае существуют два независимых потока 
мощности. Регулирование передаточного отношения осуществляется с помощью механической коробки передач, а регулирование мощности — с помощью электромашины. Поскольку имеется 
прямая механическая связь между ДВС и ведущими колесами, то 
частоты их вращения зависят друг от друга.  
 

 
Рис. В2. Параллельный вариант построения гибридной трансмиссии 
 

 
Рис. В3. Вариант построения гибридной трансмиссии с разделением 
потока мощности ДВС 

Параллельные гибридные трансмиссии хорошо зарекомендовали себя при движении по магистрали, но оказались непригодными для городских условий движения по экономическим соображениям. Жесткая связь частоты вращения вала ДВС и ведущих 
колес требует в этом случае использования в составе трансмиссии коробки передач или вариатора [2]. 
Простые варианты параллельного построения гибридной 
трансмиссии используются главным образом для систем, в которых мощность, проходящая через электрическую часть трансмиссии, не превышает 15 % мощности ДВС [2]. 
Трансмиссия с разделением мощности ДВС (рис. В3) является другим наиболее перспективным вариантом построения 
гибридной трансмиссии, который с недавнего времени пользуется повышенным вниманием разработчиков. Отметим, что для 
разделения потока мощности ДВС в настоящее время используются как простые планетарные ряды, так и сложные планетарные механизмы.  
 

1. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ  
ГИБРИДНЫХ ТРАНСМИССИЙ  

1.1. Схема фирмы Toyota 

Первая серийно выпускаемая гибридная трансмиссия — трансмиссия с разделением мощности ДВС, называемая Toyota Hybrid 
System (THS), — используется в автомобилях Toyota Prius [1]. Фактически THS представляет собой механизм, в котором мощность 
передается от ДВС на ведомый вал трансмиссии двумя потоками 
(механическим и электрическим) независимо от того, потребляется 
или не потребляется энергия аккумуляторных батарей. THS позволяет бесступенчато изменять передаточное отношение трансмиссии, 
но для этого необходимы две электромашины. 
Разработаны три поколения трансмиссии THS. Трансмиссия 
автомобиля Toyota Prius имеет четыре вала (рис. 1.1) [3, 4]. В этой 
компоновке электромашина В непосредственно через большое 
центральное колесо (БЦК) планетарного ряда соединена с главной 
передачей.  
Для автомобилей Toyota RX 400h, Highlander и Camry HV используется несколько иная кинематическая схема (рис. 1.2) [3, 4]. 
В этой компоновке трансмиссия имеет только три вала. Кроме того, установлен второй, дополнительный, планетарный ряд, который расположен между электромашиной В и основным планетарным рядом. Малое центральное колесо (МЦК) дополнительного 
ряда соединено с электромашиной В, водило постоянно замкнуто 
на картер, а БЦК выполнено за одно целое с БЦК основного планетарного ряда. Таким образом, дополнительный планетарный ряд 
работает в режиме редуктора, соответствующим образом изменяя 
крутящий момент и частоту вращения электромашины В. 

Рис. 1.1. Кинематическая схема трансмиссии автомобиля Toyota Prius 

 
Для автомобиля Lexus GS450h потребовалось совершенно новое 
компоновочное решение. Это было обусловлено не только расположением ДВС и приводом на задние колеса, но и необходимостью 
достижения высоких эксплуатационных характеристик. Проектирование трансмиссии с учетом габаритов шестискоростных автоматических трансмиссий, ранее устанавливаемых на эти автомобили, 
потребовало уменьшения диаметра электромашин при увеличении 
их максимальной мощности. Принятое решение иллюстрируется 
рис. 1.3, а, а на рис. 1.3, б представлен поперечный разрез этой 
трансмиссии [3].  
В трансмиссии автомобиля Lexus GS 450h электромашина В 
соединена с БЦК основного планетарного ряда с помощью двухскоростной планетарной коробки передач, построенной по схеме 
Равенье. Обе передачи этой коробки понижающие, на первой передаче передаточное отношение равно 3,9, а на второй — 1,9 [3, 4]. 
Переключение с первой передачи на вторую происходит при ско

рости движения автомобиля приблизительно 80 км/ч. Такое решение позволило спроектировать трансмиссию, которая по габаритам 
вписывается в существующую платформу автомобиля и позволяет 
передавать большую мощность. 
 
 

 
а 

 

 
б 

 
Рис. 1.2. Разрез (а) и кинематическая схема (б) трансмиссии 
автомобилей Toyota RX 400h, Highlander и Camry HV