行星齿轮传动在新能源汽车中的应用
一、行星齿轮传动概述
1、行星齿轮定义及分类
在平面轮系中主要根据轮系运转时，各齿轮的几何轴线的相对位置是否发生变化分为两大类，一类是定轴轮系，一类是行星轮系。
▲定轴轮系
▲行星轮系
行星轮系运转时，组成该齿轮系的齿轮中至少有一个齿轮的几何轴线位置不固定而绕着其他齿轮的几何轴线旋转，则该齿轮系中，至少具有一个做行星运动的齿轮，顾名思义，其既做自转也做公转。
行星齿轮传动根据自由度的个数可分为简单行星齿轮传动和差动行星齿轮传动，差动行星齿轮传动结构较复杂，也可以实现较大的速比，但是在新能源汽车行业应用较少，故本文仅对简单行星齿轮的应用做探讨。
按齿轮的啮合方式对行星齿轮传动分类进行分类，主要可以分为NGW、NW、NN、ZUWGN、NGWN等类型，但是目前在新能源汽车传动里用的较多的NGW型，NW型也有少量应用，NGW型和NW型的主要原理如下：
表1-1 NGW和NW型简图
2、行星齿轮传动的特点
行星齿轮传动和定轴传动相比，它有许多独特的特点：
1）体积小，重量轻，结构紧凑，传动的扭矩大。由于其合理的应用内啮合的齿轮副，因此结构比较紧凑，同时由于其多个行星轮围绕中心轮在共同分担载荷，形成功率分流，使每个齿轮受的载荷较少，因此可以将齿轮的体积做小。此外在结构上充分利用了内啮合齿轮本身的可容体积，进一步的缩小了其外廓尺寸，使其体积小，重量轻，且功率分流结构提高了承载能力。据有关文献表明，在传动相同的载荷下，行星齿轮传动的外廓尺寸和重量约为普通定轴齿轮的1/2～1/5。
2）输入输出同轴。行星齿轮传动由于其结构特点，可以实现输入和输出同轴，即输出轴和输入轴均在同一轴线上，使得动力传递不改变动力轴线的位置，有利于降低整个系统占用空间。
3）易于实现小体积的变速。由于行星齿轮有太阳轮、内齿圈、行星架等3个基本构件，固定其中一个，速比即确定了，也就是同一套齿轮系，不用增加其他齿轮就可以实现3个不同的速比。如下表所示：
表1-2 固定不同构件形成不同速比
当然上述的情况中均可以将固定件松开与输入件或输出件固联在一起形成速比为1的情况。
4）传动效率高。由于行星齿轮传动结构的对称性，即他具有数个均匀分布的行星轮，使得他作用于中心轮的和转件轴承中的反作用力能相互平衡，从而有利于提高传动效率，在传动类型选择恰当，结构布置合理的情况下，其效率值可到达0.97~0.99。
5）传动比大。可以实现运动的合成与分解，只要适当选择行星齿轮传动的类型及配齿方案，便可以用较少的几个齿轮而获得很大的传动比，即使传动比很大时也可以保持结构紧凑、重量轻、体积小的优点。
6）运动平稳、抗冲击和振动能力强。由于采用了数个结构相同的行星轮，均匀地分布在中心轮周围，从而可使行星轮与行星架的惯性力相互平衡，同时，参与啮合的齿数增多，传动也会相对平稳，抗冲击能力强，工作较可靠。
总之，行星齿轮传动具有重量小、体积小、速比大、传递扭矩大、效率高等特点。除了以上有利的特点外，行星齿轮在应用过程中也会存在以下问题。
1）结构较复杂。相对于定轴齿轮传动，行星齿轮传动结构较复杂，增加了行星架、行星轮、行星轮轴、行星轮轴承等零部件，零部件增多也意味着故障点的增加，对质量控制要求更高。
2）散热要求高。由于体积小、散热面积也小，才需要合理的设计散热来避免油温过高，同时行星架旋转或内齿轮的旋转，由于离心力的作用，齿轮油易在圆周方向形成油环，使中心的太阳轮润滑油减少，影响太阳轮的润滑，而加注过多的润滑油又会使搅油损失变大，因此这是一个矛盾的地方，需要合理的设计齿轮的润滑系统，保证各零部件合理的润滑而又不会使搅油损失过大。
3）成本高。由于行星齿轮传动结构较复杂，零部件多，装配也复杂，所以其成本较高。特别是其内齿圈，由于内齿圈的结构特点，其制齿过程无法采用外圆柱齿轮常用的效率较高的滚齿等工艺，只能采用插齿、拉齿或者车齿等工艺，特别是内斜齿，采用斜插需要专用的螺旋导轨或者数控插齿机且效率比较低，采用拉齿或车齿前期的设备和工装投入均非常高，其成本远高于普通的外圆柱齿轮。
4）NVH难度高。由于内齿圈的特点，其无法通过磨齿等工艺对齿轮的齿面进行最终处理达到较高的一个精度，也无法通过齿轮对齿轮齿面进行微观修形，使得齿轮啮合无法达到一个较理想的状态， 提高其NVH水平的难度较高。
总结：由于行星齿轮传动的结构特点，有其特有的优点和缺点，世界上没有完美的东西，任何东西都具有两面性，行星齿轮也一样，在新能源上的应用也是根据其优点及缺点结合车型或产品的具体需求充分利用其优点，在其优点和缺点之间做一个平衡，为整车及客户带来价值。
二、行星齿轮传动在新能源汽车上的应用
目前新能源汽车无论是商用车还是乘用车其驱动形式按动力集中还是分布大致可以分为集中式驱动和分布式驱动。
在新能源汽车领域，电机是主要的动力来源。由于电机的体积、重量、成本跟电机的扭矩是成正比的，所以目前发展的趋势是增加减速器或变速器的形式增大总成速比，降低电机扭矩，电机高速化，通过提高电机转速来保证在功率不变化的情况下降低电机的体积、重量及成本。有了减速或变速的需求，行星齿轮传动就有了应用的场景。因此无论是分布式驱动还是集中式驱动均有行星齿轮传动应用的场景，只是需求不同，应用特点不同而已。
1、在乘用车上的应用
（1）丰田普锐斯THS系统
第一代丰田混动系统（Toyota Hybrid System）THS I，代号定义为P111。单行星排动力分流：小电机MG1连接太阳轮，发动机连接行星架，大电机MG2连接齿圈，齿圈输出。链条传动：结构紧凑，无轴向冲击，两级减速，差速器连接左右轮。
如上图可以看到电机1（MG1）和电机2（MG2）中间隔了一个机械装置，称为动力分流装置（Power Split Device）PSD。这也是所有两代丰田混动电驱系统一直坚持使用的单行星排动力分流系统。而发动机、电机1、电机2实际上是同轴的通过动力分流装置连接在一起的。动力通过动力分流装置再分配以后通过电机2传输到了车轮上。其实动力分流装置就是一组行星齿轮组。行星齿轮由太阳轮Sun Gear(缩写S)，行星架Planetary Carrier（缩写C），内齿齿圈Ring Gear（缩写R）组成。
如下即为丰田THS系统连接图。可以看到发动机连在行星架上，电机1连在太阳轮上，电机2连在齿圈上并作为输出轴。
MG1电机、MG2电机和行星排布置在同一轴线上；发动机输出轴连接行星架，并在轴内部同时连接机械泵驱动轴，也即当发动机运转时，机械泵才工作，机械泵布置在变速器后端；MG1电机通过内花键连接太阳轮，位于行星排和发动机之间；MG2电机通过外花键连接齿圈，位于行星排另一侧；
在2003年，丰田推出了普锐斯第二代车型，其搭载的混合动力总成为THS-Ⅱ，该套混动系统的代号定义为P112，P112与P111的基本结构相同，其减速机构部分仍然采用链传动，后排两级平行轴式减速。
在2008年，丰田推出了普锐斯第三代车型，其搭载的混合动力总成为THS-Ⅱ。该套混动系统的代号定义为P410。
双行星排结构，一个作为动力分配单元，一个作为MG2减速单元；双电机同轴布置，MG2为电动机，MG1为发电机；取消链传动，改用平行轴式两级齿轮减速；
P410的左箱体和右箱体之间为轴系结构，主要包含动力分配行星排、MG2减速行星排和二级减速机构。两个行星排同轴布置，动力分配行星排和MG2减速行星排共用同一个齿圈，同时齿圈也作为输出。
动力分配行星排：太阳轮与MG1连接；行星架与发动机连接；齿圈输出。
MG2减速行星排：太阳轮与MG2连接；行星架与箱体固定；齿圈输出。
在2015年12月，第四代普锐斯搭载THS-Ⅱ（P610）混合动力系统。其中动力分流行星排和前几代相同，将发动机的功率分配给整车和发电机的驱动功率。
普锐斯前三代（丰田混合动力系统）均采用发动机和电机MG1在动力分配行星齿轮组同一侧，电机MG2在另一侧，三者同轴。第四代Prius混合动力变速器P610，电机MG1（太阳轮）和发动机（行星架）依旧同轴，但是分别在行星齿轮组两侧。电机MG2不再同轴，通过一个反转从动齿轮减速，并与行星齿轮组的齿圈结合。
在P410的结构中，功率分流行星排和减速行星排共用同一个齿圈，齿圈的支撑轴承安装在齿圈外侧，在新的P610中，齿圈仅仅啮合一组行星齿轮，所以将轴承调整在齿圈内部，支撑在箱体上，从而为减小尺寸作出贡献。采用二级平行减速机构代替P410原行星排减速机构，减少啮合点，从而降低机械损失。
（2）Audi e-tron
前桥和后桥上各装有一个电机，这两个电机通过各自的减速器将驱动力传至车轮。
在前桥上力矩传递是通过以平行轴方式布置的输入轴和输出轴来实现的。在后桥则是通过同轴式结构来传递力矩的。
由具有两级减速的单级减速器负责降低前桥和后桥上的转速，从而提高扭矩。
在这两个减速箱中使用了行星齿轮式轻结构差速器，用于实现同一车桥上两个车轮之间的转速补偿。减速器是没有空转位置的，也就是说车轮与电机转子轴之间总是有动力传递的。
前桥单级减速器—OMA
拥有双级减速比和最新的行星齿轮式轻结构差速器。扭矩转换分为两级：第一个减速级是采用简单行星齿轮副从太阳轮轴传至行星齿轮和行星架；第二个减速级是借助圆柱齿轮机构把扭矩从行星架传至差速器。
行星齿轮式轻结构差速器的一个特点，就是它需要很小的轴向空间。
第一个减速比中的行星架可通过驻车锁来锁住，这样的话，驻车锁齿轮就与行星架连接在一起。
行星齿轮式结构差速器
奥迪公司首次采用了SCHAEFFLER公司生产的行星齿轮式结构差速器。这种结构的在于它别适合用于Audi e-tron的电驱动机构。轴向空间很小但可传递扭矩很大；重量明显降低了（与传统的锥齿轮差速器相比）。
这是一种开放式圆柱齿轮差速器，它会把输入力矩均等地分配到两个输出端。
这个驱动力经圆柱齿轮2被传至差速器壳体。差速器壳体被用作行星架，它又会把力矩等量地传至行星齿轮。宽行星齿轮和窄行星齿轮彼此啮合在一起，用作差速器齿轮，会把力矩分配到两个太阳轮上，并在转弯时负责所需的车轮转速补偿。窄差速齿轮与小太阳轮1啮合；宽差速齿轮与太阳轮2啮合。
这种行齿轮式轻结构的差速器的一个重用特点是：结构宽度非常小。具体说这是通过使用两个不同大小的太阳轮来实现的。为了能把力矩均等地传至两侧，齿轮的几何形状是这样设计的：这两个太阳轮的齿数是相同的。由于小太阳轮的齿根相比较而言要窄，所以就把齿轮加宽了一些．以便能承受负荷。
2.3 后桥单级减速器—OMB
拥有同轴结构双减速比和行星齿轮式结构差速器。该差速器与OMA的行星齿轮式差速器基本相同。这个双级扭矩转换是采用塔轮来实现的。第一个减速级是采用塔轮从太阳轮传至塔轮的大圆柱齿轮。第二个减速级是通过塔轮的小圆柱齿轮（它支承在固定不动的齿圈上并驱动行星架）来实现的。力矩通过行星架直接传至行星齿轮式轻结构差速器。
行星架分为两个平面：在第一个平面内与塔轮啮合；在第二个平面内与差速器的行星齿轮（宽和窄）啮合，并由此构成差速器壳体。
（3）本田I-MMD (Intelligent Multi-Mode Drive)
I-MMD系统与丰田公司的第二代混合动力THS-II（Toyota Hybrid System II）系统（混联式，利用行星齿轮结构作为发动机与双电机的动力耦合装置）不同，I-MMD系统采用了超越离合器来实现发动机驱动发电机或者驱动车轮的自动切换。
2016款雅阁混动车采用了电动无级变速器E-CVT，E-CVT内部并无传统的液力变矩器、齿轮或带轮等变速结构，但保留了主减速器及差速器总成。E-CVT内部集成了发电机、驱动电动机、扭转减振器、超越离合器、超越离合器齿轮、四根平行轴及齿轮等部件。
2016款雅阁混动车的I-MMD系统采用了超越离合器，超越离合器为液压驱动的离合器（湿式多片式），位于输入轴的末端。通过超越离合器改变动力传递路径，从而实现在驱动发电机和驱动车轮之间切换发动机的动力。
当超越离合器不工作（分离），若发动机运行时，发动机动力将通过扭转减振器→输入轴→输入轴齿轮→发电机轴齿轮→发电机轴→发电机，实现发动机驱动发电机发电。当超越离合器工作（接合），发动机运行时，发动机动力将通过扭转减振器→输入轴→超越离合器→超越齿轮→副轴齿轮→副轴→主减速器驱动齿轮→主减速器从动齿轮→差速器→半轴→前轮，实现将发动机动力传递给前轮（驱动轮）。另外，当超越离合器工作（接合）且发动机运行时，发动机还将同时驱动发电机转动（空转）。
（4）捷豹I-PACE
绝大多数电动车的电动机偏置于传动轴上，通过斜面齿轮连接来驱动车轮，而I-Pace使用了行星齿轮组，这样既节省了空间，又在一定程度上提升了效率。
减速器为双联行星排结构，与奥迪e-tron的后驱减速器类似，该行星排结构中的行星架同样集成了差速器壳体的结构功能，不同点是I-PACE的差速器属于锥齿轮差速器，Y向尺寸与重量相比e-tron更大一些。
单速行星齿轮组减速比为9：1，转差离合器的布置则考虑到差速变化。因此，没有笨重的变速箱或差速器。前后桥各集成一个轻型永磁电动机，与单速行星齿轮组减速器和开放式差速器（有基于制动的转矩矢量代替锁止差速器）同轴连接，以实现最大的紧凑性，当I-Pace不断调整其前后平衡以适应路况时，可将扭矩即时精确地分配到所有四个车轮。在电机输出轴直接带动了同轴的行星排用于降低转速。同轴设计的优势是能够尽可能提升电驱动系统的集成度、降低系统重量。
（5）某2挡变速器应用
由于行星齿轮传动的特点，一套行星齿轮可以较容易的实现结构紧凑体积小的2挡变速器。其原理如下图所示。
▲2AT变速器原理简图
其采用一套NGW型行星齿轮，其有两个换挡元件：一个离合器C1、一个制动器B1；当C1分离，B1结合时，为一个NGW型减速器，速比为i=Zb/Za+1；当C1结合，B1分离速比为1，当B1和C1均分离时，为空挡。
在较小体积内实现了一个两挡的变速器，此变速器需要两个活塞，一个离合器活塞，一个制动器活塞。如果不需要空挡，只有1挡和2挡，则只需要一个活塞就可以，一个活塞同时控制离合器与制动器，活塞推出与不推出两个状态分别对应两个挡位，例如，在活塞内没有油压，活塞未推出时，C1为常闭状态，B1为常开状态，活塞内建立油压时，活塞推出，缓慢使C1分离，并使B1结合，此结构理论上可降低一部分成本，由于其制动器及离合器结合或分离的过程是一起进行的，如何通过机械来保证分离和结合时机对前期标定要求较高。
▲某2AT样机
2、在商用车上的应用
（1）公交车单减应用
目前电动公交车主流的动力形式是电机直驱，即通过一个大扭矩电机通过一个传动轴与后桥相连，目前这种结构形式最主要的问题是体积大、重量重、成本高。通过应用行星齿轮减速器，利用其输入输出同轴、结构紧凑、传递扭矩大等特点，仅用单级减速器即可以较好的实现降低体积、降低重量、降低成本的目标。且对原直驱的安装布置不造成影响。其原理简图如下：
▲单级行星齿轮减速原理图
▲直驱电机 ▲单级减速方案
由直驱大电机改为行星单级减速方案后，主要参数对比见下表：
表2-1 直驱电机和单级行星齿轮减速器方案
从上表对比可以看出，采用单级行星齿轮减速器的可以大幅度的降低电机重量和成本，虽然增加单级行星减速器增加了部分的重量和成本，但是系统重量降低了100kg，成本降低了约4000元。
此减速器如果采用平行轴定轴齿轮传动，由于减速器输入扭矩大，转速高，输入轴的轴承较难选择，且要实现同轴输出结构上较复杂。采用行星齿轮传动是较好的选择，充分利用了输入输出同轴、结构紧凑、传递扭矩大的特点。
（2）同轴电机桥应用
集成电机桥目前主要有平行轴方案和同轴方案，同轴方案相比与平行轴方案，有集成度高、体积小、占用空间小、重量轻等特点。目前同轴集成桥的减速器有平行轴定轴齿轮传动和行星齿轮传动等方案，行星齿轮传动相比平行轴定轴齿轮传动体积更小、更紧凑，传递扭矩更大，同时由于行星齿轮径向力可以相互抵消，高速的大轴承较容易选择。
▲平行轴定轴同轴桥
▲行星齿轮同轴桥
在同轴桥中，由于左右两个半轴要穿过电机轴和减速器输入轴，电机轴需要做成空心轴，当整桥需求输出扭矩较大时，半轴直径随之变大，电机轴直径也随之变大，电机轴大了后，电机的轴承及输入轴的轴承也随之变大，轴承直径变大后需要采用小的滚子来满足高速化的要求，如果采用平行轴定轴且无对称分流布置结构的轴系，其输入轴的轴承将会是一个瓶颈，即要求轴承内径要大、要满足高速、承载径向力等能力要求大，这种轴承较难选择，而采用行星齿轮传动由于径向力相互抵消，无径向承载力的要求，这样轴承就较好的满足要求。
如果同轴桥应用的车型更大，则需要的扭矩更大，需要更高的速比时，行星齿轮传动较好的可以满足要求，通过采用双级行星齿轮或者NW型行星齿轮可以较容易的实现大的速比而保持紧凑的体积，而采用定轴齿轮传动则较难在较小的体积内满足大速比的要求。
▲双级行星齿轮同轴传动原理
▲NW型行星齿轮同轴传动原理
NW型相比双级行星齿轮传动只用了一个内齿圈，内齿圈的成本相比会低一点，但是NW型的行星轮需要用塔轮结构，対齿是一个考验生产工艺的问题。
（3）在分布式驱动上的应用
分布式驱动驱动即将动力分散布置，一个车可能有2个以上的动力，轮边驱动作为分布式驱动的一员，由于其动力系统布置在轮边，空间有限，对驱动系统的体积、重量有很高的要求，基于这种需求，结合行星齿轮传动体积小、重量轻、结构紧凑、传递扭矩大的特点，其在轮边驱动的舞台上大显身手。
在轮边驱动系统中，由于其速比较大，一般会采用多级齿轮传动，一级转速高，扭矩小，二级扭矩大转速低，基于这种特点，轮边驱动中一般会采用一级平行轴齿轮传动+二级行星齿轮传动的传动系统，为充分利用空间，将行星齿轮传动布置在轮辋的中心孔内，作为轮边减速器，充分利用其有限的轮内空间。
▲ZF AVE130轮边驱动系统
如上图所示，其轮边减速器主要包含太阳轮轴、行星轮、轮减壳、内齿圈、齿圈支架等组成。其轮减壳与行星架集成在一起，行星轮轴为悬臂结构，有效的降低了轮边减速器的体积。
由于行星轮边减速器布置在轮辋中心孔内，其外径受限于轮辋中心孔的大小，因此内齿圈的不能做的太大。同时太阳轮轴要将一级减速器的力矩传递至轮边，其半轴的作用，因此其半轴的直径也不能太小，也就是说太阳轮的直径不能太小，而轮边行星减速器的速比与内齿圈的及太阳轮的大小有直接关系，在一定扭矩下，其可选的速比有一个范围，目前已知的ZF的做的是比较大的达到5.818，在较小的体积内实现了较大速比，充分利用了行星齿轮传动的优点。
ZF AVE130的一级减速器，其官方的介绍材料中将其称为动力分流行星齿轮传动结构，虽然其从结构上算是一个动力分流定轴齿轮传动，不算是一个严格意义上的行星齿轮传动结构，但其实它也是从行星齿轮结构演变过来的。
▲ZF AVE130一级减速器
其可以理解为2个行星轮的行星传动机构，输入轴为行星轮，输出轴为内齿圈，动力从行星轮输入时，动力一路经过行星轮与内齿圈的啮合直接传递给了内齿圈，一路经过太阳轮再经过另一个行星轮传递给了内齿圈，实现了动力分流，同时在较小的空间内实现了大速比，也使输入轴齿轮、输出轴齿轮径向力受力平衡。
▲行星齿轮向动力分流演变
三、总结
行星齿轮传动其固有的特点既有优势也有缺点，只有结合车型和产品的具体需求，充分利用其优势来平衡其缺点，即可以给产品和客户带来价值，产品设计没有说哪种方案一定是好的，最终要结合不同方案的特点及产品的需求来进行评估和应用，应用得当即会有价值。