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摘 要：IVT可增大传动比的变化范围，提高传动系统的效率。本文提出6种基于IVT的双电机混合动力构型，建立了6种传动系统的数学模型。分析了每种构型在低速和高速模式下速比特性和功率循环特性。探明了每种构型的传动特点。选择出一种最适合混合动力传动系统的构型。为IVT在混合动力汽车上的应用奠定基础。
关键词：IVT 混合动力汽车 功率流 行星轮系
中图分类号：TV381 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）11（a）-0098-06
Abstract：Infinitely Variable Transmission（IVT） can increase the range of transmission ratios and raise the efficiency of powertrain. Six dual-motor hybrid power configurations based on IVT were presented. Six mathematical models of powertrain system are established. Ratio characteristics and circling power flow characteristics of each configuration under low speed mode and high speed mode are analyzed. Transmission characteristics of each configuration are proven. One of the most suitable configurations of hybrid powertrain system is selected. Lay a foundation for the application of IVT in hybrid electric vehicle.
Key Words：IVT；Hybrid electric vehicle；Power flow；Planetary gear
IVT（Infinitely Variable Transmission），即“无限变速式机械无级变速器”，通常是针对无级变速传动（Continuously Variable Transmission，简称CVT）实行转矩分流的一种布置形式。传统意义上的IVT是CVT与其他机构组合起来，实现最终的动力输出。IVT不仅继承了CVT可以无级变速的特点，同时还扩大了传动比范围。与CVT类似，IVT可以始终令发动机在最佳工作点处工作。而且IVT不需要液力变矩器，所以IVT的效率比传统CVT的效率更高[1]。随着国家对新能源汽车扶植力度的不断加大，混合动力汽车的产量逐年增高。目前IVT主要应用在传统汽车上，还没有在混合动力汽车上进行广泛推广。
华中科技大学的金国栋和邓润林[2]对全环面IVT的牵引传动进行了运动学和动力学分析。北京理工大学的陈东升和刘化雪[3]对串联IVT传动机构的传动特性进行了分析。武汉理工大学的陆磊、王泽铭等[4]对摩擦半球式IVT的传动特性进行了分析。总体来说国内的众多论文将研究的重点大多放在了IVT变速机构环面variator的动力学建模和分析上，鲜有对功率循环和效率的计算。
本文提出了6种装有IVT的混合动力汽车构型，这6种构型都是将CVT与行星轮系结合起来，根据齿轮分矩，行星轮系汇速的原理实现无限变速。通过对比6种构型的功率循环和效率的合理性，选出了一种效率最优的构型。
1 双电机混合动力构型
IVT是一种无限变速传动机构，由一个无级变速器和行星轮系组成，它可以在不改变动力输入方向的前提下，不需要倒挡机构即可实现倒挡。与传统变速器相比，分流齿轮G和行星排分别对IVT的功率产生分流和汇流的作用[5]。功率分流是把CVT、行星齿轮PG和定速比齿轮结构FR结合起来，可提高系统的性能，增大传动比变化范围，提高传动效率。在输入轴持续转动的情况下，通过调整CVT传动比可以实现输出轴不动，即IVT的速比为零，从而保证减速比在无限范围内连续变化。由于IVT速比是连续变化的，所以IVT减速比可以达到正无穷（前进时）和负无穷（倒车时），进一步扩大了传动比范围[6]。CVT和定轴齿轮FR分别与行星轮系的太阳轮、行星架和齿圈三者中的两者相连即可构成一种IVT构型[7]。根据IVT构型的不同，本文提出了6种混合动力汽车传动系统的布置方案。混合动力汽车的6种构型如图1～图6所示。图中，PG为行星轮系；FR1为定轴齿轮1；FR2为定轴齿轮2；G为分流齿轮；L为低速离合器；H为高速离合器。
2 IVT转矩控制原理
传统变速器采用速比控制，即根据发动机转速和车轮转矩选择特定的比值。而IVT采用转矩控制，即根据车轮转速和车辆需求扭矩来改变变速器的传动比[8]。对于行星轮系而言，太阳轮、行星架和齿圈的转速关系始终满足：
式中，为太阳轮的绝对角速度；为行星架的绝对角速度；为齿圈的绝对速度；为齿圈与太陽轮的齿数比。根据方程（1），如果输入转速恒定，IVT不需要其他动力源，就可以实现由正向到反向的连续运转。IVT的转矩控制使低速模式下的汽车在动力不中断的情况下实现变速器空挡状态，并且能输出正向和反向的传动比，产生更大的输出扭矩[9]。高速模式下，IVT切换成传统变速器的工作模式，能实现超速传动。
3 构型分析
当汽车从静止开始启动和由高速减速到低速之后，IVT处于低速模式。离合器H处于分离状态，离合器L处于接合状态。以构型1为例，分流齿轮G将输入动力分为两个支路，一部分动力经过CVT传递给太阳轮S，另一部分经过定速比齿轮FR2传递给行星架PC，这两部分动力在行星轮系上进行合成，从齿圈C输出。 在低速模式中，IVT内部有功率循环，所以在空挡时，发动机必须输出一部分功率来克服系统损耗[10]。当IVT处于输出正向转速和反向转速两种状态时，循环功率的大小和方向也有所不同。
低速模式下，构型1IVT输入功率与循环功率的比值如图9所示。从图中可以看出，输入功率与循环功率的比值在空挡时最小，约为0.3。随着车速的提高，输入功率与循环功率的比值迅速增大。在IVT速比为0.32的时候，IVT输入功率与循环功率比值为正无穷，随后下降至0.8。也就是说在IVT速比为0.32时，几乎没有功率循环。
用同样的方法可以计算出构型2的输入功率与循环功率的比值和效率，如图11、图12所示。
低速模式下，构型2IVT输入功率与循环功率的比值如图11所示。从图中可以看出，输入功率与循环功率的比值也在空挡时最小，约为0.37。IVT速比为-0.4时，构型2输入功率与循环功率的比值为无穷大，此时IVT几乎没有功率循环。
带有行星轮系的变速器通常以行星架或者齿圈作为输出构件。构型3和构型6的输出轴与太阳轮相连，这会导致IVT单方向变速范围过大，变速过于灵敏。如果采用小传动比范围的CVT克服变速范围过大的缺点，会导致CVT磨损严重，增加了IVT的使用成本。而构型4、构型5和构型6在高速模式下，IVT输出轴与定轴齿轮FR相连，导致了高速模式下IVT速比固定。只有增大低速模式的最大速比，才能使得IVT平穩的进行模式切换。但是这会导致IVT内部长时间存在功率循环，效率始终处于较低的区间。所以这3种构型也不能成立。通过对比IVT6个构型的结构可以看出，构型1和构型2在结构上要优于余下构型。从构型1和构型2的图像中可以看出，在空挡时，构型2输入功率与循环功率的比值更大。这两种构型都存在效率最高的点，构型1效率的最高点出现在速比为0.32处，而构型2效率最高的点出现在速比为-0.4处。显然，车辆在低速起步或者爬坡的时候，需要更高的效率。并且在切换模式的时候，构型1的CVT速比是连续变化的，而构型2的CVT速比需要在极短的时间内从最大值变成最小值，所以构型1模式切换时的控制更加简单（见图13～图17）。
当车辆向前行驶，驾驶员踩下加速踏板，车速不断提高，当车速到达低速区的最高速时，行星架、齿圈和太阳轮转速相同。此时离合器L断开，离合器H结合，太阳轮和行星架锁止共速。这样换挡的好处就在于太阳轮和齿圈共速，换挡冲击小。切换到高速模式后，动力从输入轴输入，经过定速比齿轮FR1、分流齿轮G、无级变速器CVT、太阳轮和齿圈输出给车轮。由于L离合器断开，所以高速模式下没有功率循环。
4 结语
本文对提出的6种构型进行了分析和计算。构型1在结构、效率的合理性和控制的难易程度3个方面都要优于其他5个构型，更适用于混合动力汽车。IVT可以在不中断动力的情况下实现正向行驶到停车再到反向行驶，增大了传动比范围。但是在传动过程中出现功率循环，降低了IVT传动效率。随着混合动力汽车的发展，IVT凭借着结构和传动比范围上的优势，必将会在混合动力汽车上得到广泛的应用。
参考文献
[1] 胡朝峰，过学迅，汪斌.汽车变速器技术的发展与展望[J].汽车工程学报，2005（5）：15-18.
[2] 邓润林，金国栋.全环面牵引传动IVT的运动学和动力学分析[J].汽车科技，2005（2）：16-20.
[3] 陈东升，刘化雪.串联IVT传动机构的传动特性分析[J].传动技术，2004，18（3）：22-24.
[4] 陆磊，王泽铭，李旺，等.基于转矩分流的摩擦半球式IVT传动系统的设计与传动特性分析[J].机械传动，2012， 36（4）：19-21.
[5] Enrico Cacciatori，Baptiste Bonnet，Nicholas D Vaughan，et al.Launch and Driveability Performance Enhancement for a Parallel Hybrid with a Torque Controlled IVT[J].SAE paper，2005-01-3831.
[6] Giacomo，Mantriota.Performances of a series infinitely variable transmission with type I power flow[J].Mechanism and Machine Theory，2002，37（6）：579-597.
[7] Francesco Bottiglione，Giacomo Mantriota. MG-IVT： An Infinitely Variable Transmission With Optimal Power Flows[J].Journal of Mechanical Design，2008，130（11）：1126031- 11260310.
[8] 邓润林，金国栋.IVT转矩控制原理及Variator的建模[J].机械设计与制造，2005（1）：91-93.
[9] L Mangialardi，G Mantriota.Power flows and effciency in infinitely variable transmissions[J].Mechanism and Machine Theory，1999，34（7）：973-994.
[10] Francesco Bottiglione，Stefano De Pinto，Giacomo Mantriota，et al.Energy Consumption of a Battery Electric Vehicle with Infinitely Variable Transmission[J].Energies，2014，7（12）：8317-8337.
关键词：IVT 混合动力汽车 功率流 行星轮系
中图分类号：TV381 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）11（a）-0098-06
Abstract：Infinitely Variable Transmission（IVT） can increase the range of transmission ratios and raise the efficiency of powertrain. Six dual-motor hybrid power configurations based on IVT were presented. Six mathematical models of powertrain system are established. Ratio characteristics and circling power flow characteristics of each configuration under low speed mode and high speed mode are analyzed. Transmission characteristics of each configuration are proven. One of the most suitable configurations of hybrid powertrain system is selected. Lay a foundation for the application of IVT in hybrid electric vehicle.
Key Words：IVT；Hybrid electric vehicle；Power flow；Planetary gear
IVT（Infinitely Variable Transmission），即“无限变速式机械无级变速器”，通常是针对无级变速传动（Continuously Variable Transmission，简称CVT）实行转矩分流的一种布置形式。传统意义上的IVT是CVT与其他机构组合起来，实现最终的动力输出。IVT不仅继承了CVT可以无级变速的特点，同时还扩大了传动比范围。与CVT类似，IVT可以始终令发动机在最佳工作点处工作。而且IVT不需要液力变矩器，所以IVT的效率比传统CVT的效率更高[1]。随着国家对新能源汽车扶植力度的不断加大，混合动力汽车的产量逐年增高。目前IVT主要应用在传统汽车上，还没有在混合动力汽车上进行广泛推广。
华中科技大学的金国栋和邓润林[2]对全环面IVT的牵引传动进行了运动学和动力学分析。北京理工大学的陈东升和刘化雪[3]对串联IVT传动机构的传动特性进行了分析。武汉理工大学的陆磊、王泽铭等[4]对摩擦半球式IVT的传动特性进行了分析。总体来说国内的众多论文将研究的重点大多放在了IVT变速机构环面variator的动力学建模和分析上，鲜有对功率循环和效率的计算。
本文提出了6种装有IVT的混合动力汽车构型，这6种构型都是将CVT与行星轮系结合起来，根据齿轮分矩，行星轮系汇速的原理实现无限变速。通过对比6种构型的功率循环和效率的合理性，选出了一种效率最优的构型。
1 双电机混合动力构型
IVT是一种无限变速传动机构，由一个无级变速器和行星轮系组成，它可以在不改变动力输入方向的前提下，不需要倒挡机构即可实现倒挡。与传统变速器相比，分流齿轮G和行星排分别对IVT的功率产生分流和汇流的作用[5]。功率分流是把CVT、行星齿轮PG和定速比齿轮结构FR结合起来，可提高系统的性能，增大传动比变化范围，提高传动效率。在输入轴持续转动的情况下，通过调整CVT传动比可以实现输出轴不动，即IVT的速比为零，从而保证减速比在无限范围内连续变化。由于IVT速比是连续变化的，所以IVT减速比可以达到正无穷（前进时）和负无穷（倒车时），进一步扩大了传动比范围[6]。CVT和定轴齿轮FR分别与行星轮系的太阳轮、行星架和齿圈三者中的两者相连即可构成一种IVT构型[7]。根据IVT构型的不同，本文提出了6种混合动力汽车传动系统的布置方案。混合动力汽车的6种构型如图1～图6所示。图中，PG为行星轮系；FR1为定轴齿轮1；FR2为定轴齿轮2；G为分流齿轮；L为低速离合器；H为高速离合器。
2 IVT转矩控制原理
传统变速器采用速比控制，即根据发动机转速和车轮转矩选择特定的比值。而IVT采用转矩控制，即根据车轮转速和车辆需求扭矩来改变变速器的传动比[8]。对于行星轮系而言，太阳轮、行星架和齿圈的转速关系始终满足：
式中，为太阳轮的绝对角速度；为行星架的绝对角速度；为齿圈的绝对速度；为齿圈与太陽轮的齿数比。根据方程（1），如果输入转速恒定，IVT不需要其他动力源，就可以实现由正向到反向的连续运转。IVT的转矩控制使低速模式下的汽车在动力不中断的情况下实现变速器空挡状态，并且能输出正向和反向的传动比，产生更大的输出扭矩[9]。高速模式下，IVT切换成传统变速器的工作模式，能实现超速传动。
3 构型分析
当汽车从静止开始启动和由高速减速到低速之后，IVT处于低速模式。离合器H处于分离状态，离合器L处于接合状态。以构型1为例，分流齿轮G将输入动力分为两个支路，一部分动力经过CVT传递给太阳轮S，另一部分经过定速比齿轮FR2传递给行星架PC，这两部分动力在行星轮系上进行合成，从齿圈C输出。 在低速模式中，IVT内部有功率循环，所以在空挡时，发动机必须输出一部分功率来克服系统损耗[10]。当IVT处于输出正向转速和反向转速两种状态时，循环功率的大小和方向也有所不同。
低速模式下，构型1IVT输入功率与循环功率的比值如图9所示。从图中可以看出，输入功率与循环功率的比值在空挡时最小，约为0.3。随着车速的提高，输入功率与循环功率的比值迅速增大。在IVT速比为0.32的时候，IVT输入功率与循环功率比值为正无穷，随后下降至0.8。也就是说在IVT速比为0.32时，几乎没有功率循环。
用同样的方法可以计算出构型2的输入功率与循环功率的比值和效率，如图11、图12所示。
低速模式下，构型2IVT输入功率与循环功率的比值如图11所示。从图中可以看出，输入功率与循环功率的比值也在空挡时最小，约为0.37。IVT速比为-0.4时，构型2输入功率与循环功率的比值为无穷大，此时IVT几乎没有功率循环。
带有行星轮系的变速器通常以行星架或者齿圈作为输出构件。构型3和构型6的输出轴与太阳轮相连，这会导致IVT单方向变速范围过大，变速过于灵敏。如果采用小传动比范围的CVT克服变速范围过大的缺点，会导致CVT磨损严重，增加了IVT的使用成本。而构型4、构型5和构型6在高速模式下，IVT输出轴与定轴齿轮FR相连，导致了高速模式下IVT速比固定。只有增大低速模式的最大速比，才能使得IVT平穩的进行模式切换。但是这会导致IVT内部长时间存在功率循环，效率始终处于较低的区间。所以这3种构型也不能成立。通过对比IVT6个构型的结构可以看出，构型1和构型2在结构上要优于余下构型。从构型1和构型2的图像中可以看出，在空挡时，构型2输入功率与循环功率的比值更大。这两种构型都存在效率最高的点，构型1效率的最高点出现在速比为0.32处，而构型2效率最高的点出现在速比为-0.4处。显然，车辆在低速起步或者爬坡的时候，需要更高的效率。并且在切换模式的时候，构型1的CVT速比是连续变化的，而构型2的CVT速比需要在极短的时间内从最大值变成最小值，所以构型1模式切换时的控制更加简单（见图13～图17）。
当车辆向前行驶，驾驶员踩下加速踏板，车速不断提高，当车速到达低速区的最高速时，行星架、齿圈和太阳轮转速相同。此时离合器L断开，离合器H结合，太阳轮和行星架锁止共速。这样换挡的好处就在于太阳轮和齿圈共速，换挡冲击小。切换到高速模式后，动力从输入轴输入，经过定速比齿轮FR1、分流齿轮G、无级变速器CVT、太阳轮和齿圈输出给车轮。由于L离合器断开，所以高速模式下没有功率循环。
4 结语
本文对提出的6种构型进行了分析和计算。构型1在结构、效率的合理性和控制的难易程度3个方面都要优于其他5个构型，更适用于混合动力汽车。IVT可以在不中断动力的情况下实现正向行驶到停车再到反向行驶，增大了传动比范围。但是在传动过程中出现功率循环，降低了IVT传动效率。随着混合动力汽车的发展，IVT凭借着结构和传动比范围上的优势，必将会在混合动力汽车上得到广泛的应用。
参考文献
[1] 胡朝峰，过学迅，汪斌.汽车变速器技术的发展与展望[J].汽车工程学报，2005（5）：15-18.
[2] 邓润林，金国栋.全环面牵引传动IVT的运动学和动力学分析[J].汽车科技，2005（2）：16-20.
[3] 陈东升，刘化雪.串联IVT传动机构的传动特性分析[J].传动技术，2004，18（3）：22-24.
[4] 陆磊，王泽铭，李旺，等.基于转矩分流的摩擦半球式IVT传动系统的设计与传动特性分析[J].机械传动，2012， 36（4）：19-21.
[5] Enrico Cacciatori，Baptiste Bonnet，Nicholas D Vaughan，et al.Launch and Driveability Performance Enhancement for a Parallel Hybrid with a Torque Controlled IVT[J].SAE paper，2005-01-3831.
[6] Giacomo，Mantriota.Performances of a series infinitely variable transmission with type I power flow[J].Mechanism and Machine Theory，2002，37（6）：579-597.
[7] Francesco Bottiglione，Giacomo Mantriota. MG-IVT： An Infinitely Variable Transmission With Optimal Power Flows[J].Journal of Mechanical Design，2008，130（11）：1126031- 11260310.
[8] 邓润林，金国栋.IVT转矩控制原理及Variator的建模[J].机械设计与制造，2005（1）：91-93.
[9] L Mangialardi，G Mantriota.Power flows and effciency in infinitely variable transmissions[J].Mechanism and Machine Theory，1999，34（7）：973-994.
[10] Francesco Bottiglione，Stefano De Pinto，Giacomo Mantriota，et al.Energy Consumption of a Battery Electric Vehicle with Infinitely Variable Transmission[J].Energies，2014，7（12）：8317-8337.