【混动百科】重温『字少事大』的丰田混动系统——THS（2）

从上一期研发THS的历史背景中看到，THS最初的设计逻辑仍然是将「发动机」作为主要驱动装置的混动系统，围绕着提升动力总成的经济性，工程师们为「发动机」配备一个主要用于调节「发动机」工况和发电的「1号电机」（暂称）和一个主要用于（辅助）驱动的「2号电机」（暂称）。从省油的角度来看，「1号电机」用来帮助「发动机」省油，而「2号电机」用来帮助整套动力总成省油。

行星齿轮组（图片源自网络）

接下来的问题就是：如何选择一套能将「发动机」和「电机」混搭在一起的传动机构。这就好比给人介绍对象的『媒人』，见个面，吃个饭，这事儿很简单，关键能不能成的第一步，就是看『媒人』怎么撮合。否者，就算两个人再优秀，连初步的了解都实现不了，那何谈此后的深入交流呢？

而丰田汽车为THS这套系统寻来的『媒人』则是被各大自媒体老师聊出了八仙过海、百鬼夜行效果的——「行星齿轮机构」。

自动变速箱（AT）结构示意图

其实「行星齿轮机构」并非是什么开天辟地的发明，其应用几乎覆盖了整个机械领域。而且在汽车领域的运用也随处可见，比如使用在「自动变速器」（此处特指带液力变矩器的AT）中进行变速。

分动器中的行星齿轮组

我们还可在「全时四驱系统」找到它的身影，它位于「变速器」与「驱动桥」之间的「分动器」中（如上图）。当汽车转弯或遇到特殊路况时，左右「车轮」会产生转扭速差（即两根「输出轴」转速不同）。此时，便可以通过「分动器」中的「行星齿轮机构」按一定的比例将转扭分配给两根「输出轴」，确保各个「车轮」之间的运动协调，比如实现泥路脱困。

行星齿轮组示意图（仅供参考）

「行星齿轮机构」的核心组件「行星齿轮组」的结构其实并不复杂，由内到外分别是「太阳齿轮」、「行星齿轮」（日系著作中也会被翻译为「小齿轮」）和「齿圈」（在研究齿比时，通常指「内齿圈」）。通常情况下，多个「行星齿轮」会通过一个支架进行连接，这个支架被称为「行星齿轮盘」（或称「行星架」）。

太阳系示意图（亮点自找，源自网络）

「行星齿轮组」与太阳系的运行结构非常相似，以恒星太阳为中心，行星地球绕着太阳转，卫星月球绕着地球转。此外，太阳、地球和月球都还可「自转」。故此，我们可以看到3种带齿的组件也存在着「自转」（即绕本体轴线的转动）和「公转」（即是绕其它齿轮轴线的转动）运行原理。当我们固定「太阳齿轮」、「行星齿轮」和「齿圈」中的3种「齿轮」中的一种，便可利用另外2种「齿轮」进行变速了。是否感觉有点抽象？那我们来举个具体的例子。

行星齿轮组的参数假设

假设一组「行星齿轮组」中，「太阳齿轮」的半径为1个单位，「行星齿轮盘」的半径为2个单位，「齿圈」的半径为3个单位。我们来观察以下5种工况中，「行星齿轮组」是如何通过切换输入和输出的「齿轮」，进而改变「齿轮」的半径比，从而达到变速的效果。

工况1：固定外部「齿圈」，用手转动内部的「太阳齿轮」。此时「行星齿轮」会被带着有横向移动的趋势，这种趋势使得「行星齿轮」进行反向自转，这些「行星齿轮」一起绕着「太阳齿轮」公转，并带动「行星齿轮盘」转动。此时「太阳齿轮」与「行星齿轮盘」的半径比是1：2；

工况2：固定内部的「太阳齿轮」，用手转动「行星齿轮盘」，「行星齿轮」自转的同时绕着「太阳齿轮」公转。最终，带动外部的「齿圈」旋转。此时，「行星齿轮盘」与「齿圈」的半径比是2：3；

工况3：三种「齿轮」都不固定，此时用手转动任何一种「齿轮」，不久后，其余的「齿轮」都会以同样的速度旋转，图中我们转动的是「行星齿轮盘」，「齿圈」对外输出，「太阳齿轮」空转。总得来说，「输入齿轮」与「输出齿轮」的半径比是1：1；

工况4：固定内部的「太阳齿轮」，用手转动「齿圈」。「行星齿轮」自转的同时绕着「太阳齿轮」公转。最终，带动「行星齿轮盘」旋转，「齿圈」与「行星齿轮盘」的半径比是3：2；

工况5：固定外部「齿圈」，用手转动「行星齿轮盘」。「行星齿轮」自转的同时绕着「太阳齿轮」公转。最终，带动「太阳齿轮」旋转。此时，「行星齿轮盘」与「太阳齿轮」的半径比是3：1。

5种行星齿轮组的工况（仅供参考）

不同的「齿轮」半径比，对应了不同的转速，不知道大家是不是已经发现我举这5种工况的意图？若我们把每一种工况中，转动的动力源换成「发动机」，并将「车轮」与输出的「齿轮」连接后，你就会发现……

自动变速器（AT）的5个挡位逻辑（仅供参考）

没错，这5种工况恰好对应了5个挡位。若通过这几张表格已经有了一些眉目，那恭喜你，你已经初步的理解了「行星齿轮组」的变速的初步逻辑。

手动变速器1挡齿比通常为1：4

至于如何控制发动机的动力在行星齿轮组之间切换，这就是「自动变速器」其他组件的事儿了，这里不展开赘述。此外，补充说明一点，或许你会想到，「手动变速器」在1挡时的输入/输出「齿轮」的半径比一般为1∶4，而我举例的「行星齿轮组」在1挡时的半径比只有1∶2，那会不会造成起步时，扭矩不足呢？

自动变速器中存在多组行星齿轮组

这个问题十分关键，别急，在后续THS的原理介绍中，我们还会详解。对于「自动变速器」而言我们选择了一条简单粗暴的方式——再增加一组「行星齿轮组」！经过两组「行星齿轮组」齿比调整后，输入/输出「齿轮」的半径比就会变成1∶4，与手动变速器的1挡相同。

当然，我们可以通过不停地增加「行星齿轮组」来增加档位数，但考虑到实用性、变速器体积、控制难度等因素，故此，我们不会那样做，限于篇幅，这里不做展开。

自动变速器（AT）5挡基本工作原理示意图（动图，仅供参考）

至此，我试图用「自动变速器」的工作原理来解释「行星齿轮组」变速的原理，这可能是全网唯一份吧，不知道大家是否能拿捏住呢？欢迎大家在评论区留言。

下一期，我会将THS的三个动力源——「发动机」和两个「电机」与「行星齿轮组」相连接，进一步解析THS的结构和工作原理。记得关注我哦~~