2.2 驱动方式

目前量产车辆的驱动方式有内燃机驱动和混合动力驱动两大类，下面分别介绍。

2.2.1 内燃机驱动方式

内燃机带动的驱动链是经典的车辆动力传递方式，100多年前的汽车就开始采用内燃机来驱动，当年甚至有用花生油作燃料的发动机。内燃机的工作特点决定了其作为动力源的驱动特性。在今天的车辆工程中，新能源的利用率越来越高，但由于技术和经济上的原因，内燃机在目前及将来的一段时间内仍然是主要移动式动力源。以内燃机为动力源的汽车主要驱动方式布置及特性分组如图2-27和图2-28所示。

各种动力布置方案的优缺点比较如下：

1）前置发动机。发动机为前横置或前纵置，可带动以下类型的驱动方式：前驱、标准驱动（后驱）、直接传动轴方案和前后轴全驱。

这四种发动机前置方案的驱动方式优缺点如下：

① 前驱的优缺点：此时发动机、离合器、变速器、轴和同步驱动装置都作为驱动块放置在前部。

a. 优点

a）动力直接作用于驱动轮/转向轮。

b）有较高的行驶安全性，尤其是在潮湿和冬季路面。

c）轻载荷时有利于起步和爬坡。

d）有转向不足特性。

e）有侧风不敏感性。

f）后轴结构容易布置。

g）轴距长，且有由此带来的高舒适性。

h）动力传动线路短。

i）平滑的车身底部。

j）排气管容易布置。

k）大行李箱空间和较高的冲击强度。

l）油箱大。

b. 缺点

a）全负荷时影响起步和爬坡。

b）大体积发动机会影响转向，同时发动机难以布置。

c）较高的前轴负荷需要助力转向。

d）所需发动机支撑力必须能承担发动机转矩乘以总的变速比。

e）不易布置轮胎。

② 标准驱动：图2-29所示为轿车的标准驱动方式。

a. 优点

a）发动机长度基本不受限制。

b）附加的轴端驱动减少了发动机的悬置负担。

c）发动机噪声容易隔离。

d）全载荷时相对较多的重量分布在后轴。

e）排气装置可以较长。

f）对碰撞行为有利。

g）前轴不受驱动力影响。

h）轮胎的磨损相对均衡。

i）直接档有良好的驱动效率。

b. 缺点

a）理论上直线稳定性较差。

b）在潮湿气候和冬季地面对驱动力有不利影响。

c）有交变负荷反应。

d）行李箱较小。

e）车身底部有凸起通道。

f）乘员室受限。

③ 直接传动轴方案：图2-30所示为直接传动轴方案，其发动机前置、变速器后置，当中是刚性传动轴，离合器也可以布置在后轴。

a. 优点

a）有比前驱更好的轴载荷。

b）容易布置大发动机。

c）发动机悬置受力较小。

d）相比标准驱动，中间驱动轴更轻。

b. 缺点

a）行李箱较小。

b）发动机和变速器之间必须有传动轴。

c）底盘上有凸起通道。

d）乘员室空间受影响。

④ 全轮驱动：全轮驱动指所有车轮都是驱动轮，驱动力通过驱动器分配到车轮上。全轮驱动可以是全时的，也可以以切换的方式来驱动。全轮驱动的中央单元就是分动器，它把总驱动转矩科学地分配给两个车轴。图2-31所示为全轮驱动。

a. 优点

a）有最佳的驱动力。

b）起步和爬坡几乎不受载荷的影响。

c）有能力挂拖车。

d）避免载荷交变反应。

e）轮胎磨损均匀。

b. 缺点

a）价格高。

b）增加了10%的车重。

c）驱动损失较大。

d）有更多的回转体。

e）最高速度受限，燃料消耗增加10%，有声学上的缺陷，加速度有限。

f）与前驱相比行李箱小。

2）发动机后置和中置。相对于发动机前置，还有发动机后置和中置的方案。早期后置发动机运用较多，如大众、雷诺、菲亚特，其变速器在发动机前。在车型上的典型运用就是保时捷911 Carrera。中置发动机主要运用在赛车上，因为空间的局限最多安排两个座位，如一级方程式赛车。

a. 优点

a）非常好的起步和爬坡能力。

b）传动链短。

c）前轴载荷较低，操纵容易。

d）制动能力较强。

e）底盘上没有或只有很小的凸起通道。

b. 缺点

a）削弱了直线行驶能力。

b）侧风敏感性强。

c）对后置发动机来说，有明显的转向过度。

d）发动机悬置必须承担总的转矩。

e）排气管路径短，难以布置。

f）热交换器的水路较长。

g）燃油箱小。

h）行李箱小。

除上述传统布置形式外，近年来还出现了其他布置形式，如发动机前置/地板布置（图2-32）、发动机后置/地板布置（图2-33）。

现对各种驱动布置方案做简单汇总，从驱动力、乘员室、噪声、制造成本等各方面做个“好、中、差”三级别的比较，见表2-3。

2.2.2 混合动力驱动链

混合动力的概念在于，除以常规的发动机作为驱动能量源外，还部分或全部地利用其他形式的能量来驱动。定义上最少有两个不同的能量转换装置，以及两个不同的能量存储器。目前主要是采用内燃机-电动机的混合驱动模式。

相对于内燃机驱动链，就出现了混合动力驱动链，电动机可作为第二驱动源，也可在车辆上采用大功率电动机和电子能量存储器的方案。

对混合动力车辆来说，电力的消耗是很大的，因为附属设备的能源消耗较大。对于电力的提供，采用由内燃机带动的独立发电机是比较好的方案，体积较小，有利于布置乘员室。

在车辆上可采用不同重量和大小的电子能量存储器，可采用蓄电池或短期存储器（超级电容），同时还可联合设计制动能量回收系统。

图2-34所示为一个新型混合动力车辆的例子。超级电容作为电子能量的存储器，安装在车身门槛处。助力转向、伺服制动和空调系统等设备的电力消耗来源于车辆本身自带的电动机，相应的电子驱动部件集成在总驱动器内。

近年来，混合动力发展较快，很多国家都开发了混合动力车辆，其驱动方式也有不同。在常规设计上，混合动力的布局方式分为三种：串联、并联、混合。

总的来说，目前的混合动力驱动系统基本采用前置发动机的形式。中置、后置的形式也在考虑中。内燃机可以横置也可以纵置。驱动器可以安排为前轴、后轴或全轮驱动。

下面简要介绍三种混合动力驱动布局形式。

1．串联式混合动力驱动

串联式混合动力驱动车辆需要较大的电子安装功率。轮边驱动是电力驱动的传统方式，只用内燃机来驱动是不可能的。在内燃机和驱动轮之间没有直接的力的连接，所需的驱动能量通过内燃机带动发电机来产生，电子能量存储器作为实时的内燃机和驱动轮之间的电子缓冲。内燃机输出的功率通过一个链来传递：电子/机械驱动（发电机）—电功率转化—电子能量存储器—电功率转化—电子机械驱动（电动机），这些都是串联在一起的。这就要求电子/机械驱动必须与内燃机功率相匹配。

发电机承担了所有的内燃机功率，电动机提供所有的车轮驱动功率。

图2-35和图2-36所示为两种不同的串联式混合动力驱动链。可以看出，对于车轮的驱动可以用一根驱动轴同时驱动两个后轮，也可以分别用轮边驱动的方式同时驱动四个车轮。共同点为：内燃机直接与发电机连接在一起，没有离合器。

2．并联式混合动力驱动

这种布局与串联式混合动力驱动的最大区别在于内燃机和车轮是有力学连接的。需要通过内燃机、电动机分别或联合驱动车轮。电动机可以做得比较小，内燃机也可以设计成较小的功率。

并联混合驱动采用了离合器和变速器，如图2-37所示，与内燃机驱动方式类似。这些布局都较适合对目前的传统驱动车辆进行改造，在设计上无需更多的新结构设计，可略降低总成本。

3．混合式混合动力驱动（分支式混合）

该方案采用重叠的驱动方式，内燃机和电动机同时输出驱动力到同一根轴。图2-38所示为混合式混合动力驱动方式的一个最简单例子。内燃机的输出功率分成电和力两路输出，通过行星齿轮系统，分别输出到发电机和电动机上。发动机产生的功率再叠加到输出轴上。在其他一些方案中采用了离合器，此方案采用的是减振阻尼。

这种布置的缺点在于需要设计较大的电子功率。另外最少需要两套电子—机械驱动，还必须使内燃机产生使行星齿轮系统运行所需要的反力矩。

量产车中采用该形式驱动的最著名例子是丰田的混合动力汽车普锐斯（Prius），如图2-39和图2-40所示。方案中，一个横向布置的系统集成了非常简单和紧凑的力学关系。该系统的设计特点是：行星齿轮系统具有固定的变速档位，电动机、发电机和内燃机三者共同组成了对转速的匹配系统。

新的结构设计补充了原叠加式设计的不足，增加了制动部件、离合器和变速档位，产生了更多的传动比，可实现更高的最高速度。通过附加的传动比，可以降低燃油消耗，但也增加了制造成本。总的来说，该系统的集成度大于并联方式。

还有一些特别的驱动方式，如纯轮边电力驱动和纯电力驱动轴，无真正意义上的变速器、离合器等，即车轮或车轴上自带同步电动机，通过中央控制系统同时控制两轮或四轮的驱动。这种结构非常紧凑，但增加了车辆的簧下质量。同时对布置制动系统不利，还要考虑如何保证轮边电动机在潮湿、振动条件下的正常运行，如图2-41所示。

作为近年来快速大力发展的驱动系统，混合动力系统具有节能和减排两大功能。从形式上分为串联、并联、混合等类型，从混合程度上分为微混合、中度混合、全混合及插电混合等类型。主要系统，即常说的三电系统包括电机、电控系统和电驱动系统，这是一个粗略的分类。发动机负荷点的提升、起停系统和能量回收，对混合动力系统的减排起了不同的作用。电机在混合动力系统中起到非常关键的作用，它既可作为驱动电机，也可作为发电机，具有双向功能。不同的电机，如交直流电机、同步异步电机、横磁通电机和开关磁阻电机等，具有不同的功率密度、效率、可控性及热过载能力，此外成本及技术成熟度也不同，具体参见表2-4和表2-5。

根据电驱动方式不同，驱动力的实施方式也有不同结构，如图2-42所示。热管理、电池重量引起的配载比例问题、燃料电池细节、电气控制策略，以及各种蓄能装置，可参考其他专业书籍。本书仅对常规经典理论进行介绍，更系统深入的混合动力系统介绍，可参阅笔者的译作《混合动力汽车技术》。