2.2 驅動方式

目前量產車輛的驅動方式有內燃機驅動和混合動力驅動兩大類，下面分別介紹。

2.2.1 內燃機驅動方式

內燃機帶動的驅動鏈是經典的車輛動力傳遞方式，100多年前的汽車就開始采用內燃機來驅動，當年甚至有用花生油作燃料的發動機。內燃機的工作特點決定了其作為動力源的驅動特性。在今天的車輛工程中，新能源的利用率越來越高，但由于技術和經濟上的原因，內燃機在目前及將來的一段時間內仍然是主要移動式動力源。以內燃機為動力源的汽車主要驅動方式布置及特性分組如圖2-27和圖2-28所示。

各種動力布置方案的優缺點比較如下：

1）前置發動機。發動機為前橫置或前縱置，可帶動以下類型的驅動方式：前驅、標準驅動（后驅）、直接傳動軸方案和前后軸全驅。

這四種發動機前置方案的驅動方式優缺點如下：

① 前驅的優缺點：此時發動機、離合器、變速器、軸和同步驅動裝置都作為驅動塊放置在前部。

a. 優點

a）動力直接作用于驅動輪/轉向輪。

b）有較高的行駛安全性，尤其是在潮濕和冬季路面。

c）輕載荷時有利于起步和爬坡。

d）有轉向不足特性。

e）有側風不敏感性。

f）后軸結構容易布置。

g）軸距長，且有由此帶來的高舒適性。

h）動力傳動線路短。

i）平滑的車身底部。

j）排氣管容易布置。

k）大行李箱空間和較高的沖擊強度。

l）油箱大。

b. 缺點

a）全負荷時影響起步和爬坡。

b）大體積發動機會影響轉向，同時發動機難以布置。

c）較高的前軸負荷需要助力轉向。

d）所需發動機支撐力必須能承擔發動機轉矩乘以總的變速比。

e）不易布置輪胎。

② 標準驅動：圖2-29所示為轎車的標準驅動方式。

a. 優點

a）發動機長度基本不受限制。

b）附加的軸端驅動減少了發動機的懸置負擔。

c）發動機噪聲容易隔離。

d）全載荷時相對較多的重量分布在后軸。

e）排氣裝置可以較長。

f）對碰撞行為有利。

g）前軸不受驅動力影響。

h）輪胎的磨損相對均衡。

i）直接檔有良好的驅動效率。

b. 缺點

a）理論上直線穩定性較差。

b）在潮濕氣候和冬季地面對驅動力有不利影響。

c）有交變負荷反應。

d）行李箱較小。

e）車身底部有凸起通道。

f）乘員室受限。

③ 直接傳動軸方案：圖2-30所示為直接傳動軸方案，其發動機前置、變速器后置，當中是剛性傳動軸，離合器也可以布置在后軸。

a. 優點

a）有比前驅更好的軸載荷。

b）容易布置大發動機。

c）發動機懸置受力較小。

d）相比標準驅動，中間驅動軸更輕。

b. 缺點

a）行李箱較小。

b）發動機和變速器之間必須有傳動軸。

c）底盤上有凸起通道。

d）乘員室空間受影響。

④ 全輪驅動：全輪驅動指所有車輪都是驅動輪，驅動力通過驅動器分配到車輪上。全輪驅動可以是全時的，也可以以切換的方式來驅動。全輪驅動的中央單元就是分動器，它把總驅動轉矩科學地分配給兩個車軸。圖2-31所示為全輪驅動。

a. 優點

a）有最佳的驅動力。

b）起步和爬坡幾乎不受載荷的影響。

c）有能力掛拖車。

d）避免載荷交變反應。

e）輪胎磨損均勻。

b. 缺點

a）價格高。

b）增加了10%的車重。

c）驅動損失較大。

d）有更多的回轉體。

e）最高速度受限，燃料消耗增加10%，有聲學上的缺陷，加速度有限。

f）與前驅相比行李箱小。

2）發動機后置和中置。相對于發動機前置，還有發動機后置和中置的方案。早期后置發動機運用較多，如大眾、雷諾、菲亞特，其變速器在發動機前。在車型上的典型運用就是保時捷911 Carrera。中置發動機主要運用在賽車上，因為空間的局限最多安排兩個座位，如一級方程式賽車。

a. 優點

a）非常好的起步和爬坡能力。

b）傳動鏈短。

c）前軸載荷較低，操縱容易。

d）制動能力較強。

e）底盤上沒有或只有很小的凸起通道。

b. 缺點

a）削弱了直線行駛能力。

b）側風敏感性強。

c）對后置發動機來說，有明顯的轉向過度。

d）發動機懸置必須承擔總的轉矩。

e）排氣管路徑短，難以布置。

f）熱交換器的水路較長。

g）燃油箱小。

h）行李箱小。

除上述傳統布置形式外，近年來還出現了其他布置形式，如發動機前置/地板布置（圖2-32）、發動機后置/地板布置（圖2-33）。

現對各種驅動布置方案做簡單匯總，從驅動力、乘員室、噪聲、制造成本等各方面做個“好、中、差”三級別的比較，見表2-3。

2.2.2 混合動力驅動鏈

混合動力的概念在于，除以常規的發動機作為驅動能量源外，還部分或全部地利用其他形式的能量來驅動。定義上最少有兩個不同的能量轉換裝置，以及兩個不同的能量存儲器。目前主要是采用內燃機-電動機的混合驅動模式。

相對于內燃機驅動鏈，就出現了混合動力驅動鏈，電動機可作為第二驅動源，也可在車輛上采用大功率電動機和電子能量存儲器的方案。

對混合動力車輛來說，電力的消耗是很大的，因為附屬設備的能源消耗較大。對于電力的提供，采用由內燃機帶動的獨立發電機是比較好的方案，體積較小，有利于布置乘員室。

在車輛上可采用不同重量和大小的電子能量存儲器，可采用蓄電池或短期存儲器（超級電容），同時還可聯合設計制動能量回收系統。

圖2-34所示為一個新型混合動力車輛的例子。超級電容作為電子能量的存儲器，安裝在車身門檻處。助力轉向、伺服制動和空調系統等設備的電力消耗來源于車輛本身自帶的電動機，相應的電子驅動部件集成在總驅動器內。

近年來，混合動力發展較快，很多國家都開發了混合動力車輛，其驅動方式也有不同。在常規設計上，混合動力的布局方式分為三種：串聯、并聯、混合。

總的來說，目前的混合動力驅動系統基本采用前置發動機的形式。中置、后置的形式也在考慮中。內燃機可以橫置也可以縱置。驅動器可以安排為前軸、后軸或全輪驅動。

下面簡要介紹三種混合動力驅動布局形式。

1．串聯式混合動力驅動

串聯式混合動力驅動車輛需要較大的電子安裝功率。輪邊驅動是電力驅動的傳統方式，只用內燃機來驅動是不可能的。在內燃機和驅動輪之間沒有直接的力的連接，所需的驅動能量通過內燃機帶動發電機來產生，電子能量存儲器作為實時的內燃機和驅動輪之間的電子緩沖。內燃機輸出的功率通過一個鏈來傳遞：電子/機械驅動（發電機）—電功率轉化—電子能量存儲器—電功率轉化—電子機械驅動（電動機），這些都是串聯在一起的。這就要求電子/機械驅動必須與內燃機功率相匹配。

發電機承擔了所有的內燃機功率，電動機提供所有的車輪驅動功率。

圖2-35和圖2-36所示為兩種不同的串聯式混合動力驅動鏈。可以看出，對于車輪的驅動可以用一根驅動軸同時驅動兩個后輪，也可以分別用輪邊驅動的方式同時驅動四個車輪。共同點為：內燃機直接與發電機連接在一起，沒有離合器。

2．并聯式混合動力驅動

這種布局與串聯式混合動力驅動的最大區別在于內燃機和車輪是有力學連接的。需要通過內燃機、電動機分別或聯合驅動車輪。電動機可以做得比較小，內燃機也可以設計成較小的功率。

并聯混合驅動采用了離合器和變速器，如圖2-37所示，與內燃機驅動方式類似。這些布局都較適合對目前的傳統驅動車輛進行改造，在設計上無需更多的新結構設計，可略降低總成本。

3．混合式混合動力驅動（分支式混合）

該方案采用重疊的驅動方式，內燃機和電動機同時輸出驅動力到同一根軸。圖2-38所示為混合式混合動力驅動方式的一個最簡單例子。內燃機的輸出功率分成電和力兩路輸出，通過行星齒輪系統，分別輸出到發電機和電動機上。發動機產生的功率再疊加到輸出軸上。在其他一些方案中采用了離合器，此方案采用的是減振阻尼。

這種布置的缺點在于需要設計較大的電子功率。另外最少需要兩套電子—機械驅動，還必須使內燃機產生使行星齒輪系統運行所需要的反力矩。

量產車中采用該形式驅動的最著名例子是豐田的混合動力汽車普銳斯（Prius），如圖2-39和圖2-40所示。方案中，一個橫向布置的系統集成了非常簡單和緊湊的力學關系。該系統的設計特點是：行星齒輪系統具有固定的變速檔位，電動機、發電機和內燃機三者共同組成了對轉速的匹配系統。

新的結構設計補充了原疊加式設計的不足，增加了制動部件、離合器和變速檔位，產生了更多的傳動比，可實現更高的最高速度。通過附加的傳動比，可以降低燃油消耗，但也增加了制造成本。總的來說，該系統的集成度大于并聯方式。

還有一些特別的驅動方式，如純輪邊電力驅動和純電力驅動軸，無真正意義上的變速器、離合器等，即車輪或車軸上自帶同步電動機，通過中央控制系統同時控制兩輪或四輪的驅動。這種結構非常緊湊，但增加了車輛的簧下質量。同時對布置制動系統不利，還要考慮如何保證輪邊電動機在潮濕、振動條件下的正常運行，如圖2-41所示。

作為近年來快速大力發展的驅動系統，混合動力系統具有節能和減排兩大功能。從形式上分為串聯、并聯、混合等類型，從混合程度上分為微混合、中度混合、全混合及插電混合等類型。主要系統，即常說的三電系統包括電機、電控系統和電驅動系統，這是一個粗略的分類。發動機負荷點的提升、起停系統和能量回收，對混合動力系統的減排起了不同的作用。電機在混合動力系統中起到非常關鍵的作用，它既可作為驅動電機，也可作為發電機，具有雙向功能。不同的電機，如交直流電機、同步異步電機、橫磁通電機和開關磁阻電機等，具有不同的功率密度、效率、可控性及熱過載能力，此外成本及技術成熟度也不同，具體參見表2-4和表2-5。

根據電驅動方式不同，驅動力的實施方式也有不同結構，如圖2-42所示。熱管理、電池重量引起的配載比例問題、燃料電池細節、電氣控制策略，以及各種蓄能裝置，可參考其他專業書籍。本書僅對常規經典理論進行介紹，更系統深入的混合動力系統介紹，可參閱筆者的譯作《混合動力汽車技術》。