De planetenwielkoppeling


De Toyota Prius heeft geen versnellingsbak zoals de meeste conventionele auto's. De Prius heeft daarvoor een Planetary gearset of Power split device of zoals wij Nederlanders zeggen een planetenwielkoppeling.


Hoe werk zo'n ding eigenlijk?

Dat is nog niet zo eenvoudig om uit te leggen, maar we gaan het zij het niet al te gedetailleerd toch proberen.

 

Om te beginnen, hoe ziet zo'n koppeling eruit?

Dat is niet zo moeilijk, kijk maar linksonder. (zie figuur 1)
Ter vergelijking is er een cola blikje naast gezet, klein he!
En als je weet dat er veel vermogen via dit kleine ding doorgegeven wordt en dat het ook de mechanische functie van een versnellingsbak voor zijn rekening neemt, dan is dit een belangrijk klein componentje.

Rechts hieronder is de planetenkoppeling nogmaals te zien, maar nu in 3 delen gedemonteerd. (zie figuur 2)

 

figuur 1
figuur 2

 

Wat gebeurt er wanneer we met de Prius rijden?

Voordat we het verhaal beginnen, eerst enkele gebruikte afkortingen c.q. benamingen en hun betekenis;


ICE

Internal combustion engine

(de benzinemotor van de Prius).

MG1

Motor/generator 1

(de kleine elektromotor/generator).

MG2

Motor/generator 2

(de grote elektromotor/generator).

Planetenwielkoppeling Power split Device of Planetary gearset.
De Zon Het binnentandwiel van de planetenwielkoppeling, deze is gekoppeld aan MG1.
Het Planetenwiel Het wiel met daarop de planeet tandwielen, deze is gekoppeld aan de ICE.
De buitenring Ring gear, deze is gekoppeld aan MG2 en via de vertragingsbak en het differentieel aan de voorwielen.
Vertragingsbak Reduction gear, dit tandwielset verzorgt de koppeling tussen de buitenring van de Planetenwielkoppeling en de aandrijfas van de Prius.
 

Het starten van de ICE:

Het starten van de ICE wordt verzorgd door MG1, deze draait door gebruik te maken
van elektrische energie uit de hoogspanningsaccu.
Als de Prius stilstaat dan wordt de buitenring ook stil gehouden, deze zit immers gekoppeld via MG2 aan de voorwielen.
Het draaien van de Zon gekoppeld aan MG1 zorgt ervoor, dat het Planetenwiel ook draait.
Het Planetenwiel draait met een snelheid van 1/3.6 maal de snelheid van de Zon.
Waar een conventionele auto de motor direct start door brandstof toe te voeren en die te ontsteken, wacht de Prius tot de motor een toerental van 1000 rpm heeft. MG1 draait hierbij
met een toerental van 1000 x 3.6 = 3600 rpm. Dit toerental wordt bereikt in minder dan 1 seconde. Het starten van de ICE bij dit toerental zorgt ervoor dat de oliepomp de oliedruk op een normale bedrijfsdruk kan brengen. Daardoor zal er minder slijtage aan de motor ontstaan tijdens het starten t.o.v. het starten van een conventionele verbrandingsmotor. Tijdens het starten van de ICE worden in eerste instantie niet alle cilinders van ontsteking voorzien, dit vindt stapsgewijs plaats, zodat het starten soepel en zonder trillingen plaats vindt. Zodra de ICE gestart is wordt het toerental door de computer naar een gewenste waarde geregeld om de motor op te warmen.
Er wordt nu geen elektriciteit meer gebruikt door MG1, doordat MG1 nu als generator gaat werken wordt er elektriciteit teruggeleverd aan de accu's. (zie figuur 4)
Er is een verschil in het starten van de Prius als de ICE koud is en wanneer

de ICE warm is.

 

 

Koude start Prius:

Tijdens een start van de Prius als de ICE koud is, is de top prioriteit het opwarmen van de ICE. Het starten van de Prius en het starten van de ICE gebeurt dan zoals boven omschreven.
Het stationaire toerental van de ICE is dan ongeveer 1300 rpm. (zie ook figuur 4)

 

 



figuur 4

Warme start Prius:

Tijdens het starten van de Prius als de ICE warm is, wordt de ICE alleen gestart als het spanningniveau van de hoogspanningsaccu's te laag is.
Bij een warme ICE blijft het dus angstvallig stil in de Prius nadat deze gestart is.
Tijdens het wegrijden wordt dan in eerste instantie het gevraagde vermogen geleverd door MG2.


Dit elektrische vermogen wordt door de hoogspanningsaccu's geleverd.
De ICE wordt pas gestart als het opgenomen vermogen te hoog wordt (snel accelereren, hoge voertuig snelheid) of wanneer het spanningsniveau van de hoogspanningsaccu's te laag wordt. (figuur 5)

 

 

 

(figuur 5)

Het wegrijden met de Prius na een koude start van de ICE:

Omdat de ICE in deze situatie gestart is wordt er tijdens gas geven elektrisch vermogen van de MG1 doorgegeven naar MG2 (MG1 is via de Zon gekoppeld aan het planetenwiel).
Op het moment dat er meer vermogen nodig is, wordt het toerental van de ICE door de computer opgevoerd.
Tijdens dit proces zal de ICE de Zon harder laten draaien en de MG1 zal de Zon langzamer willen laten draaien, dit resulteert in een kracht die de Prius in beweging zet.
Het koppel van de ICE wordt door de planetenwiel koppeling gesplitst in 72% naar de buitenring en 28% naar de Zon.
Voordat wij de gaspedaal intrappen draait de ICE stationair en levert geen koppel, maar op het moment dat wij de gaspedaal intrappen zal de ICE 28% van zijn koppel aan generator MG1 leveren en de andere 72% aan de voorwielen. De elektrische energie die door MG1 wordt opgewekt wordt door MG2 afgenomen en in een koppel omgezet en aan de voorwielen doorgegeven. (figuur 6)

 

 


 

(figuur 6)

Het wegrijden met de Prius met een warme ICE:

Het wegrijden met een warme ICE geschiedt volledig op de elektromotor.

Tijdens het gas geven wordt er elektrisch vermogen uit de hoogspanningsaccu's in MG2 omgezet in een koppel die geleverd wordt aan de voorwielen. Het toerental van MG2 bepaald de rijsnelheid van de Prius.

 

Zolang de snelheid laag is, het opgenomen vermogen niet te hoog en het spannings-niveau van de accu's niet te laag zal de Prius door de elektromotor worden voortbewogen en de ICE blijft buiten bedrijf.

De Prius is dan in EV mode, ook wel stealth mode genoemd. (figuur 7)

 

 

 

 

 

(figuur 7)

 

Accelereren en heuvel op rijden met de Prius:

Als de vermogens vraag hoog is werken de ICE en MG2 samen om aan deze vraag te voldoen. Op het moment dat de gaspedaal verder ingeduwd wordt zal de ICE meer koppel leveren, dit verhoogd het mechanisch koppel naar het planetenwiel en verhoogd de hoeveelheid opgewekt elektrisch vermogen door generator MG1. Het opgewekt elektrisch vermogen van MG1 zorgt ervoor dat MG2 een groter koppel levert aan de voorwielen. Afhankelijk van de status van de hoogspanningsaccu's kan er een hoeveelheid elektrische energie uit de accu's gebruikt worden om MG2 nog meer koppel te laten leveren aan de voorwielen. Wanneer echter de snelheid van de Prius nog meer toeneemt, neemt het aandeel van MG2 in het totaal gevraagde vermogen af. Dit komt omdat de limit van 50 Kw bereikt wordt. De ICE neemt de resterende vermogens vraag voor zijn rekening. Op het moment dat de gewenste snelheid bereikt is en de gaspedaal minder ver wordt ingetrapt zal de vraag naar mechanisch en elektrisch vermogen afnemen en komt er een deel van het door MG1 opgewekte vermogen vrij. Dit overschot aan elektrisch vermogen wordt dan gebruikt om de hoogspanningsaccu's weer op te laden. Het beschikbare vermogen in de accu's wordt in deze situatie alleen aangesproken als er snel geaccelereerd wordt of wanneer er een stijle heuvel op gereden wordt. Als er echter op dat moment geen extra vermogen in de accu's aanwezig is zal de ICE al het vermogen moeten leveren en zullen de prestaties van de Prius tijdelijk afnemen. (zie figuur 8)

 

 

 

 

 

(figuur 8)

Het rijden met een gemiddelde snelheid:

Op het moment dat we met de Prius met een constante gemiddelde snelheid op een vlakke weg rijden is het enige dat overwonnen dient te worden de rijweerstand. De rijweerstand bestaat uit de componenten, rolweerstand banden, aerodynamica (luchtweerstand), het totale gewicht van de auto en de wrijvings verliezen van de verschillende draaiende componenten.
De ICE wordt in deze situatie door het computersysteem naar een lager toerental gebracht. Dit heeft als voordeel dat het geluidsniveau van de aandrijving zo laag mogelijk is en het comfort op een hoog niveau ligt.

 

Tijdens deze hogere snelheid en het lage toerental van de ICE onstaat er een typische situatie. De draairichting van MG1 is nu andersom (zie figuur 9) en in deze mode werkt MG2 als generator en levert elektrisch vermogen aan MG1 die op zijn beurt als motor werkt. De Prius wordt in deze mode aangedreven door de ICE en MG1.

Dit wordt ook wel de "Heretical mode" genoemd. (zie figuur 9)

 

 

 

 

(figuur 9)

 

Voet van het gas tijdens het rijden met de Prius:

Als je de voet van de gaspedaal afhaalt, dan remt de Prius langzaam af door de rolweerstand en de aerodynamica (luchtweerstand). In een conventionele auto blijft de motor gekoppeld aan de aangedreven wielen. De motor draait dan zonder brandstof toevoer, maar heeft nog wel compressie en remt zodoende de auto sterk af. Bij de Prius hoeft dit niet het geval te zijn, omdat de ICE gestopt wordt en zodoende stil staat.

De Prius remt echter wel af zoals een conventionele auto, dit wordt veroorzaakt doordat MG2 in deze situatie als generator gaat werken.
De daarbij opgewekte elektrische energie wordt naar de hoogspanningsaccu's gevoerd. De accu's worden hierdoor opgeladen. In figuur 10 zie je dat het planetenwiel in deze situatie stilstaat. De ICE is gestopt en de generator verzorgt het effect van afremmen op de motor. Het voordeel is, dat er nu energie opgewekt wordt i.p.v. dat er energie vernietigd wordt zoals bij een conventionele auto. (figuur 10)

 

 

(figuur 10)

 

Achteruit rijden met de Prius:

De Prius heeft geen versnellingsbak zoals een conventionele auto en dus ook geen achteruit versnelling. De Prius rijdt achteruit door gebruik te maken van elektromotor MG2. In normale situaties wordt tijdens het schakelen naar de achteruitrijstand de ICE gestopt. (figuur 11)


De elektromotor wordt omgepoold en drijft de voorwielen aan, zodat de Prius achteruit rijdt. Als de ICE niet gestopt wordt b.v. doordat het laadniveau van de accu's te laag is, dan wordt de achteruit snelheid gelimiteerd om MG1 te beschermen tegen overspeed. Het toerental van MG1 is namelijk hoger als de ICE in bedrijf is en de Prius door MG2 aangedreven wordt. (zie ook figuur 9)


Het benodigde vermogen tijdens achteruit rijden met de ICE in bedrijf wordt in deze situatie geleverd door MG1.

 

 

(figuur 11)

 

Om meer inzicht te krijgen in de werking van de planetenwielkoppeling kunt u ook eens de op deze site aanwezige Prius simulator uitproberen.
Klik op deze link: Toyota Prius Classic simulator

 

Klik hier voor een video met daarin een uitleg van de hybride aandrijving van een Prius 2

 

 

Het verschil tussen de CVT van de Honda Civic Hybrid en de Electronisch geregelde CVT van de Toyota Prius.


Grote voordelen van de E-CVT van de Prius t.o.v. de CVT van de Honda Civic zijn,

 

- Geen mechanische slip mogelijk.

- Minder onderdelen.

- Minder slijtage en daardoor een langere levensduur.

 

 

 

 

Op deze pagina vindt u een beschrijving van de Planetenwiel-koppeling ook wel de planetary gear set genoemd van de Prius 2.