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異軍突起 ——解析豐田E-CVT變速器

    [日期:2015-01-24]

       何謂變速器?能實現汽車變速、變矩、變向、通斷動力的裝置就是變速器。世界上第一臺汽車于1886年誕生,不久后便出現了第一臺變速器。可以說變速器的發展和汽車是同步的。乍一看E-CVT,可能大家都會很自然的想到CVT,也就是無極變速器。從功能上來講,E-CVT確實有無極變速的作用,但是從結構上來講的話,它們之間的差異太大了。甚至可以這樣說:變速器分兩類,一類是E-CVT,一類是其他變速器。

       E-CVT簡介

       開篇我們就提到過E-CVT并不是簡單的“電控無級變速器”,所以當然也不是網上流傳的它是CVT的電子版。豐田官方給出的定義是“動力分配器”,因為它并不具備傳統變速箱系統里面的離合器、液力變矩器或是齒輪軸組等這些復雜機構,是專門為混動車型而準備的動力分配機構。故一直存在一種爭論:E-CVT到底是不是變速器?

       是不是變速器我們稍后再論,可以看到的是從普銳斯到雷克薩斯CT200h再到后來的凱美瑞混動版,都證明了豐田的THS(Toyota Hybrid System)日益成熟。而作為整套系統里面的關鍵部件,E-CVT毋庸置疑發揮著至關重要的作用。

       E-CVT結構

       如果用傳統變速器的眼光來看的話,E-CVT的結構真的實在是太簡單了。很多時候其實越是完美的東西越簡單,我想這一定是真理。作為混動汽車的代表作,普銳斯一直承載著豐田的核心混動技術,那么接下來的解析就以豐田普銳斯為例。

       E-CVT的結構非常的簡單,僅僅由外齒圈(這里的外齒圈同時連接2號電機和輸出軸)和行星齒輪架(連接發動機)和太陽齒輪(連接1號電機)組成,即動力傳遞流為:2號電機—外齒圈—輸出軸,同時由于行星齒輪組的存在,故亦有:發動機—行星組—外齒圈—輸出軸。下面的實物圖是某國外講解視頻截取下來的。

       如果您仔細的觀察,不禁會納悶:這不就是差速器的結構嘛。是的,E-CVT就是由一套行星齒輪組減速機構(上圖中的紅色方框部分)。并沒有CVT里面的鏈條或是鋼帶,更別談AT里面的液力變矩器或是DCT里面的雙離合了。于是,問題來了。結構這么簡單的E-CVT真能做到無極變速?答案是當然!

       E-CVT原理

       概述:其實單從機械運動原理的角度來講,E-CVT并不是非常復雜。一個行星齒輪組的運動能有多復雜呢?復雜的是它的電子控制單元,即機電配合的邏輯原理上面。在介紹工作原理之前,先簡單的列出一些下面即將使用到的名詞注釋。

       PCU:動力控制單元(Power Control Unit)這是作為混動汽車必不可少的一個部件,里面包含了電壓變換器和逆變器,可以調節電池組輸出的電壓。比如向電機供電必須使用高電壓(600V左右),而電池組的電壓由于尺寸的限制最多達到200V左右,故變壓器必不可少。而逆變器的作用則是使直流變交流或者反之,因為高壓交流電機具有體積小、效率高、功率大的優點,而電池組發出的是直流電,故在電機和電池組之間必然需要一個逆變器。

       MG1:即一號電機(motor generator 1),與太陽齒輪相連。

       MG2:即二號電機(motor generator 2),與外齒圈相連。

       兩個電機的屬性圖:

       普銳斯的發動機為阿特金森發動機,其特點是中間轉速性能好,高低速性能不足,能源利用率高:

       為了方便理解,放一張簡化的E-CVT結構圖:

       接下來是動力分配圖

       首先我們需要清楚一個概念:動力是扭矩和轉速結合的產物(功率=扭矩×轉速),

       然后由于存在四個可以自由公轉行星齒輪,可以想象下當齒圈固定不動(即車輪不動)時,只有行星齒輪的自轉,太陽齒輪(MG1)才可以帶動行星齒輪座(即發動機)轉動(即啟動發動機過程);

       有了行星齒輪的自轉,當齒圈(MG2)正轉時,太陽齒輪(MG1)也可以反轉。反之,而當齒圈(MG2)反轉時,恒星齒輪(MG1)又可以正轉。

       又比如,外齒圈和太陽齒輪同向轉動時,行星齒輪可以不自轉,只公轉,從而帶動汽油機轉動。當行星齒輪座不轉時,齒圈和太陽齒輪仍可以自由轉動。正是因為行星齒輪組的這個巧妙的特性,發動機、車輪、電動機才能時時連接在一起運轉而又能互不干擾,故此省去了離合的結構。

       S=C×3.6-R×2.6

       公式里的S=SUN=太陽輪,C=CARRIER=行星座,R=RING=外齒圈

       另外,由于外齒輪和太陽齒輪和行星齒輪的直徑和齒數都已固定,根據圖上的公式也可以得出:行星座在中間轉動的時候分配給外齒圈和太陽輪的扭矩比是一定的。具體數值大約是72%分配給外齒輪(實際上是2.6÷3.6),28%分配給太陽齒輪(1-72%)。只要發動機轉動做工,就不會改變這個基本事實。

       那我們都知道汽車從啟動到剎車停止的一系列不同工況下,對扭矩的要求是有極大變化的,傳統動力汽車就是因為這樣需要變速器來調節發動機的輸出動力。但是在E-CVT這種特定結構里面由于存在兩個電機,在不同的工況下,根據上面的公式。只要控制這兩個電機的不同轉速就能使外齒圈上獲得的發動機動力無極變化,從而汽車達到無極變速。

       至于普銳斯的PCU如何根據車子的運行工況來實時控制發動機的供油量和兩個電機的電壓、相位和正反通斷。這里面涉及到的控制邏輯和眾多的傳感器的數據收集和處理程序過于復雜,在此不做表述。理解E-CVT能夠實現無極變速即可。

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