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广州市第一〇八职业技能鉴定所 广州市汽车摩托车维修协会

异军突起 ——解析丰田E-CVT变速器

    [日期:2015-01-24]

       何谓变速器?能实现汽车变速、变矩、变向、通断动力的装置就是变速器。世界上第一台汽车于1886年诞生,不久后便出现了第一台变速器。可以说变速器的发展和汽车是同步的。乍一看E-CVT,可能大家都会很自然的想到CVT,也就是无极变速器。从功能上来讲,E-CVT确实有无极变速的作用,但是从结构上来讲的话,它们之间的差异太大了。甚至可以这样说:变速器分两类,一类是E-CVT,一类是其他变速器。

       E-CVT简介

       开篇我们就提到过E-CVT并不是简单的“电控无级变速器”,所以当然也不是网上流传的它是CVT的电子版。丰田官方给出的定义是“动力分配器”,因为它并不具备传统变速箱系统里面的离合器、液力变矩器或是齿轮轴组等这些复杂机构,是专门为混动车型而准备的动力分配机构。故一直存在一种争论:E-CVT到底是不是变速器?

       是不是变速器我们稍后再论,可以看到的是从普锐斯到雷克萨斯CT200h再到后来的凯美瑞混动版,都证明了丰田的THS(Toyota Hybrid System)日益成熟。而作为整套系统里面的关键部件,E-CVT毋庸置疑发挥着至关重要的作用。

       E-CVT结构

       如果用传统变速器的眼光来看的话,E-CVT的结构真的实在是太简单了。很多时候其实越是完美的东西越简单,我想这一定是真理。作为混动汽车的代表作,普锐斯一直承载着丰田的核心混动技术,那么接下来的解析就以丰田普锐斯为例。

       E-CVT的结构非常的简单,仅仅由外齿圈(这里的外齿圈同时连接2号电机和输出轴)和行星齿轮架(连接发动机)和太阳齿轮(连接1号电机)组成,即动力传递流为:2号电机—外齿圈—输出轴,同时由于行星齿轮组的存在,故亦有:发动机—行星组—外齿圈—输出轴。下面的实物图是某国外讲解视频截取下来的。

       如果您仔细的观察,不禁会纳闷:这不就是差速器的结构嘛。是的,E-CVT就是由一套行星齿轮组减速机构(上图中的红色方框部分)。并没有CVT里面的链条或是钢带,更别谈AT里面的液力变矩器或是DCT里面的双离合了。于是,问题来了。结构这么简单的E-CVT真能做到无极变速?答案是当然!

       E-CVT原理

       概述:其实单从机械运动原理的角度来讲,E-CVT并不是非常复杂。一个行星齿轮组的运动能有多复杂呢?复杂的是它的电子控制单元,即机电配合的逻辑原理上面。在介绍工作原理之前,先简单的列出一些下面即将使用到的名词注释。

       PCU:动力控制单元(Power Control Unit)这是作为混动汽车必不可少的一个部件,里面包含了电压变换器和逆变器,可以调节电池组输出的电压。比如向电机供电必须使用高电压(600V左右),而电池组的电压由于尺寸的限制最多达到200V左右,故变压器必不可少。而逆变器的作用则是使直流变交流或者反之,因为高压交流电机具有体积小、效率高、功率大的优点,而电池组发出的是直流电,故在电机和电池组之间必然需要一个逆变器。

       MG1:即一号电机(motor generator 1),与太阳齿轮相连。

       MG2:即二号电机(motor generator 2),与外齿圈相连。

       两个电机的属性图:

       普锐斯的发动机为阿特金森发动机,其特点是中间转速性能好,高低速性能不足,能源利用率高:

       为了方便理解,放一张简化的E-CVT结构图:

       接下来是动力分配图

       首先我们需要清楚一个概念:动力是扭矩和转速结合的产物(功率=扭矩×转速),

       然后由于存在四个可以自由公转行星齿轮,可以想象下当齿圈固定不动(即车轮不动)时,只有行星齿轮的自转,太阳齿轮(MG1)才可以带动行星齿轮座(即发动机)转动(即启动发动机过程);

       有了行星齿轮的自转,当齿圈(MG2)正转时,太阳齿轮(MG1)也可以反转。反之,而当齿圈(MG2)反转时,恒星齿轮(MG1)又可以正转。

       又比如,外齿圈和太阳齿轮同向转动时,行星齿轮可以不自转,只公转,从而带动汽油机转动。当行星齿轮座不转时,齿圈和太阳齿轮仍可以自由转动。正是因为行星齿轮组的这个巧妙的特性,发动机、车轮、电动机才能时时连接在一起运转而又能互不干扰,故此省去了离合的结构。

       S=C×3.6-R×2.6

       公式里的S=SUN=太阳轮,C=CARRIER=行星座,R=RING=外齿圈

       另外,由于外齿轮和太阳齿轮和行星齿轮的直径和齿数都已固定,根据图上的公式也可以得出:行星座在中间转动的时候分配给外齿圈和太阳轮的扭矩比是一定的。具体数值大约是72%分配给外齿轮(实际上是2.6÷3.6),28%分配给太阳齿轮(1-72%)。只要发动机转动做工,就不会改变这个基本事实。

       那我们都知道汽车从启动到刹车停止的一系列不同工况下,对扭矩的要求是有极大变化的,传统动力汽车就是因为这样需要变速器来调节发动机的输出动力。但是在E-CVT这种特定结构里面由于存在两个电机,在不同的工况下,根据上面的公式。只要控制这两个电机的不同转速就能使外齿圈上获得的发动机动力无极变化,从而汽车达到无极变速。

       至于普锐斯的PCU如何根据车子的运行工况来实时控制发动机的供油量和两个电机的电压、相位和正反通断。这里面涉及到的控制逻辑和众多的传感器的数据收集和处理程序过于复杂,在此不做表述。理解E-CVT能够实现无极变速即可。

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