福特蒙迪歐混合動(dòng)力汽車變速器動(dòng)力傳遞解析

◆文/遼寧 張憲輝

張憲輝 (本刊編委會(huì)委員)

1996年哈爾濱工業(yè)大學(xué)汽車設(shè)計(jì)與制造專業(yè)碩士畢業(yè)。畢業(yè)后在大連交通運(yùn)輸集團(tuán)汽車修配廠從事汽車維修工作12年，先后擔(dān)任工程師、技術(shù)副廠長(zhǎng)、總工程師等職務(wù)，在亞洲(日、韓等)車系的電控系統(tǒng)故障診斷領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富?，F(xiàn)任大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院副院長(zhǎng)、副教授、高級(jí)技師，兼任遼寧省汽車維修行業(yè)質(zhì)量仲裁鑒定委員會(huì)鑒定員、大連市勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)中心汽車修理專業(yè)專家委員會(huì)委員。

為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格的環(huán)保要求和石油能源日趨枯竭的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)，繼豐田汽車公司之后，各大汽車公司都紛紛著力開發(fā)新能源汽車技術(shù)。2016年，福特汽車公司推出了蒙迪歐油電混合動(dòng)力汽車，稱為CD391 HEV。該車型配備了一臺(tái)105kW、175Nm的2.0L阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和一臺(tái)92kW、228Nm的電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)均集成在HF35變速器之中。HF35變速器為ECVT電子無(wú)級(jí)變速器，與豐田PRIUS概念車上使用的變速器類似。在本文中，將通過(guò)在對(duì)HF35變速器的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)之上，解析CD391 HEV車型在不同工作模式下的HF35變速器動(dòng)力傳遞。

一、HF35變速器的組成

如圖1所示，HF35變速器的內(nèi)部組成部件主要包括：行星齒輪機(jī)構(gòu)、差速器、中間齒輪、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、散熱油泵、油溫傳感器、發(fā)電機(jī)線圈溫度傳感器、電動(dòng)機(jī)線圈溫度傳感器、兩個(gè)旋變傳感器、變速器擋位傳感器等。

圖1 HF35變速器的基本組成

HF35變速器的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。行星齒輪機(jī)構(gòu)是該變速器實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速的核心部件，行星架與發(fā)動(dòng)機(jī)剛性連接，同時(shí)行星架還用于驅(qū)動(dòng)變速器油泵；太陽(yáng)輪與發(fā)電機(jī)相連；齒圈與中間齒輪相連，間接與電動(dòng)機(jī)連接。

圖2 HF35變速器的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

二、HF35變速器的動(dòng)力傳遞

HF35變速器有多種工作模式。下面利用動(dòng)力傳遞圖示和矢量圖分別對(duì)各工作模式下的變速器動(dòng)力傳遞進(jìn)行解析。

1.駐車充電

在停車狀態(tài)下，如果高壓電池電量較低，發(fā)電機(jī)將在高壓電池的電力驅(qū)動(dòng)下作為啟動(dòng)機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，之后發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)的發(fā)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)給電池充電，系統(tǒng)進(jìn)入駐車充電模式。

另外，當(dāng)外界溫度較低且車輛處于P擋或D擋時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)也將自動(dòng)運(yùn)行，以保持高壓電池的電量。

如圖3和圖4所示，在此種模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作、發(fā)電機(jī)發(fā)電、電動(dòng)機(jī)靜止，車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)。

圖3 駐車充電模式下的動(dòng)力傳遞

圖4 駐車充電模式下的行星齒輪驅(qū)動(dòng)矢量圖

2.純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)

當(dāng)動(dòng)力電池電量充足且功率需求較小(譬如：車輛起步、輕加速、穩(wěn)定車速)時(shí)，車輛采用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)工作模式，如圖5所示，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)僅由高壓電池為其提供電力。

如圖6的矢量圖所示，在純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)靜止、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。在倒擋時(shí)，控制系統(tǒng)控制反向供給電壓，使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)倒擋。

注意：在純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式下，無(wú)論是D擋驅(qū)動(dòng)還是倒擋驅(qū)動(dòng)，發(fā)電機(jī)都空轉(zhuǎn)(不發(fā)電)，避免因其發(fā)電而奪走電動(dòng)機(jī)輸出給車輪的一部分動(dòng)力；只有當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)才發(fā)電，而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)，發(fā)電機(jī)一定不發(fā)電。

圖5 純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式下的動(dòng)力傳遞

圖6 純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式下的行星齒輪驅(qū)動(dòng)矢量圖

3.混合驅(qū)動(dòng)

在輕負(fù)荷下加速(節(jié)氣門開度小)，需要更多的動(dòng)力時(shí)，車輛采用混合驅(qū)動(dòng)工作模式。如圖7所示，在此種模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作、發(fā)電機(jī)發(fā)電、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。與純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式不同的是：電動(dòng)機(jī)由發(fā)電機(jī)提供的電力驅(qū)動(dòng)。

圖7 混合驅(qū)動(dòng)模式下的動(dòng)力傳遞

當(dāng)在重負(fù)荷下加速(節(jié)氣門全開)時(shí)，高壓電池將給電動(dòng)機(jī)提供額外的電力補(bǔ)償，這種模式也被稱為電力驅(qū)動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)模式。如圖8所示，在此模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作、發(fā)電機(jī)發(fā)電、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。此時(shí)，由高壓電池和發(fā)電機(jī)共同提供電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

圖8 電力驅(qū)動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)模式下的動(dòng)力傳遞

如圖9所示，在混合驅(qū)動(dòng)模式下(包括電力驅(qū)動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)模式)，齒圈、行星架和太陽(yáng)輪中沒(méi)有一個(gè)部件被固定，此時(shí)，通過(guò)調(diào)整發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，可以改變太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)一致。

另外，假定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(即行星架轉(zhuǎn)速)一定(見圖9)，通過(guò)控制發(fā)電機(jī)的發(fā)電量以改變太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速，由此就改變了齒圈(即車輪)的轉(zhuǎn)速，以此實(shí)現(xiàn)變速器的無(wú)級(jí)變速功能。

圖9 (電力驅(qū)動(dòng))混合驅(qū)動(dòng)模式下的行星齒輪驅(qū)動(dòng)矢量圖

4.再生制動(dòng)

當(dāng)踩下制動(dòng)踏板或松開加速踏板時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止噴油，電動(dòng)機(jī)工作處于發(fā)電機(jī)模式，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能向電池充電。如圖10和圖11所示，在此種模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作、發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)(不發(fā)電)、電動(dòng)機(jī)發(fā)電。

圖10 再生制動(dòng)模式下的動(dòng)力傳遞

圖11 再生制動(dòng)模式下的行星齒輪驅(qū)動(dòng)矢量圖

在再生制動(dòng)模式下，還有另外一種情況存在，即發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)。在此情況下：電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電能還可以提供給發(fā)電機(jī), 然后由發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油被切斷(停止工作)，此時(shí)，發(fā)電機(jī)的動(dòng)力用作發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)福特蒙迪歐CD391 HEV車型的HF35變速器動(dòng)力傳遞的解析可以看出，HF35變速器通過(guò)其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具備這些特點(diǎn)：通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)把燃油驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)、啟動(dòng)、發(fā)電、能量回收等完美地結(jié)合在一起；取消了液力變矩器，發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器直接連接，效率更高；沒(méi)有復(fù)雜的齒輪組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高；實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。

正是由于這樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得HF35變速器實(shí)現(xiàn)了提供電力驅(qū)動(dòng)、為高壓電池充電、啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)和傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩等諸項(xiàng)功能，充分體現(xiàn)了該變速器在油電混合動(dòng)力系統(tǒng)中所具有的不可或缺的地位和價(jià)值。