凱美瑞雙擎車電子無(wú)級(jí)變速器詳解

威海職業(yè)學(xué)院 劉 華

威海市職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校 劉 彬

第八代凱美瑞雙擎車自2017年12月底上市以來(lái)，市場(chǎng)供不應(yīng)求。該車安裝了豐田第四代混合動(dòng)力系統(tǒng)（THS-Ⅳ），主要由混合動(dòng)力車專用發(fā)動(dòng)機(jī)、電子無(wú)級(jí)變速器（E-CVT）、動(dòng)力電池及動(dòng)力控制單元PCU等組成。下文對(duì)該車安裝的型號(hào)為P710 ECV-T結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 E-CVT結(jié)構(gòu)

第八代凱美瑞雙擎車安裝的E-CVT，型號(hào)為P710，主要由變速器外殼、扭轉(zhuǎn)減振器、動(dòng)力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)及復(fù)合齒輪、發(fā)電機(jī)MG1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2、中間軸齒輪、減速齒輪、差速器齒輪機(jī)構(gòu)及油泵等組成，如圖1所示。

圖1 E-CVT組成結(jié)構(gòu)示意圖

P710 E-CVT與豐田前三代混動(dòng)車用變速器的三軸結(jié)構(gòu)不同，現(xiàn)為四軸結(jié)構(gòu)。動(dòng)力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)、油泵和發(fā)電機(jī)MG1安裝在主軸上；驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2及MG2減速齒輪安裝在第二軸上；中間軸從動(dòng)齒輪和減速主動(dòng)齒輪安裝在第三軸上；減速?gòu)膭?dòng)齒輪和差速器齒輪機(jī)構(gòu)安裝在第四軸上。通過(guò)將發(fā)電機(jī)MG1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2的不同軸布置，大大縮短了傳動(dòng)橋的整體長(zhǎng)度。采用了由動(dòng)力分配行星齒輪的齒圈、中間軸主動(dòng)齒輪和駐車鎖定齒輪的齒圈組成的復(fù)合齒輪，大大縮小了尺寸并減輕了質(zhì)量。通過(guò)使用高精度加工輪齒表面、低損耗軸承，降低了驅(qū)動(dòng)損失，從而有助于改善燃油經(jīng)濟(jì)性并減少噪音。該變速器采用余擺線齒輪型油泵通過(guò)飛濺潤(rùn)滑方式對(duì)齒輪系進(jìn)行潤(rùn)滑，同時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)MG1和驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2進(jìn)行冷卻。

1.1 扭轉(zhuǎn)減振器

混合動(dòng)力車在行駛中，發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)頻繁起動(dòng)，將產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，而E-CVT中又取消了傳統(tǒng)的液力變矩器，為減少傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，提高可靠性以及駕乘的舒適性，在發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪與變速器之間安裝了扭轉(zhuǎn)減振器（圖2）。

圖2 扭轉(zhuǎn)減振器

扭轉(zhuǎn)減振器由螺旋彈簧、扭矩限制器、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)吸能裝置及內(nèi)花鍵鼓等組成。由干式摩擦材料制成的轉(zhuǎn)矩限制器可防止傳輸?shù)阶兯倨鞯呐ぞ剡^(guò)載；雙級(jí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)吸能裝置可降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，從而在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和停止時(shí)，降低噪音并減少?zèng)_擊；內(nèi)花鍵鼓通過(guò)花鍵連接與變速器的輸入軸連接，將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸入變速器。

1.2 動(dòng)力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)及復(fù)合齒輪

P710 E-CVT的動(dòng)力傳遞原理如圖3所示。各齒輪齒數(shù)見(jiàn)表1所列。

動(dòng)力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)為單行星排結(jié)構(gòu)，其中，太陽(yáng)輪與發(fā)電機(jī)MG1連接，行星架與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，齒圈集成在復(fù)合齒輪上，復(fù)合齒輪上集成了動(dòng)力分配行星齒輪的齒圈、中間軸主動(dòng)齒輪和駐車鎖止齒輪（圖4）。

圖3 E-CVT動(dòng)力傳遞原理示意圖

表1 各齒輪齒數(shù)

圖4 動(dòng)力分配行星齒輪及復(fù)合齒輪機(jī)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力通過(guò)動(dòng)力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)可以驅(qū)動(dòng)車輪和驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1發(fā)電。發(fā)電機(jī)MG1旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)MG1作為起動(dòng)機(jī)運(yùn)行。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2輸出動(dòng)力經(jīng)過(guò)減速齒輪、中間軸從動(dòng)齒輪、減速主動(dòng)齒輪、減速?gòu)膭?dòng)齒輪、差速器殼、半軸齒輪及半軸等驅(qū)動(dòng)車輛行駛。

1.3 發(fā)電機(jī)MG1及驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2

發(fā)電機(jī)MG1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2均為結(jié)構(gòu)緊湊、輕量化的三相永磁同步電機(jī)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2的最大輸出功率為88 kW、最大扭矩為202 N·m，整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)最大輸出功率為160 kW。驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2作為附加動(dòng)力源與發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同工作（混合驅(qū)動(dòng)）或獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車輛（純電驅(qū)動(dòng)）。在車輛滑行或制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2作為發(fā)電機(jī)使用，回收能量。發(fā)電機(jī)MG1為鎳氫電池充電并提供電能用于驅(qū)動(dòng)MG2，發(fā)電機(jī)MG1還可作為起動(dòng)機(jī)用于啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)MG1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2的矢量控制，需精確測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及位置。因此，設(shè)置了電機(jī)轉(zhuǎn)角傳感器。電機(jī)轉(zhuǎn)角傳感器由定子、凸圓形轉(zhuǎn)子等組成。定子上安裝了勵(lì)磁繞組、正弦繞組及余弦繞組等三個(gè)繞組。橢圓形轉(zhuǎn)子隨電機(jī)軸同步旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，橢圓形轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而變化，正弦繞組、余弦繞組的輸出波形峰值隨轉(zhuǎn)子位置而同步變化。電機(jī)控制器根據(jù)正弦繞組、余弦繞組的差值計(jì)算轉(zhuǎn)子的位置，根據(jù)正弦繞組、余弦繞組的相位差確定旋轉(zhuǎn)方向，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)子角度的變化計(jì)算轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

發(fā)電機(jī)MG1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2上均安裝了電機(jī)溫度傳感器，用于檢測(cè)電機(jī)定子的溫度。

1.4 油泵

采用余擺線齒輪型油泵，以飛濺潤(rùn)滑方式來(lái)潤(rùn)滑各齒輪系。油泵由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，油泵轉(zhuǎn)動(dòng)，可潤(rùn)滑齒輪系并冷卻電機(jī)，以提高潤(rùn)滑效率和冷卻性能。此外，采用減壓閥以防油泵產(chǎn)生不必要的高壓，從而減少油泵驅(qū)動(dòng)的功率損失（圖5）。

圖5 油泵

2 ECV-T工作原理

2.1 高壓起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)

凱美瑞雙擎車安裝了無(wú)鑰匙進(jìn)入和起動(dòng)系統(tǒng)。車輛停止，當(dāng)鎳氫電池電量正常時(shí)，踩下制動(dòng)踏板、按下“POWER”按鈕，待儀表上的“READY”綠燈亮起，掛上“D”或“R”擋，松開(kāi)制動(dòng)踏板，車輛將以純電驅(qū)動(dòng)行駛。車輛停止，若電量低于正常值時(shí)，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，鎳氫電池為發(fā)電機(jī)MG1供電，MG1作為起動(dòng)機(jī)工作，MG1通過(guò)太陽(yáng)輪帶動(dòng)行星架起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖6所示。車輛行駛中，發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)也是由發(fā)電機(jī)MG1驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖6 鎳氫電池電量充足時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞路線

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，若鎳氫電池剩余電量SOC低于固定值，則發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1為鎳氫電池充電，如圖7所示。

圖7 SOC低時(shí)MG1發(fā)電

2.2 純電驅(qū)動(dòng)

當(dāng)鎳氫電池電量充足，掛前進(jìn)D擋時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2驅(qū)動(dòng)車輛原地起步及行駛，如圖8所示。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止、發(fā)電機(jī)MG1轉(zhuǎn)動(dòng)但不發(fā)電。若掛R擋時(shí)，與D擋行駛比較，只需改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)動(dòng)方向即可，如圖9所示。

圖8 前進(jìn)擋純電驅(qū)動(dòng)路線

圖9 倒擋純電驅(qū)動(dòng)路線

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2混合驅(qū)動(dòng)

純電行駛中，若鎳氫電池的剩余電量SOC低于設(shè)定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后再驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)MG1發(fā)電，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2工作提供補(bǔ)充電能。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)行星架將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出給齒圈（復(fù)合齒輪）后再傳給中間軸從動(dòng)齒輪，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2將其動(dòng)力經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2減速齒輪后也傳給中間軸從動(dòng)齒輪（圖10），上述兩個(gè)動(dòng)力共同用于驅(qū)動(dòng)車輪。

2.4 制動(dòng)、滑行時(shí)回收能量

車輛行駛中，當(dāng)踩下制動(dòng)踏板制動(dòng)或松開(kāi)加速踏板車輛滑行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，利用車輛的慣性力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)MG2作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行而回收能量，并向鎳氫電池充電（圖11）。

圖10 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)路線

圖11 滑行、制動(dòng)時(shí)回收能量