克萊斯勒Pacifica車型的eFlite混合動力專用變速器

【美】 M．PITTEL D．MARTIN

0 前言

全球降低汽車溫室氣體的排放和燃油消耗的法規(guī)要求及消費者的需求，推動了汽車制造商不斷采用更先進的技術，其中包含了電驅動力總成系統(tǒng)的應用。

為了實現(xiàn)該目標，美國菲亞特－克萊斯勒汽車公司開發(fā)了eFlite混合動力變速器，作為混合動力系統(tǒng)的一部分應用于2017款的克萊斯勒Pacifica箱式旅行車上［1］。該系統(tǒng)包含了1臺傳統(tǒng)內燃機、1臺電驅變速器，同時包含1個高壓電池包，在純電動模式下可提供強勁的電能。

eFlite配備有動力分離裝置的電控可變前驅驅動橋結構，該平臺構架優(yōu)化了整車性能、燃油經濟性、整機質量、布置及振動－噪聲－平順性（NVH）性能。該電動可變變速器采用單行星齒輪輸入結構，省去了換檔離合器和復雜的液壓控制系統(tǒng)。

eFlite變速器包含2臺永磁交流電機，2臺電機均可用作驅動電機，同時也可用作發(fā)電機使用（電機A由發(fā)動機驅動并進行發(fā)電）。2臺電機采用四軸相切布置，減少整車的橫向寬度。

動力逆變器模塊集成于驅動橋結構中，該結構減少了高壓線束，降低成本，提升效率，同時優(yōu)化了整機質量和布置［2］。整車和動力總成目標如下：

（1）電控結構，可靈活應用于多用途汽車（MPV），具備優(yōu)異的駕駛性與整車性能；

（2）純電動模式續(xù)航里程可達33mile；

（3）油耗84mile／gal；

（4）靈活應用于多種整車平臺及發(fā)動機平臺。

1 基本結構＆技術規(guī)范

動力傳遞路徑圖（圖1）展示了eFlite變速器關鍵零部件和子系統(tǒng)，以及Pacifica混合動力的多種不同運行模式。電機B是主驅動電機，直接與輸出端耦合，電機A是動力分離行星齒輪組中的太陽齒輪。

1．1 混合動力汽車（HEV）運行模式

該架構由1個輸入行星齒輪組組成，將發(fā)動機輸出的動力（齒輪架）分成2路進行傳遞，分別為機械傳動路徑（齒圈）和電動發(fā)電機A的電傳動路徑（太陽齒輪）。在電動發(fā)電機A（太陽齒輪）的作用下，發(fā)動機的機械功通過齒輪架進行傳遞，同時產生電能。電動發(fā)電機A的轉速及扭矩均可按需進行調節(jié)，優(yōu)化了整車性能和燃油經濟性。

1．2 電動汽車（EV）運行模式

eFlite變速器在輸入端集成1個單向離合器，對動力分離齒輪架產生反作用力矩，因此在純電動運行模式下，電機A就轉換成了1個驅動電機。

2 eFlite變速器的驅動模式

eFlite變速器有4種主要的驅動模式：EV前進、EV倒車、HEV前進和起動－停止模式。

2．1 EV前進模式

圖2所示，電機A、電機B單獨或同時驅動整車，單向離合器通過反作用力固定行星齒輪架，使電機A輸出的動力直接傳遞至齒圈。電機B通過差速器有直接傳遞路徑。

圖2 EV前進模式

2．2 EV倒車模式

由圖3所示，在EV倒車模式中電機B直接驅動整車，電機B通過差速器具有直接傳遞路徑。

2．3 EV前進模式

圖4所示，發(fā)動機和電機B共同驅動整車，電機A反作用于發(fā)動機，使發(fā)動機輸出動力通過行星齒輪架傳遞，電機B通過差速器具有直接傳遞路徑。

2．4 起動－停止模式

圖5所示，電機A直接驅動單向離合器自由輪起動整車，電機B輸出功反作用于齒圈上，確保起動平穩(wěn)。另外，在HEV或EV工作模式下，在滑行和制動工況下，電機B都將給蓄電池充電。在HEV工作模式下，發(fā)動機通過電機A給電池充電。

圖3 EV倒車模式

圖4 HEV前進模式

圖5 發(fā)動機起動模式

另外，圖6展示了eFlite變速器外形結構，圖7和圖8展示了總體變速器外形尺寸及與TorqueFlite前驅9速變速器對比，圖9變速器橫截面圖中包含主要零部件和子系統(tǒng)，圖10表示eFlite變速器齒輪系統(tǒng)。

圖6 eFlite變速器總成

圖7 eFlite變速器外形尺寸

圖8 TorqueFlite前驅9速變速器外形尺寸

圖9 eFlite變速器橫截面圖

3 eFlite的性能優(yōu)化

3．1 性能和效率

eFlite變速器采用了1個電子機油泵（圖11）及球型軸承結構（圖12），省去了換檔離合器和復雜的液壓控制系統(tǒng)，提升傳動效率，減少了質量并縮小了外形尺寸，確保其能安裝于中等車型上（如Pacifica）。

圖10 eFlite變速器齒輪系統(tǒng)

圖11 eFlite變速器機械和電子機油泵

圖12 提升效率的球軸承結構

eFlite變速器采用低油壓設計，使用1個儲液器（圖13），確保最優(yōu)的潤滑油液位高度，減少齒輪系統(tǒng)摩擦損失，并滿足冷卻和潤滑需求。

相比于傳統(tǒng)的內燃機動力系統(tǒng)，Pacifica混合動力系統(tǒng)上這些變速器零部件和新技術的開發(fā)和應用，在城市工況下油耗可降低13mile／gal，在高速工況下油耗可降低5mile／gal。

表1和表2展示了Pacifica混合動力與傳統(tǒng)內燃機應用的性能競爭優(yōu)勢，同時通過動力分離行星齒輪組優(yōu)化了變速器的速比。

圖13 潤滑系統(tǒng)原理圖

表1 eFlite與948TE變速器技術對比

3．2 NVH

為提升eFlite變速器的NVH性能，美國克萊斯勒－菲亞特工程團隊開展了2項重要的設計優(yōu)化。如圖14所示，在轉子B表面增加了切槽且增加了轉子到定子的距離以減小旋轉力矩。圖15展示了在變速箱殼體內、外部都增加了加強筋。圖16展示了電機和機構優(yōu)化所獲得的NVH提升效果。

圖14 電機B空隙和狹槽的變化

圖15 變速箱殼體內外表面增加加強筋

圖16 48階噪聲優(yōu)化及峰值－峰值扭矩

為了優(yōu)化發(fā)動機低轉速時的NVH性能，美國克萊斯勒－菲亞特工程團隊在硬件設計和控制采用了2項關鍵設計策略：通過大量試驗，對關鍵扭轉減振器／飛輪特性進行優(yōu)化，包含彈簧剛度、遲滯窗口角和轉動慣量；使電機控制策略就位，以避免過快通過電機B零轉矩工作區(qū)（圖17）。圖18展示了峰值轉矩到峰值轉矩的調整是如何實現(xiàn)的。

圖17 電機控制策略及單向離合器

圖18 扭矩限制離合器

3．3 其他關鍵子系統(tǒng)和特征

eFlite變速器的關鍵子系統(tǒng)主要包含單向離合器、扭矩限制離合器、電子駐車系統(tǒng)及機械和電子機油泵。以下是各個系統(tǒng)的描述和功能介紹。

（1）單向離合器自由輪轉向與發(fā)動機轉向一致，可起動發(fā)動機，同時反作用于發(fā)動機上，通過行星齒輪組的作用以傳輸發(fā)動機動力。在純電動模式下，單向離合器反向鎖止，確保電機A作為驅動電機使用，并防止發(fā)動機出現(xiàn)倒拖現(xiàn)象。

（2）扭矩限制離合器是1個摩擦離合器單元，其可一直傳遞高達7 000N的作用力，扭矩范圍為520～664N·m，限扭離合器主要用來在峰值扭矩超出扭矩限制時保護機械零部件。

（3）eFlite變速器包含1個電控的駐車電磁閥（圖19），該電磁閥系統(tǒng)減少了硬件的復雜性，并提升了整車的結構布置效果。

圖19 電控駐車電磁閥

4 總結

eFlite變速器是Pacifica混合動力推進系統(tǒng)的內部零部件，實現(xiàn)了汽車和動力總成的靈活性、駕駛性、實車運行性能、溫室氣體和燃油消耗率目標。eFlite變速器結構及其關鍵子系統(tǒng)可靈活應用于緊湊型及中型車上，另外，目前已經在克萊斯勒Pacifica上量產。

美國菲亞特－克萊斯勒團隊指出，未來采用eFlite混合動力變速器或者類似的電驅系統(tǒng)的混合動力汽車將會協(xié)同增長。