卡羅拉雙擎中藏著一個(gè)小“太陽系”,E-CVT變速箱詳解
自汽車于19世紀(jì)末出現(xiàn)之后,相關(guān)行業(yè)和技術(shù)歷經(jīng)一百多年的不斷發(fā)展和進(jìn)步,已經(jīng)讓當(dāng)初那個(gè)酷似馬車般的原始汽車演變成了如今外觀爭(zhēng)奇斗艷,用途多種多樣的現(xiàn)代汽車。不過,就汽車的機(jī)械層面而言,發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、底盤這俗稱“三大件”的部件,從汽車誕生伊始就從沒缺席過,只是隨著技術(shù)的創(chuàng)新和制造工藝的進(jìn)化,三者也在不斷的進(jìn)化。其中,變速箱的變化可謂日新月異,這出于政府對(duì)汽車越來越嚴(yán)苛的排放法規(guī)制定,以及車廠對(duì)燃效提升的固有執(zhí)念。豐田,這個(gè)汽車超級(jí)大廠,就是引領(lǐng)變速一直進(jìn)化的變革者。而他們的核心產(chǎn)品,則是E-CVT變速箱。
E-CVT誕生:只為油電混合而來
油電混合,必然要考慮連接內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī),當(dāng)然還希望動(dòng)力傳輸連貫平順,用離合器來回切換必然不夠平順,顯然不完美。而E-CVT就是為此而來。
在談E-CVT之前,我們先來聊聊變速箱。變速箱之于汽車,猶如變速齒輪之于自行車,相信我們每個(gè)人都騎過沒有變速齒輪的自行車,比如現(xiàn)在滿布街邊的共享單車。當(dāng)裝配上變速齒輪之后,我們通過使用不同尺寸的齒輪,可以實(shí)現(xiàn)在不同的力量驅(qū)動(dòng)(扭矩)下,輸出不同的速度。而變速箱的作用還不止于此,它還可以使汽車實(shí)現(xiàn)變換方向,動(dòng)力中斷等行為,無疑大大的提升了汽車的實(shí)用性和使用便捷性。
變速箱發(fā)展到現(xiàn)在,大致有MT、AT、CVT、DCT等形式。而隨著近年來,以豐田普銳斯、拉羅拉雙擎等混合動(dòng)力車型的興起和普及,混動(dòng)車型正在日益成為消費(fèi)者的另一個(gè)主流選擇。由于混動(dòng)系統(tǒng)中動(dòng)力的來源不僅有傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī),還有數(shù)個(gè)電機(jī)。為了將兩種動(dòng)力完美的耦合,于是E-CVT變速箱應(yīng)運(yùn)而生。
E-CVT結(jié)構(gòu):本質(zhì)上的不同
單看名字,E-CVT似乎和CVT有著緊密的聯(lián)系,但從功能上來講,E-CVT確實(shí)如CVT般,有著無級(jí)變速的作用,但是從結(jié)構(gòu)上來說,二者則大相徑庭?梢哉f,E-CVT與其他變速箱有著本質(zhì)上的不同。簡(jiǎn)單說,CVT摩擦傳動(dòng),E-CVT則是齒輪傳動(dòng)。
自1997年,第一代普銳斯推出以來,E-CVT就作為豐田混動(dòng)系統(tǒng)中的核心部件,成為了整套系統(tǒng)的關(guān)鍵。從原理上來講,E-CVT大道至簡(jiǎn),其實(shí)很簡(jiǎn)單,借助一組行星齒輪來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力與電機(jī)動(dòng)力的“融合”(這也是豐田的專利);從結(jié)構(gòu)上來講,E-CVT的結(jié)構(gòu)也很簡(jiǎn)單,構(gòu)成傳統(tǒng)變速箱的零件就達(dá)100多個(gè),而E-CVT變速箱的零件只有二十多個(gè),一個(gè)簡(jiǎn)單的道理相信很多人都明白,越簡(jiǎn)單越可靠。對(duì)于變速箱這樣需要不間斷工作的部件來說,更少的零件意味著更低的故障率,而這也是豐田有口皆碑可靠性的縮影。
E-CVT僅僅由外齒圈、行星齒輪架和太陽齒輪組成,動(dòng)力輸出路線為發(fā)動(dòng)機(jī)—行星組—外齒圈—輸出軸,是不是看著很簡(jiǎn)單?那么這么簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu),真的能無縫融合兩種動(dòng)力,以及將動(dòng)力平順的輸出出來么?答案是當(dāng)然。
E-CVT原理:行星齒輪組的創(chuàng)新應(yīng)用
行星齒輪組,太陽輪、行星齒架,齒圈,三個(gè)可以獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件,又互為關(guān)聯(lián),連接一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)……
豐田E-CVT的核心就在于這個(gè)特殊的行星齒輪組,這個(gè)齒輪組由四個(gè)可以自由公轉(zhuǎn)的齒輪和中間的太陽齒輪組成,我們可以把這個(gè)行星齒輪組看作是我們居住的地球所在的太陽系。中間的齒輪就好比太陽(事實(shí)上就叫做太陽齒輪),四周的四個(gè)齒輪可以看作是地球、水星、金星、木星這些圍繞太陽公轉(zhuǎn)的行星,整體的齒輪架則是太陽系。這些齒輪如這些行星一樣,不僅圍繞著“太陽”公轉(zhuǎn),同時(shí)也會(huì)自轉(zhuǎn)。并且,它們比這些行星更為強(qiáng)大的是,行星們的公轉(zhuǎn)方向是固定的,然而這些齒輪們不僅可以順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng),還可以逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
可以想象下當(dāng)外面的行星固定不動(dòng)(即車輪不動(dòng))時(shí),只進(jìn)行自轉(zhuǎn)時(shí),太陽才可以帶動(dòng)太陽系(即發(fā)動(dòng)機(jī))轉(zhuǎn)動(dòng)(即啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過程);
當(dāng)行星們順時(shí)針正轉(zhuǎn)時(shí),太陽也可以反轉(zhuǎn)。反之,而當(dāng)行星反轉(zhuǎn)時(shí),太陽又可以正轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)車輛的前進(jìn)和后腿;當(dāng)行星們和太陽同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),行星齒輪可以不自轉(zhuǎn),只公轉(zhuǎn),從而帶動(dòng)汽油機(jī)啟動(dòng)。正是因?yàn)樾行驱X輪組的這個(gè)巧妙的特性,發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪、電動(dòng)機(jī)才能時(shí)時(shí)連接在一起運(yùn)轉(zhuǎn)而又能互不干擾,故此省去了離合的結(jié)構(gòu)。
此外,我們知道汽車從靜止到行駛再到靜止等一系列不同的工況下,需要傳動(dòng)系統(tǒng)提供不同的扭矩輸出,而這也是變速箱存在的重要意義之一。E-CVT變速箱里面由于存在兩個(gè)電機(jī),只要控制這兩個(gè)電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速就能使外齒圈上獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力無級(jí)變化,從而使得汽車達(dá)到無級(jí)變速。
E-CVT優(yōu)勢(shì):解決動(dòng)力和燃效這對(duì)老冤家的最佳答案
正是由于E-CVT變速箱有著簡(jiǎn)單可靠的結(jié)構(gòu),再輔以巧妙無比的設(shè)計(jì),使得它成為了豐田混動(dòng)系統(tǒng)的最佳拍檔。那么它相比只一字之差的CVT變速箱有著怎樣的優(yōu)勢(shì)呢?
第一,我們前面說過,為了將混動(dòng)系統(tǒng)中的兩種動(dòng)力來源完美的融合,那么E-CVT變速箱的出現(xiàn)成為了必然,否則整套系統(tǒng)無法順利的工作,這是傳統(tǒng)變速箱所不能勝任的。
第二,由于傳統(tǒng)CVT變速箱,多采用鋼帶鏈接,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出較大扭矩時(shí),容易出現(xiàn)鋼帶打滑等風(fēng)險(xiǎn)。所以傳統(tǒng)CVT變速箱是無法承受大扭矩輸出的。然而E-CVT沒有了鋼帶等因素的制約,是可以承受大扭矩輸出的,這為制造高性能混動(dòng)車型成為了可能。
第三、傳統(tǒng)CVT變速箱,由于零件眾多,鋼帶、液濾變矩器等部件的存在使得變速箱整體體積較大,從而使得車輛的體積也無法有效的縮小。而E-CVT變速箱由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,零件數(shù)少,體積相比傳統(tǒng)變速箱大為縮小,使得其可以搭載于車身更為緊湊的車型上。
第四,比如卡羅拉雙擎這樣搭載E-CVT的車型,其在絕大部分工況,如啟動(dòng)、加速、減速下,都是由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛的,發(fā)動(dòng)機(jī)只在高速行駛時(shí),才會(huì)介入,發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和車速時(shí)沒有必然聯(lián)系的。既然如此,在電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)下,齒比是恒定的,所以車輛行駛時(shí),擁有絕佳的平順性,不會(huì)感受到任何頓挫。同時(shí),在減速時(shí),系統(tǒng)還可將剩余的電能充入電池,來節(jié)約能量,這使得搭載這套系統(tǒng)的車輛在不同工況下,都擁有最佳的燃效。
我們都知道,自豐田于1997年推出首臺(tái)搭載混動(dòng)系統(tǒng)及E-CVT變速箱的首代普銳斯之后,隨著這款車型在全球的熱銷,以及后續(xù)混動(dòng)車型的不斷面世,讓豐田成為了混動(dòng)汽車領(lǐng)域無可爭(zhēng)議的王者。此后,某日系品牌及美系品牌也陸續(xù)研發(fā)出了混動(dòng)系統(tǒng)以及他們的E-CVT變速箱。那么,豐田的E-CVT和后來者的E-CVT相比究竟如何呢?
某日系品牌的混動(dòng)系統(tǒng)采用了發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)串聯(lián)的方式,由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作主要是給電池充電,并且系統(tǒng)中各個(gè)部件采用了固定的齒比,所以其搭載的E-CVT變速箱并非行星齒輪組結(jié)構(gòu),實(shí)則是結(jié)構(gòu)及其簡(jiǎn)單的多片離合器組。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于減少了部件間的能量損失,提升了效率。不過這樣的結(jié)構(gòu)比起豐田的E-CVT依然有它的不足之處,由于行星齒輪組的存在,豐田的E-CVT使得發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)可以協(xié)同工作,所以發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)有更多的機(jī)會(huì)為電機(jī)充電,通俗的來說,就是發(fā)動(dòng)機(jī)特意為電池啟動(dòng)的機(jī)會(huì)便會(huì)減少。比如在長(zhǎng)時(shí)間低速行駛后,電池處于缺電狀態(tài),豐田的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后會(huì)邊輸出動(dòng)力邊為電池充電,而某日系品牌的系統(tǒng)必須先將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力完全轉(zhuǎn)化為電能,再由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn),這其中多了一道手續(xù),效率必然有所減低。
從技術(shù)上來說,豐田的E-CVT才是汽車變速箱變革的終極追求,它既改善了傳統(tǒng)變速箱的平順性缺失和系統(tǒng)燃油經(jīng)濟(jì)性缺失的弱點(diǎn),又不像純電汽車那樣,由于沒有變速箱,從而在極速上被限制?梢哉f,E-CVT是解決動(dòng)力和燃效這對(duì)老冤家的最佳答案。
擁有這些絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的E-CVT使得豐田的混動(dòng)汽車擁有上佳的行駛平順性和燃油經(jīng)濟(jì)性,成為了現(xiàn)在和未來很多消費(fèi)者購(gòu)車的首選。隨著豐田混動(dòng)系統(tǒng)的不斷完善和提升,以及由一汽豐田引入越來越多的混動(dòng)車款,相信E-CVT變速箱也在不斷的完善自身和繼續(xù)提升?_拉雙擎這樣燃油經(jīng)濟(jì)性出眾而又擁有不俗動(dòng)力的車型,正在成為中國(guó)消費(fèi)者的首選車型,在環(huán)保理念日益深入人心的當(dāng)下和未來,E-CVT必將大放異彩。
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