汽车变速器的角色变迁(二):混合动力汽车的兴起


本文速读:

  • 以发动机为中心的传统汽车中,变速器依靠档位的控制,负责转换扭矩与转速,服务于发动机。

  • 从90年代2000年代,变速器的研发工作围绕于换挡质量、变速器效率以及档位数量提升。

  • 全球各国的油耗及排放法规日益严格,混合动力成为必经之路。

  • 1997年,丰田公司推出全球第一辆量产混合动力汽车——普锐斯。

  • 2010年,通用推出雪弗兰沃蓝达,其变速器内装配有2个电动机。混合动力的应用,使得该车能提供多种驾驶模式,降低油耗与排放。

  • 第二次变迁将使变速器成为驱动系统动力分配的决策者。

每年的4月底或是5月初的时候,欧美汽车行业的领军人物,例如大众总裁马丁 • 文恩德(Martin Winterkorn)、欧洲的发动机教父 Fritz Indra 教授、宝马技术研发总监 Klaus Fröhlich 等等,都齐聚奥地利维也纳的霍夫堡皇宫(Wiener Hofburg),参加每年一度的维也纳发动机峰会(Wiener Motorensymposium)。

奥地利维也纳的霍夫堡皇宫,每年维也纳发动机峰都在这里举行

奥地利维也纳的霍夫堡皇宫,每年维也纳发动机峰都在这里举行 | 图片@Wiener Hofburg

既然是发动机峰会,会议的议题理所当然都以发动机的发展为主。2002年的会议资料还能在网上读到。看看这13年前的资料你会发现,会议上大部分的报告主题都围绕着发动机增压、尾气处理、燃油直喷技术等进行,偶尔零星的报告里,你也能发现一点汽车变速器的影子。

传统汽车:以发动机为中心的驱动系统

如我在上一篇文章里面说到,在传统汽车中,发动机作为唯一的驱动力来源,毫无争议的是汽车中最为重要的部件。变速器,作为发动机与驱动轴间的动力枢纽,则根据发动机的工况调节转速比,使得汽车获得最佳的扭矩与转速。

经过80年代的第一次变迁,变速器已经能部分控制发动机的运转,使其在换挡过程中改变点火时间,从而降低其扭矩输出。但是,变速器的控制依然以发动机为中心。90年代,依然是发动机的年代。

然而,一个不能不提的里程碑是1997年,这一年,丰田(Toyota)公司推出第一代普锐斯(Prius)混合动力汽车。当时,降耗、减排的压力还不能跟今天相比,欧美的汽车公司对混动技术不屑一顾,对这辆“异类”普锐斯,欧美媒体里充斥着不解和嘲讽。

丰田1997年推出第一代普锐斯混合动力汽车

丰田1997年推出第一代普锐斯混合动力汽车 | 图片@Toyota

当然,在这个发动机占主导地位的年代,传统驱动系统的研发工作没有半点松懈。变速器工程师们不停地试验新技术、测试新型变速器,用一句话来说,可以总结为:提高换挡质量、提升变速器效率、增加档位数量。这一切都以服务发动机为中心。

1997年时,自动变速器的最高档位还停留在5档。1995年奔驰(Benz)公司发布“最新”的 5G-TRONIC 5速自动变速器,德国采埃孚(ZF)公司在1996年推出 5HP19 与 5HP24 两款5速自动变速器。1998年时,美国的车企也赶上脚步,通用公司推出了 5L40E 和 5L50E 两款5速自动变速器。很有意思的是,如果翻一翻当时的文章,在当时的汽车业,没有多少人觉得汽车有一天会需要5档以上的变速器——“5档已经足够”

到了2000年代,没有人再敢说5档够了。2003年,大众推出世界首台(量产)双离合变速器(DCT)DQ250,配备6个档位。同年,奔驰也推出了新一代的7速自动变速器 7G-TRONIC。在接下来几年内,7档和8档的变速器成为欧洲市场的主流,同时9、10档变速器成为了厂商的研发重点。

全球各国2000年至2025年乘用车CO2排放限值标准

全球各国2000年至2025年乘用车CO2排放限制标准 | 图片@ICCT

通过变速器的发展(以及发动机技术本身的提升),发动机得以在效率更高的工作区域运转,汽车油耗及排放从而得以大大降低。

然而,随着尾气排放法规的日益严格(见上图),单靠发动机的发展,已经难以达到目标。几年前被众人嘲笑的丰田普锐斯,今天已经成为了混合动力汽车的代名词,也成为了欧美车企研发的榜样。

混合动力的兴起——变速器角色的第二次变迁

2015年,第36届维也纳发动机峰会召开。发动机峰会的名称没有变,然而,大会的主题已经从单纯的发动机技术拓展到了变速器技术,以及混合动力技术。今年的大会上,1000多名与会者讨论最多的议题之一,是插电混合动力技术(Plug-in-Hybrid)。

混合动力技术进入汽车,冲击最大的是汽车的变速器系统。

2010年款雪弗兰沃蓝达变速器

2010年款雪弗兰沃蓝达变速器 | 图片@Electric Vehicle News

2010年,通用(GM)公司的雪弗兰沃蓝达(Chevrolet Volt)上市1。这是一款划时代的增程式插电混合动力汽车。在一台1.4升的发动机后,通用公司配备了一个很特别的变速器:在一个行星齿轮(配备3个离合器)旁边,通用工程师安装了2个功率分别为111千瓦及54千瓦的电动机2(见上图)。

电动机进入变速器,使得驱动系统不再以发动机为中心,变速器摆脱了对发动机的完全依赖。同时,借助对电动机扭矩和转速的控制,变速器可以对发动机的工况进行控制。

以雪弗兰沃蓝达车型为例,当驾驶员选择电动驾驶时,发动机完全熄火,汽车由变速器内的电动机单独驱动(单电机驱动:下图图A,双电机驱动:图B),此时,电池内的电量逐渐下降。当电池电量不足时,发动机启动,驱动副电机为电池充电,而主电机则用来驱动汽车(图C)。如果车速继续升高,发动机可以与主电机一起为汽车提供驱动力,并驱动副电机为电池充电(图D)。

2010年款雪弗兰沃蓝达各驾驶模式

2010年款雪弗兰沃蓝达各驾驶模式 | 图片@Opel

你可以看到,混合动力的应用为这款车型带来了非常多的驾驶模式。根据驾驶情况的不同,系统会选择最为合适、能耗最少的模式提供给驾驶员。与传统汽车相比较,你应该注意到了在这辆混合动力汽车中,由于电动机的加入,汽车的驱动力不再与发动机的负荷直接挂钩,汽车的速度也不再与发动机转速直接挂钩。变速器能够依据驾驶模式,对发动机的启停、运行状态进行控制。

今天,汽车市场上不止通用公司有自己的混合动力变速器,几乎所有大型变速器制造商都已经推出了各式各样的混合动力变速器:

  • 大众高尔夫GTE车型中的混动双离合变速器 DQ400E;
  • 尼桑寻路者车型中(Nissan Pathfinder Hybrid)所配备的加特克公司(Jatco)的混动无级变速器 CVT8 Hybrid
  • 路虎揽胜运动版(Range Rover Sport)车型中配置的采埃孚公司(ZF)混动自动变速器 8P70H

今天,变速器的第二次变迁还远远没有结束,今后,将有越来越多的混合动力变速器进入市场。随着这次的变迁,变速器将上升为驱动系统中动力分配的决策者,扮演更为重要的角色。

注释:

  1. 在欧洲,这款车由通用公司的子公司欧宝(Opel)负责销售,车型名称为Opel Ampera。

  2. 出处:GM-Volt 网站公布雪弗兰沃蓝达2011款车型详细数据链接:“CHEVROLET VOLT SPECIFICATIONS”


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