本田11档三离合变速器

本文速读:

  • 本田于近期获得11档三离合变速器的专利。

  • 该变速器包含三个离合器。与今天的双离合器相比,结构更为紧凑。通过组合档位的实现,该变速器用很少的齿轮实现了11个前进档位。

  • 近年已有不少公司研究三离合变速器,并已取得专利。三离合变速器并不是非常新的技术。

  • 权衡其优势和劣势,三离合变速器在近期内不会量产。

本田是一个一直以来让我非常钦佩的公司。与日本的丰田、尼桑等世界级汽车巨头相比,本田这家小得多的企业不常出现在人们的视野内。然而,在汽车研发领域,本田的长期以来走在最前沿。在汽车传动领域,本田的技术总能让人眼前一亮。关注本田这么长时间,给我的感觉是,它自行研发所有能研发的产品,尝试所有能尝试的方案,并在最短时间内将点子转化为成熟的产品。

本田的专利

本田11档三离合变速器专利第一页

图1:本田11档三离合变速器专利 | 图片@DPMA.de

本田(在汽车领域)的产品涵盖发动机1变速器2超级跑车3混合动力汽车4电动汽车5燃料电池汽车6等等各个方向。

昨天一条新闻报道本田获得11档三离合变速器的专利”被频繁转载。这个专利包含了两个重点:第一是变速器的档位数目上升到了11,第二是业界内几乎闻所未闻的三离合变速器(TCT,即 Triple Clutch Transmission)。

正因为一直认为本田这家公司什么样的新技术都会尝试,所以我昨天看到这条新闻时并没有觉得惊讶。

11档三离合变速器

谈三离合变速器前,必须先说说双离合变速器(DCT)。普通的双离合变速器在输入端安装有两个离合器。每个离合器分别负责奇数档位(1、3、5等档)及偶数档位(2、4、6等档)。换档时(例如由2档换至3档时),一个离合器打开,同时,另一个离合器关闭。当从奇数档位换至奇数档位(例如5档到3档),或偶数档位换至偶数档位(例如6档到2档)时,由于所对应的离合器为同一个,因此,变速器必须先换至一个“中间档”,然后再换至目标档位(例如5档先换至4档,再换至3档)。某些换档不能直接进行,这是双离合变速器的一个天生的限制。

三离合变速器,如其名,在输入端安装有3个离合器:C1、C2 及 C3。通过增加一个离合器,档位变换比双离合变速器自由了很多。这可以说是用三个离合器的一个重要原因

本田专利中这款11档三离合变速器的结构如下图。三个离合器分别连接着一个输入轴(图中的红、蓝、绿轴)。三个输入轴成轴套型式。

本田11档三离合变速器结构

图2:本田11档三离合变速器结构 | 图片@obasic.net

值得指出的是,这款11档变速器的结构非常紧凑。变速器用一共14个齿轮实现了11个前进档位。这14个齿轮巧妙地安装在5个齿轮平面内,有效地减小了变速器的长度。

有意思的一点是,在11个档位中,第3到第9档采用常规的方式实现,即这些档位的传动比由一对齿轮实现。第1、2档及第10、11档为所谓的组合档位,这些档位由第3到第9档组合而来。例如第10档的传动比是由第3、4、9档的齿轮串联使用而实现的。正是这个原因,在本田的这个变速器中(如上图),我们只能看见第3到第9档。

三离合变速器并不新

事实上,虽然三离合变速器从没在汽车中出现过,但它并不是非常新的技术。

马格纳公司(Magna)于2009年获得了一个三离合变速器的专利7,如下图。其中,三个离合器中一个安装在变速器的输入端,而其他两个安装在了变速器的内部。但其原理仍然与其他三离合变速器一样。

马格纳三离合变速器结构

图3:马格纳三离合变速器结构 | 图片@DPMA.de

奥迪公司(Audi)于2014年3月获得了一个三离合变速器的专利8。该变速器为纵置式,可以实现12个档位。戴姆勒公司(Daimler)在今年6月也获得了一个三离合变速器的专利9。其离合器的安装位置与本田专利中一样,然而其齿轮组的排列选择了另外一种形式。此外,Mack Trucks 公司也有相应的三离合变速器的专利10

通用公司(General Motors)对三离合变速箱也有多年的研究(如果你注意了我的其他文章,你可以感觉到通用公司在变速器领域的巨大优势)。通用公司 Darrell Robinette 的文章11中介绍到,通用公司已对8、9、10档三离合变速箱进行建模仿真,并与市场上最新的自动变速箱作比较,以评估其在油耗及动力性能上的潜力。此外,通用公司也于2014年获得了一个三离合变速箱的专利12。该变速箱的结构非常特殊,它将传统的行星齿轮组与圆柱齿轮组组合起来,用为数不多的零件实现了8个档位。

三离合变速器的发展

在我看来,三离合变速器最大的优势在于进一步解除换档限制,这一点它比双离合变速器更有优势。此外,通过利用合理排列齿轮以实现组合档位,三离合变速器的长度可以做得比今天的双离合变速器更短,从而减小变速器的尺寸,由此更加适合于横置发动机车型。

然而,由于增加了一个离合器,变速器效率与双离合变速器相比会有所降低。此外,由于变速器的结构发生了很大的改变,对于变速器厂商来说,这意味着庞大的生产费用。权衡优势和劣势,我认为,近期内不会有任何厂商真正生产三离合变速器。

本田这次所获得的专利应该看作为技术的储备,而不代表其要生产这款变速器。当公司发现一个不错的变速器方案后,最稳妥的办法就是申报专利。我相信继本田、通用之后,还会有更多公司对三离合变速器进行研究。但是其量产的道路还很漫长。

注释:

  1. 历史上,本田的发动机曾22次获得 International Engine of the Year 奖项。

  2. 本田自行研发的变速器中,包括最新的10档自动变速器,全球第一款8档配备液力变矩器的双离合变速器,Acura NSX跑车内用的9档双离合变速器。

  3. 本田旗下 Acura 的超级跑车 NSX 可以说是各种最新汽车驱动技术的集合体

  4. 本田 Accord 插电式混合动力汽车的驱动系统属于最先进的 eCVT 混动系统,其结构在业内独树一帜。

  5. 本田生产 EV PlusFit EV 两款纯电动汽车,并将于2017年推出 Clarity Electric 纯电动汽车。

  6. 本田于2008年起生产 FCX Clarity 燃料电池汽车。该车拥有390公里最大行程。2015年时,本田向外界展示了其第二代燃料电池汽车 Clarity,该车将于2017年投放市场。

  7. 马格纳公司该专利的号码:US7552658

  8. 奥迪公司该专利的号码:DE102014004691A1

  9. 戴姆勒公司该专利的号码:DE102014013274A1

  10. Mack Trucks 公司该专利的号码:US2012/0160044A1

  11. D. Robinette, “Performance Characterization of a Triple Input Clutch, Layshaft Automatic Transmission Using Energy Analysis”, SAE Int. J. Engines, 2013。文章链接请点击

  12. 通用公司该专利的号码:US20140128212A1


新型汽车变速器 eCVT (二)

本文速读:

  • 中国的eCVT变速器研究仍然落后于美国和日本。

  • 随着近年来国内混合动力支持政策的实施,中国车企在eCVT混动变速器上已取得很大的进展。

  • 本文着重介绍了吉利与上汽自主研发的eCVT变速器的技术细节。

上一篇文章里我谈了丰田与通用公司的 eCVT 变速器及两个行业巨头在此领域的不同发展方向。这篇文章中,我们来看看中国车企在 eCVT 变速器领域的发展。

中国政府近年大力支持混合动力及电动汽车。在此环境下,国内车企着手自主研发混动变速器。各种新型动力系统及变速器在市场上快速涌现。

今天,中国在 eCVT 变速器上的研发与美国及日本相比仍相对落后,然而,有不少优秀的“中国造”变速器已经或即将投向市场。这一片文章中,我想来说说吉利和上汽的 eCVT 变速器。

吉利与GL-ESD

吉利在2014年北京车展时首次展示了帝豪Cross概念车。这辆代表着吉利未来发展方向的概念车搭载了一台1.8升自然吸气发动机及自主开发的 GL-ESD 混动变速器。吉利当时计划于2015年下半年1将该混动系统推向市场。然而由于混动系统开发的复杂性,直至今日,该系统仍在调试中。

吉利帝豪Cross概念车

图1:吉利帝豪Cross概念车 | 图片@吉利

吉利 GL-ESD 系统结构如图2所示。变速器最中间位置是一个拉维娜式(Ravigneaux)行星齿轮组。该齿轮组包括两个太阳轮(S)、两组行星轮(P)及一个齿圈(R),其中两组行星轮共用一个齿架,并与发动机(功率 101 kW)相连。两个电机(EM1 40 kW,EM2 64 kW)分别与两个太阳轮相连。变速器内共有两个制动器(B1及B2)用于换档。

吉利GL-ESD混动变速器结构

图2:吉利GL-ESD混动变速器结构 | 图片@obasic.net

GL-ESD 变速器通过这个看似简单的结构实现了3种驾驶模式

纯电动驱动模式:B1制动器锁止,B2制动器打开。发动机停止工作。汽车由EM1及EM2共同驱动。
吉利在其公布的资料中2指出该变速器共有3个纯电动驱动档位,其中B1制动器锁止所对应的档位为第一档。通过B2制动器锁止可获得第二个档位。将两个制动器全部打开,通过EM1及EM2的协同控制,可以实现第三个档位。然而,在第二及第三档时,发动机必须在停止工作的状态下提供扭矩,并随变速器一同旋转。因此在我看来,这两个档位虽然理论上可用,但在实际运用中较难实现。鉴于这个原因(也由于电动机的高转速范围),我估计吉利在量产车型中会放弃纯电动驱动的第二及第三档。

eCVT模式:B1及B2制动器全部打开。发动机及两个电机共同驱动汽车。通过调整电机的转速,变速器可以实现无级变速(eCVT)。
与GM的双模式变速器不同的是,吉利的 GL-ESD 系统在 eCVT 模式下只能实现复合式功率分流(compound-power-split),而无法实现输入式功率分流模式(input-power-split),因此该系统仍为单模式变速器。这也意味着汽车在起步时不能使用 eCVT 模式,而只能使用纯电动模式启动。在电池电量非常不足时,汽车或许无法起步。吉利在电池管理系统及整车控制策略中必然考虑到了这一情况。

并联混动模式:B1制动器开启,B2制动器锁止。EM1停止工作。发动机及EM2电机共同驱动汽车。
该驾驶模式与普通的P2混合动力系统很相似。发动机驱动汽车(变速器转速比约为1.46),EM2电机可根据驾驶情况为电池充电,或利用电池内电量为汽车提供额外的驱动力。

总的来说,吉利的 GL-ESD 系统是一个结构相对简单的混动系统。它的结构导致其在 eCVT 模式下只能实现复合式功率分流。这个系统是市场上第一个舍弃输入式分流而使用复合式分流的单模式 eCVT 变速器。在我看来,这样的结构限制了 GL-ESD 系统 eCVT 模式的可用范围,而且对油耗的提升帮助并不大。

要提到的另外一点是,GL-ESD 系统内,发动机通过一个扭转减振器与变速器直接相连。汽车在普通行驶时,扭转减振器可有效地减小由发动机传递给变速器的扭转振动。然而,当发动机启动时(例如汽车由纯电动模式转换至其它模式时),扭转减振器反而会将发动机的振动放大,再传递给变速器,最终传递至车轮。这意味着每次发动机启动时,驾驶员会感觉到较强的振动感。绝大多数 eCVT 变速器都有相似的问题(包括丰田普锐斯、通用双模变速器等)。为了减小发动机启动时的振动,丰田3与通用4公司各采用了自己的独特解决方法。吉利在 GL-ESD 变速器上采用的方法值得我们期待。

上汽与EDU

上汽集团为提高新能源研发能力于 2009年成立上海捷能汽车技术有限公司。在捷能公司下,上汽研发出拥有完全自主知识产权的电驱变速器,其名称为 EDU(Electric Drive Unit)智能电驱动单元。该变速器已安装在荣威e550荣威e950车型上。

上汽荣威e550车型

图3:上汽荣威e550车型 | 图片@上汽集团

在上汽公布的信息中,EDU 变速器共提供6种驾驶模式。这6种模式其实可以总结为4种模式:纯电动驱动模式、并联式混动模式、串联式混动模式以及怠速充电模式。

上汽的 EDU 的主要结构如下图所示。该变速器中包括两台电机及多个齿轮组。然而,为了避免与丰田及通用等公司专利的冲突,上汽在 EDU 中没有采用行星齿轮组,而是使用了圆柱齿轮结构5

上汽EDU混动变速器结构

图4:上汽EDU混动变速器结构 | 图片@obasic.net

如上图,EDU 的结构可以大致分为三个部分,每个部分之间由一个离合器(C1 和 C2)连接:

第一部分(图中左)为一台14千瓦的 ISG 电机(Integrated Starter Generator,即启动电机)。该电机直接与发动机的曲轴相连。其主要功能为为电池充电。当发动机需要启动时,ISG电机可迅速输出扭矩,带动发动机至目标转速。

第二部分(图中右)为一台26千瓦的 TM 电机(Traction Motor,即驱动电机)。该电机主要负责汽车的电驱动以及刹车时的能量回收。

第三部分为一个传统的两速的变速器。发动机及两个电机的扭矩在这里汇合,并传递至差速器。

EDU 变速器采用一个同步器选择第一或第二档,其传动比分别为1.912和1.021 (主减速比为 3.033)6,可以说是一般汽车内的第三和第五档。这意味着(由于发动机转速的限制)汽车在起步及慢速行驶时,发动机不能直接驱动汽车。此时,C1 离合器必须保持打开状态,C2 离合器关闭,汽车的驱动完全由 TM 电机负责,即电动行驶。

与上面谈到吉利的 GL-ESD 系统时一样,一个值得讨论的问题是,当电池电量几乎用完的时候汽车如何起步?上汽 EDU 系统的做法是转换至串联混动模式。此时 C1、C2 离合器都打开,发动机推动 ISG 电机发电,产生的电量传递至 TM 电机以驱动汽车。

串联混动模式的效率很低,一般说来,汽车驱动系统会避免在这个模式下运行。然而,在上汽公布的资料中,EDU 系统在 NEDC 循环中在50至100 km/h 的工况下都选择串联模式进行驱动7,如图5。让我感到不解的是,在串联模式的区域(黄色区域)中,在很多工况情况下(例如图中400秒处,汽车从75 km/h 加速至100 km/h)若采用并联模式驱动,驱动系统可以达到很高的效率。上汽在这里为何选择了效率较低的串联模式让我不得而知。今年9月份时,我将有幸参加上汽 EDU 变速器总负责人罗思东教授的一个报告,希望到时能向他请教。

上汽EDU混动变速器在NEDC循环中的模式选择

图5:上汽EDU混动变速器在NEDC循环中的模式选择 | 图片@上汽集团

总的来说,上汽的 EDU 是一个非常另类的 eCVT 变速器系统。这个系统可以看成是融合了串联式混动、并联式混动、两档 AMT 变速器的一个混合式系统。

EDU 的结构让我想起了大众2012年的 TwinDrive 系统以及本田2014年的 Accord Plug-in 系统。这两个系统在结构上都与上汽的 EDU 很相似,它们都融合了串联式混动、并联式混动的结构。然而大众的 TwinDrive 及本田的 Accord Plug-in 系统都只提供了一个档位。上汽的 EDU 通过2个档位增大了发动机直接驱动汽车的范围,但系统结构及控制更加复杂。

下一篇中,我会来谈谈一些其他国家的 eCVT 混动变速器。

注释:

  1. 出处:吉利公司官方网站报道:”吉利汽车混合动力技术驶入快车道”

  2. 吉利张彤博士于2014年9月在CTI上海论坛上做的报告:混合动力及插电式混合动力传动系统开发。

  3. 丰田:在发动机停止时,将发动机曲轴精确地停止到一个特定的旋转角度。发动机在该旋转角度再次启动时,发动机产生的振动可以达到最小。
    具体文章见:H. Hisada, “AISIN AW New Full Hybrid Transmission for FWD Vehicles”, SAE Technical Paper Series, 2005

  4. 通用:在扭转减速器内安装一个离合器(damper bypass clutch)。该离合器在正常驾驶时保持打开状态,扭转减速器此时正常工作。发动机启动时,该离合器关闭,扭转减速器被“短路”,从而避免放大发动机的振动。
    具体文章见:J. Hendrickson, “General Motors Front Wheel Drive Two-Mode Hybrid Transmission”, SAE Technical Paper Series, 2009

  5. 在自主研发 EDU 变速器中,上汽已申请并获得大量专利,例如:

    • US8727939 B2: Hybrid electric drive unit, hybrid drive system and control method thereof
    • US8701808 B2: Series/parallel dual motor multi-clutch hybrid driving unit for vehicle

  6. 出处:汽车之家报道:”自主研发核心科技 e550混动技术解析”

  7. 出处:上汽集团罗思东教授在2015年4月 TMC 会议上的报告:”上汽PHEV电驱变速箱总成”

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