多模式變速器（MMT）或混合動(dòng)力專用變速器是混合動(dòng)力變速器的一類新品種，其功能僅僅是將內(nèi)燃機(jī)與一個(gè)或多個(gè)電機(jī)組合起來(lái)。在德國(guó)經(jīng)濟(jì)和能源部推動(dòng)的一項(xiàng)聯(lián)合計(jì)劃中，GKN公司與東威斯特法侖-利普（Ostwestfalen-Lippe）大學(xué)共同合作開發(fā)出了一種用于插電式混合動(dòng)力車的高效MMT方案。在已進(jìn)行的試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，該方案在投入批量生產(chǎn)之前又進(jìn)行了進(jìn)一步開發(fā)。

1 混合動(dòng)力變速器的定義

與常規(guī)的混合動(dòng)力變速器相比，多模式變速器（MMT）的優(yōu)點(diǎn)除了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單之外，還能在整個(gè)車速范圍內(nèi)將內(nèi)燃機(jī)與電機(jī)通過(guò)最優(yōu)組合從而實(shí)現(xiàn)高效行駛，此外還能通過(guò)無(wú)級(jí)變速器（連續(xù)可變變速器，CVT）的變速檔位使內(nèi)燃機(jī)與電機(jī)可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)連接以獲得最佳的起步加速性能，并能使內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)行效率更高的負(fù)荷工況點(diǎn)下運(yùn)行。

與目前用于插電式混合動(dòng)力車（PHEV）和電動(dòng)增程式汽車（REEV）的變速器相比，本文所介紹的由GKN公司與東威斯特法侖-利普（Ostwestfalen-Lippe）大學(xué)（HS OWL）共同合作開發(fā)的變速器方案,其在改善行駛功率和用戶效益的同時(shí)提高了效率、緊湊性和行駛里程，MMT以其優(yōu)點(diǎn)和性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有的動(dòng)力傳動(dòng)方案。

2 方案開發(fā)

2013年以來(lái)GKN公司批量生產(chǎn)的用于日本三菱公司Outlander（2001年春季生產(chǎn)的SUV汽車品牌名）PHEV的多模式變速器成為新款產(chǎn)品開發(fā)的基礎(chǔ)。市場(chǎng)上首款Outlander插電式混合動(dòng)力SUV批量裝備了GKN公司提供的單速比多模式變速器，這種動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)最初由前橋上的傳動(dòng)單元組成，其由87 kW的內(nèi)燃機(jī)、60 kW的電機(jī)以及75kW的發(fā)電機(jī)組合而成，后來(lái)該車又裝備了由另一臺(tái)60 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)的后橋，兩臺(tái)電機(jī)由同一個(gè)容量為12 kW·h的常規(guī)蓄電池供電。

目前該項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)前置變速器，其以相同的電驅(qū)動(dòng)功率為最終用戶提供更好的行駛動(dòng)力性能而無(wú)需附加額外的發(fā)電機(jī)組，因此考慮采用一臺(tái)功率為120 kW的電機(jī)用于實(shí)現(xiàn)電驅(qū)，從而與對(duì)比車輛（比較基準(zhǔn)）的電功率相匹配。這種電機(jī)在CVT模式下，即使在行駛期間也能用于為蓄電池充電，這樣就能省掉一個(gè)附加發(fā)電機(jī)。盡管必須對(duì)目標(biāo)車輛的效率和行駛功率提出更高的要求，但是還要滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的主要需求：

（1）內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)模式下的行駛最高車速至少為170 km/h；

（2）在坡度為12%的坡道上行駛，同時(shí)進(jìn)行最高負(fù)荷充電和牽引掛車時(shí)，行駛車速至少為50 km/h（即使在蓄電池虧空情況下）；

（3）設(shè)計(jì)時(shí)同樣要考慮到一些特殊情況，例如在街道邊石邊棱上起步、倒車或在停車場(chǎng)進(jìn)入空車位等情況下。

圖1示出了這種變速器的最終方案。這種方案基本上由兩個(gè)行星齒輪組組成，由第一個(gè)行星齒輪組形成內(nèi)燃機(jī)與電機(jī)之間的CVT連接，接著由第二個(gè)行星齒輪組實(shí)現(xiàn)兩檔換擋功能。通過(guò)這種換擋方式分兩次實(shí)施即可提供所有的行駛模式，在該類變速器中采用常規(guī)液壓操縱的爪齒離合器和片式離合器作為換擋器件。圖2示出了上述所介紹的組成部分，這種變速器零部件的設(shè)計(jì)和布置也適合于所有其他車型等級(jí)和結(jié)構(gòu)空間。

圖1 MMT變速器方案及其換擋圖

圖2 MMT變速器剖視圖

CVT級(jí)由一個(gè)可用液壓操縱的爪齒離合器鎖定的行星齒輪組組成，其可將內(nèi)燃機(jī)與電機(jī)進(jìn)行連接，為此所必需的同步過(guò)程通過(guò)電機(jī)來(lái)確保。電動(dòng)CVT（eCVT）模式下則可由內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)大的起步加速過(guò)程，從而無(wú)需串聯(lián)運(yùn)行或單獨(dú)的起步加速離合器。

此外，兩種電動(dòng)CVT（eCVT）模式在較低車速范圍內(nèi)提供了這兩種可能性：使電機(jī)以發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行為蓄電池充電；或者在整個(gè)行駛速度范圍內(nèi)可提供助力功能。鎖定eCVT行星齒輪組，從不斷開CVT模式進(jìn)行換擋到并聯(lián)運(yùn)行模式。除了電助力、發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行可為蓄電池充電和回收制動(dòng)能量之外，在這個(gè)模式運(yùn)行中還能通過(guò)調(diào)整運(yùn)行工況點(diǎn)使內(nèi)燃機(jī)以更高效率運(yùn)行。

這種變速器的檔位變換由另一組行星齒輪組實(shí)現(xiàn)兩檔分別為2.0和1.0的兩種傳動(dòng)比，這樣的檔級(jí)跨度是圍繞優(yōu)化燃油耗進(jìn)行廣泛模擬試驗(yàn)而得到的結(jié)果，并且能通過(guò)上述檔級(jí)行星齒輪的設(shè)計(jì)以獲得最佳的運(yùn)行效果。如果容許差別不大的檔級(jí)跨度及其對(duì)最高效率帶來(lái)的輕微損失的話，那么換檔也能采用成本較為低廉的行星齒輪組來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為了變換兩個(gè)檔位從而應(yīng)用了2個(gè)通過(guò)常規(guī)液壓操縱的摩擦片組，其中用于第一檔的被設(shè)計(jì)成制動(dòng)器，而用于第二檔的則被設(shè)計(jì)成離合器。傳動(dòng)過(guò)程以常規(guī)的方式由1個(gè)開放式差速器來(lái)實(shí)施?？傮w而言，為了整個(gè)系統(tǒng)（包括位于內(nèi)燃機(jī)與電機(jī)之間的起步加速離合器在內(nèi)的裝置系統(tǒng)）的有效運(yùn)行，需配備3個(gè)離合器和1個(gè)制動(dòng)器。以下的運(yùn)行模式可供選擇使用：

（1）CVT 1:起步加速，在蓄電池虧空以及發(fā)電機(jī)模式運(yùn)行直至約26 km/h時(shí)；

（2）CVT 2：以發(fā)電機(jī)模式運(yùn)行至53 km/h以及助力至約Vmax=220 km/h；

（3）EV 1：起步加速以及Vmax=140 km/h；

（4）EV 2：高效電動(dòng)車（EV）運(yùn)行直至Vmax=205 km/h；

（5）并聯(lián)運(yùn)行 1：以內(nèi)燃機(jī)模式行駛并通過(guò)電驅(qū)系統(tǒng)助力使車速達(dá)到約90 km/h；

（6）并聯(lián)運(yùn)行 2：以內(nèi)燃機(jī)模式行駛并通過(guò)電驅(qū)系統(tǒng)助力使車速達(dá)到約170 km/h。

作為方案設(shè)計(jì)階段的結(jié)果，圖3（a）牽引力曲線圖示出了所有行駛模式可供使用的驅(qū)動(dòng)軸所能提供的最大牽引力以及可能的行駛速度范圍，其中全面滿足了項(xiàng)目中所提出的要求。為了顯示出比基準(zhǔn)車輛更好的行駛功率，從圖3（b）中可看到裝備量產(chǎn)變速器和新開發(fā)變速器方案的MMT/PHEVplus基準(zhǔn)車輛各自具備的最大牽引力曲線，可觀測(cè)到牽引力得以顯著提高，因此在行駛時(shí)可察覺(jué)到其加速能力已得以大幅改善，并且其最高車速能從目前的170 km/h提高到220 km/h。

圖3 PHEVplus變速器牽引力曲線圖（a）

與基準(zhǔn)車輛（b）的比較

3 實(shí)施和試驗(yàn)

在該項(xiàng)目中，不但行駛功率有所提高，還附加降低了約10%的燃油耗，該數(shù)據(jù)目前已在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行過(guò)模擬試驗(yàn)。為了驗(yàn)證項(xiàng)目效果，在3個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上分別在40 ℃和80 ℃變速器油溫度（在油池中測(cè)量）下進(jìn)行了相應(yīng)的效率試驗(yàn)，其中3個(gè)試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)模擬、電機(jī)和差速器輸出端驅(qū)動(dòng)軸如圖4所示。

圖4 具有差速器、電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)等

電模擬部件和變速器試驗(yàn)件的

試驗(yàn)臺(tái)布置狀況

效率試驗(yàn)的結(jié)果是由東威斯特法侖-利普大學(xué)（HS OWL）在整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬過(guò)程中得到的，并考慮進(jìn)一步優(yōu)化的運(yùn)行策略。因?yàn)楸仨氶_發(fā)用于各類行駛狀況的運(yùn)行策略，因此首先確定了更加切合實(shí)際的行駛譜，并且已由一輛（類似的）汽車開始行駛擬定，并盡可能可將行駛譜記錄下來(lái)，在長(zhǎng)約190 km的整個(gè)行駛路線中用該輛測(cè)量車查明用于負(fù)荷譜的各類所需數(shù)據(jù)，緊接著將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用于模擬開發(fā)各種不同的運(yùn)行策略，查明其各自所產(chǎn)生的燃油耗，再用所獲得的數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行新一輪的開發(fā)工作。

為了保持對(duì)標(biāo)性，不僅為基準(zhǔn)車輛而且也為PHEVplus車輛模擬不同的行駛循環(huán)，并用這些運(yùn)行策略根據(jù)基本類似的規(guī)律性行駛。除了設(shè)想的不同檔位的正常負(fù)荷和不考慮節(jié)油的負(fù)荷之外，負(fù)荷譜成為設(shè)計(jì)和確定變速器構(gòu)件尺寸的基礎(chǔ)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

由于可供使用的行駛模式各不相同，試驗(yàn)結(jié)果不能直接與基準(zhǔn)車輛進(jìn)行一對(duì)一的比較。對(duì)比車輛總共具有3種運(yùn)行狀態(tài)：EV運(yùn)行模式、并聯(lián)運(yùn)行模式和串聯(lián)運(yùn)行模式。在串聯(lián)運(yùn)行模式中內(nèi)燃機(jī)僅驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，因此其所發(fā)出的電不僅可用于驅(qū)動(dòng)汽車而且為蓄電池充電。串聯(lián)運(yùn)行模式雖然一方面可提供不依賴于外部充電的技術(shù)可能性，但是另一方面也隨之降低了效率。

為了PHEVplus變速器與對(duì)比車輛之間能直接進(jìn)行運(yùn)行模式的比較，為此僅考慮EV和并聯(lián)運(yùn)行模式。該兩類運(yùn)行模式下的最高效率幾乎是一樣的，其中在基準(zhǔn)車輛上其最小值與最大值之間的差距較大，而在PHEVplus車輛上雖然最大值略有降低，但是在所有運(yùn)行工況點(diǎn)上均已達(dá)到了較高的效率。

為了進(jìn)行系統(tǒng)間的比較，除了實(shí)際使用的變速器之外，還必須一并考慮其各自的運(yùn)行策略，同時(shí)使開發(fā)能量效率盡可能高的運(yùn)行策略也是該項(xiàng)目研究的重點(diǎn)目標(biāo)?；旧蠎?yīng)用了2種普通的運(yùn)行策略，其中第一種所謂的“最佳”運(yùn)行策略總是選擇在行駛循環(huán)每個(gè)階段變速器動(dòng)力學(xué)模式處于效率最高的運(yùn)行狀態(tài)下。

第二種“以調(diào)節(jié)為基礎(chǔ)的”運(yùn)行策略能使變速器模式以令人滿意的調(diào)節(jié)來(lái)運(yùn)行,在這種情況下更為重要的是試驗(yàn)需要多長(zhǎng)時(shí)間在電驅(qū)模式下行駛直至蓄電池充電已達(dá)到某個(gè)閾值為止，然后車輛根據(jù)車速以最優(yōu)的并聯(lián)模式或以CVT行駛方式運(yùn)行。

圖5和圖6所示的最終燃油耗計(jì)算結(jié)果與WLTP行駛循環(huán)有關(guān)，其是由采用真正“以調(diào)節(jié)為基礎(chǔ)的”運(yùn)行策略的基準(zhǔn)車輛和采用該項(xiàng)目所開發(fā)的“最佳”運(yùn)行策略的PHEVplus車輛模擬所計(jì)算出來(lái)的，其中已查明在考慮到變速器損失的情況下能實(shí)現(xiàn)節(jié)油達(dá)11.6%，因此超額完成了項(xiàng)目目標(biāo)。雖然知道其中“最佳”運(yùn)行策略肯定尚無(wú)法成為在一輛可能的試驗(yàn)車輛上最終決定的運(yùn)行策略，但是其是在目前項(xiàng)目狀態(tài)下能表明新開發(fā)變速器可獲得最優(yōu)潛力的運(yùn)行策略。

圖5 PHEVplus變速器（有損耗）與Otelander變速器（理想）

WLTP行駛循環(huán)燃油耗比較（模擬結(jié)果）

圖6 PHEVplus變速器與Outlander變速器在

WLTP行駛循環(huán)中有損耗的

和理想的燃油耗比較（模擬結(jié)果）

5 結(jié)論和展望

該項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)外的各種不同國(guó)際性會(huì)議和博覽會(huì)上公開介紹以后，已引起了多家汽車制造商的關(guān)注，而對(duì)新款變速器方案中的功能結(jié)構(gòu)組件的持續(xù)調(diào)整又確保了其在與用戶車型匹配時(shí)具有更高的靈活性。

即使由于增添了附加功能而相對(duì)于量產(chǎn)變速器增加了變速器的復(fù)雜性和成本，但是通過(guò)取消發(fā)電機(jī)已明顯節(jié)省了傳動(dòng)裝置的成本和質(zhì)量。目前各大廠商對(duì)通常稱之為混合動(dòng)力專用變速器（DHT）和新開發(fā)的GKN多模式變速器方案的關(guān)注度也在日益提升，目前可期盼其不久即能投放市場(chǎng)。