多模式變速器（MMT）或混合動力專用變速器是混合動力變速器的一類新品種，其功能僅僅是將內(nèi)燃機與一個或多個電機組合起來。在德國經(jīng)濟和能源部推動的一項聯(lián)合計劃中，GKN公司與東威斯特法侖-利普（Ostwestfalen-Lippe）大學共同合作開發(fā)出了一種用于插電式混合動力車的高效MMT方案。在已進行的試驗臺試驗基礎(chǔ)上，該方案在投入批量生產(chǎn)之前又進行了進一步開發(fā)。

1 混合動力變速器的定義

與常規(guī)的混合動力變速器相比，多模式變速器（MMT）的優(yōu)點除了結(jié)構(gòu)簡單之外，還能在整個車速范圍內(nèi)將內(nèi)燃機與電機通過最優(yōu)組合從而實現(xiàn)高效行駛，此外還能通過無級變速器（連續(xù)可變變速器，CVT）的變速檔位使內(nèi)燃機與電機可實現(xiàn)最優(yōu)連接以獲得最佳的起步加速性能，并能使內(nèi)燃機在運行效率更高的負荷工況點下運行。

與目前用于插電式混合動力車（PHEV）和電動增程式汽車（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（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提高了效率、緊湊性和行駛里程，MMT以其優(yōu)點和性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有的動力傳動方案。

2 方案開發(fā)

2013年以來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)。市場上首款Outlander插電式混合動力SUV批量裝備了GKN公司提供的單速比多模式變速器，這種動力傳動系統(tǒng)最初由前橋上的傳動單元組成，其由87 kW的內(nèi)燃機、60 kW的電機以及75kW的發(fā)電機組合而成，后來該車又裝備了由另一臺60 kW電機驅(qū)動的后橋，兩臺電機由同一個容量為12 kW·h的常規(guī)蓄電池供電。

目前該項目的目標是開發(fā)一個前置變速器，其以相同的電驅(qū)動功率為最終用戶提供更好的行駛動力性能而無需附加額外的發(fā)電機組，因此考慮采用一臺功率為120 kW的電機用于實現(xiàn)電驅(qū)，從而與對比車輛（比較基準）的電功率相匹配。這種電機在CVT模式下，即使在行駛期間也能用于為蓄電池充電，這樣就能省掉一個附加發(fā)電機。盡管必須對目標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)計任務(wù)書的主要需求：

（1）內(nèi)燃機驅(qū)動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，同時進行最高負荷充電和牽引掛車時，行駛車速至少為50 km/h（即使在蓄電池虧空情況下）；

（3）設(shè)計時同樣要考慮到一些特殊情況，例如在街道邊石邊棱上起步、倒車或在停車場進入空車位等情況下。

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行星齒輪組組成，由第一個行星齒輪組形成內(nèi)燃機與電機之間的CVT連接，接著由第二個行星齒輪組實現(xiàn)兩檔換擋功能。通過這種換擋方式分兩次實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)計和布置也適合于所有其他車型等級和結(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級由一個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)燃機與電機進行連接，為此所必需的同步過程通過電機來確保。電動CVT（eCVT）模式下則可由內(nèi)燃機實現(xiàn)驅(qū)動力強大的起步加速過程，從而無需串聯(lián)運行或單獨的起步加速離合器。

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

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

為了變換兩個檔位從而應(yīng)用了2個通過常規(guī)液壓操縱的摩擦片組，其中用于第一檔的被設(shè)計成制動器，而用于第二檔的則被設(shè)計成離合器。傳動過程以常規(guī)的方式由1個開放式差速器來實施。總體而言，為了整個系統(tǒng)（包括位于內(nèi)燃機與電機之間的起步加速離合器在內(nèi)的裝置系統(tǒng)）的有效運行，需配備3個離合器和1個制動器。以下的運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)電機模式運行直至約26 km/h時；

（2）CVT 2：以發(fā)電機模式運行至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：高效電動車（EV）運行直至Vmax=205 km/h；

（5）并聯(lián)運行 1：以內(nèi)燃機模式行駛并通過電驅(qū)系統(tǒng)助力使車速達到約90 km/h；

（6）并聯(lián)運行 2：以內(nèi)燃機模式行駛并通過電驅(qū)系統(tǒng)助力使車速達到約170 km/h。

作為方案設(shè)計階段的結(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，其中全面滿足了項目中所提出的要求。為了顯示出比基準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基準車輛各自具備的最大牽引力曲線，可觀測到牽引力得以顯著提高，因此在行駛時可察覺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）

與基準車輛（b）的比較

3 實施和試驗

在該項目中，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)目前已在計算機上進行過模擬試驗。為了驗證項目效果，在3個發(fā)動機試驗臺上分別在40 ℃和80 ℃變速器油溫度（在油池中測量）下進行了相應(yīng)的效率試驗，其中3個試驗臺電機模擬、電機和差速器輸出端驅(qū)動軸如圖4所示。

圖4 具有差速器、電動機和內(nèi)燃機等

電模擬部件和變速器試驗件的

試驗臺布置狀況

效率試驗的結(jié)果是由東威斯特法侖-利普大學（HS OWL）在整個系統(tǒng)的計算機模擬過程中得到的，并考慮進一步優(yōu)化的運行策略。因為必須開發(fā)用于各類行駛狀況的運行策略，因此首先確定了更加切合實際的行駛譜，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，在長約190 km的整個行駛路線中用該輛測量車查明用于負荷譜的各類所需數(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)指標進行新一輪的開發(fā)工作。

為了保持對標性，不僅為基準車輛而且也為PHEVplus車輛模擬不同的行駛循環(huán)，并用這些運行策略根據(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荷和不考慮節(jié)油的負荷之外，負荷譜成為設(shè)計和確定變速器構(gòu)件尺寸的基礎(chǔ)。

4 試驗結(jié)果

由于可供使用的行駛模式各不相同，試驗結(jié)果不能直接與基準車輛進行一對一的比較。對比車輛總共具有3種運行狀態(tài)：EV運行模式、并聯(lián)運行模式和串聯(lián)運行模式。在串聯(lián)運行模式中內(nèi)燃機僅驅(qū)動發(fā)電機，因此其所發(fā)出的電不僅可用于驅(qū)動汽車而且為蓄電池充電。串聯(lián)運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變速器與對比車輛之間能直接進行運行模式的比較，為此僅考慮EV和并聯(lián)運行模式。該兩類運行模式下的最高效率幾乎是一樣的，其中在基準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，但是在所有運行工況點上均已達到了較高的效率。

為了進行系統(tǒng)間的比較，除了實際使用的變速器之外，還必須一并考慮其各自的運行策略，同時使開發(fā)能量效率盡可能高的運行策略也是該項目研究的重點目標。基本上應(yīng)用了2種普通的運行策略，其中第一種所謂的“最佳”運行策略總是選擇在行駛循環(huán)每個階段變速器動力學模式處于效率最高的運行狀態(tài)下。

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

圖5和圖6所示的最終燃油耗計算結(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”運行策略的基準車輛和采用該項目所開發(fā)的“最佳”運行策略的PHEVplus車輛模擬所計算出來的，其中已查明在考慮到變速器損失的情況下能實現(xiàn)節(jié)油達11.6%，因此超額完成了項目目標。雖然知道其中“最佳”運行策略肯定尚無法成為在一輛可能的試驗車輛上最終決定的運行策略，但是其是在目前項目狀態(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

該項目在國內(nèi)外的各種不同國際性會議和博覽會上公開介紹以后，已引起了多家汽車制造商的關(guān)注，而對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具有更高的靈活性。

即使由于增添了附加功能而相對于量產(chǎn)變速器增加了變速器的復(fù)雜性和成本，但是通過取消發(fā)電機已明顯節(jié)省了傳動裝置的成本和質(zhì)量。目前各大廠商對通常稱之為混合動力專用變速器（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。