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【刻板】丰田搀杂动力发起机变快器(ECVT)的作

发布时间:2021-09-29 文章来源:欧宝电竞在线登录 作者:admin

  THS(ToyotaHybrid System)的核心部件--混合动力变速器--ECVT的工作原理。很可惜的是各大汽车网站对ECVT原理的介绍都非常简单,常常以“行星齿轮和电动机相结合”一句话带过,咱们普通人很难理解,直到看到了这篇文章。这篇文章很长,坚持看完要有耐心,而且,说话很绕,很是符合洋人文章的特点,说实话,看完第一遍,我没看懂,再看一遍,还是没懂。很幸运的是我实在xitek汽车论坛看到的这篇文章,并把我的疑惑向几位懂机械的泡菜请教,在泡菜们耐心热情的讨论和指导下,现在终于对ECVT的原理“略懂”

  。回头再看这篇文章,会觉得虽然又啰唆又绕,看着很累,但的确非常详细并且精准!希望对原理有兴趣的童鞋都仔细看看这篇文章

  当你完全看明白后,你会发现这个齿轮设计真简单,对!是很简单,但我们的汽车工业里却没有

  设计出来!我们就是缺乏创造力!因为丰田的这种专为油电混合动力的变速器申请了专利,我们的油电混合动力技术就不可能使用这样高效的转换方法,所以包括德美在内也无法使用这样先进的技术(也可以购买专利后用在自己的车上,但无法与丰田在混合动力上竞争)现在就是这样在混合动力上丰田一家独大。

  1、普瑞斯上的“电子控制无级变速器”与其它量产的无级变速器工作原理完全不同。其差别之大,可以说称之为无级变速器都是一种误导。(先定调,ECVT不是CVT,同时也不要把THS理解为电动机+CVT,那是本田IMA,不是THS)

  2、在低速时,普瑞斯的传动系统并不会提高内燃机的扭矩,这是因为它只有一个齿比。其实,内燃机是与车轮联接的,就好像始终挂在最高速档位上一样。(一开始我也被这个“好像始终挂在最高速档位上一样”迷惑住了,认为如果发动机和驱动轮和发动机是没有经过离合器且只有一个档,那么车轮的转速和发动机的转速关系应该是固定的,怎么会出现发动机嗡嗡的转,而车子走得很慢,甚至停止的状况呢?没关系,后面会有解答,耐心看文章就好)如果没有一台强有力的电动机向内燃机提供额外动力的的话,这会是一种严重的缺陷。由于有一台电动机提供了相当大的扭矩,人们才会说普瑞斯好像始终挂在一档上那样动力十足。

  3、普瑞斯传动系统的核心部件是一套丰田公司称为“动力分配器”的行星齿轮组。行星齿轮安装在行星齿轮座圈上的行星齿轮轴上,行星齿轮座圈与恒星齿轮围绕着同一个轴心旋转。与真实的行星不同的是,行星齿轮大小相同,与旋转轴心的距离也相同。这些行星齿轮被一个齿向内的圆环包围和驱动,这个圆环叫做“外齿圈”。外齿圈也和其它齿轮一样围绕同一个轴心旋转。(这段介绍行星齿轮机构的构成,我找了一个视频,可以直观的看到行星齿轮这个机构是如何运作的)

  4、普瑞斯的内燃机与行星齿轮座圈相联。当内燃机转动时,行星齿轮与中心齿轮和外齿圈咬合并推动二者向同一方向旋转。通过对中心齿轮和外齿圈大小的精心设置(当然还包括齿数的设定),丰田公司把72%的扭矩(实际上是2.6除以3.6的值)分配给了外齿圈,把28%的扭矩传给了恒星齿轮。获得了大部分扭矩的外齿圈,通过普通的减速齿轮联接到差速器,然后再联接到车轮。内燃机就是这样推动普瑞斯的。获得小部分扭矩的恒星齿轮则与一台既是电动机又是发电机的电机相联,我们称这台电机为1号电机。

  内燃机带动行星齿轮座圈,行星齿轮座圈又带动恒星齿轮,使1号电机旋转起来。内燃机就是这样以其72%的扭矩驱动普瑞斯,并以其28%的扭矩推动1号电机发电的。(介绍THS系统中,发动机、1号电机、驱动轮与ECVT的连接关系,有图有真相,没图说杰宝)

  6、齿轮组就是这样,像无级变速器一样调节内燃机转速的。对某一车速,车载计算机会求出外齿圈的转速有多快。根据普瑞斯的动力需求,车载计算机就确定需要内燃机达到什么转速。接着,它再解算一个简单的公式,求出1号电机应旋转多快。然后,它就调节取自1号电机的电力(应该是通过调节1号电机的励磁电流),使内燃机加速或减速。上面这些动作都不会改变这样一个事实,即内燃机72%的扭矩是用来推动车轮的。哪怕车轮没有转动,扭矩仍然施加在车轮上。由于内燃机能以这种方式将普瑞斯从静止状态开动起来,我们就用不着离合器或者扭矩转换器(指自动变速器的液力变扭器)了,实际上也就淘汰了既容易磨损、又十分笨重的传动装置。

  (还是以差速器的概念来看ECVT,就不难理解为什么没有ECVT没有离合器了)

  7、另一个电动、发电两用电机,2号电机是与动力分配器的外齿圈相联的。 2号电机对来自内燃机-动力分配器的扭矩补充更多的扭矩。所以,本来似乎要被浪费掉的动力,绕过了动力分配器,通过电气回路,最终还是用来推动车轮。外齿圈和2号电机一起通过减速齿轮和差速器(这里是指车轮上的真正的差速器)来推动普瑞斯。

  功率=扭矩×转速),所以通过机械和电气回路的动力各自有多少,取决于1号电机和外齿圈的相应转速。你也许会听到有人说,内燃机的72%的动力直接传给了车轮,28%的动力变成了电力,但这是不正确的。扭矩是按上面的比例分配的,但动力的分配是可变的(相同功率下,扭矩小的转得快,扭矩大的转得慢)。由于内燃机和车轮之间的齿比不能改变,在低车速时,我们就无法提高内燃机的扭矩来实现急加速。如果内燃机转速为2000转分,普瑞斯缓慢前行,这时来自内燃机的大部分动力都会传给1号电机。其实,如果普瑞斯停着不动的线%的扭矩,但它却获得了所有的动力!(太阳轮带动1号电机转得飞快!)在起步加速过程中,只有大约五分之一的内燃机扭矩直接来自机械回路(估计意思是说

  驱动轮上获得的扭矩大约只有1/5来自机械回路,另外4/5是由电机补充的)。随着车速的进一步提高,1号电机需要越来越多的动力来维持其扭矩,很快就会达到它的动力操控极限(又是这种看似直白实则难以理解的表述!估计意思是随着车速(齿圈转速)的增加,连接太阳轮的1号电机的转速下降,因而1号(发)电机直接输出给2号电(动)机功率下降了)。而普瑞斯还有强大的2号电机,它可以使普瑞斯保持合理的加速度。

  但额外的电力是从哪里来的呢?答案当然是电池组。1号电机并不像我们想象的那样直接向2号电机供电。电子控制装置里有个逆变器,它与电池组的端子相连,会把1号电机发出的交流电变成数百伏的直流电。2号电机的一个逆变器则从电池组取得所需的电力驱动2号电机来给普瑞斯加速。如果1号电机发的电力不能满足2号电机的需要,电力的缺口则由电池组来弥补。如果普瑞斯已经达到了所需的速度,1号电机的发出的多余电力则流进电池组补充电力。普瑞斯车重1300公斤,本来需要100多马力的内燃机和步进式传动装置,而有了这种“电池助力”,只用70多马力的内燃机,不用步进式变速箱,还是获得了满意的加速度。(这里描述了THS另外一个重要部件--电池的作用)

  当你完全看明白后,你会发现这个齿轮设计真简单,对!是很简单,但我们的汽车工业里却没有

  设计出来!我们就是缺乏创造力!因为丰田的这种专为油电混合动力的变速器申请了专利,我们的油电混合动力技术就不可能使用这样高效的转换方法,所以包括德美在内也无法使用这样先进的技术(也可以购买专利后用在自己的车上,但无法与丰田在混合动力上竞争)现在就是这样在混合动力上丰田一家独大。

  下面我们再来解读一下各种情况下一号电机、二号电机和汽油机在行星齿轮组的协调下同?共济的情形。充分发挥一下你的想象力吧(我假定前面两篇帖子你已经看过):

  松开刹车,二号电机(车轮)利?一号电机发出的电能开始旋转,带动车轮(齿圈)开始正向转动,起初,齿圈的旋转速度低于行星座(汽油机)的转速,四个行星齿轮仍旧反转,所以汽油机仍然只能带动一号电机发电,不能推动车轮。这时完全由二号电机以无级变速方式推动普锐斯。

  随着齿圈的正向转动速度的加快,四个行星齿轮反向自转的速度逐渐下降,当齿圈转速与行星座相同时,行星齿轮的自转停?,只剩下公转,这时行星座(汽油机)启动,通过四个已经不再自转的行星齿轮,同时推动齿圈(车轮)和太阳轮(一号电机),一号电机继续向二号电机供电并通过PCU向动力电池充电。以下是示意图。

  对此,我的解读是:这个汽油机的介入点正是汽油机进入经济运行区间的起点。这时,车速,也就是齿圈(车轮)的转速是由二号电机(齿圈)与汽油机?行星座)共同决定的,并不是只由二号电机一家决定的。你踩油门的力度不仅提高了PCU的输出电压,影响了二号电机(齿圈)的转速,还增加了向汽油机的供油,提高了汽油机(行星座)的转速。这里有一条重要的原则,普锐斯加速时,齿圈与行星座必须同步转动。二号电机(齿圈)转速由PCU提供无级调控,而汽油机(行星座)转速的调控是通过行车电脑指令增加(减少)供油实现的。加速过程中,齿圈的转速出现高于行星座的转速倾向时,会使行星齿轮开始正向自转,增加汽油机(行星座)旋转的阻力,而汽油机的传感器感知后,会通知行车电脑指令加大油门?提高汽油机转速,使行星座再次与齿圈同步。这个过程是自动的,与我们踩油门的深度无关。反之亦然。

  匀速行驶时,普锐斯只需要克服各种阻力,对动力和扭矩的需求大大降低,油门放松(注意,不是放开)后,汽油机转速下降,二号电机推动齿圈(车轮)的转速便高于行星座(汽油机)的转速。这时,四个行星齿轮开始正向自转。这种正向自转会?动太阳轮(一号电机)反转。以下是示意图。

  但是这里出现了问题:行星座(汽油机?要通过四个行星齿轮推动齿圈(车轮),其前提是必须对行星齿轮施加一个反向力矩(不让行星齿轮随意自转)。而能够提供这个反向力矩的只能是一号电机(太阳轮)。油门放松以后,一号电机已经在反转了。如果它是处在从动状态(被行星齿轮推着转),反向力矩?何而来呢?如果行星齿轮没有了反向力矩,汽油机(行星座)的?动将不会推动齿?(车轮),而是会把所有的动力施加给太阳轮,使一号电机狂转,而车轮(齿圈)反而失去推动力。为了提供反向力矩,这时必须给一号电机通电,使它工作在电动机模式,使太阳轮主动反向旋转,去推动行星齿

  这样一来,一号电机和二号电机都工作在电动机模式,要不了几分钟,动力电池电量耗尽,普锐斯就会趴在路上动不了窝。有人可能会说,还有汽油机?工作呢。汽油机确实在工作,但是,前面已经说过,汽油机(行星座)要想推动?圈(车轮),必须由一号电机给它的行星齿轮施加反向力矩。现在没电了,一号电机动不了,反向力矩也没有了。这时汽油机的工作只能是带动一号电机给动力电池充电,把电充上再接着开。但是,你能允许普锐斯开开停停吗?

  丰田的技术人员解决这个问题的办法是,在匀速行驶状态,由行车电脑指令二号电机工作在发电机模式,给一号电机供电,由一号电机(太阳轮)作为电动机推动行星齿轮,由行?齿轮推动齿圈(车轮),形成汽油机与一号电机共同推动普锐斯的局面。这种情形与加速时的情形相好相反。这样普锐斯的动力电池就不会没电了。

  这一切都电子无级变速系统的杰作。实际上,加速和匀速行驶是在不断切换的,深踩油门和放松油门就会导致PCU里的电压变换器调整电压,逆变器调整电流相位,瞬间改变电机的输出功率、旋转方向,切换两台电机的功能。电子控制的无级变速ECVT的这些性能绝不是钢带式的CVT所能比拟的。

  从这张示意图上可以看到,齿圈(2号电机)是反转的。PCU只要根据电脑指令,改变逆变器输出的三相交流电的相位就可以让2号电机反转了。

  齿圈(2号电机)的反转带动4个行星齿轮反转,行星齿轮又带动太阳轮(1号电机)正转(空转)。而这时行星座(汽油机)是不转的。这是在动力电池电量充足的情况下运行的状态。如果倒车时动力电池电量不足,汽油机会启动,行星座开始正转(由于汽油机只能正转,所以行星座永远是正转的)。但行星座的正转?不影响齿圈(2号电机)的反转,也不影响太阳轮(1号电机的正转),这是4个行星齿轮的功劳。由于汽油机启动了,这时1号电机以发电机模式工作,向动力电池充电。

  现在我们可以做一个总结了。普锐斯是电子控制无级变速实际上有两个层次:第一个层次是控制车速的无级变速,主要由行车电脑、PCU和两台电机来实现;第二个层次是内部工作方式的无级变速,即两台电机和汽油机之间不同转速和不同旋转方向之间的无级变速,除了电子系统的调节以外,还利用了行星齿轮组类似差速器的特点,让1号电机、2号电机、汽油机各自以任意速度和不同方向旋转,互不干扰,而且既不要变速箱,也不要离合器。

  这一切都电子无级变速系统加上行星齿轮组的杰作。电子控制的无级变速ECVT的这些性能绝不是钢带式的无级变速CVT所能比拟的,也不会出现钢带式CVT那种“打滑”的感觉。

  雷克萨斯CT200可以说是换了马甲的普锐斯3代,这里的解读大概也适用于CT和凯美瑞。

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