福特蒙迪歐混合動力汽車變速器動力傳遞解析

◆文/遼寧 張憲輝

張憲輝 (本刊編委會委員)

1996年哈爾濱工業大學汽車設計與制造專業碩士畢業。畢業后在大連交通運輸集團汽車修配廠從事汽車維修工作12年，先后擔任工程師、技術副廠長、總工程師等職務，在亞洲(日、韓等)車系的電控系統故障診斷領域經驗豐富。現任大連職業技術學院汽車工程學院副院長、副教授、高級技師，兼任遼寧省汽車維修行業質量仲裁鑒定委員會鑒定員、大連市勞動職業技術培訓中心汽車修理專業專家委員會委員。

為了應對日益嚴格的環保要求和石油能源日趨枯竭的經濟形勢，繼豐田汽車公司之后，各大汽車公司都紛紛著力開發新能源汽車技術。2016年，福特汽車公司推出了蒙迪歐油電混合動力汽車，稱為CD391 HEV。該車型配備了一臺105kW、175Nm的2.0L阿特金森循環發動機和一臺92kW、228Nm的電動機。電動機和發電機均集成在HF35變速器之中。HF35變速器為ECVT電子無級變速器，與豐田PRIUS概念車上使用的變速器類似。在本文中，將通過在對HF35變速器的結構組成進行介紹的基礎之上，解析CD391 HEV車型在不同工作模式下的HF35變速器動力傳遞。

一、HF35變速器的組成

如圖1所示，HF35變速器的內部組成部件主要包括：行星齒輪機構、差速器、中間齒輪、發電機、電動機、散熱油泵、油溫傳感器、發電機線圈溫度傳感器、電動機線圈溫度傳感器、兩個旋變傳感器、變速器擋位傳感器等。

圖1 HF35變速器的基本組成

HF35變速器的傳動結構如圖2所示。行星齒輪機構是該變速器實現無級變速的核心部件，行星架與發動機剛性連接，同時行星架還用于驅動變速器油泵；太陽輪與發電機相連；齒圈與中間齒輪相連，間接與電動機連接。

圖2 HF35變速器的傳動結構

二、HF35變速器的動力傳遞

HF35變速器有多種工作模式。下面利用動力傳遞圖示和矢量圖分別對各工作模式下的變速器動力傳遞進行解析。

1.駐車充電

在停車狀態下，如果高壓電池電量較低，發電機將在高壓電池的電力驅動下作為啟動機將發動機啟動，之后發動機帶動發電機運轉，此時的發電機作為發電機給電池充電，系統進入駐車充電模式。

另外，當外界溫度較低且車輛處于P擋或D擋時，發動機也將自動運行，以保持高壓電池的電量。

如圖3和圖4所示，在此種模式下，發動機工作、發電機發電、電動機靜止，車輛處于靜止狀態。

圖3 駐車充電模式下的動力傳遞

圖4 駐車充電模式下的行星齒輪驅動矢量圖

2.純電動驅動

當動力電池電量充足且功率需求較小(譬如：車輛起步、輕加速、穩定車速)時，車輛采用純電動驅動工作模式，如圖5所示，此時，電動機僅由高壓電池為其提供電力。

如圖6的矢量圖所示，在純電動驅動模式下，發動機靜止、電動機驅動。在倒擋時，控制系統控制反向供給電壓，使電動機反轉，實現倒擋。

注意：在純電動驅動模式下，無論是D擋驅動還是倒擋驅動，發電機都空轉(不發電)，避免因其發電而奪走電動機輸出給車輪的一部分動力；只有當發動機運行時，發電機才發電，而當發動機停止時，發電機一定不發電。

圖5 純電動驅動模式下的動力傳遞

圖6 純電動驅動模式下的行星齒輪驅動矢量圖

3.混合驅動

在輕負荷下加速(節氣門開度小)，需要更多的動力時，車輛采用混合驅動工作模式。如圖7所示，在此種模式下，發動機工作、發電機發電、電動機驅動。與純電動驅動模式不同的是：電動機由發電機提供的電力驅動。

圖7 混合驅動模式下的動力傳遞

當在重負荷下加速(節氣門全開)時，高壓電池將給電動機提供額外的電力補償，這種模式也被稱為電力驅動混合驅動模式。如圖8所示，在此模式下，發動機工作、發電機發電、電動機驅動。此時，由高壓電池和發電機共同提供電能驅動電動機。

圖8 電力驅動混合驅動模式下的動力傳遞

如圖9所示，在混合驅動模式下(包括電力驅動混合驅動模式)，齒圈、行星架和太陽輪中沒有一個部件被固定，此時，通過調整發電機的發電量，可以改變太陽輪的轉速，從而保證發動機驅動與電動機驅動的轉速協調一致。

另外，假定發動機轉速(即行星架轉速)一定(見圖9)，通過控制發電機的發電量以改變太陽輪的轉速，由此就改變了齒圈(即車輪)的轉速，以此實現變速器的無級變速功能。

圖9 (電力驅動)混合驅動模式下的行星齒輪驅動矢量圖

4.再生制動

當踩下制動踏板或松開加速踏板時，發動機停止噴油，電動機工作處于發電機模式，將動能轉化成電能向電池充電。如圖10和圖11所示，在此種模式下，發動機不工作、發電機空轉(不發電)、電動機發電。

圖10 再生制動模式下的動力傳遞

圖11 再生制動模式下的行星齒輪驅動矢量圖

在再生制動模式下，還有另外一種情況存在，即發動機制動。在此情況下：電動機產生的電能還可以提供給發電機, 然后由發電機驅動發動機，同時發動機燃油被切斷(停止工作)，此時，發電機的動力用作發動機制動。

三、結語

通過對福特蒙迪歐CD391 HEV車型的HF35變速器動力傳遞的解析可以看出，HF35變速器通過其獨特的結構設計，具備這些特點：通過行星齒輪機構把燃油驅動、電力驅動、啟動、發電、能量回收等完美地結合在一起；取消了液力變矩器，發動機與變速器直接連接，效率更高；沒有復雜的齒輪組，結構簡單，可靠性高；實現無級變速。

正是由于這樣的結構特點，使得HF35變速器實現了提供電力驅動、為高壓電池充電、啟動發動機和傳遞發動機扭矩等諸項功能，充分體現了該變速器在油電混合動力系統中所具有的不可或缺的地位和價值。