克萊斯勒Pacifica車型的eFlite混合動力專用變速器

【美】 M．PITTEL D．MARTIN

0 前言

全球降低汽車溫室氣體的排放和燃油消耗的法規要求及消費者的需求，推動了汽車制造商不斷采用更先進的技術，其中包含了電驅動力總成系統的應用。

為了實現該目標，美國菲亞特－克萊斯勒汽車公司開發了eFlite混合動力變速器，作為混合動力系統的一部分應用于2017款的克萊斯勒Pacifica箱式旅行車上［1］。該系統包含了1臺傳統內燃機、1臺電驅變速器，同時包含1個高壓電池包，在純電動模式下可提供強勁的電能。

eFlite配備有動力分離裝置的電控可變前驅驅動橋結構，該平臺構架優化了整車性能、燃油經濟性、整機質量、布置及振動－噪聲－平順性（NVH）性能。該電動可變變速器采用單行星齒輪輸入結構，省去了換檔離合器和復雜的液壓控制系統。

eFlite變速器包含2臺永磁交流電機，2臺電機均可用作驅動電機，同時也可用作發電機使用（電機A由發動機驅動并進行發電）。2臺電機采用四軸相切布置，減少整車的橫向寬度。

動力逆變器模塊集成于驅動橋結構中，該結構減少了高壓線束，降低成本，提升效率，同時優化了整機質量和布置［2］。整車和動力總成目標如下：

（1）電控結構，可靈活應用于多用途汽車（MPV），具備優異的駕駛性與整車性能；

（2）純電動模式續航里程可達33mile；

（3）油耗84mile／gal；

（4）靈活應用于多種整車平臺及發動機平臺。

1 基本結構＆技術規范

動力傳遞路徑圖（圖1）展示了eFlite變速器關鍵零部件和子系統，以及Pacifica混合動力的多種不同運行模式。電機B是主驅動電機，直接與輸出端耦合，電機A是動力分離行星齒輪組中的太陽齒輪。

1．1 混合動力汽車（HEV）運行模式

該架構由1個輸入行星齒輪組組成，將發動機輸出的動力（齒輪架）分成2路進行傳遞，分別為機械傳動路徑（齒圈）和電動發電機A的電傳動路徑（太陽齒輪）。在電動發電機A（太陽齒輪）的作用下，發動機的機械功通過齒輪架進行傳遞，同時產生電能。電動發電機A的轉速及扭矩均可按需進行調節，優化了整車性能和燃油經濟性。

1．2 電動汽車（EV）運行模式

eFlite變速器在輸入端集成1個單向離合器，對動力分離齒輪架產生反作用力矩，因此在純電動運行模式下，電機A就轉換成了1個驅動電機。

2 eFlite變速器的驅動模式

eFlite變速器有4種主要的驅動模式：EV前進、EV倒車、HEV前進和起動－停止模式。

2．1 EV前進模式

圖2所示，電機A、電機B單獨或同時驅動整車，單向離合器通過反作用力固定行星齒輪架，使電機A輸出的動力直接傳遞至齒圈。電機B通過差速器有直接傳遞路徑。

圖2 EV前進模式

2．2 EV倒車模式

由圖3所示，在EV倒車模式中電機B直接驅動整車，電機B通過差速器具有直接傳遞路徑。

2．3 EV前進模式

圖4所示，發動機和電機B共同驅動整車，電機A反作用于發動機，使發動機輸出動力通過行星齒輪架傳遞，電機B通過差速器具有直接傳遞路徑。

2．4 起動－停止模式

圖5所示，電機A直接驅動單向離合器自由輪起動整車，電機B輸出功反作用于齒圈上，確保起動平穩。另外，在HEV或EV工作模式下，在滑行和制動工況下，電機B都將給蓄電池充電。在HEV工作模式下，發動機通過電機A給電池充電。

圖3 EV倒車模式

圖4 HEV前進模式

圖5 發動機起動模式

另外，圖6展示了eFlite變速器外形結構，圖7和圖8展示了總體變速器外形尺寸及與TorqueFlite前驅9速變速器對比，圖9變速器橫截面圖中包含主要零部件和子系統，圖10表示eFlite變速器齒輪系統。

圖6 eFlite變速器總成

圖7 eFlite變速器外形尺寸

圖8 TorqueFlite前驅9速變速器外形尺寸

圖9 eFlite變速器橫截面圖

3 eFlite的性能優化

3．1 性能和效率

eFlite變速器采用了1個電子機油泵（圖11）及球型軸承結構（圖12），省去了換檔離合器和復雜的液壓控制系統，提升傳動效率，減少了質量并縮小了外形尺寸，確保其能安裝于中等車型上（如Pacifica）。

圖10 eFlite變速器齒輪系統

圖11 eFlite變速器機械和電子機油泵

圖12 提升效率的球軸承結構

eFlite變速器采用低油壓設計，使用1個儲液器（圖13），確保最優的潤滑油液位高度，減少齒輪系統摩擦損失，并滿足冷卻和潤滑需求。

相比于傳統的內燃機動力系統，Pacifica混合動力系統上這些變速器零部件和新技術的開發和應用，在城市工況下油耗可降低13mile／gal，在高速工況下油耗可降低5mile／gal。

表1和表2展示了Pacifica混合動力與傳統內燃機應用的性能競爭優勢，同時通過動力分離行星齒輪組優化了變速器的速比。

圖13 潤滑系統原理圖

表1 eFlite與948TE變速器技術對比

3．2 NVH

為提升eFlite變速器的NVH性能，美國克萊斯勒－菲亞特工程團隊開展了2項重要的設計優化。如圖14所示，在轉子B表面增加了切槽且增加了轉子到定子的距離以減小旋轉力矩。圖15展示了在變速箱殼體內、外部都增加了加強筋。圖16展示了電機和機構優化所獲得的NVH提升效果。

圖14 電機B空隙和狹槽的變化

圖15 變速箱殼體內外表面增加加強筋

圖16 48階噪聲優化及峰值－峰值扭矩

為了優化發動機低轉速時的NVH性能，美國克萊斯勒－菲亞特工程團隊在硬件設計和控制采用了2項關鍵設計策略：通過大量試驗，對關鍵扭轉減振器／飛輪特性進行優化，包含彈簧剛度、遲滯窗口角和轉動慣量；使電機控制策略就位，以避免過快通過電機B零轉矩工作區（圖17）。圖18展示了峰值轉矩到峰值轉矩的調整是如何實現的。

圖17 電機控制策略及單向離合器

圖18 扭矩限制離合器

3．3 其他關鍵子系統和特征

eFlite變速器的關鍵子系統主要包含單向離合器、扭矩限制離合器、電子駐車系統及機械和電子機油泵。以下是各個系統的描述和功能介紹。

（1）單向離合器自由輪轉向與發動機轉向一致，可起動發動機，同時反作用于發動機上，通過行星齒輪組的作用以傳輸發動機動力。在純電動模式下，單向離合器反向鎖止，確保電機A作為驅動電機使用，并防止發動機出現倒拖現象。

（2）扭矩限制離合器是1個摩擦離合器單元，其可一直傳遞高達7 000N的作用力，扭矩范圍為520～664N·m，限扭離合器主要用來在峰值扭矩超出扭矩限制時保護機械零部件。

（3）eFlite變速器包含1個電控的駐車電磁閥（圖19），該電磁閥系統減少了硬件的復雜性，并提升了整車的結構布置效果。

圖19 電控駐車電磁閥

4 總結

eFlite變速器是Pacifica混合動力推進系統的內部零部件，實現了汽車和動力總成的靈活性、駕駛性、實車運行性能、溫室氣體和燃油消耗率目標。eFlite變速器結構及其關鍵子系統可靈活應用于緊湊型及中型車上，另外，目前已經在克萊斯勒Pacifica上量產。

美國菲亞特－克萊斯勒團隊指出，未來采用eFlite混合動力變速器或者類似的電驅系統的混合動力汽車將會協同增長。