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所有人都知道丰田和雷克萨斯的关系,知道独步武林的丰田混动系统(Toyota Hybrid System,THS),而今天我们要说的技术属于雷克萨斯混动(Lexus Hybrid Drive,LHD)采用的这一Multi Stage Hybrid可以说是豪华后驱的“升级版”,雷克萨斯称之为智·混动。
(图1,LC500h与动力系统实物图,来源:2018 Lexus LC - Luxury Coupe )
Multi Stage Hybrid Tran*ission,直译就是多阶段混动变速器,这个多阶段主要体现在它的结构上——由一套eCVT(包括双电机与功率分流器)和一套四挡自动换挡机构(4AT)组成,编号为L310。
eCVT在量产混动的首次运用始于THS I,它使用了简洁的单排行星齿轮,连接发动机、电机、发电机三个动力源,从而实现多种混动模式以及无级变速。eCVT的核心就是功率分流器(Power Split Device,PSD)。PSD第一次在量产混动上投入应用是第一代丰田普锐斯。功率分流器实际是一个行星齿轮排,它由齿圈、行星排、太阳轮相互啮合,而它们各可以连接一个动力源。而之所以被称为功率分流,是因为它可以将发动机的功率分到不同的去向,可以让发动机功率在经过PSD后,一部分功率驱动车轮,另一部分功率进行发电。
(图2,功率分流器,PSD,来源:Working of a Power-splitter)
双电机加单排行星齿轮,就构成了第一代THS主要机神毕构。在之后的第二代THS II,主驱动电机后添加了一个两档减速机构,这一代又被命名为Hybrid Synergy Drive,即HSD。相较于第一代系统,两档变速器的使用,使得电机可以更加紧凑,同时发动机的工作点也将得到优化。
在丰田这一独门秘籍发扬光大之时,雷克萨斯自然也要从中汲取精华。然而豪华品牌的混动车,和“平民品牌”对混动技术的需求,是略有不同的:如果说“平民品牌”丰田的混动专注在大幅提升经济性,“豪华品牌”雷克萨斯的混动则需要在降低油耗的同时,提高驾驶感受,保证充沛的动力性。豪华混动带来的,一方面磨瞎搭是“环境友好”的科技标签和科技体验,另一方面,当然是豪华品牌本身就专注的:足够的动力与驾驶乐趣。所以鱼和熊掌,动力与油耗,两者都是豪华混动所追求的。
于是在HSD的节能技术基础上,2006年雷克萨斯推出了L110混动变速箱,它搭载于前置后驱的GS450h与LS600h,可以说是L310的前辈,先看看L110是怎么去兼得鱼和熊掌的:
(图3,前一代混动变速箱——L110结构示意图,来源:SAE 2006-01-1339 Login - SAE Mobilus)
L110使用了两档减速机构,连接在电机与输出轴之间(即图3右端的齿轮排),其主要的作用是在电机尺寸不增加的情况下,提高输出转矩。由于电机输出转矩与定子大小直接相关,如果要保持电机尺寸,除了在电机设计上再下工夫,就是对减速机构进行改善,这样在低速比时,可以提供更大的输出扭矩,来改善加速性能。而另一个高速比的使用,则让电机可以在高速工况下输出更高的转速。这一机构的另一个作用,还在于对电机工作点的优化,两档减速器可以更多的利用电机的高效区域,改善整体效率。实际上,在纯电动车上添加两档减速器,也是过去若干年里常用的方法,将电机的能力进一步发掘。
十年之后,L310则不再依赖两档减速器,而是直接在eCVT之后添加了一套换挡机构,形成了“双阶段变速”。这套系统的结构图和示意图分别如图3和图4。左侧是一套eCVT,右侧蓝色框中的是换挡机构。发动机(Engine)、发电机(瞎拿Generator)、主驱动电机(Motor),分别连接在功率分流器(PSD)的行星排、太阳轮和齿圈,之后由齿圈连接的输出轴,又作为换挡机构的输入。
(图3,L310结构图,包括了左侧的eCVT与右侧框中的换挡机构,来源:SAE 2017-01-1156)
(图4,L310结构示意图,来源:SAE 2017-01-1156 Login - SAE Mobilus )
增加了输出轴的变速器后,实际意味着eCVT的输出,自由度更大了,此番eCVT的输出不再是直接输出到车轮,而是可以有不同速比的变化。也就是说,即使是同一个工况,我也可以通过更多的手段去改变发动机和电机的工作点。这样做可以实现两个目标:更大的加速度——充分发掘发动机的转矩,和更低的油耗——优化发动机的工作点。这两大目标,也指导了L310的齿比设计(实际L110的两个档位,也是考虑这两个目标设计的)。最低档位,目的是充分挖掘加速能力;最高档位,是为了让高效区覆盖到最频繁使用的工况。
对比L110来说很容易理解,L110通过两档减速器来提升主驱动电机的输出转矩,而L310则可以同时提升电机和发动机的输出转矩。所以利用L310的机构,发动机的转矩可以相较L110的基础,提升3.5倍(图5)。
(图5,L310相较于L110,其发动机输出转矩提升,来源:SAE Login - SAE Mobilus)
值得一提的是,如果没有这个换挡机构,单就eCVT而言,发动机的工作范围是与发电机和电机相耦合的,当低速起动时,由于发电机的转速上限限制,发动机并不能随心所欲的提高输出。当加上4AT后,可以视作eCVT的输出范围得到了扩大,在低速时,同样的发电机转速限值下,发动机和电机可以用更大的转速进行输出,而把减速增扭的工作交给后面的换挡机构来完成。
与此同时,更多的档位,意味着发动机的高效工作点可以得到进一步的发挥,考虑到增加的齿轮机构的机械损失,整体效率图如图6。可以看到,在较为频繁的高速工况下,L310提供了一个可以实现更高效率的档位(图6)。
(图6,L310相较于L110,整体效率的提升,来源:SAE 2017-01-1173 Login - SAE Mobilus )
L310的机构较为复杂,研发中无疑面临着诸多难题,其中一大难点,就是混动的噪声。发动机和电机两个主振动源,都会激起电机和换挡机构之间的振动。
(图7,发动机和电机引起的振动,来源:SAE 2017-01-1157 Login - SAE Mobilus )
为了解决这一问题,雷克萨斯在轴系间添加了一个降噪环(Tolerance Ring)。这个东西如图8所示,可谓貌不惊人。但是作用却着实了得,将整体的噪声降低了56%。围绕降噪环,雷克萨斯还设计了一系列润滑和力学特性的改善。毫无疑问,这个环的重点,并不在于其机械设计,而在于其材料选择。
(图8,降噪环实物图,来源:2017-01-1157 Login - SAE Mobilus )
在论文演讲之后,有一位现场听众提问了降噪环的材料,不出意外的,主讲的Hiroyuki Tateno先生嘿嘿一笑,表示实在抱歉,这是机密:)
之后的一个问题我同样记得很清楚,一位问道,“请问这一系统的研发了多久?” Tateno先生看了一眼第一排列座的同事,肃然答道:
十年。
L310搭载于LC500h,这辆大约10万美金的豪华轿跑的名字中,LC来自于Luxury Coupe,500是汽油版本的V8发动机排量5L,h则标志着hybrid。实际上混动版的发动机是3.5L的V6,看起来可能叫做LC350h更为准确,不过考虑到发动机之外还有大电机的输出,同样称之为500似乎也没有什么问题。
这辆车的汽油版有十个档位的10AT,于是偏执的工程师在混动版的LC500h上也设计了手动模式,同样有10个档位。但是我们知道,L310是无级变速器加四挡换挡机构,机械上完全不存在十个档位,它的十个档位是用eCVT标定出的档位与换挡机构的档位进行组合而得到的。这是什么意思呢?就好比是鸠摩智用小无相功使拈花指,大概如此了。
这么做的目的,颇为值得玩味。
今天的驾驶爱好者或许会更迷恋Tesla P100D疯狂的推背,被高频电流声所感动。但是不可否认,汽油时代走过来的很多人对手动挡与传统AT换挡的顿挫感,有一种执念。体验加速度的变化,看着发动机转速指针的摆动,是驾驶乐趣的一部分。你可以指摘雷克萨斯此举好比是用喇叭在电动车里播放引擎声,但是不可否认的是,它的确能撩拨一些老司机的肾上腺素,不可否认的是,它还的确很快。
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