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卡罗拉双擎中藏着一个小“太阳系”,E-CVT变速箱详解

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自汽车于19世纪末出现之后,相关行业和技术历经一百多年的不断发展和进步,已经让当初那个酷似马车般的原始汽车演变成了如今外观争奇斗艳,用途多种多样的现代汽车。不过,就汽车的机械层面而言,发动机、变速箱、底盘这俗称“三大件”的部件,从汽车诞生伊始就从没缺席过,只是随着技术的创新和制造工艺的进化,三者也在不断的进化。其中,变速箱的变化可谓日新月异,这出于政府对汽车越来越严苛的排放法规制定,以及车厂对燃效提升的固有执念。丰田,这个汽车超级大厂,就是引领变速一直进化的变革者。而他们的核心产品,则是E-CVT变速箱。

 

E-CVT诞生:

只为油电混合而来

油电混合,必然要考虑连接内燃机和电动机,当然还希望动力传输连贯平顺,用离合器来回切换必然不够平顺,显然不完美。而E-CVT就是为此而来。

在谈E-CVT之前,我们先来聊聊变速箱。变速箱之于汽车,犹如变速齿轮之于自行车,相信我们每个人都骑过没有变速齿轮的自行车,比如现在满布街边的共享单车。当装配上变速齿轮之后,我们通过使用不同尺寸的齿轮,可以实现在不同的力量驱动(扭矩)下,输出不同的速度。而变速箱的作用还不止于此,它还可以使汽车实现变换方向,动力中断等行为,无疑大大的提升了汽车的实用性和使用便捷性。

变速箱发展到现在,大致有MT、AT、CVT、DCT等形式。而随着近年来,以丰田普锐斯、拉罗拉双擎等混合动力车型的兴起和普及,混动车型正在日益成为消费者的另一个主流选择。由于混动系统中动力的来源不仅有传统的燃油发动机,还有数个电机。为了将两种动力完美的耦合,于是E-CVT变速箱应运而生。

 

E-CVT结构:

本质上的不同

单看名字,E-CVT似乎和CVT有着紧密的联系,但从功能上来讲,E-CVT确实如CVT般,有着无级变速的作用,但是从结构上来说,二者则大相径庭。可以说,E-CVT与其他变速箱有着本质上的不同。简单说,CVT摩擦传动,E-CVT则是齿轮传动。

自1997年,第一代普锐斯推出以来,E-CVT就作为丰田混动系统中的核心部件,成为了整套系统的关键。从原理上来讲,E-CVT大道至简,其实很简单,借助一组行星齿轮来实现发动机动力与电机动力的“融合”(这也是丰田的专利);从结构上来讲,E-CVT的结构也很简单,构成传统变速箱的零件就达100多个,而E-CVT变速箱的零件只有二十多个,一个简单的道理相信很多人都明白,越简单越可靠。对于变速箱这样需要不间断工作的部件来说,更少的零件意味着更低的故障率,而这也是丰田有口皆碑可靠性的缩影。

 

E-CVT仅仅由外齿圈、行星齿轮架和太阳齿轮组成,动力输出路线为发动机—行星组—外齿圈—输出轴,是不是看着很简单?那么这么简单的结构,真的能无缝融合两种动力,以及将动力平顺的输出出来么?答案是当然。

 

E-CVT原理:

行星齿轮组的创新应用

行星齿轮组,太阳轮、行星齿架,齿圈,三个可以独立转动的构件,又互为关联,连接一台内燃机两台电动机……

丰田E-CVT的核心就在于这个特殊的行星齿轮组,这个齿轮组由四个可以自由公转的齿轮和中间的太阳齿轮组成,我们可以把这个行星齿轮组看作是我们居住的地球所在的太阳系。中间的齿轮就好比太阳(事实上就叫做太阳齿轮),四周的四个齿轮可以看作是地球、水星、金星、木星这些围绕太阳公转的行星,整体的齿轮架则是太阳系。这些齿轮如这些行星一样,不仅围绕着“太阳”公转,同时也会自转。并且,它们比这些行星更为强大的是,行星们的公转方向是固定的,然而这些齿轮们不仅可以顺时针方向转动,还可以逆时针方向转动。

 

可以想象下当外面的行星固定不动(即车轮不动)时,只进行自转时,太阳才可以带动太阳系(即发动机)转动(即启动发动机过程);

当行星们顺时针正转时,太阳也可以反转。反之,而当行星反转时,太阳又可以正转,从而实现车辆的前进和后腿;当行星们和太阳同向转动时,行星齿轮可以不自转,只公转,从而带动汽油机启动。正是因为行星齿轮组的这个巧妙的特性,发动机、车轮、电动机才能时时连接在一起运转而又能互不干扰,故此省去了离合的结构。

 

此外,我们知道汽车从静止到行驶再到静止等一系列不同的工况下,需要传动系统提供不同的扭矩输出,而这也是变速箱存在的重要意义之一。E-CVT变速箱里面由于存在两个电机,只要控制这两个电机的不同转速就能使外齿圈上获得的发动机动力无级变化,从而使得汽车达到无级变速。

 

E-CVT优势:

解决动力和燃效这对老冤家的最佳答案

正是由于E-CVT变速箱有着简单可靠的结构,再辅以巧妙无比的设计,使得它成为了丰田混动系统的最佳拍档。那么它相比只一字之差的CVT变速箱有着怎样的优势呢?

第一,我们前面说过,为了将混动系统中的两种动力来源完美的融合,那么E-CVT变速箱的出现成为了必然,否则整套系统无法顺利的工作,这是传统变速箱所不能胜任的。

第二,由于传统CVT变速箱,多采用钢带链接,当发动机输出较大扭矩时,容易出现钢带打滑等风险。所以传统CVT变速箱是无法承受大扭矩输出的。然而E-CVT没有了钢带等因素的制约,是可以承受大扭矩输出的,这为制造高性能混动车型成为了可能。

第三、传统CVT变速箱,由于零件众多,钢带、液滤变矩器等部件的存在使得变速箱整体体积较大,从而使得车辆的体积也无法有效的缩小。而E-CVT变速箱由于结构简单,零件数少,体积相比传统变速箱大为缩小,使得其可以搭载于车身更为紧凑的车型上。

第四,比如卡罗拉双擎这样搭载E-CVT的车型,其在绝大部分工况,如启动、加速、减速下,都是由电机直接驱动车辆的,发动机只在高速行驶时,才会介入,发动机的转速和车速时没有必然联系的。既然如此,在电机的直接驱动下,齿比是恒定的,所以车辆行驶时,拥有绝佳的平顺性,不会感受到任何顿挫。同时,在减速时,系统还可将剩余的电能充入电池,来节约能量,这使得搭载这套系统的车辆在不同工况下,都拥有最佳的燃效。

 

我们都知道,自丰田于1997年推出首台搭载混动系统及E-CVT变速箱的首代普锐斯之后,随着这款车型在全球的热销,以及后续混动车型的不断面世,让丰田成为了混动汽车领域无可争议的王者。此后,某日系品牌及美系品牌也陆续研发出了混动系统以及他们的E-CVT变速箱。那么,丰田的E-CVT和后来者的E-CVT相比究竟如何呢?

 

某日系品牌的混动系统采用了发动机和电机串联的方式,由于发动机的工作主要是给电池充电,并且系统中各个部件采用了固定的齿比,所以其搭载的E-CVT变速箱并非行星齿轮组结构,实则是结构及其简单的多片离合器组。这样设计的优势在于减少了部件间的能量损失,提升了效率。不过这样的结构比起丰田的E-CVT依然有它的不足之处,由于行星齿轮组的存在,丰田的E-CVT使得发动机和电机可以协同工作,所以发动机会有更多的机会为电机充电,通俗的来说,就是发动机特意为电池启动的机会便会减少。比如在长时间低速行驶后,电池处于缺电状态,丰田的发动机启动后会边输出动力边为电池充电,而某日系品牌的系统必须先将发动机的动力完全转化为电能,再由电动机驱动车辆前进,这其中多了一道手续,效率必然有所减低。

 

从技术上来说,丰田的E-CVT才是汽车变速箱变革的终极追求,它既改善了传统变速箱的平顺性缺失和系统燃油经济性缺失的弱点,又不像纯电汽车那样,由于没有变速箱,从而在极速上被限制。可以说,E-CVT是解决动力和燃效这对老冤家的最佳答案。

拥有这些绝对优势的E-CVT使得丰田的混动汽车拥有上佳的行驶平顺性和燃油经济性,成为了现在和未来很多消费者购车的首选。随着丰田混动系统的不断完善和提升,以及由一汽丰田引入越来越多的混动车款,相信E-CVT变速箱也在不断的完善自身和继续提升。卡罗拉双擎这样燃油经济性出众而又拥有不俗动力的车型,正在成为中国消费者的首选车型,在环保理念日益深入人心的当下和未来,E-CVT必将大放异彩。

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