Конструктив: как устроена гибридная трансмиссия? Toyota Prius_ч.1

На канале много материалов, посвященных автоматическим коробкам передач, гидротрансформатору, полному приводу, дифференциалам и их блокировкам — это достаточная база, чтобы сформировалось понимание, как происходит передача мощности от ДВС к колесам автомобиля.

Инженеры не остановились на наработанном конструктиве и, пытаясь уменьшить количество выбросов и расход топлива , стали предлагать рынку свои альтернативные классическим инновационные гибридные системы . У каждого автопроизводителя подход оказался разным, разный был и результат.

В дальнейшем предлагаю изучить устройство гибридных трансмиссий от разных производителей, оценить успешность технических решений, понять, а зачем оно, собственно, нужно? Уточню, мы не будем рассматривать автомобиль целиком и его потребительские качества, нас будет интересовать трансмиссия и взаимодействующие с ней узлы .

Начнем с самого массового гибрида — Toyota Prius , который уже дорос до полноценной 4-й версии своей уникальной гибридной системы.

Немного истории

Компания Toyota начала свои эксперименты с гибридной тематикой задолго до появления всем известной модели. В ноябре же 1994 года руководство Toyota сформулировали для компании новую амбициозную задачу: снизить расход топлива выпускаемых автомобилей в 2 раза. И, кажется, у них это неплохо получилось!

При разработке собственной гибридной системы Toyota Hybrid System (THS) специалисты компании изучили более 100 вариантов возможных компоновок . И в 1997 году на рынке появился серийный автомобиль с гибридной трансмиссией — Toyota Prius NHW10 .

Основные компоненты Toyota Hybrid System (THS)

Toyota создали уникальную в своем роде последовательно-параллельную гибридную систему : одновременно данная гибридная трансмиссия была и параллельной и последовательной. Что это значит? Такой тандем объединяет плюсы двух указанных систем : последовательной в городе и параллельной на скоростных дорогах, при этом переход из одного режима работы в другой остается незамеченным для водителя.

Ключевой особенностью является принцип работы «электрического вариатора» , где изменение скорости вращения происходит не клиновой цепью, а путем суммирования потоков мощности от ДВС и двух электрических машин через планетарный редуктор . Фактически, в такой трансмиссии отсутствуют какие-либо органы управления в виде фрикционов, муфт, синхронизаторов, сложной гидравлики, нет изнашиваемых деталей, а управление происходит «электронно».

Как видите, внутреннее устройство трансмиссии Prius выглядит намного проще, чем таковое у классических автоматических трансмиссий.

Для THS первого поколения можно выделись следующие основные компоненты:

• Планетарный редуктор , связывающий 3 компонента между собой. Его еще называют «устройством распределения мощности» или Power Split Device (PSD);
• ДВС (1NZ-FXE, цикл Миллера, степень сжатия 13:1, 43кВт), соединенный с водилом планетарного передачи;
• Тяговый электродвигатель (мотор-генератор МГ2) (синхронный, на постоянных магнитах, 30кВт/305Нм), соединенный с коронной шестерней и имеющий постоянную связь с колесами;
• Электродвигатель-генератор (МГ1) (18кВт), соединенный с солнечной шестерней планетарной передачи;
• Инвертор, преобразующий постоянный ток высоковольтной батареи в переменный и наоборот;
• Высоковольтная аккумуляторная батарея (ВВБ) (никель-металлогидрид, напряжение 320В).

Режимы работы

Как я указывал ранее: эта трансмиссия может обеспечить параллельный и последовательный режимы работы. На практике это позволяет реализовать, например, такие режимы:

• Зарядка высоковольтной аккумуляторной батареи припаркованного автомобиля от ДВС через генератор;
• Движение только при помощи электродвигателя с заглушенным ДВС от энергии ВВБ;
• Движение с суммированием мощности от ДВС и электродвигателя (часть мощности ДВС идет на колеса, часть через генератор на тяговый электродвигатель);
• Зарядка ВВБ во время движения от ДВС через генератор (часть мощности ДВС идет на колеса, часть через генератор в батарею)
• Рекуперация энергии в ВВБ при торможении;
• Движение задним ходом реализовано только за счет электродвигателя . Если заряд ВВБ низкий, ДВС через генератор дает энергию для движения.

Подробнее про компоненты

Мы рассмотрели принципиальное устройство самой массовой гибридной трансмиссии.

Во второй части статьи мы рассмотрим особенности каждого из компонентов THS, и, главное, как электрический вариатор преобразует скорости вращения компонентов и движет автомобилем. Подписывайтесь, долго ждать не придется!

Как устроена гибридная трансмиссия?

Кажется, что только гибридные автомобили, которые работают на бензине или дизеле и одновременно используют электричество, могут соответствовать экологическим нормам, которые в странах Европы постоянно ужесточаются. Производители непрерывно совершенствуют двигатели и вынуждены заниматься модернизацией трансмиссий как одного из главных элементов общего устройства автомобиля.

Шасси Toyota Prius

Коробка передач никогда не строилась и не переоборудовалась отдельно от мотора — каждая трансмиссия строится под конкретные внешние скоростные характеристики определенного двигателя. Чтобы поддерживать малообъемный двигатель в зоне оптимальных рабочих оборотов, была создана многоступенчатая КП.

С того момента, как в автомобиль стали устанавливать два рабочих двигателя (ДВС и электромотор), пришлось модернизировать и элементы трансмиссии, переводя их работу на два источника энергии.

Классы гибридных трансмиссий

Гибридные трансмиссии классифицируются по принципу подключения:

• последовательно;
• параллельно;
• по смешанной схеме.

Особенности последовательной гибридной трансмиссии

В данной схеме трансмиссии электрический мотор передает энергию на главные ведущие колеса, мотор (чаще всего бензиновый) передает свой КПД на генератор. Главной особенностью параллельной трансмиссии является то, что электромотор может обеспечить максимальную мощность (в своих пределах) в любой момент. С помощью электромотора намного легче привести в движение транспорт огромной массы с большой силой инерции.

Устройство последовательной гибридной трансмиссии

Топливный ДВС запускает генератор, энергия которого заряжает аккумулятор и в дальнейшем переходит на электродвигатель, который обеспечивает крутящий момент и передает его на колеса. В таком рабочем цикле из трансмиссии исключаются коробка передач и блок сцепления. Энергия рекуперативного торможения не переходит в тепло, а направляется для дополнительного питания аккумуляторной батареи.

Гибридная трансмиссия последовательного типа позволяет использовать ДВС очень малой мощности, а в режиме «город» при езде на минимальной скорости и с частыми остановками ДВС возможно отключить полностью. Последовательная схема трансмиссии широко используется в городском транспорте и самосвалах, где аккумуляторы имеют максимальную емкость и большой объем при скромных объемах и минимальной мощности ДВС.

Chevrolet Volt оборудован последовательной гибридной системой

Chevrolet Volt, построенный General Motors в 2010 году, использует в своем силовом блоке последовательную гибридную трансмиссию. Это скорее электромобиль, чем классический бензиновый хэтчбек. Используя только электромотор, автомобиль может преодолеть расстояние до 65 км. Если использовать турбированный мотор, дальность поездки на одной батарее превысит 1020 км.

Под капотом у Chevrolet Volt

Особенности параллельной гибридной трансмиссии

Эта трансмиссия остается к 2019 году наиболее технологичной. В системе используются основные элементы коробки передач. Электрический блок устанавливается в параллельных гибридах между коробкой и двигателем внутреннего сгорания.

Устройство гибридной трансмиссии параллельного типа

Подключение электромотора осуществляется через использование нескольких схем. В качестве первой гибридной трансмиссии можно рассматривать 8-ступенчатую коробку-автомат с двойным сцеплением от производителя ZF. Ведущие оси получают крутящий момент как от ДВС, так и от электромотора, который также исполняет работу генератора.

zf_8-скоростная трансмиссия с двойным сцеплением

Работа трансмиссии с параллельной схемой подключения контролируется и управляется электронным модулем. В автомобиле с параллельной гибридной трансмиссией необходимо использовать и стандартную трансмиссию в переходных режимах движения авто. Крутящий момент, которые передают два мотора, распределятся в зависимости от условий передвижения. При старте, во время ускорения к ДВС подключается электродвигатель, во время торможения и при стабильной скорости электродвигатель выполняет функции генератора.

В Audi Q5 используется параллельный тип трансмиссии

Первая популярная трансмиссия параллельного гибридного типа сконструирована инженерами корпорации «Хонда». Система интегрированного помощника ДВС (Integrated Motor Assist) позволяет увеличить КПД главного мотора на 40%, при этом количество отработанного топлива в атмосферу практически не снижается, экологические показатели автомобиля остаются на низком уровне.

В блок IMA входит бензиновый мотор в качестве главного силового блока, электрический мотор, дополнительная батарея для электромотора. Во время торможения происходит перенаправление энергии на электромотор, который используется и как генератор — энергия не переходит в тепло, а сохраняется в батарее, во время ускорения электроэнергия перенаправится в электромотор для начала его работы. Данный тип трансмиссии, используется компанией при комплектации Honda Civic и Honda Insight.

Тип средние гибриды

Устройство промежуточной трансмиссии

Классификация гибридных параллельных трансмиссий начинается с определения роли электрического мотора во всем силовом блоке авто. Если электромотор используется только как помощник ДВС, например, как в Honda Insight, трансмиссию относят к классу «умеренный гибрид». Мощность электромотора в гибридной трансмиссии среднего класса не превышает 60 кВТ.

Одну из своих последних инноваций в области гибридных трансмиссий использовала корпорация БМВ при создании модели BMW ActiveHybrid 7. Седан комплектуется КП в единственном исполнении – 8-миступенчатый «автомат».

Система полный гибрид

Lexus RX 400h оснащается системой “полный гибрид”

Если электродвигатель используется для передачи крутящего момента на колеса, применяется термин «полный гибрид» — такая трансмиссия использована в модели Lexus RX 400h. Автомобиль может передвигаться при помощи и ДВС, и энергии электродвигателя. В коробке передач отсутствует гидротрансформатор. Впервые в Европе схему полного параллельного гибрида установили в 1998 на комплектацию Audi Duo.

Сегодня большинство мировых производителей используют схему «полный гибрид» на Mercury Mariner, Kia Optima, Ford Escape/ C-Max/ Fusion, Lincoln MKZ и др.

Микрогибрид

Трансмиссия авто, где генератор имеет дополнительные функции, часто называют классом «микрогибрид». Это автомобили, которые имеют систему старт/стоп, электромотор не передает свою энергию для движения колес. Микрогибридная схема позволяет только резко глушить мотор во время коротких остановок. Система запускается стартером, в автомобиле используется стандартная КП с встроенным импульсным насосом для скоростной подачи давления в масляные каналы КП.

Схема последовательно-параллельная

Смешанный тип гибридной трансмиссии исключает использование традиционной коробки передач. Совместная работа электродвигателя и ДВС происходит через использование планетарной передачи. Топливный мотор передает крутящий момент на колеса совместно с электромотором, одновременно происходит и работа генератора. Автоматическая регулировка оборотов осуществляется через электронный блок управления.

Такой тип бесступенчатой трансмиссии ECVT широко используется компанией Toyota в последнем модельном ряду Toyota Prius. Инженеры компании создали свою уникальную схему гибридной трансмиссии HSD. В схему устройства включили делитель мощности (планетарную передачу) и отдельный генератор.

При таком типе гибрида электромотор работает большую часть времени, топливный мотор использует для работы цикл Аткинсона, в то время как большинство ДВС работают по принципу Отто. Ноу-хау японских инженеров приобрели компании Форд и Ниссан для установки на свои полногибридные модели.

Достоинства и недостатки

На сегодняшний день все автомобили с гибридной трансмиссией имеют высокую стоимость и не входят в средний ценовой сегмент. Так же дорого стоит их диагностика и ремонт. Это главный недостаток автомобилей, которые используют два силовых мотора.

Активисты «зеленого движения» США и экологи считают, что польза для экологии, которую принесут гибридные автомобили, абсолютно условна. Утилизация одного аккумулятора приносит вред окружающей среде, сравнимый с годовым выбросом простого бензинового двигателя. Технологией экологической утилизации занимаются только в нескольких странах.

Toyota Prius Plug-in Hybrid

Электромоторы даже минимальной мощности обеспечивают плавный и надежный запуск ДВС в любую погоду. Динамичные характеристики автомобиля также остаются на высоте, при необходимости увеличить тяговые показатели к ДВС подключается электродвигатель, автомобиль получает максимальное ускорение за короткое время.

Пробег на одном заряде увеличивается на 40%. За счет экономии топлива и использования электромотора водители реже заправляются.

Смогут ли гибридные трансмиссии полностью вытеснить традиционные, пока не ясно. При всех выгодах использования смежного электромотора у разработки остаются многочисленные недостатки, в первую очередь — высокая цена и сложность схемы. В 2018 компания Porsche отказалась самостоятельно производить гибриды любой схемы. Представители Mitsubishi считают, что гибридные установки — это переходной этап, и концентрируют интеллектуальную инженерную базу корпорации на создание электромобиля.

Источник http://zen.yandex.ru/media/unlock_autoblog/konstruktiv-kak-ustroena-gibridnaia-transmissiia-toyota-priusch1-5c4de1c13f060000adf5c7ae

Как устроена гибридная трансмиссия?