新蒙迪欧混动车 HF35 变速器结构与原理分析

2023年12月2日发(作者：理想汽车2021款)

新蒙迪欧混动车 HF35 变速器结构与原理分析

作者：蒋浩丰

来源：《汽车维护与修理·汽修职教》 2017年第10期

新蒙迪欧混动车（CD391HEV）是福特汽车公司首次在中国推出的油电式混合动力车，为了改善该混合动力车的车速，研发了一款全新电气化无级变速器HF35，配备在新蒙迪欧混动车（CD391HEV）上 。福特工程师们改进了HF35变速器的齿轮比的操作过程及与发动机之间的匹配度，这种改进能够使变速器的操作更加灵活，从而能够达到出色的燃油经济性、动力性及其他方面的改善（与传统的无级变速器产品相比）。

1 新蒙迪欧混动车HF35变速器结构分析

1.1 新蒙迪欧混动车 HF35变速器结构组成

新蒙迪欧混动车 HF35变速器外形如图1所示，电气化自动无极变速器HF35是在普通自动变速器的基础上大胆改进而成，既颠覆了普通自动变速器的结构组成又颠覆了传统无极变速器的工作原理。HF35变速器是由一组单行星齿轮机构构成的，能够实现无极变速的一款新型变速器。该变速器在行星齿轮机构中既没有离合器也没有制动器。可实现的功能有：电力驱动、给高压蓄电池充电、起动发动机和传递发动机扭矩，质量为102.5 kg。传统的无极变速器具有2个滑轮，其中一个连接到发动机，另外一个则连接到轮毂。滑轮之间的传动带则通过油缸压缩滑轮或释放滑轮来达到传动带的缩短或拉长效果，这样就能够产生连续可变的齿轮比。而HF35变速器则是用电动机替换了这两个滑轮，其中一个电动机与输出轴的轮毂相连，而另外一个电动机则与行星齿轮组相连。而该齿轮组具有3个方向的连接：行星架连接发动机，齿圈连接轮毂，太阳轮连接发电机。HF35变速器的结构组成如图2所示。

1.2 HF35变速器主要元件分析

1.2.1 起动机

新蒙迪欧混动车 HF35变速器起动机的结构如图3所示，它是由定子线圈、永磁转子和线圈绕组温度传感器组成。它在工作时不同于其他电机，根据工作的需要，它既可以是发电机也可以是起动机。

新蒙迪欧混动车 HF35变速器驱动电动机如图4所示，它是由三相定子线圈、永磁转子组成，结构与起动机完全相同，只是它们安装部位和所起到的作用有所不同。

新蒙迪欧混动车HF35变速器电动机工作原理如图5所示，无论是起动机还是驱动电动机，它们的工作原理基本相同，都为三相交流电动机，由6个晶体管，把直流电转变为交流电，控制三相绕组；它们通过6个二极管整流实现交流与直流的互相转换；在交流电状态下电动机为正弦波，可以提供连续可变电压；在直流电状态下电动机为方波，它是一种开关的状态；它们属于交流永磁同步电动机，采用永磁的好处是电动机起步转矩大，它的最大功率为92 kW，可以为车辆刚起步提供大的转矩；所谓同步就是转子上有许多磁铁，电相位同步。它们采用的是场效应管，都是通过电压来控制电路中电流的大小，比晶体管更节能；而绝缘双极型晶体管可以实现小电流控制大电流。

由于电动机的安装位置不同，因此各个电动机的工作对象也完全不同。由于起动机是直接与行星机构的太阳轮相连，所以，当起动发动机时，作为起动机，将电能转化为机械能，用于提供动力；当发动机运转时，起动机作为发电机，将动能转化为电能，用于给高压蓄电池组充电。而驱动电动机则是与齿圈变速器动力输出部分相连，当需要电力驱动时，驱动电动机将高压电能转化为动能驱动车辆行驶，当车辆需要制动时，驱动电动机又转变为发电机，将汽车动能转化为电能给高压电池组充电。

1.2.2 HF35变速器行星齿轮机构

新蒙迪欧混动车 HF35变速器行星齿轮机构如图6所示，它和其它行星齿轮机构不同的是，它是由一个简单行星齿轮机构组成来实现无级变速，结构简单，成本低，更重要的是可以为电力系统节省更多的空间。

1.2.3 HF35变速器中间轴

新蒙迪欧混动车 HF35变速器中间轴如图7所示，中间轴是整个变速器的关键部分。因为发动机输出的转矩全靠中间轴来传递，因此对变速器中间轴材质的要求相当严格。同时变速器中间轴上各种齿轮的工作状态代表着汽车不同的传动比，要想明白不同传动比之间的关系，需要清楚中间轴上各零部件的连接关系。如图7所示发动机先与行星架相连，通过齿圈，再与齿圈中间轴齿轮5相连；起动机输入轴与行星齿轮机构中太阳轮相连；驱动电动机通过齿轮6与中间轴齿轮4连接；齿圈中间轴齿轮5与主减速器齿轮8连接；输出轴和行星架之间连接着适配器和减振器装置，可抑制扭矩波动；行星架有外部轮齿，外部轮齿与机油泵的齿轮啮合；齿圈与中间轴的齿轮啮合，它与驻车锁齿轮共同构成一个单元。

2 新蒙迪欧混动车 HF35变速器工作原理分析

2.1 新蒙迪欧混动车HF35变速器基本原理

新蒙迪欧混动车 HF35变速器动力结构如图8所示，在行星齿轮机构中，行星架连接发动机，齿圈和驱动电动机通过中间轴连接到驱动轮上，太阳轮连接起动机，起动机通过硬线与高压蓄电池和驱动电动机相连，中间轴上的3个齿轮固定在轴上，中间轴充当减速器齿轮，行星齿轮组与中间轴共同决定了各单元对彼此的传动比。车辆根据当前驾驶条件调节各个驱动装置的速度，从而调节行星齿轮组中的各个功率的输出。3个动力源的输出都是由发动机控制单元和变速器控制单元共同协调控制来完成工作的。车辆静止时，车速为0，起动机起动车辆，行驶中靠改变发电机的发电情况，来控制驱动电动机的动力输入，从而改变车速。

2.2 新蒙迪欧混动车CD391HEV整车工作模式

新蒙迪欧混动车CD391HEV整车工作模式有：纯电动驱动、混合驱动、电力助力、驻车充电和再生制动。以下结合HF35变速器的动力流分析详细解释这5种工作模式的含义。

2.2.1 HF35变速器的纯电动模式

在动力电池电量充足且功率需求较小（如轻加速或稳定车速时）实施纯电动驱动，所谓纯电动驱动，就是汽车发动机不参与工作，完全依靠高压电池组给变速器内部的驱动电动机提供高压电，从而驱动车辆，动力流如图9所示。纯电动驱动下，车辆的最高车速为137 km/h，实际行驶中如果车速超过最大限速，车辆会有限速设置，如果此时人为解除了车辆限速设置，那么对电动机，高压电池组以及变速器会有严重的损害。在纯电动模式下，如果驾驶人想倒车，那么驾驶人只需要将换挡旋钮指在R挡的位置，变速器控制单元会改变电动机内部的励磁线圈的极性，从而使电动机逆转实现倒车。

2.2.2 HF35变速器的混合驱动模式 所谓混合动力驱动模式，就是发动机参与工作，发电机参与发电，驱动电动机参与驱动。发动机和驱动电动机同时对外输出功率，功率输出路线如图10所示，在混合驱动模式下，发动机将燃料燃烧后释放的能量通过飞轮盘传给变速器输入轴的行星架，行星架一方面带动齿圈转动，齿圈带动斜齿轮组，斜齿轮组带动驱动轴驱动车轮前进；行星架另一方面带动太阳轮转动，太阳轮转动带动发电机工作，发电机在高速运转下不断的切割磁感线发出300 V～600 V的高压交流电，高压交流电给驱动电动机供电，从而使驱动电动机和齿圈共同驱动斜齿轮组转动，给驱动轴提供足够的扭矩来驱动车辆前进。

在纯电驱动工作模式全部是由高压电池组对驱动电动机提供高压电能，而在混合驱动工作模式中，高压电池组不参与工作，驱动电动机所有电能全部由变速器内部的发电机提供。在混合动力状态下，变速器可以输出的最大功率为136 kW，0 km/h～100 km/h的加速时间只需要9.7 s。在车辆功率需求较大时，可以采用混合动力驱动模式进行工作。

2.2.3 HF35变速器的电力助力模式

电力助力工作模式如图11所示，此时变速器工作状态为电力助力驱动状态。所谓电力助力驱动模式，和混合驱动工作模式相类似，也是发动机参与工作，发电机参与发电，驱动电动机参与驱动。但不同的是，电力助力驱动模式下的电动机不仅仅由发电机为其提供电能，为获取更大的动力，高压蓄电池组也在为电动机提供300 V～600 V的高压电，使电力助力驱动模式比混合驱动工作模式下电动机功率更大，能量更足。这样不仅增加发动机有效功率的使用，燃料利用率更高，还能获得更大的功率输出。

2.2.4 HF35变速器的驻车充电模式

驻车充电工作模式如图12所示，此时变速器工作状态为驻车充电工作状态。所谓驻车充电工作状态，就是指车辆停止行驶，发电机给高压电池组充电。在驻车充电工作状态中发动机正常工作，发电机正常工作，电动机不参与工作。在驻车充电过程中，必须保证车辆处于静止状态，高压电池组电量较低，车辆才能进入驻车充电模式。为了保护高压电池组和安全起见，如果外界温度过高，发电机无法对高压电池组进行充电。在发动机运转状态下，当外界温度较低，在电池组电量较低情况下，只要变速器处于P挡或D挡时，变速器内的发电机就会自行对高压蓄电池组进行充电。在充电过程中，变速器齿圈固定不动，行星架作为输入轴，太阳轮作为输出轴，它们通过齿轮啮合的方式，将发动机输出功率传给发电机，发动机在高速运转下切割内部磁场，产生交变电流，从而为高压蓄电池组充电。驻车充电工作模式，不仅在使用中节省为高压电池组充电的时间，而且还能减少车辆在怠速时燃油的浪费。

2.2.5 HF35变速器的再生制动模式

再生制动工作模式如图13所示，所谓再生制动工作模式，是指当车辆需要减速时，将车辆行驶中的动能通过电动机转化为电能储存起来的模式，称为再生制动工作模式。在再生制动工作模式下，发动机空转，发电机不参与工作，电动机参与工作。当车辆需要减速，驾驶员踩下制动踏板或者驾驶员松开加速踏板时，传感器将信号分别传给发动机电脑和变速器电脑，发动机电脑控制喷油器停止喷油，使发动机处于空转状态。由于发动机停止喷油燃烧无法继续，气缸内强大的阻力阻碍汽车运动，从而起到发动机制动效果。在车辆减速或制动过程中，变速器内部的电动机会由于汽车惯性力作用快速运转起来，由以前工作状态下的电动机转变为发电机，将汽车的动能转化为电能储存在高压蓄电池组内，以备日后使用。

对再生制动而言，其工作模式又分3种，如图14所示。模式1：当制动力需求较小时，仅使用再生制动；模式2：当制动力需求较大时，摩擦制动被激活以辅助刹车；模式3：在某些条件下，如高压电池已充满电或制动防抱死系统起作用时，将直接采用摩擦制动而不使用再生制动。对于模式一和二而言，再生制动系统当再生制动达到最大时才采用摩擦制动，这样可以实现能量回收的最大化。

3 结语

新蒙迪欧CD391HEV是福特在国内首次推出的油电式混合动力汽车，其综合工况油耗仅为4.2 L/100 km，在采用纯电池供电情况下最高车速可达137 km/h，由于福特全新无极变速器HF35独特的设计方案使这些优点得以体现，另外直列4缸自然吸气发动机采用的是阿特金森循环，燃油热效率高达40%，阿特金森发动机低速扭矩表现很差，用于车辆起步动力不够，而在混合动力上，正好可利用驱动电动机低速大扭矩的特点，来弥补阿特金森循环发动机低速扭矩差的缺点。

（收稿日期：2017-08-30）