Revenge of the 两种模式 杂种

近几个月来,通用汽车在2016 Volt,2016 Malibu混合双色球杀号专家车的核心部分推出了引人注目的混合双色球杀号专家变速箱架构,以及与2016 RWD Cadillac CT6插电式混合双色球杀号专家车相关的变速箱。

This 新 hybrid system helps the Volt launch to 30 mph like a Tesla after stops at traffic signals and helps the mid-size Malibu sedan get a stunningly good 47 mpg EPA estimate in combined city and highway driving while pumping out up to 182 horsepower.

通用汽车如何到达今天的位置?

双色球杀号专家分离混合双色球杀号专家技术简史

Lohner-Porsche混合双色球杀号专家汽车,1900年。

Lohner-Porsche混合双色球杀号专家汽车,1900年。

汤普森·拉莫·伍尔德里奇(TRW)

尽管费迪南德·保时捷(Ferdinand Porsche)于1900年设计并销售了一辆早期的混合双色球杀号专家汽车,但现代混合双色球杀号专家时代在1960年代末期在航空航天,信贷报告和汽车零部件集团TRW中引起了轰动。那里的研究人员发明了使用行星齿轮组,汽油发动机和两个电动机的双色球杀号专家分配混合双色球杀号专家车的现代想法。 1971年的专利, 美国3566717 ,并且密切相关 US 3732751 1973年发布的将较小的电动机称为“speeder”因为它有效地确定了燃气发动机的rpm速度,而较大的电动机是“torquer”因为它增加或消除了传递到汽车车轮的扭矩。

那是阿波罗登月飞行的时代,它使用的航天器计算机的能力远不如今天。’苹果的手表。使用电动机和电池组代替固定齿轮和离合器是一个有趣的概念,但是为了高效,有用,需要仔细控制这种变速箱。当时,混合双色球杀号专家变速箱控制计算机不是现实的可能性,因此其设计在普通消费车辆中使用并不实际。

新一代汽车合作伙伴关系

1993年,就职后不久,由总统比尔·克林顿和副总统阿尔·戈尔创建了PNGV。该计划排除了非美国公司,这尤其使丰田等日本汽车公司感到担忧。

通用,福特和克莱斯勒在PNGV的合作下进行了研究,但每个公司都制造了自己的高里程原型车。通用汽车’在那个时代更宽松的测试周期中,Precept的汽车在80英里/加仑的环境下获得了最高的EPA行驶里程估计。它使用安装在汽车后部的40千瓦(54马力)1.3升RWD柴油发动机和35千瓦(47马力)的电动机驱动前轮,该电动机利用连接在发动机上的发电机的双色球杀号专家来驱动前轮。他们对镍氢电池和锂聚合物电池组进行了试验。这是一种称为“through the road”并联混合双色球杀号专家,因为发动机为后轮提供双色球杀号专家,而电动机为前轮提供双色球杀号专家。

在此期间,通用汽车继续探索和设计其他混合双色球杀号专家设计的原型。借助计算机微处理器的优势,它专注于开发和扩展TRW构想,距今已有二十年之久。它制造了一个笨拙的原型,并于1995年2月提交了一项专利,标题为“One-mode, 输入分割, 平行, hybrid transmission”. This patent, 美国5558595 ,他描述了如何将一个发动机,两个电动机和车轮连接到一个或两个行星齿轮组以创建电动变速箱(EVT或eCVT)的多种方式。

 2001丰田普锐斯。

2001丰田普锐斯。

丰田和普锐斯

同时,为了回应美国政府’在PNGV的努力下,丰田建立了一个内部项目,代号为G21,最终导致了Prius的设计。 1995年1月,丰田工程师团队开始了密集的会议,以研究和设计新车的变速箱。根据一本书的标题“震撼世界的普锐斯”由板崎秀史(Hideshi Itazaki)撰写,他们仔细研究了多达80种不同的已知方法。在举行这些会议期间,通用汽车提交了“one-mode”专利,其中包括丰田最终为普锐斯(Prius)决定采用的实际方法,作为其设计替代方案之一。在将领域缩小到四个替代方案之后,丰田在1995年6月30日的一次会议上选择了普锐斯混合双色球杀号专家变速器的基本工程设计。丰田并未完成自己的普锐斯混合双色球杀号专家变速器专利的申请, US 5907191 , until 1997 although it initiated the filing process on Sept. 24, 1996 which was the day on which the GM 单模 patent was officially issued. The first 普锐斯 went on sale in December, 1997 in Japan. A later, modestly updated, version of that model of 普锐斯 was first sold in the United States and Europe in the summer of 2000 as a 2001 model.

Attack of the Clone: Is this the 2017 普锐斯 Plug-in 两种模式 Transmission?

普锐斯(Prius)变速箱从未使用过离合器,但事实证明,丰田现在拥有新鲜的薄荷“Two-Mode”专利来自第三代Prius 杂种 Synergy Drive。该专利于2015年1月1日发布, 美国20150005125 .

这是丰田的混合双色球杀号专家系统’的客户正在寻找?

The 新 design uses 2 (or optionally 3) clutches to support the original 普锐斯 EVT mode plus a higher-speed EVT mode and a 双马达 EV mode intended for a “插电式混合双色球杀号专家汽车等车辆,通常处于EV驱动模式”。与雪佛兰Volt变速箱的相似之处不容忽视。

将2016 Volt变速器与Toyota比较's 新 PHEV patent.

将2016 Volt变速器与Toyota比较’s 新 PHEV patent.

尽管两种设计相似,但仍存在重要差异。

Both designs achieve an additive 双马达 EV mode by preventing the gas engine from spinning backwards. 丰田汽车 does it by engaging a clutch to connect the engine on the first planetary gear set to the planet carrier on the second gear set and then engaging a clutch brake to ground that carrier to the transmission case. GM does this instead with a “one-way”离合器直接连接在第一行星齿轮组的齿圈上,以便将发动机固定在变速箱上。

与通用汽车一样,丰田汽车也包括EVT模式,以提高较高车速时的效率。两种设计都将其两个行星齿轮组的输出绑在一起并固定在车轮上 —丰田为此目的使用齿圈,而通用汽车则使用行星齿轮架。丰田和通用汽车都将其电动机与太阳齿轮系在一起。剩下的齿轮留在了燃气发动机的第一个行星齿轮组上。对于第二行星齿轮组上的其余齿轮,两种设计都包括一个离合器,该离合器可以将该齿轮制动至变速箱,以及另一个离合器,该离合器可以将该齿轮连接至第一行星齿轮组。但是到哪里?丰田将其连接到与燃气发动机相同的齿轮上。 GM将它连接到与较小的电动机(称为MGA)相同的齿轮上。

还有其他各种细节需要考虑。通用汽车’的设计获得了单一的固定比率齿轮,但是丰田’s does not. 丰田汽车 also says that a 单程 clutch might be added in 平行 to the clutch brake on the planetary carrier of the second planetary gear set.

 

第二代汽车(2004年推出的Prius掀背车)采用了相同的基本设计,但对强劲的发动机,更新的电池单元和改进的汽油发动机进行了调整。丰田随后推出了其2006年小型Highlander SUV的混合双色球杀号专家版。汉兰达(及其雷克萨斯双胞胎RX 400h)的混合双色球杀号专家变速器基于普锐斯(Prius)设计,但丰田在原始的双色球杀号专家分配齿轮组之后又增加了一个行星齿轮组。新的齿轮组充当“电机减速器”用于较大的电动机。与其直接以1:1的比例连接到输出轴,不如连接到新的齿轮组上,该齿轮组用作减速齿轮,允许电机在输出轴的每一转中旋转大约2.5倍。这使电动机的旋转力或转矩倍增,并使其更有效地运行。在2006款凯美瑞(Camry)混合双色球杀号专家车和第三代普锐斯(Prius)掀背车于2010车型年问世时,也使用了相同的基本设计,但进行了少许调整。

福特还开始根据TRW的想法开发混合双色球杀号专家设计,并于2005年推出了其Escape小型SUV的混合双色球杀号专家版本。由于丰田和福特混合双色球杀号专家车的设计非常相似,两家公司同意交换某些混合双色球杀号专家专利。

前后来回

同样在1990年’s,一位名叫Alex Severinsky的发明家和工程师开发了几种与混合双色球杀号专家相关的设计,并于1992年提交了专利,并于1994年以 美国5343970 。塞韦林斯基’他的传记背景是他在马里兰大学机械工程学院任教的“Severinsky博士是丰田普锐斯(Prius)和其他车辆中使用的Hyperdrive双色球杀号专家放大内燃发动机双色球杀号专家总成的发明者…”

在Prius取得商业成功后,Severinsky创立的公司Paice在2004年对Toyota提起了专利侵权诉讼,指控Prius的外观设计侵犯了该专利和其他两项专利。

他获得专利的混合双色球杀号专家设计没有使用相同的TRW型双色球杀号专家分配行星齿轮,而是使用了一个电动机,而不是两个。它使用了离合器和一种电控斜齿轮有限滑差速器,该专利称为“可控制的扭矩传递单元”以允许在使用单个电动机,在燃气发动机和车轮之间以固定比例的齿轮传动或在两者的组合之间进行切换。

联邦法院陪审团得出结论,丰田’Prius的设计并没有从字面上侵犯Severinsky’的专利,并在上诉时维持原判。但是,通过称为““等价学说”,陪审团裁定,丰田汽车应对其第一项专利中40项索赔中的2项侵权承担责任。

一项权利要求涵盖了具有发动机,单个交流电动机和逆变器以及电池组的混合双色球杀号专家汽车双色球杀号专家总成的概念。其余索赔涉及电池的想法“最高可提供75安培的电流”。在其他地方,该专利建议在汽车中,电池组的电压应超过500伏,其大小和重量必须与普锐斯和电池相同。“能够提供约30至约50安培,甚至可能高达75安培的电流。”Prius电池的电压为201伏,最高可提供100安培的电流。从2004年普锐斯开始,丰田’的混合双色球杀号专家车包含一个DC-DC电压转换器电路,该电路可以将电池电压升至500伏以上,以提高电动机的效率。

Paice在2009年试图阻止所有丰田混合双色球杀号专家汽车的所有进口。丰田汽车(和具有类似混合双色球杀号专家系统的福特汽车)最终达成了一项财务和解协议。丰田在可能颁布对普锐斯的进口禁令之前投降,并最终获得23 Paice的许可’的专利。同时,福特还与Paice达成和解,可能许可了更少的Paice’的专利或仅在2004年针对丰田的诉讼中被间接侵权的一项专利。 2010年,帕斯(Paice)进入混合双色球杀号专家汽车市场后起诉现代和起亚,随后定居。 2014年,Paice再次起诉福特侵犯其混合双色球杀号专家专利。尽管美国专利局最近在2015年9月28日裁定,在该案件中有2项专利处于无效状态,但该案件仍在继续“prior art”.

通用汽车从未因侵犯混合双色球杀号专家专利而被起诉。

The 两种模式 杂种 Transmission

使用Allison Transmission混合双色球杀号专家系统的旧金山公交车。

使用Allison Transmission混合双色球杀号专家系统的旧金山公交车。

在“one-mode”在1995年2月进行设计时,通用汽车继续创新,并使用两个,三个甚至四个行星齿轮组对各种混合双色球杀号专家设计申请了专利。这些设计使用典型的自动变速器离合器,以允许在车辆行驶时以不同的方式将在燃气发动机,电动机和车轮之间流动的双色球杀号专家钩在一起,以便针对变化的速度和扭矩要求进行优化。在接下来的几年中,通用汽车从许多获得专利的设计变体中,最终利用其中两种扩展设计创造了其初始产品。

GM’普锐斯(Prius)的第一个双色球杀号专家分配混合双色球杀号专家产品是用于公交车的变速箱,该变速箱于2001年首次部署用于测试,不久普锐斯(Prius)进入美国。这种设计现在通过一家名为Allison Transmission的GM附属公司出售,已经成为销量最大的混合运输公交车变速器,并且是当今销售的两种主要混合双色球杀号专家公交系统之一。有时也称为“两模式EVT”设计。基于这种设计的两种变速器是H 40 EP,以及稍重的H 50 EP,它可以从匹配的康明斯柴油机上处理高达330马力的功率。该设计受以下保护 美国5931757 该版本发布于1999年。它描述了3个行星齿轮组和2个离合器,它们允许两种不同的操作模式—以较低(城市)速度使用的EVT模式和以较高(高速公路)速度使用的备用EVT模式— thus the name “two-mode”.

The BMW Active  杂种  X6 using the 两种模式 hybrid transmission.

The BMW Active 杂种 X6 using the 两种模式 hybrid transmission.

全球混合合作

通用汽车后来通过增加2个离合器,修改了该设计以用于SUV和皮卡车,该离合器有效地创建了四个不同的固定档位以及原始的2个EVT模式。这种设计有时也称为AHS-2设计。它使用了两个60 kW(80马力)的电动机,并与额定功率分别高达300 kW(402马力)和358 kW(479马力)的发动机相匹配,并具有高达6,200磅的牵引能力。

通用汽车在2005年成立了由全球混合合作公司组成的企业联盟,其中包括克莱斯勒,宝马和奔驰。基于此设计的车辆在2008-2013年模型年之间售出。由于销售缓慢,这些公司最终取消了这种混合双色球杀号专家汽车。基于这种传输架构的车辆被设计为“power hybrids”改善了车辆性能,同时也提高了效率“efficiency hybrids” that included engine downsizing and control software designed to optimize primarily for the highest mpg. Most hybrid customers have focused on maximizing fuel economy and sales of 双色球杀号专家混合双色球杀号专家 from various makers have generally been less successful, even for 丰田汽车 and its Lexus brand.

GM’s “New”2016混合双色球杀号专家变速器设计

对于其在2016车型年下推出的最新混合双色球杀号专家汽车,我们被告知通用汽车’的工程师使用复杂的计算机仿真评估了许多不同的方法,以选择其新的混合体系结构。但不管到那里,通用’s “new”混合架构实际上是“Two-Mode” design that was conceived and patented some 15 years ago but never used. GM has now dusted off this old design and put a 新 shine on it.

2016雪佛兰Volt。

2016雪佛兰Volt。

原始专利申请标题为“Hybrid 电动 Powertrain Including a 两种模式 电动 ally Variable Transmission” is US patent US 6478705 和was filed on July 19, 2001 and issued on Nov., 12, 2002. The patent describes its design as providing “混合双色球杀号专家双色球杀号专家总成,具有以下优点…[公交车]双色球杀号专家总成,但降低了机械复杂性,并简化了控制。”

A 新er patent filing titled “具有铁氧体磁铁电动机的多模电可变变速器及其操作方法” is US 8602938 和was filed on July 6, 2012 and was issued on December 10, 2013. From an engineering perspective, this patent is largely the same as the earlier one.

GM has seemingly gone out of its way to avoid mentioning any similarity between the 新 2016 hybrids and its previous “Two-Mode”混合传输时代。例如,关于2016 Volt混合双色球杀号专家设计的12页SAE技术论文从未提及“Two-Mode”。 2013年的专利申请也没有重述2002年专利的传输设计。

In the language used 15 years ago, 两种模式 has “input-split” and “compound-split” EVT modes optimized for city and highway driving but the 新er transmission patent calls these “Low Extended Range” and “High Extended Range”. The 新er patent’s “Multimode”名称更精确,因为“Two-Mode”设计除了具有EVT模式外,还始终具有一种或多种固定比率模式。

基本的行星齿轮组。

基本的行星齿轮组。

如上所示,一个简单的行星齿轮组由三个啮合在一起的齿轮部件组成,这三个齿轮部件之间具有固定的比率。所谓的太阳轮位于中间,与行星齿轮架相连的行星齿轮绕其旋转,同时还与带有朝内齿轮齿的外圈啮合。

为了简化事情并专注于更高层次的概念,这是您最后一次在本文中看到实际内容。相反,我们将显示代表这些齿轮的三个彩色框的组—包含一个“R”对于戒指,一个蓝色框包含“C”代表行星架,还有一个包含“S”为了太阳。垂直组成的三个框代表一个行星齿轮组,如上图所示,但订购并不代表齿轮的物理布置。

现在让’我们来看一些功率分割架构。

GM'的2002年专利(上)与2013年专利(下)。

GM’的2002年专利(上)与2013年专利(下)。

上方的插图显示了采用2002年专利的混合设计,下面是在新的2013年专利申请中使用的等效插图。他们使用不同的风格惯例,从表面上看非常不同,但是对于机械工程师,他们使用相同的基本设计,说明如何通过两个带有三个离合器的行星齿轮组连接燃气发动机,两个电动机和最终驱动输出。

GM'的2002年混合专利与2013年的专利。

GM’的2002年混合专利与2013年的专利。

通过使用更简单的图表样式,很明显,新旧专利描述了相同的基本混合体系结构。较新的专利描述了在两个电动机中较小的一个的永磁体中铁氧体(铁)代替所谓的稀土金属的潜在用途。它还描述了在发动机和第一行星齿轮组的齿圈之间使用的离合器样式的特定可能变化。原始专利显示了一种发动机离合器,但没有描述其使用或实施。较新的专利表明,内燃机(ICE)可以“grounded”或锁定在变速箱上。

在实际车辆中,2016年雪佛兰Malibu没有发动机离合器,而是在较小的电动机中使用稀土金属。 2016 Volt使用单向发动机离合器,可实现“dual motor”同时使用两个电机的EV模式。没有单向离合器,伏特’如果较小的电动机在EV行驶期间通电,则会使汽油发动机向后旋转。具有离合器可使较小的电动机推向锁定的齿圈,因此其所有旋转都与较大的电动机一起附加传递到第二行星齿轮组。尚无法获得有关2016年凯迪拉克CT6中RWD混合双色球杀号专家变速箱的详细信息。

 丰田汽车  Camry混合双色球杀号专家与Chevrolet Malibu混合双色球杀号专家。

丰田汽车 Camry混合双色球杀号专家与Chevrolet Malibu混合双色球杀号专家。

如上图所示,今天’丰田,福特和通用汽车的混合双色球杀号专家设计已经汇聚在相同的基本方法上。所示的GM混合双色球杀号专家变速器说明了离合器处于低速扩展EVT位置时的功率流,该位置在燃气发动机关闭时也用于EV驱动。伏特’s 单程 clutch, used for 双马达 EV mode, is not shown. The 福特汽车 and 丰田汽车 transmissions do not have clutches and are always in this configuration.

福特和丰田还选择将汽油发动机的双色球杀号专家输入行星齿轮架,然后输出到齿圈上的车轮。通用汽车调换方向,并选择让汽油机加入齿圈,并让输出到车轮的信号输出到行星架上。

作为记录,福特’s 新est hybrid transmission and the recently announced fourth generation 丰田汽车 hybrid system for the 2016 普锐斯 do not use a second planetary gear set to perform the gear reduction from the larger motor to the output axle. They perform the equivalent large motor gear reduction using a different “parallel” gearing style.

Unlike the 丰田汽车 and 福特汽车 transmissions, GM uses a multimode design that can also set its clutches into a fixed gear ratio mode and into a 高扩展范围 mode used mostly to gain improved efficiency at highway speeds.

第一代2011-2015年Volt以及2014年和2016年的凯迪拉克ELR具有独特的不同设计。 ELR和较旧的Volt具有串联混合模式,在这种情况下,新Volt使用其Low Extended Range双色球杀号专家分离模式的车轮没有机械路径。 ELR和较旧的Volt也具有高速公路速度功率分割模式,该模式在技术上有所不同,但与新Volt类似’s高扩展范围。 ELR和较旧的伏特没有固定比率模式。

现代,大众,以前的本田等其他几家汽车制造商也采用了并行混合双色球杀号专家方法,该方法使用与发动机连接的单个电动机,然后将其与常规变速箱结合。这易于设计,但在城市驾驶中通常效率较低。它还保留了传统变速器更大的机械复杂性。本田现在正转向本田雅阁(Honda Accord)混合双色球杀号专家车的独特新混合双色球杀号专家架构,该混合双色球杀号专家车将燃气轮机运行时以低于43 mph的串联模式和高于该速度的固定比例齿轮组合使用。

For the full details on how both the first generation and 新 generation Volt (and Malibu) transmissions work see: 解释了第二代电压传递操作。