舍弗勒-离合系统的混动化方案

摘要

目前双离合变速箱在乘用车市场的份额仍持续增加，为了应对不断提高的节能减排要求，在双离合变速箱基础上增加P2模块成为一种简单且高效的混动解决方案。

本文介绍了离合器混动化方案，面对空间布置的挑战，高度集成的三离合器模块应运而生。文章分析了混动P2与传统系统的区别，混动P2对离合器的热负荷要求明显降低，这样就可以进一步减小离合器的尺寸，从而解决空间布置的问题，此外还分析了干式离合器在混动系统应用中的优势。文章同时介绍了集成干式C0离合器的P2模块还可以应用在AT、CVT等自动变速箱上。最后文章进行了总结并给出了离合器混动化方案的结论。

作为“增设（Add-on）”方案，P2混合动力模块在未过多影响变速箱结构的前提下，实现了现有驱动模块的电气化。近年来已有若干款P2混动模块搭载双离合器变速箱进入量产。（图1）展示了三种离合器不同 的布置方案和设计方案。左侧的系统是电机、C0离合器和干式双离合器的同轴布置。中间是舍弗勒混合动力模块中电机转子集成干式C0，并与湿式双离合器的组合。右侧的系统包含了三个湿式离合器，并与混合动力模块电机的紧凑耦合。

上述三种系统中有一个共同点，增设混合动力模块后，变速系统的轴向长度比增设前加长了80至120mm。具体应用中的长度增加要取决于对电机性能的要求。这个要求进一步体现为对电机和离合系统轴向尺寸要求。未来解决方案面临的挑战是尽可能减少对安装空间的需求，并同时满足运行寿命和扭矩容量的要求。因此，我们要着重优化离合系统以及变速箱内部空间。

动力总成的电气化水平，决定了对离合器系统的要求。对于高压P2混合模块方案，可在离合器无过大滑磨的情况下，由电机启动车辆。依靠电池容量和电池管理，离合器承受的滑磨可显著降低。在车辆起步阶段，起步产生的摩擦能耗为发动机或电机和双离合变速器输入轴之间转速差的积分，可以看到，后者产生的摩擦能耗明显小于前者。如图2所示。

图2: 内燃机和电机在车辆启动中的离合器滑磨

但是这又带来了新的挑战，在设计离合器时需要考虑电机的热损耗和整车行驶过程中通过控制C0离合器实现发动机反复重启时在该离合器内产生的热量。

为了量化不断变化的要求，舍弗勒在量产开发项目中进行了大量的测试和仿真计算。目标是确定在每个特定工况下，每个真实行驶工况中三类离合器系统的累积摩擦能耗。图3显示了双离合变速器在安装和不安装P2混动模块下的测量结果。

图3: 双离合变速箱摩擦损耗

考虑极限工况，比如堵车时电池的电量在不断降低，那么是否需要发动机使用离合器进行起步，从而给离合器带来非常苛刻的热负荷？即使在电池电量低至0.1kwh，也就是相当于能够提供 360KJ的能量。经仿真计算结果显示某车带拖车进行坡起需要消耗的能量是66KJ，这样可以认为此时的电量仍然能够实现5次带拖车的纯电坡起。对于平路起步每次消耗的能量是7KJ，那么也就是可以进行50次平路纯电起步（图4）。

图4: P2混合动力车最恶劣工况下的能量计算

实测结果表明，目前量产的P2双离合器变速箱已经将离合器负载减少了50％ ，尤其是起步工况下的负载。此外，通过优化动力系统尺寸、发动机性能、电机性能以及电池性能，可以进一步降低三离合器系统中的摩擦功和摩擦能耗。摩擦功和摩擦能耗是设计离合器时直接影响其尺寸的重要因素。在未来的P2混合动力系统中，将有可能通过更小的离合器进一步减少摩擦能耗，进而减少对安装空间的需求。与当今的非混合动力双离合器变速器一样，通常可以采用湿式和干式离合器解决方案，湿式离合器解决方案通常用于较大型和较重型车辆，而较小型轻型车辆则采用干式解决方案 （图5）。

图5: 不同混动程度系统的离合器起步能量

湿式集成式三离合器系统针对上述需求，舍弗勒开发了面向批量生产的湿式C0/C1/C2三离合器系统。三个离合器可完全集成在电机的转子内，从而适应电机转子的整体长度。整个系统由混合动力模块和三离合器组成，非常紧凑。因此，与非式集成方案相比，变速箱轴向长度可以减少50到70mm，见图6。

图6: 将电机转子集成在湿式三离合器内的P2混动模块

基本的设计理念包括尽可能将湿式三离合器与相应的执行器系统径向和轴向嵌套布置，以节省空间，并实现所需的扭矩和冷却能力。离合器的转矩容量可以通过摩擦片的数量和所需的执行力来具体设定。例如，切断发动机的C0离合器径向位于C1的内侧。反过来，C2通过C1轴向定位。 三离合器通过壳体中的转子轴承实现支撑，有助于提高混合动力模块的整体效率，并实现非常紧凑的结构。

三个离合器通过带有环形活塞的CSC（对中式从动缸）驱动，驱动C1和C2的位于变速器侧，驱动C0的位于发动机侧。驱动力通过分离轴承传递给旋转的离合器。 由于该驱动方案实际上是无泄漏的，所以离合器执行机构工作效率很高。 因此，通过小尺寸摩擦片和优化的冷却油流量，未接合的离合器只有很小的拖曳扭矩。

离合器完全集成在混合动力模块的油/冷却回路中。 出于效率原因，油的流量会根据离合器实际需要调整，参见图7。部分流量用于冷却C0并润滑轴承。流出外离合器壳体的油会流经转子并且部分流经定子，从而也有助于其冷却。

与其它离合器系统一样，摩擦系统的性能由核心组件——摩擦片、钢片和冷却油组成。其中摩擦材料的特性会影响到扭矩容量、热稳定性、NVH特性和拖曳扭矩（常开式离合器）等。为了真正掌握摩擦系统特性，除干式摩擦材料之外，舍弗勒还开发了适用于双离合器和三离合器的湿式摩擦材料，并进行了大量的的测试验证， 见图8。可以看到扭矩容量以及离合器的拖曳扭矩方面都有优异的性能。而通过几何设计、摩擦片的优化以及降低冷却油流量，C0中的拖曳扭矩也能大大降低。

对传统变速箱而言，干式双离合器主要应用于较低扭矩和功率输出的变速箱中。在此时的干式三离合器系统中，问题就变成了如何与同轴P2一起通过优化设计实现类似于湿式三离合器的高度集成。 第一种方法是将集成了转子的C0分离式离合器与径向嵌套的双离合器相结合，从而将双离合器置于电动机的转子上（图9）。 与干式标准双离合器相比，这样可以节省20至25mm的轴向安装空间。分离离合器C0的驱动装置在发动机侧且集成在混合动力模块的转子中，因此几乎不影响安装空间。

在这种设计中，电机通过一个中心薄壁壳体来实现与干式三离合器的热和离合器片磨损的隔离。 此外，三离合器单元可以很容易地装到预装电机上。 这种布置特别适合输出大约60kW的电机，且尤以紧凑性电机更佳。

如果电机输出功率更高并因此使用更大轴向长度的电机，则通常可以将干式的三离合器集成到转子中（图10）。 离合器摩擦面的数量根据所需的离合器转矩有多高而变化。 这意味着即使对于干式三离合器，也可以设计多片式离合器，从而允许在安装空间中更显著的缩短轴向尺寸。

干式C0离合器干式C0离合器不仅可以和干式双离合变速箱匹配，同样也可以和湿式双离合变速箱组合，甚至可以应用到带TC的自动变速箱或CVT变速箱中。

在混动应用中集成离合系统有诸多优势，使用电机作为起步原件可以减小离合器尺寸；高度集成，小型和高效的干式湿式三离合器设计；紧凑和高效的干式C0离合器设计可适用于各种变速箱。