Технологии будущего и технологии сегодня: двухрежимная трансмиссия GM 2-Mode

В автоиндустрии периодически настает момент, когда кажется, что создано всё, что только можно было создать… но уже через неделю  появляется что-то новое. Но ведь изменения – это совсем не плохо; без них нам было бы скучно жить.

Итак, какие же изменения ожидают нас в будущем? Появление 8-, 9- и 10-ступенчатых трансмиссий; трансмиссии с двумя муфтами; гибриды; электромобили; автомобили на топливных элементах – все эти технологии появились относительно недавно, но в ближайшем будущем их развитие только ускорится.
Почему производители уделяют всё больше внимания гибридным автомобилям, электромобилям и автомобилям на топливных элементах? Ответить на вопрос нам помогут следующие несколько фактов:

  • Мировое население растет со скоростью пять “Нью-Йорков” в месяц.
  • К 2050 году, около 70% всего населения планеты будут жить в городах.
  • При нынешних темпах потребления, за следующие 10 лет человечество использует больше ископаемого топлива, чем с начала его истории.
  • К 2025 году ожидается производство 300 миллионов  новых  автомобилей. Если их поставить один за одним, они “обойдут” вокруг света 125 раз.

Еще несколько лет назад, автомобили типа Chevy Volt и Nissan Leaf казались научной фантастикой. Сегодня их технологии заимствуют и в другие автомобили. Рассмотрим одну из схожих технологий: гибридную систему.
Одной из трансмиссий, в которой использовалась эта технология, стала 2-режимная трансмиссия GM. Она была представлена в 2008 году и разрабатывалась консорциумом производителей, включая GM, BMW, Daimler и Chrysler. Большинство производителей уже освоили данную технологию, а некоторые пошли дальше и приступили к разработке 4-режимной трансмиссии.

Так как двухрежимная трансмиссия станет предшественником ожидаемой вскоре 4-режимной трансмиссии, наше понимание данных систем следует начать именно с нее. GM и Dodge представили 2-режимный гибрид в спортивных приложениях типа Tahoe и Durango.

Рассмотрим функционирование 2-режимной системы на примере трансмиссии GM.

Заднеприводная версия GM известна под названием 2ML70 с идентификационным кодом RPO М99. Семейство двухрежимных трансмиссий доступно в трех конфигурациях: заднеприводная T-Rear Drive, заднеприводная U-Upscale Rear Drive и переднеприводная F- Front Drive.

В сравнении со своими бензиновыми аналогами, трансмиссия 2ML70 имеет множество преимуществ, среди которых:

  • Снижение расхода топлива (на 25%-50% по городу)
  • Улучшение эксплуатационных качеств
  • Сокращение количества токсических выбросов


Секрет трансмиссии 2ML70 – в комбинации двух электромоторов внутри трансмиссии, которые служат не только для движения автомобиля в определенных условиях, но и для запуска двигателя. Вы не ошиблись: получается, именно трансмиссия запускает двигатель.

Двухрежимная трансмиссия GM – бесступенчатый, электро-гидравлический гибрид с четырьмя фиксированными передаточными отношениями, двумя электромоторами и функцией старт-стоп двигателя.

Передаточные числа:
1я  — 3.69:1
2я  — 1.70:1
3я  — 1:1
4я  — 0.73:1
EVT #1 — 1.70:1 до бесконечности
EVT #2 — 1.70:1 до 0.5:1
Реверс — 1.70:1

  • Максимальный крутящий момент: 380 lb-ft (515 Нм)
  • Максимальная мощность двигателя: 369 л.с. (275 кВт)
  • Два электромотора с максимальной мощностью в 65 кВт (тяговый электромотор 1, тяговый электромотор 2)
  • Охлаждение моторов осуществляется системой циркуляции жидкости трансмиссии.
  • Крутящий момент электромотора: 242 lb-ft (320 Нм)
  • 300-вольтная никель-металлогидридная батарея (расположена под вторым рядом сидений)
  • Дополнительный гидронасос, который сохраняет муфты в сцепленном состоянии во времярежима автоматической остановки двигателя Auto Stop.
  • Масляный насос пластинчатого типа (с тремя пластинами и роторами)
  • Три планетарных ряда
  • Четыре многодисковые муфты (две блокирующие, две приводные)
  • Два соленоида переключения On/Off: SS1, SS2
  • 6 соленоидов “variable bleed solenoids”: PCS, PCS2, PCS3, PCS4, PCS5, TCC (муфта ГДТ не используется)
  • Два аварийных режима работы при поломке: если стояла 3я или 4я = 3я передача, если 1я или 2я = 2я передача
  • Электронный выбор диапазона
  • IMS (range position)
  • Демпфер крутильных колебаний 347 мм (гидротрансформатор отсутствует)
  • Жидкость Dexron VI; Объем:

*Жидкость и фильтр — 11.5 кварт (10.88 литров)
*Ремонт — 13 кварт (12.30 литров)

Но это далеко не все изменения, связанные с установкой трансмиссии 2ML70. Среди остальных:

  • Изменение в конструкции масляного насоса и в регулировке момента зажигания
  • Модернизированная система EVAP
  • Новая система электрических вентиляторов
  • Новая система рециркуляции охлаждающей жидкости двигателя
  • Новая конструкция электрического компрессора кондиционера
  • Изменение конструкции тормозной системы
  • Новый дизайн системы электронного усилителя рулевого управления


Итак, как работает трансмиссия. В 2ML70 установлены два 300-вольтных, 3-хфазных 60-65-киловаттных электромотора/генератора на переменном токе. Электромоторы на постоянном магните вмонтированы в обоих концах трансмиссии и удерживаются валом/втулкой, а также кронштейном.

Шесть высоковольтных кабелей (оранжевого цвета) подсоединены к трансмиссии с помощью жестких изоляционных трубок, проходящих вокруг трансмиссии, которые затем переходят на гибкие кабели для подключения трансмиссии к блокам управления генераторами/электродвигателями (Drive Motor Generator Control Module). Жидкость используется для нормальной работы трансмиссии, а также для охлаждения тяговых электродвигателей. Электродвигатели обеспечивают вращение ДВС, заряд батареи, работу реверса, а также два режима функционирования электрической бесступенчатой трансмиссии EVT (Electronic Variable Transmission). Передний электромотор используется для запуска двигателя, а также реагирует на сигнал заднего электромотора для функционирования EVT. Задний электромотор обеспечивает задний ход автомобиля и его движение при активном  режиме Aвто Стоп, при котором автомобиль работает исключительно от электротяги.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ

Запуск двигателя – в двухрежимных моделях стандартный стартер не используется. Вместо него за вращение двигателя отвечает электромотор/генератор. 300-вольтный 3-хфазовый электромотор на переменном токе может раскрутить двигатель до 800 об/мин меньше, чем за пару сотен миллисекунд.

Авто Стоп/ Авто Старт – Функция Авто Стоп предназначена для сокращения количества токсических выбросов и износа двигателя, а также для снижения расхода бензина по городу. Когда двигатель заведен, блок управления гибридной трансмиссией HPCM (Hybrid Powertrain Control Module) может переключать режимы Авто Стоп/Старт в любой момент, если выполнены определенные условия.
В режимах Авто Стоп/Старт, двигатель  будет выключаться, когда автомобиль останавливается и не включится до тех пор, пока скорость автомобиля не достигнет определенного уровня или если резко не нажать на педаль газа. В режиме Авто Стопа, крутящий момент обеспечивается тяговым электродвигателем.
Выключение двигателя отобразится на тахометре. Если на нем высвечивается AUTO STOP, обратно завести двигатель можно в любой момент, выполнив определенные условия.

Режим Авто Стоп активируется при следующих условиях:

  • Заведен двигатель
  • Капот закрыт
  • ЕСМ не запрашивает диагностическую информацию
  • Селектор передач – не на реверсе и не на ручных диапазонах
  • Батарея заряжена не менее чем на 20%
  • Двигатель разогрет
  • Тяговые электродвигатели/генераторы не перегреты
  • Температура блока инвертера (PIM) не превышает норму
  • Отсутствуют неисправности в гибридной системе
  • Блок управления гибридной трансмиссии определяет, что включение двигателя не требуется

Для движения автомобиля с двухрежимной системой, работа двигателя совсем не обязательна. Блок управления гибридной трансмиссии (НРСМ) выключит его (Авто Стоп) если определит, что в его работе нет необходимости.
Если же НРСМ устанавливает необходимость в выработке дополнительной энергии, он активирует функцию Авто Старт, и электромотор 1 начинает вращать двигатель.

Функция Авто Старт активируется при любом из следующих условий:

  • Открыт капот двигателя
  • ЕСМ подает сигнал включить двигатель
  • Селектор передач переключен на реверс или на ручной диапазон
  • Низкий заряд батареи
  • Напряжение, температура или мощность батареи превысили норму
  • Температура охлаждающей жидкости двигателя (ЕСТ) слишком низкая
  • Перегрелся электродвигатель/генератор
  • Температура блока инвертера превысила норму
  • Блок управления гибридной трансмиссии определил, что требуется дополнительная энергия двигателя
  • Появилась неисправность в гибридной системе

Режим EVT (электрическая бесступенчатая трансмиссия)

В режиме EVT доступны три режима работы: реверс, пониженная и повышеная. На реверсе включен PCS 3, сцеплена муфта 1-2, для движения автомобиля используется задний электромотор 2.

В повышенном режиме, PCS 3 и соленоид переключения 1 выключены, переключатели давления 1, 3 и 4 открыты, сцеплена муфта 2-3-4, автомобиль приводится в движение передним электромотором 1.

В пониженном режиме доступны еще два “подрежима”: Пониженная с выключенным двигателем и пониженная со включенным двигателем.

В первом случае, включены соленоид PCS 5 и вспомогательный насос, сцеплена муфта 1-2, движение автомобиля осуществляет задний электромотор 2.

Во втором случае, когда двигатель работает, включен соленоид PCS 3, выключен соленоид PCS 5, сцеплена муфта 1-2, передний электромотор 1 заводит двигатель, а движение автомобиля осуществляет задний электромотор 2 при условии, что скорость автомобиля меньше 23-25 миль/час.

Рекуперативное/смешанное торможение

Во время торможения или движения накатом блок управления НРСМ переключит систему на режим рекуперации. В этом режиме моторы начинают работать как генераторы, заряжая батареи за счет снижения скорости.

Смешанное торможение – При нажатии на педаль тормоза, электромотор 2 переключается на режим генератора, снижая скорость автомобиля.

Оба вида торможения  достигаются за счет прямой коммуникации электронного блока управления тормозной системой с блоком управления трансмиссии.
 

Журнал “GEARS”
Статья “ Technology Today and Tomorrow: A Closer Look at the GM 2-Mode Transmission”
Стив Гарретт (Steve Garrett)