两档系列(二):吉凯恩没迭代就没乐趣


eTwinsterX 这个名字有些绕口,第一次看到它时,你会想为啥取一个这么难拼的名字。汽车行业里机械工程师居多,有艺术细胞、会给产品取名字的人很少1。不过正因为名字取得规规矩矩,从名字里我们总是能看出一些产品的特性和有意思的地方。

eTwinsterX词语拆解

图1:eTwinsterX词语拆解 | 图片@obasic.net

eTwinsterX 的第一个字母“e”,不由分说,说的是电驱动产品。“Twinster” 是吉凯恩四驱双湿式离合器系统的产品名字,用来在四驱车上实现矢量扭矩分配(Torque Vectoring)。最后一个字母 “X”,显得不伦不类。要了解它的含义,你得知道吉凯恩怎么称呼它的两款电轴:单档电轴叫 “eTwinster”,两档的叫 “eTwinsterX”。所以,“X” 在吉凯恩的命名字典里是两档的意思,这有些不寻常。

不过,叫 eTwinsterX 总比叫 eTwinster2 要好。

总的说来,通过这个单词我们能看出,吉凯恩在这款叫 eTwinsterX 的产品里集成了众多技术:电驱动、四驱、矢量扭矩分配、两个档位。事实上,这款电轴里还有很多其他很有意思的新技术。我们今天就来看看它的前身以及前前身产品。看了这两个前身产品后,再回头看 eTwinsterX,你就能完整地了解吉凯恩的这款两档电轴。

第一代单档电轴
亮点大于不足

在为宝马 i8保时捷 Spyder 918 提供两档变速器后,吉凯恩在电驱动领域积累了很多经验。2016年时,吉凯恩对外公布了它的第一款电轴,并于当年装配在了沃尔沃 XC90 T8 插电混动车型的后轴上,实现了P4混动。

吉凯恩第一代电轴实物图

图2:吉凯恩第一代电轴实物图 | 图片@吉凯恩

作为吉凯恩的第一款电轴,它的结构简单却有独特的亮点。由于只有一个档位,电轴里没有了复杂的换档装置。电机2的扭矩通过第一级齿轮组向上传递到平行轴上,通过第二级齿轮组向下又回到了与电机同心的差速器上(总传动比 10.008),从这里再传递到左右两个半轴上。通过这个“一上一下”的结构,电轴的输入(电机)及输出端(差速器、左右半轴)都同轴。

在吉凯恩之后的所有电轴上,包括 eTwinsterX,我们都会看到这个“一上一下”的同轴布置形式。同轴布置带来的好处是更小的尺寸,电轴的安装空间需求更低。

吉凯恩第一代电轴原理图

图3:吉凯恩第一代电轴原理图 | 图片@obasic.net

第一代电轴内只有一个档位,这为车辆的运行带来了一些限制。这款电轴里的电机最高转速为 13,000 转/分钟。当车速到达大约 170 km/h 的时候,电机就已经逼近最高转速,而沃尔沃 XC90 设计最高车速为 230 km/h。因此,车辆必须在 170 km/h 左右时断开电机,保护其不会转速过载。

如果你仔细看上面那张图的话,你会发现在差速器的一侧有一个不常见的装置。这个装置就是吉凯恩为了断开电机而为其配备的 EDD(Electronic Disconnect Differential)装置。其作用是断开差速器与电机间的动力传输。

总结来说,这款单档电轴的两个方面将影响吉凯恩之后的产品:由于只有一个档位,高车速的时候由于电机转速的限制必须将电机与驱动轴脱离,这为将来的两档埋下了伏笔。为了压缩产品的尺寸,吉凯恩将在之后的电轴产品中一直采用同轴的结构,我们之前提到的“一上一下”的结构将贯穿之后的所有产品

以上的这些亮点都集成在了这款电轴里,吉凯恩也通过这个电轴获得了2017年 Automotive News 颁发的 PACE Award

但是,吉凯恩对这个方案不满意。

eTwinster:
第二代电轴与矢量扭矩分配

吉凯恩的第二个电轴可以说是第一代的翻版。就连渲染图(下图)都跟第一代电轴做得特别像。仔细看的话,你能发现之前提到的 EDD 装置和差速器都不见了,取而代之的是两个湿式离合器。这个就是吉凯恩的 “Twinster” 四驱双湿式离合器系统,在这里用在了电轴上,所以加了一个字母 “e”,取名叫做 “eTwinster”。

吉凯恩第二代电轴 eTwinster 实物图

图4:吉凯恩第二代电轴 eTwinster 实物图 | 图片@吉凯恩

用两个湿式离合器取代差速器后,左右车轮的扭矩能够自由的分配3。例如在弯道中,车辆可以将更多的扭矩传递到弯道外侧的轮子上去,从而提高车辆的过弯性能。这样的扭矩分配系统被称为矢量扭矩分配系统(Torque Vectoring)。

吉凯恩第二代电轴 eTwinster 原理图

图4:吉凯恩第二代电轴 eTwinster 原理图 | 图片@obasic.net

总结来说,第二代电轴保留了第一代的“一上一下”同轴结构,同时用两个离合器实现了矢量扭矩分配。同时,由于有了两个离合器,当车速升高导致电机转速逼近最高转速时时,两个离合器打开,电机就与车轮分开了,从而实现了第一代电轴里 EDD 装置的功能。从这个角度来看,这个双离合器系统是一举两得。

但是,你知道,吉凯恩对这个方案还是不满意。

eTwinsterX:
浑身都是亮点的两档电轴

吉凯恩的这种持续不满意的态度终于在 eTwinsterX 上有了成效:在第二代电轴的基础上,吉凯恩终于为电轴配备了第二个档位。eTwinster 终于进化成了 eTwinsterX。到了这一步,这个 eTwinsterX 电轴含括了之前提到的所有功能:同轴的布置、矢量扭矩分配、两个档位。产品的迭代得很是精彩。

吉凯恩第三代电轴 eTwinsterX 结构截面图

图5:吉凯恩第三代电轴 eTwinsterX 结构截面图 | 图片@吉凯恩

吉凯恩在两个档位的实现上也走了不寻常的道路。eTwinsterX 内安装了一个不常见的行星齿轮组,它由两个太阳轮(下图中S1及S2)和一个行星齿轮架组成,没有齿圈。

吉凯恩第三代电轴 eTwinsterX 原理图

图6:吉凯恩第三代电轴 eTwinsterX 原理图 | 图片@obasic.net

第一档时,第一个太阳轮(S1)通过一个可控式单向离合器被锁死(如下图左侧),行星齿轮架推动第二个太阳轮(S2)及其所在轴转动。此时行星齿轮组的的传动比较大,为 1.79,整个电轴系统的传动比为 17.04第二档时,变速器内的换档离合器(如下图右侧)关闭,单向离合器打开。此时,整个行星齿轮组被短路,两个太阳轮及行星齿轮架转速一致。此时,行星齿轮组的传动比为 1.0,整个电轴的传动比为 9.5。两个档位间的换档实现了无动力中断,保证了换档时的驾驶舒适性。在传动比区间(ratio spread)上,吉凯恩采用了 1.79,与其 TorqueShift 两档变速器里的传动比区间几乎一致。

吉凯恩第三代电轴 eTwinsterX 第一档及第二档功率流

图7:吉凯恩第三代电轴 eTwinsterX 第一档(左侧)及第二档(右侧)功率流 | 图片@obasic.net

eTwinsterX 的定位思考

说到这,我要问,你觉得三代电轴里哪一代最好?你可能觉得这还用说,当然是最新一代 eTwinsterX 最好。

在我看来,吉凯恩的第一代电轴功能最为清晰,代表着所有电轴厂商的必经之路,那就是一个档位,外加一个电机断开装置。这两个是所有(P4混动车用的)电轴都必须提供的功能。

到了第二代,矢量扭矩分配功能的加入使得吉凯恩的这款 eTwinster 电轴上升为市场上功能最为强大的电轴。通过矢量扭矩分配,吉凯恩强调并突出了车辆的操稳性的提升。然而,这个功能的需求更多的在于高端、运动车型上,市场的需求必然不如第一代电轴高。

吉凯恩冬季测试

图8:吉凯恩冬季测试 | 图片@吉凯恩

迭代到了第三代的 eTwinsterX 后,它的功能已经远远甩开了其他竞争对手,但是也让这款电轴更加远离了普通的客户。配备两个档位,吉凯恩的初衷正如我们在上一篇里提到的,是希望以此降低油耗5以及减小电机尺寸。然而,为了享受到两个档位的好处,客户必须先购买矢量扭矩分配这个功能。庞大、略显臃肿的功能决定了这款电轴的目标客户必然是少数车厂的高端运动车型6

但是,从另一方面来看,今天的主机厂越来越多地不从外界购买电轴,而是自行开发电驱系统及其部件。一个很好的例子是保时捷为其全新电动车 Taycan 开发的两档变速器。26年来,保时捷都是从外界采购变速器,而这一次选择亲自操刀并量产了这款变速器。由此,第三方高端电轴的开发确实有越来越大的风险。

下一篇里,我们一起来看看保时捷 Taycan 车型里的那款自行开发的两档变速器。

注释:

  1. 在德国,在为产品取名字方面最为著名的人应该说是 Manfred Gotta。他所创的名字被许多公司采用,其中很多今天已经成为了家喻户晓的品牌,例如 Xetra(德国最大的股票交易所), congstar(德国电信品牌), Twingo(雷诺旗下车型), Smart(戴姆勒旗下车型), Panamera(保时捷旗下车型), Vectra(欧宝旗下车型)等。他的公司网址请猛击这里

  2. 吉凯恩第一代电轴中电机为西门子的 SIVETEC MRS 3601同步电机,其最大功率为 60 千瓦、最大扭矩 240 牛米、最高转速 13000转/分钟。

  3. 吉凯恩第一代电轴中采用的是普通的差速器。忽略摩擦不计的话,简单的差速器在任何情况下只能将扭矩 50% : 50% 地分别传递到左右两边车轮去,扭矩无法自由分配。

  4. 出处:SAE文章(英语):”GKN demos eTwinster, world’s-first 2-speed torque-vectoring BEV transmission”

  5. 根据吉凯恩的说法,相比单档电轴,eTwinsterX 内的两档可带来约 10% 的系统效率提升(我对这个值持怀疑态度)。
    出处:吉凯恩 Theo Gassmann 在 ATZ 杂志发表的文章(德语):”Lastschaltfähiges Zweiganggetriebe einschließlich Torque-Vectoring-Funktion”

  6. autoevolution 网站报道福特福克斯 RS 2021 款车型可能装载吉凯恩 eTwinsterX 电轴。


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