1. ábra - A P2 hibridizáció sematikus ábrája a duplakuplungos sebességváltóval összefüggésben

A P2 hibridizáció mint kiegészítő koncepció csak átlagos beavatkozásokat igényel az erőátviteli szerkezetben, és moduláris villamosítást tesz lehetővé a meglévő hajtásmodulokon belül. Ennek eredménye, hogy az elmúlt években már több hibrid hajtásláncot is sikerült sorozatgyártásban kombinálni a duplakuplungos sebességváltóval. A 2. ábrán látható rendszerek a rendszerhez szükséges három tengelykapcsoló elrendezés és kialakítás tekintetében különböznek egymástól. A bal oldalon látható rendszer például a villanymotor és a szétkapcsoló tengelykapcsoló axiális elrendezését mutatja a száraz, duplakuplungos sebességváltóhoz. A középső ábrázolás a Schaeffler hibrid modulját mutatja a rotorba integrált száraz C0-val, amelyet nedves duplakuplunggal együtt használnak. Ezzel szemben a jobb oldali rendszer három nedves tengelykapcsolót ábrázol, amelyeket már nagyon kompakt módon összekapcsoltak a hibrid modul villanymotorjával.

2. ábra - Megvalósított soros megoldások a P2 hibridizációhoz a duplakuplungos sebességváltókhoz

Mindhárom rendszer közös jellemzője, hogy a hibrid modul miatt a sebességváltó tengelyirányú hossza 80-120 mm-el hosszabb, mint a nem elektromos váltóké. A hossznövekedés egy adott alkalmazásban nagymértékben függ az elektromos teljesítménytől és így a villanymotor méretétől és a tengelykapcsolórendszer axiális kiterjedésétől. A jövőbeli megoldások kihívása az, hogy jelentősen csökkentsék a beépítési helyigényt, és ezzel egyidejűleg kielégítsék az élettartamra és a nyomatékkapacitásra vonatkozó követelményeket. Ebből levezethetőek a tengelykapcsoló rendszerben és a sebességváltón belüli beépítési hely optimalizálásának tevékenységi területei.

Rendszerértékelés

A tengelykapcsoló rendszerrel szemben támasztott követelmények a hajtáslánc villamosításával megváltoznak. Ha P2 elrendezésben nagyfeszültségű hibrid modult alkalmaznak, akkor a jármű elindításához a villanymotorral akár jelentős tengelykapcsoló-csúszás nélkül is használható. Az akkumulátor kapacitásától és az akkumulátor-menedzsmenttől függően az eredmény jelentősen csökkentett kuplungterhelés. Ez világosan látszik, ha a motor és a sebességváltó bemeneti tengelye közötti sebességkülönbség integrálját egy klasszikus dupla kuplungos sebességváltó és egy P2 hibrid sebességváltó sebességkülönbségének integrálját hasonlítjuk össze az indítási fázisban – 3. ábra.

3. ábra - Kuplungcsúszás a jármű indításakor belsőégésű motorral (balra) és villanymotorral (jobbra)

Ez azonban új kihívásokat vet fel. Például a tengelykapcsoló kialakításakor figyelembe kell venni az elektromos motor hőveszteségét. Ezenkívül a CO-kapcsoló tengelykapcsolóban további súrlódási energia keletkezik a motor menet közbeni ismételt indítása miatt.

A változó követelmények számszerűsítése érdekében a Schaeffler a sorozatfejlesztési projektek során kiterjedt méréseket és szimulációkat végzett. A cél az volt, hogy meghatározzák a három tengelykapcsoló-típusnál regisztrált összesített súrlódási energiát egy reális vezetési cikluson belül, minden egyes konkrét vezetési helyzetben. A 4. ábra mutatja az ilyen mérések eredményét egy kettős tengelykapcsolós sebességváltó P2 hibridizációval vs. P2 hibridizáció nélkül.

4. ábra - A tengelykapcsolók súrlódási energiája duplakuplungos sebességváltóknál, P2 hibridizációval és anélkül

A mérések alapján nyilvánvaló, hogy a jelenleg sorozatgyártásban lévő P2 duplakuplungos sebességváltók már 50%-kal csökkentették a tengelykapcsoló terhelését - különösen indításkor. A rendszerek továbbfejlesztésével, többek között a rendszer optimális méretezése, valamint a belsőégésű motor, az elektromotor és az akkumulátor kapacitása tekintetében, feltételezhető a súrlódási teljesítmény és a súrlódási energia további csökkentésének lehetősége a három tengelykapcsolós rendszerben. A súrlódási teljesítmény és a súrlódási energia fontos tényezők a tengelykapcsoló tervezésekor, és közvetlenül befolyásolják annak méretét. A P2 hibrid rendszerek jövőbeli generációiban a súrlódási energiaterhelés további csökkentését lehet majd elérni a kisebb tengelykapcsolók révén még kisebb beépítési helyigény mellett. A mai nem hibridizált duplakuplungos sebességváltókhoz hasonlóan általában nedves és száraz tengelykapcsolós megoldások alkalmazására van lehetőség, ahol a nedves tengelykapcsolós megoldásokat általában a nagyobb és nehezebb járműveknél, a száraz megoldásokat pedig a kisebb és könnyebb járműveknél alkalmazzák – 5. ábra.

5. ábra - A jármű elindításához szükséges energia a nedves és száraz duplakuplungos sebességváltók villamosításának különböző fokozataival

Nedves, rotorral integrált három tengelykapcsolós rendszer

A Schaeffler a C0, C1 és C2 tengelykapcsolókkal a fent említett követelményeknek megfelelő, nedves három tengelykapcsolós rendszert fejlesztett ki sorozatgyártásra alkalmassá. Ez szinte teljesen integrálható a villanymotor rotorjába, így illeszkedik annak teljes hosszába. A hibrid modulból, a hármas tengelykapcsolóból és a sebességváltóból álló teljes rendszer nagyon kompakt. Emiatt a rotorba nem integrált megoldásokhoz képest a tengelyirányú erőátvitel hossza 50-70 mm-rel csökkenthető – 6. ábra.

6. ábra - P2 hibrid modul rotorba integrált, nedves hármas tengelykapcsoló rendszerrel

Az alapvető tervezési koncepció a nedves hármas tengelykapcsoló és a hozzá tartozó működtető rendszer radiális és axiális egymásba ágyazását foglalja magában, amennyire csak lehetséges a helytakarékosság érdekében, ezáltal elérve a szükséges nyomatékot és hűtési kapacitást. Az átadandó tengelykapcsolási nyomatékok nagysága a tárcsák számán és a rendelkezésre álló működtető erőn keresztül konkrétan beállítható. Például a C0 leválasztó tengelykapcsoló radiálisan a C1-en belül helyezkedett el. A C2 viszont a C1-hez képest axiálisan helyezkedik el. A hármas tengelykapcsoló csapágyazása a házban lévő főrotorcsapágyon keresztül történik, ami hozzájárul a hibrid modul magas általános hatásfokához és nagyon kompakt felépítéshez.

A három tengelykapcsolót gyűrűs dugattyúkkal ellátott, álló CSC-k (koncentrikus segédhengerek) működtetik, amelyek a C1 és C2 esetében a sebességváltó oldalán, a C0 esetében pedig a motor oldalán helyezkednek el. Az erő átvitele a forgó tengelykapcsolóra a csapágyak segítségével történik. Mivel ez a működtetési forma gyakorlatilag szivárgásmentes, a tengelykapcsoló működtető rendszer nagyon hatékonyan működik. A tányérpárok kis radiális méreteinek és az optimalizált hűtőolaj-áramlásnak köszönhetően a nyitott tengelykapcsolókban csak minimális húzónyomaték keletkezik.

A tengelykapcsolók teljesen integrálva vannak a hibrid modul olaj/hűtőkörébe. Hatékonysági okokból ügyeltek arra, hogy az olaj térfogatáramát a tengelykapcsolókban ténylegesen szükséges hűtési teljesítményhez igazítsák - 7. ábra. A megfelelő hűtőolaj útvonal részleges áramlását a C0 hűtésére és a csapágyak ellátására használják. A külső tengelykapcsolóházból kiáramló olaj a rotor és részben a villanymotor állórészén is végigfolyik, ezáltal hozzájárul az onnan történő hőelvonáshoz is.

7. ábra - Az olaj áramlása a forgórészen belül a mellékkuplungok és a csapágyazások számára

A termikus szempontok megtervezése során a többlemezes tengelykapcsolók valamennyi lemezéről egyenletes hőelvezetést lehetett biztosítani az olajáramlási csatornák kialakításával. Ezenkívül az olaj nagyon gyorsan távozik a súrlódási érintkezéstől, így nem keletkeznek felesleges légellenállási veszteségek. A rotorhűtés használatával sikerült a hőérzékeny mágneses anyagokat még nagy terhelés esetén is 150 °C alatti, elfogadható hőmérsékleti tartományban tartani, ezáltal növelve a villanymotor teljesítménysűrűségét. Kiterjedt áramlási és hőmérsékleti szimulációkat végeztünk a megfelelő optimalizációkkal - 8. ábra -, és az elrendezést a Schaeffler által kifejlesztett tesztrendszerrel igazoltuk. A nyomaték és a hőteljesítmény biztosítása mellett a tesztelés középpontjában a teljes rendszerben a húzónyomatékok és a veszteségek optimalizálása is állt. Számos valósághű próbapadi tesztelés alapján sikerült bizonyítani, hogy a kompakt nedves hármas tengelykapcsoló rendszer megbízhatóan megfelel a működés és az élettartam tekintetében támasztott követelményeknek.

8. ábra - Áramlásszimuláció egy P2 hibrid modulhoz integrált nedves hármas tengelykapcsolóval

Mint sok kuplungrendszer esetében, a tribológiai rendszernek - amely súrlódóbetétből, ellensúrlódó felületből és hűtőolajból áll - központi szerepet tulajdonítanak. A nyomatékkapacitás, a hőállóság, az NVH-viselkedés és a nyitott tengelykapcsoló húzónyomatékának funkcionális jellemzőit nagymértékben befolyásolja a súrlódóbetét. Annak érdekében, hogy ennek a ténynek valóban eleget tegyünk, a Schaeffler - a száraz tengelykapcsolókhoz való bélések mellett - nedves kettős és hármas tengelykapcsoló rendszerekhez is kifejlesztett egy megfelelő bélést, és azt kiterjedt tesztsorozatokban validálta - 9. ábra. Ennek eredményeképpen mind a nyomatékkapacitás, mind a mellékkuplungokban fellépő húzónyomatékok tekintetében nagyon jó értékeket kaptunk. A C0-ban a húzónyomatékokat a geometriai kialakítással, a súrlódólemez optimalizálási intézkedéseivel és a hűtőolaj térfogatáramának minimalizálásával sikerült még egyszer nagymértékben csökkenteni.

9. ábra - Nedves bélés a kettős és a hármas tengelykapcsoló rendszerekhez is

Mivel a jövőbeni alkalmazásokban még alacsonyabb kuplungterhelések várhatóak, lehetőség nyílik a súrlódási rendszer tervezési értékeinek emelésére és a kuplungcsomagok további zsugorítására. A Schaeffler kétrétegű nedves súrlódásos burkolata, amely még fejlesztési fázisban van, fokozott teljesítményével támogatni fogja ezt az optimalizálási lehetőséget. Így végül csak a villanymotor hossza lesz a döntő a szükséges axiális beépítési hely szempontjából. A 10. ábra ilyen koncepciókat ábrázol, köztük a jobb oldali hidraulikus forgóhajtással ellátott változatot. A nedves háromszoros tengelykapcsolók következő generációjának további innovatív megközelítései közé tartoznak a működtető rendszerben a beépítési térre optimalizált tűgörgős csapágyak, az alacsony hiszterézisű működtető dugattyú, a rotor billenésnek nagyon ellenálló csapágyazása és a kimeneti oldalon az alacsony tömegtartalom.

10. ábra - A nedves hármas tengelykapcsoló továbbfejlesztése

Száraz integrált háromszoros tengelykapcsoló rendszer

Elsősorban száraz (azaz léghűtéses) kettős tengelykapcsolókat használnak a nem hibridizált sebességváltóknál az alacsonyabb nyomaték- és teljesítményosztályokban. Felmerül a kérdés, hogy a beépítési térre optimalizált száraz háromszoros tengelykapcsoló rendszer hogyan tervezhető koaxiális P2 hibrid rendszerrel kombinálva, és hogy lehetséges-e hasonlóan magas fokú integráció, mint a rotorral integrált nedves háromszoros tengelykapcsoló esetében.

 Az első megközelítés a rotorba integrált C0 leválasztó tengelykapcsoló és egy radiálisan egymásba ágyazott kettős tengelykapcsoló kombinálása, ahol a kettős tengelykapcsoló a villanymotor rotorján helyezkedik el - 11. ábra. A száraz szabványos kettős tengelykapcsolóhoz képest ez 20-25 mm axiális beépítési hely megtakarítását teszi lehetővé. A motoroldalon működtetett C0 leválasztó tengelykapcsoló a hibrid modul rotorjába van beépítve, ezért szinte semmilyen hatással nincs a beépítési térre.

11. ábra - Radiálisan egymásba kapcsolt száraz hármas tengelykapcsoló

Ebben a kialakításban a villanymotort a száraz hármas tengelykapcsoló hőjétől és a tengelykapcsoló kopásától egy központi lemezház védi. Ezenkívül a háromszoros tengelykapcsoló egység nagyon egyszerűen rácsavarozható a készre szerelt villanymotorra. Ez az elrendezés különösen előnyös a közepes, 60 kW körüli elektromos motorteljesítményeknél, különösen rövid villanymotorral kombinálva.

Ha nagyobb villanymotor-teljesítményeket és így nagyobb tengelyhosszúságú villanymotorokat használnak, akkor általában még száraz hármas tengelykapcsoló is beépíthető a forgórészbe - 12. ábra. A tengelykapcsoló súrlódási felületeinek száma attól függően változik, hogy milyen nagyok a szükséges tengelykapcsoló nyomatékok. Ez azt jelenti, hogy a többtárcsás tengelykapcsolók még száraz háromszoros tengelykapcsolókhoz is tervezhetők, ezáltal még jelentősebb tengelyirányú beépítési helycsökkenés érhető el.

12. ábra - A rotor belsejébe integrált hármas tengelykapcsoló

A mai sorozatgyártásra kész háromszoros tengelykapcsoló rendszerekben a tengelykapcsoló működtetésére két, radiálisan egymásba ágyazott, koaxiális gyűrűs dugattyút használnak. A C1 és C2 tengelykapcsolók működtető rendszere ideálisan a sebességváltó bemeneti tengelyének főcsapágya és a segédtengely csapágyai között helyezkedik el. A segédtengelyszemek helyzete által okozott - főként radiális irányú - geometriai korlátozások miatt a gyűrűs dugattyúk számos alkalmazási esetben nem építhetők be optimálisan. Annak érdekében, hogy e sugárirányú korlátozás ellenére a beépítési helyigényt ellensúlyozni lehessen, a külső gyűrűs henger alternatívaként három, egymással összekapcsolt egyedi dugattyúkioldó mechanizmussal helyettesíthető. Ezek így a segédtengelyszemek között helyezhetők el anélkül, hogy a beépítési térre hatással lennének - 13. ábra. Így elkerülhető az akár 30 mm-es beépítési helytöbbletigény.

13. ábra - A C1 és C2 kettős működtető rendszerének továbbfejlesztése (3 dugattyús működtető rendszer)

Az elektromos meghajtóelemek miatt az NVH-teljesítmény még fontosabb a nagyfeszültségű hibrid rendszerrel felszerelt járműveknél. Az e-motor fázisáram-változása felhasználható a teljes hajtáslánc rezgési viselkedésének optimalizálására. A járműosztálytól, az ügyfél által használt motortól és a kényelem iránti igénytől függően érdemes lehet további csillapító elemként egy centrifugális lengéscsillapítót (CPA) beépíteni. A klasszikus, a kettős tömegű lendkeréknél lévő elrendezés (a 14. ábra a) pozíciója) alternatívájaként a sebességváltó oldalán lévő rotor/kuplung pereménél lévő beépítési pozíció (a 14. ábra b) pozíciója) is lehetséges. Mivel ezen a ponton mindenképpen helyet kell biztosítani a tengelykapcsoló működtetőjének, ez az intézkedés is hozzájárulhat a teljes axiális hossz csökkentéséhez.

14. ábra - A P2 hibrid rendszerben a centrifugális lengéscsillapító elrendezésének változatai

A rezgéscsillapítási tulajdonságok tekintetében mindkét beépítési pozíciónak megvannak a vezetési helyzettől függő előnyei és hátrányai. Az erőátviteli oldali elrendezés elsősorban akkor előnyös, ha a belső égésű motor a hibrid modul villanymotorján keresztül indul (drag start), míg a motoroldali elrendezés akkor mutatja a legnagyobb előnyöket, ha a belső égésű motor be van kapcsolva és alacsony fordulatszámon működik.

A fent leírt, hármas tengelykapcsolóval ellátott P2 hibrid rendszerek mindegyike koaxiálisan van elhelyezve a sebességváltó bemeneti tengelye körül. A villanymotor méretétől és teljesítményétől függően a villanymotor tengelyirányban párhuzamos elrendezése előnyös lehet - különösen az elöl keresztirányú hajtásláncú személygépkocsik esetében. A Schaeffler emellett olyan axiálisan párhuzamos P2 hibrid modulokat is kifejlesztett, amelyek jól kombinálhatók dupla kuplungos sebességváltóval. A 15. ábra a hibridizációhoz szükséges axiális beépítési hely további csökkentésének lehetőségét mutatja be a nedves lemezes tengelykapcsolók radiális egymásba foglalásával.

15. ábra - Egy P2 rendszer axiálisan párhuzamos elrendezése háromszoros nedves tengelykapcsolóval

Egy axiálisan párhuzamos elrendezés különleges kihívást jelent a mechanikai tervezés számára, különösen a tengelykapcsolók és a rotor csapágyazási koncepciója tekintetében.

További autós tartalmakért kövess minket Facebookon is!