開發工程師解讀雷克薩斯LC500h變速箱

春節長假後一直沒時間更新微博，每天抽空寫一點，總算是湊好了節後第一篇文章，願大家在新的一年裡吉星高照，萬事如意。

這篇文章的內容均來自這款變速箱的開發人員口述，他們分別是

1 雷克薩斯 動力總成企畫部 主管 安藤郁男

2 雷克薩斯 製品企畫 主管 落畑學

3 愛信 技術本部 EHV技術部次長 新智夫

LC500變速箱

齒比：1st：3.538 2nd：1.888 3rd：1.000 4th：0.650

驅動力分配機構齒比：0.436

電機：永久磁石型

蓄電池電壓：310.8V

PCU電壓：650V

變速箱整體結構

前段由發電機/行星齒輪組/電機組成了THS（豐田混動系統），後段是由2組行星齒輪構成的4段變速機構。THS的動力輸出可以進行4段變速。因為電機和發動機的動力合流後才會變速，所以發動機的動力輸出也會受齒比影響。在高齒比側可以獲得扭矩增加的效果，低齒比側可以獲得巡航的效果。

NV（噪音振動）對策

和發動機直接連接的HEV車，發動機的燃燒振動會讓變速箱的齒輪和花鍵產生搖動。4段變速機構內的多板式制動器的壓盤也會發生輕微地振動。雖然液力變矩器的存在會讓這種振動不被人察覺，但是在沒有液力變矩器的MSTH（豐田的混動變速箱），需要一一攻克這些噪音振動。

1 MG1/MG2

把薄片電磁鋼板重合製成定子鐵芯，發電機MG1定子繞組的銅線斷面是圓形，MG2定子繞組的銅線斷面是四方形。之前的LHD（雷克薩斯混合驅動）的MG2定子繞組的銅線斷面也是圓形。豐田對於這類製造方法非常熟悉，擁有包括電機設計、內製化等多種電力驅動的技術儲備。轉子部分在照片上看不到，高轉速FR在行駛時電機內部溫度會超過120度，所以轉子部分採用了富含稀土類的磁石，而像FF的普銳斯等車型的轉子部分就沒有使用這種磁石。

2 4段變速部分

在考慮了燃油經濟性、變速箱大小、變速質感後，決定使用4速變速箱。4速的嚙合要素：離合器2組/制動器2組和單向離合器，它們總是保持2組嚙合，2組分離。4速齒比較大，另外在已有的齒比上，通過發動機的轉速模擬出10速，低速行駛的時候盡量不讓4段變速升降擋。

3 油壓系統

4段變速機構內的各嚙合要素通過分別獨立的專用線性電磁閥進行控制。減少電磁閥的數目盡量減短油路形狀。通過和MG1轉速變化的聯動，實現模擬變速，這對油壓控制的反應和精度要求很高。

LC500h的變速箱是豐田和愛信面向後驅車開發的第三代MSTH（豐田的混動變速箱）產品。

開發MSTH旨在提高FR車的燃油經濟性，THS（豐田混動系統）的電力效率隨著齒比變大而增加，理論上發電機MG1的轉速為0的時候的齒比是電力效率最好的時候，但是齒比這個還大的話效率就會下降了。還有就是高速巡航的時候無法停止發動機，也沒有辦法回收能量，所以燃油經濟性也不會提高。而MSTH廢除了高/低2段減速，在THS出力軸後端增加了4段變速機構，通過降低MG2和發動機轉速來提高驅動力傳達效率。

這款變速箱最大的目標就是提升高速巡航時的燃油經濟性，雖然在走走停停的市區裡邊可以通過能量回收來提高燃油經濟性，但是在高速上是不行的。MSHT是LHD（雷克薩斯混合驅動）和4段變速箱的合體，變速比為0.650-3.538，通過這套系統將MG1的轉速控制在0，從而提高驅動力傳達效率。

MG2和4速齒輪的關係

下圖顯示了1-4速的齒比是如何加到發動機/MG2的出力上邊的。灰色區域是通過4速化提高的效率部分。之前的高/低切換LHD在高速行駛時相當於3速。

下邊這2張是變速示意圖以及離合/制動器嚙合圖，發動機和電機的合計出力會通過4段變速。

專用設計的行星齒輪

要把6段的變速比做成4段，需要2組專門設計的行星齒輪。位於中心位置的太陽輪的直徑要比前側的行星齒輪小。一般需要增加齒輪轉速上限的話會加大直徑，增加承受扭矩上限則需要增加齒面的寬度。

這款變速箱最引入注目的就是齒比，0.650-3.538的4段變速用最少的零件做到了提升燃油經濟性的最大效果。而且因為是裝在LC這款車上，所以在4段變速之上又加入了電子模擬10速，兼顧了駕駛平順性和操控樂趣。在LC500決定使用10速AT的時候，LC500h也定下了追求操控樂趣的開發目標。

之前的LHD系統都是採用先把轉速升起來後才開始加速的無縫式換擋變速箱。而MSHT則相反，發動機轉速攀升和車速的關係就像多段式AT那樣線性，變速的節奏也並非一成不變。雖然最初的開發階段也考慮過維持轉速不變的無縫式換擋變速箱，但最後還是選擇了模擬10速，不僅能夠舒服地加速到極速250km/h，還能實現高速巡航下的燃油經濟性，也能在任何情況下輸出所需要的扭矩，以及充滿動感的變速節奏。

電子模擬10速變速箱（機械式4速），1速的齒比4.701，10速的齒比0.589，這相當於普通6AT的齒比範圍。根據必要的驅動力和高速燃油經濟性的關係來決定齒比範圍，基本上是把齒比進行了均等的分配。10速的變速裡邊，3-4速，6-7速，9-10速是機械變速，只有這個時候MG2的轉速會發生變化。除此以外的變速，都是固定MG2的轉速，調整MG1的轉速，這就宛如變速時發動機轉速會微妙的下降/上升。這是用電子模擬出MT車換擋時離合和發動機轉速之間的狀態。

雖然從結構上來看這台變速箱是和以前的技術進行了組合，事實上完全不是這麼回事。從2005年開始開發算起，最開始的5-6年都花在了變速程序的基礎上面。

（鄙人水平有限，這個段落他們3個描述的內容我不是很明白，我猜測他們是不是想說在沒有慣性反轉力矩的情況下，如何對變速箱換擋程序進行編程，當然我這個猜測可能是錯的，如果有哪位工程師能看明白這段描述，懇請指正）——通常動力就這麼傳到輪胎上的時候，會被緊貼在地面上的車輛的慣性力矩固定住。輪胎和THS之間有4段變速機構，在變速的時候，變速機構內的離合/制動器需要嚙合、解放，所以必須要讓MG2的轉速和4段變速機構的變速動作協調一致。理由是車輛這個慣性力矩沒有了。如果不精確地控制動力分割行星齒輪所承受的扭矩和轉速，那麼4段變速就無法成立。要讓發動機/MG1/MG2分別不要超過一定轉速的控制並不簡單，這需要實時計算髮動機/MG1/MG2的慣性力矩和4段變速側的離合容量4個變數，變速的時候把4個變數調整到一個最合適的數值，而這個計算程序的基礎構築，花了5年時間。之後開始編程，每3毫秒一次的實時演算，對照所有變數和條件後再進行控制，還設置了在所有條件下計算式都不會發散的規則。因為計算所必要的數據只在HEV系統內完成，所以這套控制程序可以直接用到其它車上邊，雖然當初很幸苦，不過以後展開的方向性擴大了。

每3毫秒一次的實時演算

變速箱從和地面接觸的車輛的巨大慣性力矩里解放出來，當離合/制動器處於嚙合，分離這種不安定狀態的時候，車輛的驅動力傳遞到THS內的行星齒輪上時，可能會造成MG2的損壞。所以要精確地控制行星齒輪組承受的扭矩和轉速，這張圖橫軸是發動機（MG1）的轉動加速度。把各扭矩、動力放到中間綠色矩形和斜線圍起來的部分，就能夠順利進行4檔變速。

MG1和MG2的扭矩上、下限，電池入/出力的上、下限，這3個要素一直在變化，但是現在的控制程序可以在這個變化中找到一個最好的組合方式。

從機械面來看，MG1/MG2/發動機的扭矩合流後再進行4段變速，發動機也能使用減速齒比。在大齒輪側得到驅動力，在小齒輪側得到燃油經濟性。MSHT以電力為輔，提高減速比來獲取驅動力。

這款變速箱的搭載位置要求能夠直接替換LHD，所以在尺寸上的限制很嚴。然後還通過一些細節上的改良提升變速箱的效率，這個部分和LC搭載的10AT一樣。

全文完！順便打個廣告，我們公司有台15年白色的雷克薩斯ES300h舒適版，確實挺舒適的，豐田的混動技術真不是蓋的，有意者請私信詳詢！