用于轎車的帶變速器的輪邊電機(jī)

1 對未來汽車的要求

在汽車驅(qū)動部件開發(fā)和確定其技術(shù)規(guī)格時(shí)，環(huán)保性能是最重要的因素，因此諸如混合動力車(HEV)、電動車(EV)和燃料電池車(FCV)等各種不同車型均以電氣化作為發(fā)展趨勢，其中電驅(qū)動裝置可被設(shè)計(jì)成輪邊電機(jī)，在未來新一代汽車上此類驅(qū)動結(jié)構(gòu)型式將被應(yīng)用得越來越多。

日本精工株式會社(NSK)公司認(rèn)為這種輪邊電驅(qū)動具有三大優(yōu)點(diǎn)：一是具有減輕整車質(zhì)量的潛力，驅(qū)動電機(jī)直接與車輪相連接，能取消諸如變速器和萬向軸等動力傳動系的重要部件，以此可降低燃油耗，并且更環(huán)保。二是輪邊電機(jī)提高了汽車的主動行駛安全性，因?yàn)榕c內(nèi)燃機(jī)汽車相比，其可單獨(dú)控制車輪，因而能夠獲得更為優(yōu)越的牽引力控制，而且與當(dāng)今常規(guī)動力傳動系統(tǒng)相比，能有效縮短牽引力控制的反應(yīng)時(shí)間。三是采用該動力驅(qū)動方案能節(jié)省更多的車廂內(nèi)部空間，同時(shí)提高行駛舒適性，因?yàn)槠溆行p少了動力傳動部件的數(shù)目。

但是，該項(xiàng)技術(shù)至今仍未得以商業(yè)化，其中一個(gè)重要原因在于減小輪邊電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，不僅需具備較高的扭矩，而且還應(yīng)達(dá)到足夠高的終端轉(zhuǎn)速。

2 電動車的換檔

當(dāng)今的電動車大多數(shù)配備有固定傳動比的單個(gè)驅(qū)動級而非多檔變速器。單個(gè)驅(qū)動級的缺點(diǎn)是電動機(jī)的轉(zhuǎn)速-扭矩特性曲線無法完全達(dá)到汽車功率特性曲線場的要求，因此所選擇的電機(jī)的功率應(yīng)設(shè)定得更高，以便覆蓋所有規(guī)定工況下的實(shí)際行駛功率范圍(圖1)，但是采用功率較高的電動機(jī)也就意味著整機(jī)質(zhì)量更大，這不利于實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)。

圖1 電動車的行駛功率

與簡單的兩級變速器不同，如果配備輪邊驅(qū)動，那么電機(jī)的轉(zhuǎn)速-扭矩特性曲線就能與整車的匹配效果更好，因此通常會選擇功率較小的小型電機(jī)，而無須在行駛功率方面采用折中方案。同時(shí)與帶有固定減速裝置的電驅(qū)動相比，驅(qū)動單元的質(zhì)量能減輕達(dá)30%，此外期望的行駛功率所在的運(yùn)行工況點(diǎn)主要位于低扭矩和低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，尤其適合新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)和日本JC08試驗(yàn)循環(huán)。在采用兩檔變速器的情況下還可減少電力消耗或者增加單次蓄電池充電后的汽車行駛里程。

3 輪邊驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

NSK公司根據(jù)該設(shè)想開發(fā)出了一種輪邊驅(qū)動裝置。該驅(qū)動單元由兩個(gè)緊湊的電機(jī)、1個(gè)自由輪離合器、1個(gè)兩檔變速器和帶有整體式變速級的車輪軸承組成(圖2)。開發(fā)的目標(biāo)是：

(1)小型化,配備有兩個(gè)緊湊的電動機(jī)和1個(gè)兩檔變速器；

(2) 具有較高的扭矩和足夠高的終端轉(zhuǎn)速；

(3) 換檔過程中無較大沖擊。

圖2 輪邊電機(jī)結(jié)構(gòu)

變速器由2個(gè)行星齒輪總成(單排和雙排小齒輪行星齒輪總成)組成，而單排小齒輪總成的內(nèi)齒環(huán)與雙排小齒輪變速器的行星齒輪架結(jié)合在一起。具有2個(gè)支承軸承的自由輪離合器使變速器更為完整，其在換檔時(shí)可使單排小齒輪行星齒輪架調(diào)整轉(zhuǎn)動方向。車輪軸承配備了一個(gè)整體式減速器，可提高變速器的輸出扭矩。這種驅(qū)動裝置按照表1所列的技術(shù)規(guī)格開發(fā)，不僅達(dá)到了較高的扭矩，而且具有足夠高的終端轉(zhuǎn)速。

這種輪邊驅(qū)動裝置具有兩個(gè)前進(jìn)檔和1個(gè)倒車檔。電動機(jī)A和B由電控單元控制，能同時(shí)或彼此相互獨(dú)立地調(diào)節(jié)2個(gè)電機(jī)(圖3)。在第一檔時(shí)電機(jī)A和B以相反方向旋轉(zhuǎn)，然后與自由輪離合器相結(jié)合，并使單排小齒輪行星齒輪架停止轉(zhuǎn)動。如果電機(jī)B的旋轉(zhuǎn)方向改變的話，那么自由輪離合器將脫開，變速器就從第一檔轉(zhuǎn)換到第二檔。

表1 輪邊電機(jī)技術(shù)規(guī)格

圖3 在第一檔和第二檔時(shí)的電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向

在第一檔時(shí)，電機(jī)A和B以扭矩調(diào)節(jié)模式進(jìn)行運(yùn)作。如果電機(jī)B的調(diào)節(jié)算法從扭矩調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換到速度調(diào)節(jié)的話，那么變速器就從第一檔轉(zhuǎn)換至第二檔，但是電機(jī)A的調(diào)節(jié)算法保持不變，而電機(jī)B的額定值則是電機(jī)A在第二檔時(shí)的轉(zhuǎn)速，這就意味著電機(jī)B將通過調(diào)節(jié)而趕上電機(jī)A。該變速器的結(jié)構(gòu)型式無需液壓技術(shù)和機(jī)械式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速就能實(shí)現(xiàn)換檔，而且以該方式換檔較為平穩(wěn)，駕駛員和乘客都幾乎察覺不到換檔過程。該類變速器結(jié)構(gòu)為提高緊湊性和減輕質(zhì)量的驅(qū)動設(shè)計(jì)提供了前提條件。第一檔時(shí)較高的驅(qū)動扭矩在兩套行星齒輪總成之間進(jìn)行功率分流，而在第二檔時(shí)又可達(dá)到足夠高的終端轉(zhuǎn)速。在倒檔時(shí)電機(jī)A和B同樣以相反的旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)作，但是旋轉(zhuǎn)方向的組合并不與第一檔時(shí)相對應(yīng)，而是電機(jī)A向后旋轉(zhuǎn)，電機(jī)B向前旋轉(zhuǎn)，其原因是自由輪離合器僅允許單排小齒輪行星齒輪架朝單一方向旋轉(zhuǎn)。輪邊驅(qū)動裝置僅在倒車檔時(shí)電機(jī)A和電機(jī)B的轉(zhuǎn)速比才保持恒定不變地運(yùn)行，此時(shí)轉(zhuǎn)速比受到限制。而倒車的上下轉(zhuǎn)速極限則是由行星齒輪總成的齒數(shù)所決定的。

4 試驗(yàn)車輛

NSK公司已建造了1輛裝有輪邊驅(qū)動裝置的試驗(yàn)車輛(圖4)，以便能進(jìn)行實(shí)際行駛試驗(yàn)。在兩個(gè)前車輪上各配備了1個(gè)輪邊驅(qū)動裝置(圖5)。控制系統(tǒng)由操縱裝置(加速踏板、換檔開關(guān)、向前行駛和倒車行駛)、數(shù)字模塊化硬件串聯(lián)式車載專用機(jī)箱和轉(zhuǎn)換器組成。操縱裝置的信號由專用車載機(jī)箱進(jìn)行評估分析計(jì)算，算出當(dāng)前所期望的轉(zhuǎn)換器運(yùn)行模式及由行駛指令得到的轉(zhuǎn)速和扭矩值，并將其作為指令傳遞給轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器由2個(gè)絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊、1個(gè)微型計(jì)算機(jī)和多個(gè)冷卻體組成。微型計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)控制2個(gè)IGBT模塊，即2個(gè)電機(jī)，兩者被各集成為1個(gè)驅(qū)動單元。輪邊驅(qū)動裝置具有3個(gè)運(yùn)行模式，包括第一檔、第二檔和倒車檔。

圖4 輪邊驅(qū)動試驗(yàn)電動車

圖5 試驗(yàn)車輛上的輪邊驅(qū)動裝置

汽車結(jié)構(gòu)由1個(gè)中央車架及前后各1個(gè)副車架組成。中央車架上裝有蓄電池組(布置于座位下)、蓄電池管理系統(tǒng)(布置于座位后)和車載專用機(jī)箱(布置于車輛尾部)。車載專用機(jī)箱作為中央控制和調(diào)節(jié)單元并用于數(shù)據(jù)收集和貯存。除了駕駛員座位之外，還有一個(gè)試驗(yàn)工程師座位。另外，轉(zhuǎn)換器被安裝在可拆卸的副車架上，此類模塊化結(jié)構(gòu)被允許用于各種不同試驗(yàn)用途的車輛。

5 行駛試驗(yàn)結(jié)果

圖6 無沖擊換檔的試驗(yàn)結(jié)果(左：換高檔；右：換低檔)

NSK公司已用上述的試驗(yàn)車輛開展了行駛試驗(yàn),并且查明了該類新型輪邊驅(qū)動裝置在各種不同行駛狀況和每一種運(yùn)行模式下的功率。圖6示出了換高檔和換低檔的試驗(yàn)結(jié)果。電機(jī)A和B以相反方向旋轉(zhuǎn)，車輪向前滾動。2個(gè)電機(jī)以扭矩調(diào)節(jié)模式進(jìn)行工作，電機(jī)B跟隨電機(jī)A的轉(zhuǎn)速，使車輪加速。此外，試驗(yàn)證實(shí)第一檔的加速度至少是第二檔的2倍。

該輪邊驅(qū)動裝置的性能特點(diǎn)是換檔過程無沖擊。其由2個(gè)電機(jī)組成，并通過具有2套行星齒輪總成的變速器將功率匯聚在一起。如果2個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩可進(jìn)行精確調(diào)節(jié)的話，即使在加速和減速期間駕駛員也能切換至高檔或低檔，該功能同樣也在行駛試驗(yàn)中得到了證實(shí)(見圖6)，以此可在換檔過程中實(shí)現(xiàn)連續(xù)加速和減速，或者保持車速恒定不變。

6 開發(fā)目的

雖然NSK公司已制成了裝備輪邊驅(qū)動裝置的試驗(yàn)車輛，但是目前并未追求整個(gè)驅(qū)動單元的商業(yè)化。此類集成在車輪上的驅(qū)動裝置，目前只能由具備一定資質(zhì)的OEM制造商或達(dá)到Tier1等級的零部件供應(yīng)商能實(shí)現(xiàn)成熟產(chǎn)品的開發(fā)并投入批量生產(chǎn)。NSK公司的目的是要先將此類集成在車輪上的電驅(qū)動裝置的機(jī)械零部件投入批量生產(chǎn)。該類機(jī)械零部件如圖2所示(黃色部分)，作為終端變速級的帶有整體式減速器的車輪軸承單元和微型滾針軸承就屬于這類機(jī)械零部件，可確保緊湊的行星齒輪總成平穩(wěn)運(yùn)行。用于換檔過程的無液壓執(zhí)行器的自由輪離合器及為避免電腐蝕而具有專用防腐裝置的滾動軸承也都屬于此類零部件范疇之內(nèi)。

7 明顯緊湊的第二代產(chǎn)品

第一代輪邊驅(qū)動裝置已實(shí)現(xiàn)了所設(shè)定的開發(fā)目標(biāo)，并確認(rèn)了此處所介紹的功率數(shù)據(jù)，該類驅(qū)動裝置要求在軸向增加154 mm的結(jié)構(gòu)空間(圖7左)，而且僅適用于專門為該類驅(qū)動裝置開發(fā)的車輪懸架系統(tǒng)，因此尤其是緊湊的軸向結(jié)構(gòu)型式是第二代輪邊驅(qū)動裝置(圖7)的重要開發(fā)目標(biāo)，已在2016年底開始進(jìn)行研發(fā)，而且保留了基礎(chǔ)方案，但是要求第二代產(chǎn)品的軸向結(jié)構(gòu)空間要比第一代縮短99 mm。該要求主要?dú)w因于2個(gè)電機(jī)布置的改變： A和B電機(jī)布置在車輪軸承周圍，而不再是同軸結(jié)構(gòu)型式。與第一代的電機(jī)相比，其特征是轉(zhuǎn)速更高同時(shí)尺寸更小，最高轉(zhuǎn)速已從5 000 r/min提高到12 000 r/min。新設(shè)計(jì)的車輪軸承也有助于減小軸向位置，此類新的軸承取消了行星齒輪總成，并使用了整體式輪軸。

圖7 NSK公司第一代(a)與第二代(b)輪邊驅(qū)動裝置的比較

8 結(jié)論和展望

NSK公司采用輪邊馬達(dá)為電動車開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)緊湊且功率強(qiáng)勁的新型驅(qū)動方案，不僅提供了較高的扭矩并且具有足夠高的終端轉(zhuǎn)速，同時(shí)在試驗(yàn)車輛上證實(shí)了此類電驅(qū)動裝置的實(shí)用性。NSK公司并未計(jì)劃將該驅(qū)動裝置商業(yè)化，此項(xiàng)進(jìn)程將留給有一定資質(zhì)的OEM制造商或達(dá)到Tier1等級的零部件供應(yīng)商去完成，而NSK公司的目的是要將該集成在車輪上的電驅(qū)動裝置的機(jī)械零部件先投入批量生產(chǎn)，從而提高高效環(huán)保的電驅(qū)動的吸引力。

目前第二代輪邊驅(qū)動裝置正在開發(fā)中，其特點(diǎn)是具有更為緊湊的結(jié)構(gòu)型式和更寬廣的轉(zhuǎn)速范圍。NSK公司已在2017年秋季東京電機(jī)展覽會上展出了第二代的第一種型號產(chǎn)品，下一步工作是將其安裝在試驗(yàn)車輛上，在實(shí)際行駛試驗(yàn)中驗(yàn)證其技術(shù)規(guī)格及相關(guān)參數(shù)。