新能源汽车创新的电差速器及驱动桥

新能源汽车创新的电差速器及驱动桥--电

动汽车的实践研究

分享到：来源：舍弗勒贸易(上海)有限公司作者：牛铭奎发布：2012-09-05 订阅资讯摘要：本文介绍了一种用于混合动力汽车和电动汽车的创新的电动主动差速器，该产品已经过台架测试，并安装到某项目中的纯电动汽车上测试。根据FZG 的原理的电差速器不仅能实现纯电动驱动，也使主动横向转矩分配成为可能。开发电驱动差速器的目的在于优化电力驱动系统，包括使效率达到最高，以及设计的产业化实现和电驱动转矩分配的功能性验证。

关键词：轻量化差速器，电动主动差速器，电动汽车

1、前言

由于全球变暖以及化石燃料的缺乏，电动汽车驱动装置的开发成为新能源汽车研究的领跑者。联邦德国政府希望在未来的十年内本国成为电动汽车领域的市场领先者。

即使没有电动车，我们汽车保有量在持续增加，也导致交通密度不断升高。因此为了降低事故率，欧盟发起eSafety运动来实现一个大胆的目标，既把2010 年未来十年的道路交

通死亡率降低一半。但仅仅通过改善道路条件是不可能实现这个目标的。车辆传动系统及控制系统必须更加智能化从而可以主动修正驾驶者所犯的错误。有别于已经有或正在开发中的一些驾驶辅助系统；本文提出的用于在纯电动驱动系统的装置是一个全新的发明。

舍弗勒在早期开发正齿轮差速器的时候，就已经激发了将速差控制电机同轴的安装到差速器上的灵感。最初的设计表明这是一种非常紧凑的传动系统。如果差速器能把集成式的减速器和辅助电机组合到一起实现车辆之间的横向转矩高校分配，驾驶的操控性、舒适性、安全性将得到显著提升。

舍弗勒在Herzogenaurach的前期开发团队设计了这种被称为主动电差速器的系统的原型，并且在台架上进行了深入的测试和研究。然后该团队将两个主动电差速器系统安装在一辆的AWD电动汽车上，进一步验证电驱动转矩定向分配系统在汽车前桥、后桥以及共作用模式下的优点和局限性。

2、舍弗勒轻量化差速器

传统的差速器有平衡两轮间的不同转速的功能，比如在车辆转弯的时候。在这种情况下轨迹半径大的车轮旋转速度要快于轨迹半径小的车轮。但转矩的分配比率是固定的50：50%。

舍弗勒应用行星齿轮技术开发出优化体积和重量的正齿轮差速器，我们称之为量轻化差速器（图1）。该差速器有对称齿轮、非对称齿轮两种不同型号，见图 1 中的（a）和(B)。

（a）型差速器有2 组行星齿轮副，每组行星齿轮副有3 个行星轮，因此有3 对行星轮。在左右两边，同一个行星齿轮副的3 个行星齿轮对其对应的太阳轮啮合；而在中间区域上属于不同行星副的 3 对行星轮相互啮合。这种设计要在两个太阳齿轮中间留有间隙。

（B）型差速器的设计初衷是为了最大化利用（a）型号差速器两个太阳齿轮之间的横向空间，进一步的减少差速器的体积和重量。该设计把行星齿轮啮合平面移动到行星轮与太阳轮之间的啮合平面。采取舍弗勒轻化差速器代替传统的锥型齿轮差速器可以为中级车的后桥减轻30%以上的重量和几乎70%的横轴空间。

图1：舍弗勒量轻化差速器(a、对称太阳齿轮和行星齿轮；B、非对称齿轮）

3、主动差速系统

与前述传统的差速器不同，所谓的主动差速器不仅平衡两轮的转速差，而且可以把驱动转矩独立的分配到每个车轮。这就是转矩定向分配技术。由于车轮上不同的圆周力，在车辆竖直轴上会产生一个偏转转矩，该力矩直接影响驾驶的动力性和稳定性。与ESP 系统不同，主动转矩分配控制系统干预时并不会使车辆减速。具有转矩定向分配功能的主动差速器安装在后桥上，能产生与目前的ESP 系统相同的效果，即防止车辆前轮转向不足；并因此提高车辆安全性和动力性能, 见图2。

同轴的不同车轮受到不同的驱动/制动转矩在车辆垂直轴线上产生偏转转矩。主动的横向运动可显著提升车辆转弯和变向过程中的动力性能。敏捷的驾驶表现不仅仅能提高驾驶的舒适度，还提升了驾驶安全性，比如在车辆做变道动作。

通过合理的车桥运动设计，作用在转向桥两侧车轮上的不同的驱动力将在转向杆方向上产生一个偏转转矩。因而可通过设定横向转矩分配来实现转向锁定或转向助力。

更多的比如由于横向风和路面沟槽等因素造成的负面影响，可以通过动态的横向转矩分配控制来纠正，获得更忧的驾驶感觉。此外偏转转矩可以实现一致的驾驶表现，例如对于一个给定的转向角产生的转弯半径是一定的，和车的载荷、速度无关；这一点至少在原理上是可行的。

图2：主动横向转矩分配的优点

轮边转矩的控制是通过控制车轮的转速实现。根据预设的滑差率曲线，可使车轮之间产生转矩差。图3 显示了车轮转速和驱动转矩之间的关系。

如图3，在最初的(a)状态下，车辆直线行驶，两个后轮都以同样的速度和驱动转矩行驶，两个后轮上产生的滑动率相同。我们假设现在左轮制动，由于整车驱动转矩不变此时右轮的驱动起来非常困难。状态B 显示了左轮制动力矩和要求制动滑差之间的关系。然而，不论左后轮上的制动力矩是怎样的，右轮上的驱动力矩必须增大到状态C 的程度以保证总驱动力不变，图3 的滑动曲线显示了右轮必须的工作点。

图3：车轮滑动率和驱动转矩关系

通过滑差率与驱动力曲线的关系，要实现驱动轴上驱动转矩的定向分配则车轮速度必须发生变化；反之亦然。因此，为了实现转矩定向传递功能所需的差速转矩，必须使一个车轮相对另一个车轮加速。第一个基于离合器的主动转矩分配系统应用于三菱蓝瑟上，相似量产

的还有应用于宝马X6 和奥迪S4的系统。这些特殊设计的驱动单元具有附加传动齿轮组和液压控制盘式离合器或者机电控制盘式制动器，使得后桥的一个半桥加速，从产生差速度并主动的分配两轮间的转矩。（参照图3）

图4：液压控制盘式离合器的主动差速器(1、锥型齿轮差速器，2、耦合传动装置，3、盘式离合器，4、驱动转矩)

4 电动主动差速器

电动主动差速器是传统的基于离合器带有耦合传动装置的差速器的最佳替代者，该差速器通过连接到一个差速齿轮上的电动装置直接控制转速差。目前，集成电动作动器装置和机械转矩分配机构的一体化系统仅仅处于概念设计阶段，实际硬件还没有实现；更别提将该系统作为一种主动（差速）系统在例如紧急避让等工况下进行应用的例子了。

这里我们用传统简单的锥齿轮差速器来描述主动差速器的功能，见图5。如果差速器行星齿轮的旋转运动和一个电动装置耦合，则这个装置被差速器驱动。反过来，通过电动装置发出一个转速也可以在车轮之间齿轮(差速器上对应半桥的太阳轮)上产生差速运动。因为外部电动装置产生的驱动转矩使得行星齿轮的平衡杆不平衡，所以差速器的转矩分配也会变化。这意味着在车轮上实现任何理论上可能的轮边转矩和速度分配。

这种主动差速器的基本优势是不再需要任何多余的组件，因为转矩的分配是直接在差速器内部完成的。当两侧车轮的转速相同的时候电动装置处于静止状态，只有在进行主动分配转矩时才提供转矩。但如图5 所示设计的不足之处是电动装置和差速器之间的转矩传递比

率较低（锥齿），另外电动装置必须要随着半轴旋转。为了避免这些缺点而保留电差速器的优势，我们根据FZG 原则对差速器做了重要的改进，下面介绍这种改良过的差速器，见图6。