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新能源商用汽车电驱动桥技术

   2022-06-13 辉耀汽车制造网佚名40
核心提示:1、车桥概述卡车的三大动力核心总成是发动机、变速箱和车桥,三者中车桥虽不像发动机和变速箱一样常被人们提及,但却在汽车动力

1、车桥概述
卡车的三大动力核心总成是发动机、变速箱和车桥,三者中车桥虽不像发动机和变速箱一样常被人们提及,但却在汽车动力传输的过程中发挥着纽带的作用,对整车的行驶的动力性和稳定性有着举足轻重的作用。



重卡车桥作为重卡4大总成(驾驶室、发动机、变速器、车桥)之一,其行业和技术发展水平在一定程度上关乎着重卡行业的发展。

2、车桥的基本功能

车桥的功能就是传递车架(或承载式车身)与车轮之间各方向作用力及其力矩,其对汽车的动力性,稳定性,承载能力等性能有着重要的影响。

  • 将万向传动装置传来的发动机转矩通过主减速胎、差速器、半轴等传到驱动车轮,实现降低转速、增大转矩;

  • 通过主减速器圆锥齿轮副改变转矩的传递方向;

  • 通过差速器实现两侧车轮差速作用,保证内、外侧车轮以不同转速转向。

  • 通过主减速器齿轮的传动,降低转速,增大转矩;

  • 通过桥壳和车轮,实现承载及传力作用。



▲重卡后驱动模块(双联驱动后桥、平衡悬挂及板簧、传动轴、推力杆)
3、车桥分类

中央单级减速驱动桥

是驱动桥结构中最为简单的一种,是驱动桥的基本形式,在载重汽车中占主导地位。一般在主传动比小于6的情况下,应尽量采用中央单级减速驱动桥。目前的中央单级减速器趋于采用双曲线螺旋伞齿轮,主动小齿轮采用骑马式支承,有差速锁装置供选用。



▲奔驰单级减速桥

中央双级驱动桥

中央双级驱动桥主要有2种类型:

一类如伊顿系列产品,事先就在单级减速器中预留好空间,当要求增大牵引力与速比时,可装入圆柱行星齿轮减速机构,将原中央单级改成中央双级驱动桥,这种改制”三化”程度高,桥壳、主减速器等均可通用,盆齿轮直径不变;



▲伊顿中央双级减速桥实物



▲伊顿中央双级减速器宣传图册



▲伊顿中央双级减速器爆炸图

另一类如洛克威尔系列产品,当要增大牵引力与速比时,需要改制第一级伞齿轮后,再装入第二级圆柱直齿轮或斜齿轮,变成要求的中央双级驱动桥,这时桥壳可通用,主减速器不通用,盆齿轮有2个规格。



由于上述中央双级减速桥均是在中央单级桥的速比超出一定数值或牵引总质量较大时,作为系列产品而派生出来的一种型号,它们很难变型为前驱动桥,使用受到一定限制;因此,综合来说,双级减速桥一般均不作为一种基本型驱动桥来发展,而是作为某一特殊考虑而派生出来的驱动桥存在。
中央单级+轮边减速驱动桥

轮边减速驱动桥较为广泛地用于油田、建筑工地、矿山等非公路车与军用车上。当前轮边减速桥可分为2类:一类为圆锥行星齿轮式轮边减速桥,沃尔沃、雷诺等都采用此类车桥:



▲雷诺圆锥齿轮轮边减速桥实物



▲圆锥齿轮轮边减速桥剖视图

另一类为圆柱行星齿轮式轮边减速驱动桥,奔驰、斯太尔、斯堪尼亚等都采用此类车桥。



▲奔驰圆柱齿轮轮边减速桥



▲圆柱齿轮轮边减速桥传动系统

4、驱动桥结构

主减速器

主减速器一般用来改变传动方向,降低转速,增大扭矩,保证汽车有足够的驱动力和适当的速度。主减速器类型较多,有单级、双级、双速、轮边减速器等。




轮边减速器

轮边减速也可以看作是主减速器的第二级传动。在重型载货车、越野汽车或大型客车上,当要求传动系的传动比值较大,离地间隙较大时,往往在两侧驱动轮附近再增加一级减速传动,称为轮边减速器。



一般来说,采用轮边减速器是为了提高汽车的驱动力,以满足或修正整个传动系统驱动力的匹配。在这一过程中,轮边减速器的工作原理就是把主减速器传递的转速和扭矩经过其降速增扭后,再传递到车轮,以便使车轮在地面附着力的反作用下,产生较大驱动力。

差速器

差速器用以连接左右半轴,可使两侧车轮以不同角速度旋转同时传递扭矩。保证车轮的正常滚动。有的多桥驱动的汽车,在分动器内或在贯通式传动的轴间也装有差速器,称为桥间差速器。其作用是在汽车转弯或在不平坦的路面上行驶时,使前后驱动车轮之间产生差速作用。



目前大多数汽车采用行星齿轮式差速器,普通锥齿轮差速器由两个或四个圆锥行星齿轮、行星齿轮轴、两个圆锥半轴齿轮和左右差速器壳等组成。

半轴

半轴的内侧通过花键与半轴齿轮相连,外侧用凸缘与驱动轮的轮毂相连。



半轴是将差速器传来的扭矩再传给车轮,驱动车轮旋转,推动汽车行驶的实心轴。由于轮毂的安装结构不同,而半轴的受力情况也不同。所以,半轴分为全浮式、半浮式、3/4浮式三种型式。

桥壳

驱动桥桥壳按照制造工艺分为冲焊桥壳、铸造(铸铁、铸钢)桥壳。

传统的铸造桥壳具有刚度大,变形小,成本低等优点,但是制造周期长、工艺复杂,效率较低。冲焊桥壳具有外观好、重量轻、清洁度高、故障率低等优点,冲焊技术正在逐步替代铸造技术。



驱动桥壳的主要功用是支撑汽车质量,并承受由车轮传来的路面的反力和反力矩,并经悬架传给车架(或车身);同时,它又是主减速器、差速器、半轴的装配基体。

5、集中式电驱动桥和分布式电驱动桥

按照电机在车桥中的布置位置,可以划分为集中式电驱动桥和分布式电驱动桥;通常来讲,集中式电驱动桥的电机位于车桥中央,而分布式电驱动桥的电机位于车桥两侧。

5.1集中式电驱动桥

集中式电驱动桥又可以分为单电机驱动桥和双电机驱动桥

单电机中央驱动:比亚迪、AXLETECH

单电机驱动桥又可以分为平行轴电驱桥和同轴电驱桥


▲比亚迪中央单电机驱动桥(平行轴)



▲美国AXLETECH中央单电机驱动桥(平行轴)
双电机中央驱动:特斯拉



▲特斯拉中央双电机驱动桥(前后布置)
单电机直驱:东风德纳(同轴电驱桥)



5.2分布式电驱动桥

分布式电驱动桥又可以分为轮边电驱桥和轮毂电机桥。

轮边电机桥:ZF、汉德、AXLETECH



▲ZF轮边电驱桥(客车)



▲ZF轮边电驱桥(卡车)



▲汉德轮边电驱桥



▲美国AxleTech轮边电驱桥
轮边电驱单元:ZF、AXLETECH



▲ZF轮边电驱单元



▲美国Axletech轮边电驱单元



▲泰特轮毂电机桥

6、中央电机桥、轮边电机桥和轮毂电机桥的区别

中央电机桥首先是整体桥,是集成了电机的驱动桥:

  • 按照电机数量可以分为单电机中央驱动和双电机中央驱动;

  • 按照动力输出轴可以分为同轴中央驱动和平行轴中央驱动;

  • 按照有无差速器又可以分为机械差速器桥和电子差速器桥。

轮边电机桥是指取消了桥壳和半轴的电机桥:驱动电机安装在车轮旁边,此种结构仍然是整体桥,是刚性的,是可以使用钢板弹簧悬挂的,当然也可以使用气囊减震和螺旋弹簧+减震筒的结构;但是由于取消了桥包和桥壳以及半轴,机构空间和重量得以大幅减轻。

轮边电机桥通常是平行轴结构,因为至少需要3级减速(见下图):首先动力从电机输出轴出来要经过2级减速,速比能达到8-15,但这并不够,通常还需要一级轮边减速,使总减速比达到30-50,才能把近万转的电机转速降下来,得到需要的扭矩,所以没办法做到输入和输出同轴。



轮毂电机桥是把电机直接集成到轮毂(轮辋/钢圈)内,通常是独立悬挂或者乘用车的麦弗逊悬挂,而不是刚性的整体结构;另外轮毂电机由于受到空间限制(目前轮毂电机多用于乘用车前桥,所以狭窄的轮毂附近不但集成了制动部分和转向部分,电机驱动部分也弄进来了)



所以一般轮毂电机不再配有减速器,而是使用低速大扭矩电机,另外就是为了尽量减小轴向尺寸,此处应用盘式电机是趋势,另外就是为了得到低速大扭矩,此处多应用外转子电机(中央电机和轮边电机通常用内转子电机)。

7、重卡电驱动桥的进化路线

重卡电驱桥的发展可以划分为三代:



▲第一代重卡电驱桥的代表是比亚迪:中央单电机驱动,取消盆角齿,保留差速器,这是第一代,也是最原始状态。
优点:由传统车桥改造而来,改造工作量小,变动小,容易实现,成本低。
缺点:
仍然保留机械差速器,机构尺寸大、重量大,传动效率低。
重量大于传统车桥,簧下质量大。
若应用于重卡,还需要带气压式机械差速锁应对打滑路面,可靠性不高。

注:小编今天了解到,有一种电机叫双转子电机,能够实现差速,如果可行,那么单电机中央驱动桥也可以取消机械差速锁。



特斯拉中央双级电驱桥,每根驱动桥放置两个电机,双联后桥共布置4个电机,电机是前后对角布置。



▲第二代重卡电驱桥的代表是特斯拉,虽然和第一代比只多了一个“双”字,但内部结构却有了重大变化。

由于双电机的存在,便不再需要机械差速器,粗略算下来一根桥的机械差速器就可以节省80-100公斤的重量。并且由于是双电机前后布置,更容易达成车桥的前后平衡。
优点:取消了差速器,减轻了一部分重量。
缺点:桥壳和半轴仍然存在,总质量大于传统车桥,增加了簧下质量。



▲第三代重卡电驱桥的代表是奔驰(ZF)

此种结构由于集成度更高,小编认为其重量已经与传统车桥相差不多,基本上不存在比较突出的簧下质量问题,发展到第三代,已经没有了传统车桥改造的痕迹,已经是很专用的电驱桥结构了。

优点:

  • 取消了中央机械式差速器,减重80-100公斤;

  • 取消了桥壳和半轴等结构,进一步减重;

  • 机械传动链更短,动力传递效率更高。

缺点:电子差速度的相应时间和扭矩分配的控制算法和策略是电控系统的重点和难点。

8、轮毂电机桥

近日,泰特轮毂电机桥量产下线。



此轮毂电机桥主要用于大客车



从图片可以看出,匹配的是大单胎,小编没有获取更多信息,猜测是由于无法应用现有钢圈,不得不采用异形钢圈。

采用异型钢圈的原因,是因为轮毂电机体积庞大,对空间要求大,原来卡车和客车那种两个钢圈叠放在一起的状态无法沿用。



泰特是收购了欧洲一家轮毂电机公司,在其基础上开发出的商用轮毂电机桥



从公开资料得知,泰特轮毂电机采用直驱,也就是电机直接驱动车轮,不需要减速器;从技术上来说,不需要减速器就需要电机的转矩足够大,显然内转子电机无法输出足够的扭矩,只能采用外转子电机,随之而来的就是无法避免的体积大、重量大,继而造成簧下质量大、散热困难。



至于“外转子直驱”和“内转子+减速器”这两种轮毂电机技术路线孰优孰劣,还需要进行更深的技术论证和实物验证,小编在这里不能妄下定论。



外转子直驱的优点是传动链条短,可靠性相对高,效率高;带来的问题如前所述。

相对轮毂电机,轮边电机桥目前来看似乎更成熟一些。



轮毂电机在某些特种领域会有一定的应用



▲泰特轮毂电机桥

9、关于电控差速问题

电控差速目前没有形成统一的技术路线,小编正在收集各种资料,后续做一个专题单独讲。

10、课后思考题

中央电机驱动桥、轮边电机桥和轮毂电机桥,谁是未来的发展方向?


 
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