两挡电驱动系统如何设计？——功能篇

cengjili

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简述

多挡化变速器方案可以成为几种不同类型的纯电/混合动力系统的智能解决方案。众所周知，增加额外的齿轮和所需的换挡设备将增加成本和重量。因此，一个合乎逻辑的步骤是通过子系统的智能组合将换挡系统与驻车系统或断开系统功能集成，并消除复杂性并减少执行器和组件。通过最小化成本，重量和提高车辆效率，释放多挡化的全部潜力。

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开发背景

多挡化变速器系统可以提高效率，并改善某些车辆类别的性能。特别是在汽车重量和性能对整体效率影响较大的高端市场，多挡化变速器是满足客户期望的关键技术。另一类车辆是轻型商用车。成本是一个非常敏感的话题，尤其是在ICE上。为了将成本和重量保持在可接受的水平上，需要集成智能功能。这些可以通过使用可用的换挡元件和执行器来，轴承和轴以及换挡系统的额外重量来完成。通常，多挡化变速器可以设置为空挡模式。离合器保持打开状态，没有扭矩从车轮传递或传递到车轮。这可以用于减少系统中的拖动扭矩，因为传动部件仅部分旋转(取决于传动拓扑结构)。一个多挡化变速器也允许我们，取代经典的驻车系统。这需要对换挡系统组件进行非常敏感和详细的评估，以满足驻车系统的要求(法律和客户要求)。

除了纯电动汽车的应用，混合动力系统也需要考虑。电子系统与传统动力系统相结合，在车辆的低速区域具有强度，而内燃机在更高的速度和负载下具有最有效的工作区域。这种效果通常用于在纯电动模式下低速运行车辆，在中速范围内使用组合或混合模式，在高速时使用发动机模式。为了在高速行驶时保持动力系统的高效率，必须设计一个断开系统。

2 挡电驱动系统开发是为了将最高效率与最佳驾驶性能(动力换挡)相结合。传动布局是基于轴齿传动，传递扭矩在离合器或狗齿离合器之间传动。机电式换挡方案保证了良好的可控性和换挡质量，如图1所示。



图1 两挡电驱动原理图

换档逻辑使除了1st和2nd外，如空挡和驻车机构。由于使用了换挡系统和执行器来启用驻车锁模式，因此该功能称为智能驻车锁，如表1所示。在可用布局内集成功能可以避免多速变速器的额外重量和成本，从而与单一应用具有竞争力。



表1 两挡动力流

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性能分析

断开系统将传动系统与车轮断开，以减少空载运行时的阻力损失。当内燃机被取代或电动汽车与四轮驱动(4WD)动力系统时，在更高的速度时，正常行驶时，一个电驱动系统的1挡驱动功率就足够了。2挡驱动功率在动态驾驶情况下提供支撑。

断开系统对整体效率的影响

如果我们在WLTC参考周期中比较不同的车辆类别，我们将看到在4WD应用(BEV)中断开机构系统的好处。表中比较了不同的情况：前后桥扭矩分配为0/100、30/70和50/50。最后，还有一个带有disconnect元素的版本。断开装置位于侧轴，在e轴上没有阻力损失。在场景中，车辆使用给定的设置驱动完整的WLTC。



表2  WLTC循环BEV车重2150kg效率对比

在第二种情况下，将一辆重型而强大的SUV与不同的扭矩拆分版本进行比较，此外还将与 2 挡概念进行比较，其中包括一个轴上的断开系统。除了前面的场景之外，还评估了断开连接的不同位置。由于这辆车非常强大，如果没有断开连接，WLTC的效率不是很好。如果效率应该进一步提高， 2 挡变速器是合乎逻辑的方法。除了提高效率，还可以增加最大扭矩和/或最大速度。这种设置是必不可少的，如果越野要求必须满足，如表3所示。



表3 1挡/2d挡电驱动系统效率

断开系统集成挑战

在单挡电驱动系统中，答案非常清楚。在空载运行时，与车轮解耦的部件越多，效益越高。如果只是电机解耦，变速器的全部阻力损失仍然存在。如果分离装置移动到中间轴，情况会更好，但在这里，最终驱动齿轮仍然会造成很高的阻力损失。

断开的位置对系统的负载情况有很大的影响。离侧轴越近，负载就越高。另一方面，速度降低了，这对可控性有利。如图2所示。



图2 电驱动系统断开结构布置位置的优缺点

如有可能，应避免将驻车锁和断开系统组合在同一电子轴上，否则会增加控制和安全方面的努力。如果将断开系统作为一个功能集成在多速变速器中，则选择最佳集成的灵活性受到限制。换挡系统的离合器通常放在变速器的中间轴或输入轴上。如前所述，这只会带来有限的效率效益。此外，对于单速变速器，也必须考虑开式离合器的拖曳扭矩。与湿式离合器系统相比，多片干式离合器的低阻力扭矩集成在2挡电驱动系统中。离合器在中间轴的集成，也减少了功率损失。

驻车机构

驻车锁是电驱动系统的安全系统。因此，设计和分析需要相当敏感地处理。驻车机构开发过程，确保第一时间正确的驻车机构设计，以满足越来越少的新电驱动系统的开发时间表，如图3所示。



图3 停车机构开发过程

第一个设计挑战是评估电驱动系统传动的最佳位置，因为有许多不同的布局和解决方案。有一种趋势是将驻车锁放在输入轴上，以减少驻车机构部件上的反作用力。如表4所示。



表4 不同多挡方案对比

在下一步中，需要根据功能和性能需求评估潜在的概念。这已经有助于排除那些行不通的概念。最大的挑战是，某些单一参数会影响多个要求，因此必须平衡设计参数，以同时满足所有要求，包括由于加工公差(啮合速度、回滚、强度)导致的标称偏差。这需要对完整的系统需求有充分的了解。

在停车锁处出现的载荷由一侧斜坡上的车辆重量和另一侧定义的啮合速度来定义。讨论了上坡(车辆惯性)和下坡负载路径(电机惯性)。这两种情况都需要评估，最坏的负载情况将是组件尺寸的基础。



图4 仿真与实物测试差异

到驻车轮的载荷路径不仅影响到驻车机构零件，而且影响到轴、齿轮和花键等传动部件。以3-5公里/小时的速度啮合驻车锁会导致驻车锁齿轮和棘爪处的扭矩峰值在1000牛/米左右。负载是通过驻车臂的爪子转移到壳体。

驻车机构面临的挑战

停车机构的应该基本满足与传统的驻车齿轮和驻车臂相同的要求。特别是法律要求是必须的。2挡电驱系统的机电换挡系统由换挡鼓控制。需要在剖面中考虑停车位置。为了实现稳定的位置，P位置需要在专用的教骨?蛏�(两个离合器杠杆都被锁定)。此外，根据要求设置了从1挡和2挡直接启用停车位置，以实现短激活时间。如图5所示。



图5 转毂横切面图

通过两个离合器传递，摩擦离合器是更少的自我保护和打滑，如果扭矩峰值超过离合器的能力。然而，需要确保的是，离合器扭矩能力足以保持车辆的坡度。需要根据驻车机构的要求对第一档的狗齿离合器进行详细评估。   

牙齿对牙齿的情况也可能发生在打齿。因此，换档叉预装了一个弹簧。扭矩传递通常通过单向离合器完成。犬形离合器的齿形有一定的齿角，以减少换挡负荷。这可能导致离合器在滥用载荷，如驻车机构啮合或持有车辆的梯度自打开。必须在换挡套上引入一个机构，以保持在任何情况下狗离合器都能安全啮合。如前所述，需要满足回滚距离等法律要求。这就要求驱动狗离合器的齿距，以保证回滚的贡献非常低。其他要求，比如防止交战超过一定速度限制时，需要控制功能支持。如图6所示。



图6 一维换挡系统仿真模型

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总结

本文综述了电驱动系统断开机构和驻车锁系统的集成，重点介绍了多速变速器断开系统和驻车锁系统的功能集成。效率是主要的开发挑战之一，也是OEM实现具有竞争力的行驶里程的关键要求。特别是在四轮驱动应用中，如果不增加断开机构，很难满足效率要求。

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需要仔细研读，谢谢分享