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用于混合動(dòng)力車(chē)和電動(dòng)車(chē)的低成本傳動(dòng)模塊

2019-08-27 00:52:15·  來(lái)源：EDC電驅(qū)未來(lái)  
　
1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的工作方式IAV汽車(chē)工程公司開(kāi)發(fā)的低成本傳動(dòng)模塊是一種可有效優(yōu)化成本的專(zhuān)用混合變速器(DHT)，可用于替代混合動(dòng)力方案。與眾所周知的混合動(dòng)力傳動(dòng)
1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的工作方式
  
IAV汽車(chē)工程公司開(kāi)發(fā)的低成本傳動(dòng)模塊是一種可有效優(yōu)化成本的專(zhuān)用混合變速器(DHT)，可用于替代混合動(dòng)力方案。與眾所周知的混合動(dòng)力傳動(dòng)方案相比，該模塊化方案致力于將工作效率及技術(shù)含量最大化并且盡可能降低成本費(fèi)用。
 
該方案的參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要采用系統(tǒng)預(yù)開(kāi)發(fā)的方式。為了完成該項(xiàng)挑戰(zhàn)，IAV汽車(chē)工程公司采用了傳動(dòng)系統(tǒng)合成方法，以此得到處于最佳工況的內(nèi)燃機(jī)、變速器和電機(jī)的技術(shù)組合。

2 傳動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)

傳動(dòng)模塊由4種不同的基本結(jié)構(gòu)組成，電動(dòng)車(chē)(EV)和混合動(dòng)力車(chē)(HEV)分別各有2種結(jié)構(gòu)方案(圖1)。所有傳動(dòng)模塊方案的主要特點(diǎn)是配備有多種連接可能性的統(tǒng)一齒輪組，以便連接內(nèi)燃機(jī)、電機(jī)和換檔部件，從而可最大程度地利用相同零件以實(shí)現(xiàn)可變的傳動(dòng)功能。
 
圖1 用于電動(dòng)車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)的傳動(dòng)模塊，具有1～4種傳動(dòng)部件結(jié)構(gòu)和特性方案(AB=輸出)
 
用于電動(dòng)車(chē)的方案1和2是具有3個(gè)檔位的模塊化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，其中方案1代表一種非常簡(jiǎn)單的自動(dòng)變速器(AT)，它可完全根據(jù)驅(qū)動(dòng)力來(lái)進(jìn)行換檔，并且采用簡(jiǎn)化的雙離合器原理，通過(guò)特殊定位和單個(gè)摩擦離合器以達(dá)到降低傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性和減少零件數(shù)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)。下文詳細(xì)描述了功率分配和換檔過(guò)程。
 
方案2通過(guò)取消摩擦離合器可進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化。該方案具有3個(gè)檔位，同時(shí)也包含了用于電動(dòng)車(chē)的固定兩級(jí)傳動(dòng)速比的標(biāo)準(zhǔn)型傳動(dòng)系統(tǒng)，由于取消了摩擦離合器，而采用一種在換檔期間可中斷驅(qū)動(dòng)力輸出的機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)。在爪式離合器打開(kāi)時(shí)，可借助電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)速同步的輔助方式使駕駛員察覺(jué)到無(wú)驅(qū)動(dòng)力輸出的工作狀態(tài)。
 
另一個(gè)開(kāi)發(fā)目標(biāo)是采用由電動(dòng)車(chē)衍生出的傳動(dòng)齒輪組以實(shí)現(xiàn)混合驅(qū)動(dòng)的目標(biāo)。為此采用方案3(見(jiàn)圖1)，內(nèi)燃機(jī)通過(guò)模塊組合式變速器上的分離離合器與3個(gè)檔位相連接。針對(duì)此類(lèi)傳動(dòng)布局而進(jìn)行的方案研究表明，3檔變速器對(duì)于限制最高車(chē)速的小型車(chē)輛在燃油耗和行駛功率之間采用了折中方案。
 
為使結(jié)構(gòu)型式進(jìn)一步緊湊化，從而開(kāi)發(fā)了另一種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，將內(nèi)燃機(jī)與電機(jī)固定連接在不同檔位上來(lái)替代離合器，此時(shí)驅(qū)動(dòng)方式(電機(jī)驅(qū)動(dòng)、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng))被分配到傳動(dòng)系中某個(gè)確定的功率傳遞路徑上，從而減少了所需的換檔部件。在方案4中，電機(jī)能夠通過(guò)2個(gè)爪式離合器分別與第一檔位或第二檔位相連接，而內(nèi)燃機(jī)則通過(guò)摩擦離合器連接到第二檔位或第三檔位，因此以降低燃油耗為目標(biāo)的混合動(dòng)力運(yùn)行策略的典型特性將直接傳遞到該傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中。出于該原因，方案4即為DHT，該變速器具有最少的檔位、運(yùn)行模式和零部件。
 
3 采用單級(jí)離合器根據(jù)負(fù)荷換檔的過(guò)程
  
為了說(shuō)明僅用單摩擦離合器即可依據(jù)負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行換檔的過(guò)程，圖2示出了換檔階段及其相應(yīng)的功率傳遞途徑。該行駛狀況由電機(jī)起動(dòng)開(kāi)始，借助于換檔部件A通過(guò)爪式離合器掛入第一檔(階段Ⅰ)。轉(zhuǎn)換到第二檔時(shí)，扭矩傳遞從第一檔轉(zhuǎn)換到第二檔，為此換檔部件C首先閉合，接著通過(guò)持續(xù)閉合的摩擦離合器E實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞。在階段Ⅱ結(jié)束時(shí)，幾乎所有的驅(qū)動(dòng)扭矩均由第二檔齒輪和滑差式離合器E進(jìn)行傳遞。
 
圖2 方案1牽引傳動(dòng)時(shí)根據(jù)負(fù)荷換檔的過(guò)程(從第一檔轉(zhuǎn)換到第二檔的換高檔過(guò)程實(shí)例的功率傳遞途徑)
 
只要電機(jī)或內(nèi)燃機(jī)具有足夠的的扭矩儲(chǔ)備或功率儲(chǔ)備，就能補(bǔ)償離合器的摩擦損失，在整個(gè)過(guò)程期間為車(chē)輛提供無(wú)中斷的驅(qū)動(dòng)扭矩。從換檔部件A打開(kāi)時(shí)刻起，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)(電機(jī)/內(nèi)燃機(jī))與從動(dòng)部件之間就不存在運(yùn)動(dòng)連接。在下一個(gè)換檔的過(guò)程階段，通過(guò)電機(jī)的脈沖式扭矩降低方式使惰轉(zhuǎn)齒輪2的轉(zhuǎn)速得以同步化。
 
在該過(guò)程期間，由作用于換檔部件E上的力控制傳動(dòng)扭矩(階段Ⅲ)。一旦與輸入軸的轉(zhuǎn)速差減小到約50 r/min以下，爪式離合器B閉合，該換檔過(guò)程結(jié)束。從第二檔至第三檔的換檔過(guò)程與之相類(lèi)似。牽引力無(wú)中斷的換低檔過(guò)程采用與上述階段相反的順序進(jìn)行。除了連續(xù)的換高檔和換低檔之外，這種變速器也能在第一檔和第三檔之間實(shí)現(xiàn)牽引力無(wú)中斷的直接換檔過(guò)程。
 
4 方案研究
  
表1除了傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)和常數(shù)之外還涵蓋了目標(biāo)值和邊界條件等重要信息。在方案研究中考慮了所有參數(shù)和特性場(chǎng)完整的組合變化，并分別進(jìn)行了全球統(tǒng)一的輕型車(chē)測(cè)試程序(WLTP)燃油耗和行駛性能的分析。由于要在應(yīng)用技術(shù)費(fèi)用最低的3個(gè)平行的變速器檔位的情況下，達(dá)到最低的燃油耗并滿(mǎn)足所需的行駛功率目標(biāo)值。對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化過(guò)程而言，可謂一大挑戰(zhàn)。為此，多種多樣的內(nèi)燃機(jī)與不同的變速器相組合，以此可最優(yōu)地使用內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)。
 
對(duì)于傳動(dòng)模塊的一個(gè)重要規(guī)定是需使用48 V直流電壓，以便能限制系統(tǒng)安全方面的復(fù)雜性并且降低傳動(dòng)系統(tǒng)的總成本。對(duì)于系統(tǒng)功率為60 kW的電動(dòng)車(chē)而言，需提供較高的電壓。
 
5 傳動(dòng)模塊方案研究的結(jié)果
  
圖3示出了采用自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)方案的燃油耗和加速時(shí)間的關(guān)系。所有配置參數(shù)沒(méi)有高于或低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的都是有效的傳動(dòng)系統(tǒng)方案。圖中所標(biāo)出的曲線(xiàn)示出了3檔和4檔變速器的Pareto前鋒，它們分別表示燃油耗和行駛功率之間所能達(dá)到的最佳折中。對(duì)圖3所示出的敏感度分析表明，兩檔變速器在整車(chē)質(zhì)量相對(duì)較輕的同時(shí)已無(wú)法滿(mǎn)足有關(guān)燃油耗方面的要求。
 
表1 用于傳動(dòng)系方案研究的參數(shù)、常數(shù)、目標(biāo)值和邊界條件

圖3 帶有2、3、4檔變速器的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)在WLTP行駛循環(huán)中燃油耗與加速時(shí)間的關(guān)系此外，已證實(shí)使用3檔變速器能達(dá)到最低的燃油耗，但是可達(dá)到的行駛功率卻有所降低。與性能最為優(yōu)越的3檔變速器相比，4檔變速器在WLTP行駛循環(huán)中的節(jié)油潛力并不大。
 
6 優(yōu)化結(jié)果
  
為了客觀評(píng)價(jià)所有試驗(yàn)方案，下一步需進(jìn)行多標(biāo)準(zhǔn)效益分析，從而得到所有傳動(dòng)方案的優(yōu)先次序。為此，表2示出了加權(quán)系數(shù)和從最終得到的最佳傳動(dòng)系統(tǒng)配置及其性能。
 
總效益最高的方案包括了最大扭矩為105 N·m和最大功率約為68 kW的1.0 L自然吸氣汽油機(jī)。采用這種配置能達(dá)到表1所示的所有目標(biāo)值和要求，并具有最低的系統(tǒng)復(fù)雜性和制造成本。
 
表2 用于評(píng)價(jià)方案研究的最終結(jié)果

7 方案開(kāi)發(fā)
  
在表2所示的優(yōu)化結(jié)果基礎(chǔ)上，由于在使用最少的零件和最小的結(jié)構(gòu)空間的同時(shí)具有足夠的運(yùn)行模式，因而需更仔細(xì)地驗(yàn)證DHT方案。正如圖4所示，它涉及到一種與手動(dòng)和自動(dòng)變速器高度相似的模塊化變速器結(jié)構(gòu)，因?yàn)閮H需要3個(gè)圓柱正齒輪級(jí)和3個(gè)換檔部件，因而能夠?qū)崿F(xiàn)較短的軸向長(zhǎng)度和較輕的總質(zhì)量。為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)空間和成本，使用爪式離合器時(shí)可進(jìn)行惰轉(zhuǎn)齒輪的換檔。總之，采用當(dāng)前的方案就能使總軸向長(zhǎng)度縮短為349 mm。
 
圖4 傳動(dòng)模塊的變速器設(shè)計(jì)和3D方案研究
 
齒輪組的開(kāi)發(fā)首先要關(guān)注簡(jiǎn)單的制造工藝和傳動(dòng)比，使其具有盡可能高的靈活性，以此具有統(tǒng)一外殼和統(tǒng)一齒輪組的傳動(dòng)模塊就可應(yīng)用于多種多樣的車(chē)型。除此之外，該方案只要采用浮動(dòng)軸承-固定支承原理，就能保持較小的傳動(dòng)比損失，從而達(dá)到較高的總效率。
 
方案中所包括的諸如換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及冷卻液和潤(rùn)滑劑供應(yīng)裝置等外圍部件的設(shè)計(jì)，主要關(guān)注其成本效益、降低復(fù)雜性和減少損失等方面。在該邊界條件下力爭(zhēng)采用眾所周知的手動(dòng)變速器(MT)的通用件，特別是換檔部件E，由于其換檔負(fù)荷較小也可采用摩擦離合器，除了能降低總成本之外還能減少運(yùn)行損失。
 
為了使電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)可實(shí)現(xiàn)分開(kāi)換檔，用于惰轉(zhuǎn)齒輪的換檔部件被換成單個(gè)分段式換檔套筒，并帶有2個(gè)電換檔執(zhí)行器,以此可隨著運(yùn)行工況和檔位變換而采用靈活的換檔策略。由于采用了電控系統(tǒng)，因而能明顯降低液力系統(tǒng)的成本，其中采用了一個(gè)緊湊的48 V電動(dòng)機(jī)油泵，即可滿(mǎn)足要求，并確保電機(jī)的冷卻和齒輪組的潤(rùn)滑。機(jī)電式換檔部件的控制和潤(rùn)滑劑的供應(yīng)有助于使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行損失降至最低。
 
齒輪組和附屬的外圍部件被設(shè)計(jì)成輕型結(jié)構(gòu)，包括上述部件在內(nèi)的總質(zhì)量(包括電機(jī)和單質(zhì)量飛輪)僅為42.1 kg。小于350 mm的較短軸向尺寸和較輕的運(yùn)行質(zhì)量，展示了包括結(jié)構(gòu)和零部件優(yōu)化在內(nèi)的整個(gè)傳動(dòng)系設(shè)計(jì)過(guò)程中所顯現(xiàn)出的潛力。
 
8 電機(jī)
 
針對(duì)多用途設(shè)計(jì)的電機(jī)是混合傳動(dòng)系統(tǒng)中的核心部件。其外形尺寸受到結(jié)構(gòu)空間、峰值功率、電流密度、效率和持續(xù)功率等方面因素的影響，而且為滿(mǎn)足該類(lèi)要求所采用的技術(shù)也是多樣化的，這就需要從設(shè)計(jì)階段初始就進(jìn)行仔細(xì)分析。為此，應(yīng)用了一種特殊方法(IAV電機(jī)合成法)來(lái)制定系統(tǒng)參數(shù)方案，以便能在一個(gè)較大的參數(shù)場(chǎng)中改變電傳動(dòng)的電性能、幾何學(xué)性能和磁性能。
 
對(duì)于每一種虛擬電機(jī)都要進(jìn)行自動(dòng)有限元法(FEM)試驗(yàn)，以便查明其詳細(xì)性能，并通過(guò)效率分析驗(yàn)證最佳的電機(jī)參數(shù)。圖5示出了用于混合動(dòng)力模塊的電機(jī)配置及其性能概況。為了在有限的軸向結(jié)構(gòu)空間和相電流受限的范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)寬廣的恒定功率，選擇了一種配備有10個(gè)線(xiàn)圈繞組的永磁同步電機(jī)(PMSM)。
 
圖5 用于傳動(dòng)模塊混合動(dòng)力方案的電機(jī)有限元法(FEM)通量?jī)?yōu)化和特性參數(shù)
 
著眼于降低成本的制造工藝，采用了定子疊片鐵芯作為極鏈系統(tǒng)，為此每個(gè)線(xiàn)圈均勻地環(huán)繞定子元件的10個(gè)齒進(jìn)行纏繞，這也包括線(xiàn)圈與整個(gè)繞組系統(tǒng)之間的部分連接。按照該方法旋繞定子疊片鐵芯，封閉包括預(yù)裝配繞組在內(nèi)的極鏈。由來(lái)自電動(dòng)機(jī)油泵單元的機(jī)油進(jìn)行冷卻。
 
9 總結(jié)和結(jié)論
  
IAV汽車(chē)工程公司介紹了一種低成本傳動(dòng)模塊，用于混合動(dòng)力車(chē)和電動(dòng)車(chē)，具有較高結(jié)構(gòu)靈活性的同時(shí)，還具有技術(shù)成本低的優(yōu)點(diǎn)。這種模塊最多可在3種行駛速度等級(jí)的范圍內(nèi)改變其檔位數(shù)，僅使用一種摩擦離合器即可在牽引運(yùn)行期間實(shí)現(xiàn)按負(fù)荷換檔需求。在該研究框架下，已對(duì)眾多電機(jī)和變速器進(jìn)行了試驗(yàn)，由此所得到的結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)、變速器和電機(jī)的參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在考慮到所需的行駛功率的情況下僅用3個(gè)檔位就能實(shí)現(xiàn)最低的燃油耗。
 
DHT方案符合設(shè)計(jì)要求，軸向結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為349 mm，總質(zhì)量為42.1 kg(包括了電機(jī)與單質(zhì)量飛輪)。傳動(dòng)模塊的混合動(dòng)力方案包含有一臺(tái)48 V永磁同步電機(jī)，具有較高的扭矩密度、效率最佳的繞組技術(shù)和低成本的制造工藝。
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