摘  要

動力傳動產(chǎn)品上市時間的縮短，在空間、重量和成本的縮減與功能，性能與經(jīng)濟(jì)性需求提高之間的平衡是更新發(fā)展戰(zhàn)略的重要發(fā)展因素。

本論文為完整的開發(fā)流程提供了最佳的解決方案。論文首先描述市場的挑戰(zhàn)以及因此產(chǎn)生的原因。第二部分將討論更新要求的概念尋找過程，在概念尋找后便是開發(fā)階段，由此提出模塊化開發(fā)策略。在介紹測試和驗(yàn)證階段，將展示幾種解決方案。智能定制化的載荷譜在日益增長的測試中變的越來越重要，為了完成這些測試，對于測試設(shè)備的要求也會有提及。在論文的最后，我們將對提出的幾種針對新能源動力傳動系統(tǒng)的開發(fā)解決方案進(jìn)行總結(jié)。

介  紹

目前汽車企業(yè)包括吉泰德國有限公司以及其在中國的子公司（吉泰車輛技術(shù)（蘇州）有限公 司）正面臨著的市場挑戰(zhàn)，正是在空間重量和成本的縮減與功能，性能與經(jīng)濟(jì)性需求提高之間保持平衡。圖1為市場挑戰(zhàn)的情景圖。


圖一：市場挑戰(zhàn)

有三個主要勢力推動著市場：汽車行業(yè)，政府以及客戶。

對于汽車行業(yè)而言，縮短上市時間是一個非常重要趨勢。空間與重量通常十分關(guān)鍵，因?yàn)樾碌漠a(chǎn)品開發(fā)需要適應(yīng)現(xiàn)有的車輛平臺，并且必須達(dá)到性能和經(jīng)濟(jì)性的要求。

全世界政府，尤其是中國政府發(fā)布的法規(guī)越來越嚴(yán)格，支持也逐漸減少，來自競爭對手的壓力也在逐漸增大。

此外，客戶在環(huán)境意識，成本，質(zhì)量方面也變得越來越重視，對新的技術(shù)也更感興趣。在接下來的章節(jié)中，將展示新能源動力傳動系統(tǒng)開發(fā)的解決方案。

概念尋找

克服上述提及的市場挑戰(zhàn)首先要有一個好的概念設(shè)計。由于種類越來越多，尋找概念本身就成了一個挑戰(zhàn)，正如圖2所示。車輛類型、使用要求和給定的邊界條件是概念尋找的一個好起點(diǎn)。


圖二：概念尋找

如果基礎(chǔ)定義的好, 檔位, 齒輪的布局以及電機(jī)的集成概念和軟件概念就可以確定下來。開發(fā)與新能源相關(guān)的特供變速器是一個新的趨勢。這意味一方面必須開發(fā)用于電機(jī)的變速箱，另一方面則是需要復(fù)雜的混合動力變速箱，其結(jié)合就例如P1和P3的配置。這一系列復(fù)雜的混合動力變速箱也稱為“DHT”–“專用混合動力變速箱”。這些DHT沒有電機(jī)就無法當(dāng)作“獨(dú)立” 的傳統(tǒng)變速箱，因?yàn)橄穹聪蝌?qū)動只能通過電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)。DHT與減速器變速箱都需要定義必要的檔位。因此， 我們開發(fā)并使用了模擬和計算模型. 圖3和圖4顯示了DHT和減速器變速箱與“EDS”–“電力驅(qū)動系統(tǒng)”的電機(jī)組合的結(jié)果。


圖3：變速箱檔位– DHT經(jīng)濟(jì)性與性能

圖3是模擬和計算出的DHT傳動配置的齒輪組。例如，發(fā)動機(jī)使用的最佳比耗為245 g/kWh。深藍(lán)色區(qū)域代表發(fā)動機(jī)最佳運(yùn)行區(qū)域。很明顯，發(fā)動機(jī)的油耗區(qū)在所有駕駛條件中隨著檔位而增加。另一個積極的方面是，隨著檔位的增加，標(biāo)稱性能和峰值性能區(qū)域同樣也在增加。對于上述DHT樣品的應(yīng)用，4速為最佳。 這些圖形也為EDS（電子驅(qū)動系統(tǒng)）創(chuàng)建，如下圖4所示。


圖 4: 變速箱檔位– EDS經(jīng)濟(jì)性與性能

電機(jī)的效率對于EDS是有影響和意義的。目前關(guān)于變速器的未來有很多種討論，但是我們有很多理由可以明確的表示，變速箱在未來不會被淘汰！

圖 4 就展示了強(qiáng)有力的論據(jù)。以一個檔位為例，必須很好地權(quán)衡性能（加速/爬坡/最高速度） 和最佳系統(tǒng)效率，但這意味著巨大的妥協(xié)。使用兩個檔位后，結(jié)果就會發(fā)生很大變化，性能和效率在整個運(yùn)行區(qū)域內(nèi)均勻分布。三個檔位在運(yùn)行區(qū)域內(nèi)就會帶來更好的效率。通過對比三檔位帶來的效率提升和其研發(fā)應(yīng)用所需的投入，我們得出結(jié)論，在這種情況下，研究 2 速 EDS 是最佳選擇。

從我們的角度來看，由于對電動機(jī)速度的需求不斷增加，以至于不僅對電動機(jī)還對逆變器的要求也在迅速增長，這也是研究更多檔位EDS進(jìn)一步的限制因素，這也最起碼加強(qiáng)了2速EDS的合理性。

開  發(fā)

開發(fā)過程中面臨著一系列挑戰(zhàn)。硬件組件的選擇就比傳統(tǒng)變速箱具有更多的種類。就電機(jī)而 言, 電機(jī)需要有好的發(fā)展并且許多開發(fā)目標(biāo)需要加以考慮。例如，繞組的技術(shù)需要從技術(shù)角度并且同時從生產(chǎn)角度去分析。并非每個供應(yīng)商都有生產(chǎn)發(fā)卡的技術(shù)。通過定義系統(tǒng)軟件，與車輛制造商一起定義功能和責(zé)任也很有必要。運(yùn)用該軟件，尤其是對于混合動力控制系統(tǒng)，需要考慮幾種不同的駕駛模式。必須調(diào)整和優(yōu)化從一種模式到另一種模式的所有切換以滿足客戶， 同時也要開發(fā)和標(biāo)定新的功能，如動力輔助和航行。

就拿航行模式來說，這是必須掌握的新挑戰(zhàn)。從普通駕駛模式進(jìn)入航行模式并不是一個大問題，但是如果駕駛員希望再次加速，則變得困難。一方面，響應(yīng)時間必須最小化，另一方面， 駕駛員在發(fā)動機(jī)速度增加期間不應(yīng)感覺到失速并且離合器接合也必須非常流暢。這就需要在軟件優(yōu)化和標(biāo)定工作上付出巨大努力。特別是需要開發(fā)，模擬和校準(zhǔn)低級軟件功能和適應(yīng)策略以支持高級功能。

圖 5 顯示了開發(fā)概況。從硬件組件篩選開始，然后在開始第一次模擬之前進(jìn)入硬件和軟件進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。仿真結(jié)果可作為軟硬件開發(fā)和優(yōu)化的進(jìn)一步輸入。完成此循環(huán)后，便可啟動硬件樣機(jī)的制作。


圖5：開發(fā)概覽

與傳統(tǒng)變速箱相比，電氣化水平不斷提高，傳動系統(tǒng)的整體效率也需要進(jìn)一步優(yōu)化。但是性能和成本水平必須也要有很好地平衡。要克服這些挑戰(zhàn)，優(yōu)化發(fā)展戰(zhàn)略勢在必行。因此，我們正在開發(fā)基于模塊化策略，如圖6所示。


圖6: 模塊化開發(fā)方法

此模塊化開發(fā)策略的目標(biāo)是為不同的變速箱類型（如DCT、DHT和EDS）開發(fā)變速箱系列。所有這些變速箱系列都必須盡可能多地使用組件庫中的組件。組件庫中包括電動電機(jī)、旋變、雙離合器模塊（DCM）、液壓控制模塊（HCM）、泵（電氣和機(jī)械）、駐車、過濾器、同步器、軸承等。好處是許多部件都已存在，不需要進(jìn)一步的開發(fā)，從而降低了成本和時間。還有一個進(jìn)一步降低成本和時間的因素就是所有部件已經(jīng)過測試，不需要進(jìn)一步的測試。測試時間和成本也可以顯著降低，從而使上市時間也顯著縮短。由于開發(fā)測試臺架的可用性更好，因此新開發(fā)組件的剩余開發(fā)測試更容易進(jìn)行。

因?yàn)樽兯傧涞姆N類異常增加，使得用這種模塊化的開發(fā)策略是非常必要的。如果沒有至少兩倍的組件，那么開發(fā)這種廣泛的變速箱將永遠(yuǎn)不會有利。

測  試

如上文所述，由于總體驗(yàn)證測試變得越來越復(fù)雜，許多不同的變體必須進(jìn)行測試，因此必須通過使用通用部件，來盡可能減少組件開發(fā)的測試工作。因此，定制的載荷譜是盡可能少地進(jìn)行測試的合適解決方案。

共享汽車等車輛的新要求也影響了測試周期。小型車比以前使用得更頻繁，同時由于是完全不同的駕駛員駕駛，他們對車輛的關(guān)心程度不如“私人”客戶。

總體目標(biāo)是開發(fā) “理想設(shè)計”，并通過適當(dāng)?shù)哪途脺y試來測試該設(shè)計。如果客戶使用情況完全明確，那么很容易開發(fā)出合適的設(shè)計。通常有很多都不清晰，為了消除這類情況，解決方法是道路載荷數(shù)據(jù)的測量和評估（參見圖7）。

在道路載荷數(shù)據(jù)處理過程中，特定道路上的駕駛情況與可比較的車輛與可選擇的駕駛員一起進(jìn)行測試。這些測量是混合數(shù)據(jù)和構(gòu)建“最關(guān)鍵”驅(qū)動程序的基礎(chǔ)，通常覆蓋所有驅(qū)動程序的9x%。我們可以對定制的測試周期進(jìn)行編程和測試。


圖7：載荷譜開發(fā)

圖8展示了載荷譜開發(fā)的一個案例。在這個案例中，目標(biāo)里程是300000公里，重點(diǎn)是離合器能量。道路條件分為城市、公路、農(nóng)村、山區(qū)和極端條件。每個條件有3種不同的能量等級。在下一個步驟中，將定義“N”個典型的駕駛員，每個駕駛員將結(jié)合5種路況和3個不同部分的能量等級的特征，總數(shù)為N x 35 = N x 243。為了確?？紤]到所有可能的駕駛員類型，我們采用等概率隨機(jī)生成N（上百萬）個不同的駕駛員。結(jié)果得出一個統(tǒng)計曲線，顯示了所有可能的駕駛員組合和使用壽命期間的離合器能量。為了找到合適的設(shè)計和測試方法，將使用9x%的方 法。否則將會屬于過度設(shè)計（參見圖8）。

過去我們多次采用這種方法，都取得了很好的效果。此方案支持設(shè)計和測試。例如，關(guān)于離合器能量而言，可以看出過去的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計與配備渦輪增壓發(fā)動機(jī)的車輛（SUV）的重量增加和導(dǎo)致更多停車和行駛的嚴(yán)重交通擁擠。在過去的幾年里，離合器上的總傳遞能量顯著增加。


圖8 : 道路譜開發(fā)——案例

除載荷譜外，新能源開發(fā)和測試需求的增加對測試設(shè)施的要求也在迅速增加。典型的驅(qū)動因 素，如上市時間、效率、成本和不同應(yīng)用的數(shù)量，結(jié)合高性能、不斷提高的質(zhì)量要求、高技術(shù)產(chǎn)品等，都對高性能測試臺有需求，如圖9所示。這些臺架必須配備大量的額外設(shè)備，如環(huán)境倉、電流測量系統(tǒng)、電池模擬器、遙測等。


圖9：驗(yàn)證設(shè)備

如今，通常需要高達(dá)18000rpm的臺架，這需要一個高速電機(jī)之外還需要一個驅(qū)動系統(tǒng)，以便在所有條件下一所需的速度和所需的功率運(yùn)行該電機(jī)。

隨著新開發(fā)電機(jī)的性能，電池模擬器所需的功率也在增長。因此，我們的方法是并行組合系統(tǒng)，此解決方案也已成功運(yùn)行。

總  結(jié)

以上幾頁討論了新能源傳動系統(tǒng)開發(fā)的幾種解決方案。市場的挑戰(zhàn)是在減少空間、重量和成本以及提高功能、性能和經(jīng)濟(jì)性要求之間進(jìn)行權(quán)衡。

吉泰德國及其在中國的子公司（吉泰車輛技術(shù)（蘇州）有限公司）制定了許多措施和方案來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，且這些方案也已成功應(yīng)用。如圖10所示，中國的速度加上德國的質(zhì)量是基礎(chǔ)，圍繞著這一點(diǎn)，兩國的優(yōu)勢相互補(bǔ)充，亞琛技術(shù)中心和全球合作正在支持中國的本土化發(fā)展。結(jié)合模塊化開發(fā)戰(zhàn)略、定制化、自主開發(fā)的DVP和中國的本土化測試能力，保證了吉泰在中國本土市場發(fā)展的成功。


圖10：新能源傳動系產(chǎn)品開發(fā)的解決方案



作者：Dipl.-Ing. Dipl. Wirt.-Ing. Joachim Trumpff
工程與測試總監(jiān) GETEC Getriebe Technik GmbH, Germany