摘 要
吉凱恩傳動系統已成功推出其單速eAxle的第二代版本,這款産品率先在寶馬全新2系ActiveTourer 225xe上使用。此項技術是在吉凱恩傳動系統位于德國洛馬爾的技術中心開發而成,并且正在公司位于意大利布魯内克的工廠制造。
eAxle是目前混合動力及電動車輛所采用的已實作批量生産的eTransmission技術演變産品。為了能在小型車上使用,該産品得到了優化,可以輕松地內建到全球汽車平台上,在提供顯著節能減排效果的同時,實作eAWD和eBoost功能。
本文描述了eAxle的總體布局,以及有關優化齒輪系效率和NVH的具體細節,并且描述了獨特的電子斷開差速器的功能原理。
簡 介
寶馬2系Active Tourer全新插電混合動力版車型搭載了開創性的動力總成架構,将前輪内燃機驅動與後橋電機驅動相結合。此概念将電力驅動與傳統驅動系統的優勢進行了融合。借助吉凱恩第二代創新型eAxle, 可以實作多種駕駛模式:純電動模式适用于本地零排放駕駛;電氣全輪驅動模式适用于增強牽引力,增大傳動動力;混合動力驅動和增強功能可将引擎扭矩和電動機扭矩相結合。
電動機可提供的最高功率為65kW,最大扭矩為165Nm,最高轉速為14000rpm.
經過對eAxle概念的進一步優化,吉凱恩成功推出了第二代eAxle技術。元件經過重新設計後,在安裝尺寸沒有任何增加的情況下,可傳輸更大扭矩。
eAxle采用固定的傳動比,可向後輪傳輸2065Nm的輸出扭矩。如有需要,電氣全輪驅動模式可提供全輪驅動車輛的功能(如優異的牽引力和駕駛性能) ,除此之外,該模式還可通過能量回收給電池充電。此傳動系統概念可省去前後橋間的機械連接配接(傳動軸) 。此減少的重量雖隻能部分抵消電氣化所需元件的額外重量,卻完全消除了PTU、傳動軸和部分RDU帶來的損耗。
為提高效率,通過電子斷開差速器(EDD)中內建的離合器,可将電動後橋與傳動系統斷開。電動或混合動力模式下的最高時速均可達到125km/h ;如要提速,齒輪箱會将電動機與傳動系統斷開,然後僅由内燃機為汽車提供動力。
基于車輛架構的關鍵齒輪箱要求
第二代eAxle是吉凱恩已得到市場肯定的eAxle系列的更新産品,并且已經安裝在标緻3008Hybrid.寶馬8、保時捷918 Spyder以及經沃爾沃全新SPA平台制造出來的車輛上,包括XC90和S90
全球對于具有全輪驅動功能且燃料效率得到改進的車輛的需求不斷增長。新開發的eAxle裝置能夠符合這些要求,并且可以幫助汽車制造商達到客戶預期,加快其産品的二氧化碳減排。
吉凱恩第二代eAxle技術具有以下關鍵特征:
- 單速變速器,可用于電動、混合動力和能量回收驅動模式
- 緊湊型偏置設計,可輕松地內建到傳統的傳動系統結構内
- 電子斷開差速器(EDD), 可在特定的速度下斷開,以最大限度地減少損失NVH和效率均得到優化的齒輪組和軸承布置
寶馬2系PHEV車輛概念
寶馬公司在其2系Active Tourer上搭載了這款創新的動力總成架構。這款插電式混合動力車輛将前輪驅動與1.5升3缸内燃機和6速自動變速器相結合,混合動力驅動裝置位于後橋。混合動力驅動裝置由一台電動機和內建了電子斷開差速器(EDD)的吉凱恩第二代eAxle組成。
圖1：車輛和系統性能一來源：網際網路/吉凱恩
寶馬225xe的系統總輸出功率為165kW,其中100kW由内燃機提供,剩餘的65kW來自電動機。平均燃油消耗約為2.0L/100km,相當于NEDC測試中少于50g/km的二氧化碳排放量。最大電動續航裡程為38km。
該系列車輛選擇動力總成配置(傳統内燃機為主驅前橋提供動力,次驅後橋采用電動方式)這種配置在沒有機械卡丹軸的情況下可以提供電動全輪驅動(eAWD)功能(見圖2) 。
這種“分軸式”混合動力概念将電力驅動的優勢融入到那些隻采用内燃機的車輛中,如果行駛距離較短,可實作本地零排放,而作為一款全輪驅動車輛時,其傳動動力更強。利用後橋的附加電動機,這種動力總成概念可以在制動和減速階段進行能量回收,進而幫助提高車輛的整體效率。省去前後橋間的機械連接配接(傳動軸)所減少的重量雖然隻能部分抵消電氣化所需部件的額外重量,卻完全消除了PTU、傳動軸和部分RDU帶來的損耗。這樣不僅讓駕駛人員能夠享受到eAWD車輛的雙重優勢,而且可以最大限度地減少油耗。
由于混合動力驅動概念由兩個單獨且互相獨立的傳動裝置組成,是以可将其更容易地內建到全球車輛平台内。此外,可以将電力驅動變速器的機械複雜性和系統控制的複雜性保持在合理且具有成本效益的水準,與此同時還有機會采用子產品化方法,即通過電動機安裝不同級别的功率。
圖2:寶馬225xe傳動系統架構-來源:網際網路/吉凱恩
此傳動系統架構可使車輛能夠以三個不同驅動模式運作:
- 純電動模式(ePower) :車輛最高時速可達125km/h,後輪驅動隻由電池和電力傳動裝置提供動力。
- eAWD模式:内燃機和後橋電動機協作實作油耗和驅動性能的完美結合。
- 前輪驅動模式:動力隻由内燃機提供。
圖3：寶馬225xe的運作模式[1]
後橋E-AXLE驅動的關鍵性能資料
eAxle可分兩個階段将電動機的高輸入速度降至車輪速度,并且能夠在此過程增加扭矩,随後直接将扭矩傳送至車輪。此驅動裝置最高可産生2065Nm的輸出矩,并且能夠達到65kW的輸入功率以及14000rpm的輸入電動機轉速。該驅動配有一個電子斷開裝置,這是因為車速超過125km/h時不再需要混合動力驅動。
下表總結了齒輪箱的關鍵性能資料。
| 輸人扭矩(驅動) | 165Nm |
| 電動機功率(标稱值) | 65kW |
| 輸入速度(标稱值) | 14000rpm |
| 齒輪齒數比 | 12.5:1 |
| 輸出扭矩(标稱值) | 2065Nm |
| 重量（包括燃油） | 20.2kg |
| 差速器 | 開斷功能（EDD） |
| 目标壽命/工作周期 | 150000km |
| 效率 | ＞96% |
齒輪箱布局和差速技術
齒輪箱規格
整機重量隻有20.2kg,長度僅229mm,能夠在受限的封裝空間内完成包裝和安裝。該齒輪箱在重量、效率和NVH方面均進行了優化。
圖4:吉凱恩第二代eAxle及主要尺寸
齒輪箱布局
寶馬2系Active Tourer上搭載的eAxle為單速設計,采用雙級齒輪系,固定傳動比為12.5作為電動後輪驅動裝置的組成部分,該齒輪箱的設計同樣可以滿足最高的效率和性能要求。
輸入軸經由一個套管與電動機輸出軸相連,并且将電動機的速度和功率傳送至中間軸。中間軸可以降低轉速及增加扭矩,并将扭矩傳輸給與電子斷開差速器(EDD)焊接在一起的齒圈。側軸可以從差速器獲得扭矩,并将其傳送至車輪。
圖5:吉凱恩第二代eAxle剖開立體圖模型
在斷開模式下, EDD會中斷電力牽引馬達傳給差速器側軸的扭矩和速度。整個齒輪組會停止轉動,以避免旋轉齒輪所帶來的攪油損失,并支援内燃機驅動車輛時的出衆效率性能。在電動模式下,經電磁執行器接合的爪形離合器會将牽引電動機重新連至車輛側軸。
在最相關驅動條件下所顯示的出衆效率設為主要開發目标之一。通過在所有傳動軸及電子斷開差速器(EDD)處布置浮動式滾珠軸承,使得實際效率達到97.5%以上,并将軸承損耗降至絕對最小值。采用減摩密封圈可抑制輸入軸的高速,進一步降低不應有的損耗,并且提高效率。
圖6:吉凱恩第二代eAxle系統剖視圖
為使封裝空間得到最佳利用,變速器的設計采用偏置架構,并且不需要連接配接軸。這種設計方法被視為一種具有成本效益的方法,并且有助于降低整體複雜性。
齒條接口配有一個套管,位于電力牽引馬達輸出軸與變速器輸入軸之間。該設計可以在徑向及角向補償兩軸之間的未對準情況。是以,完全密封并潤滑的齒條接頭能夠可靠地防止使用壽命内磨蝕情況的發生。
第二代eAxle配有一個差速器,該差速器的性能已得到提升,可滿足更高扭矩要求。
差速技術
電子斷開差速器(EDD)
在駕駛模式中,如果不需要後橋運轉,可将電動機與傳動系統斷開。斷開功能可由內建到開放式差速器内的獨特爪形離合器斷開裝置實作。該系統由一個電磁體驅動,并使用霍爾傳感器對離合器位置進行無觸點式檢測。
電子斷開差速器(EDD)自2012年起就開始成功地批量生産,當時标緻3008使用的就是這款差速器。
圖7顯示的是連接配接及斷開驅動情況下的旋轉元件。
圖7 :連接配接及斷開驅動模式下的旋轉部件
斷開離合器確定在需要将總效率最大化、降低拖拽扭矩以及防止電動機過度旋轉的任何時候,均可以将電動機斷開,例如:當車輛僅由内燃機驅動以較高速度運轉時。
圖8顯示的是電子斷開差速器(EDD)的系統全貌。
圖8:電子斷開差速器的系統全貌
斷開離合器由低電耗的小型電磁體驅動。電磁體的設計以及周圍元件材質的設計和選擇均以互相比對為原則,以優化驅動離合器的磁力。
電磁體通電後,其柱塞馬上會将帶有傳感器摩擦片的凸輪環以軸向推至爪形離合器,進而完成差速器與最終驅動裝置的連接配接。為實作順暢安靜的接合,電動機會在電磁體通電之前與齒輪系的速度保持同步。該系統的設計方式最低用1A的電流即可維持連接配接位置。當電流切斷且電動機扭矩下降時,碟形彈簧會将凸輪環推回至斷開位置,是以系統的失效模式是“斷開"接合時間約75毫秒(不考慮齒到齒的位置) ,斷開時間約30毫秒,這都證明了EDD具有出衆動力性能。若将差速器從齒圈斷開,可使拖曳損失降至最低,進而實作斷開模式下卓越的傳動系統效率。
吉凱恩這款已獲專利的獨特EDD可提供:
- 極低的斷開拖曳扭矩
- 重量輕、結構緊湊
- 接合時耗電少斷開時不耗電
- 接合及斷開時間短
- 失效保護斷開模式
斷開裝置的性能己通過模拟進行優化處理。試驗台及車輛測試均證明了系統的出色動力。斷開系統的快速驅動可使混合動力系統的控制政策得到增強,進而以最佳的整體系統效率以及最節油的方式優化了混合動力及AWD應用和性能。
在效率及NVH方面優化齒輪系
效率
最低效率以及随後對整個eAxle效率進行優化是車輛規格的基本要求,以實作純電動模式及混合動力模式下的預期續航裡程。
在讨論按需式混合動力車輛的效率時,這意味着要考慮兩種操作模式:
- 連接配接模式下的電力驅動裝置→關鍵測量名額: 齒輪箱以扭矩和速度為參數的效率。
- 斷開模式下的電力驅動裝置→關鍵測量名額; 斷開時齒輪箱的拖拽扭矩。
尤其需要注意的是,以下損失會影響齒輪箱的整體效率。将這些影響因素所帶來的負面影響降到最低,這是一項極其重要的開發任務。
- 齒輪齧合損失
- 攪油損失
- 軸承損失
- 密封損失
此外,為確定連接配接驅動模式下能達到出衆效率,開發了一個被動油潤滑系統,避免了因增加油泵帶來的能耗。
圖9顯示的是驅動模式下不同輸入扭矩值的效率測量結果。對于33Nm以上的所有扭矩值,測得的效率均超過了97.5%。
圖9: 40℃時不同輸人扭矩值的效率測試結果,驅動模式
圖10報告了滑行模式下不同輸入扯矩值的效率測量結果。
圖10: 40℃時不同輸入扭矩值的效率測試結果,滑行模式
齒輪系在驅動和消行兩種模式下的最商效率均得到了優化,模拟和測定結果均證明,在驅動和滑行模式下的效率處于同樣高的水準,這個結果對混合動力的動力總成架構而言至關重要,齒輪系效率的每一次改進均會帶來雙重好處:驅動,制動和給電池充電期間的能量回收。
由于吉凱恩獨特的斷開差速器功能原理,拖拽扭矩在斷開模式下處于極低水準。齒輪系分離開且保持停止運轉狀态之後,就不會有轉動的齒輪齧合及攪油損失, 也就意味着總損失會降至最低。斷開狀态下的拖拽扭矩經測量在2.5Nm以下,這個數值比連接配接模式下的拖拽扭矩大約低80%
圖11顯示的是接合模式與分離模式下拖拽扭矩的測量結果對比。
圖11:拖拽扭矩測量,接合狀态與分離狀态
NVH
随着動力總成系統不斷向電氣化方面發展,汽車制造商越來越重視不必要的噪音排放和聲學優化。如果缺少對聲音的掩蔽,特别是在較低速度範圍運轉時,配備内燃機的車輛内将會聽到與之不相幹的噪聲,并且可以判斷為煩人的噪音。為滿足要求以及最終客戶對周圍噪音的期望,現已将開發計劃的主要關注點集中在NVH性能方面。
14000rpm的輸入速度為變速器的噪音排放提出了富于挑戰性的要求。借助模拟工具對齒輪系進行優化以及在實驗台進行驗證,可在較大的運轉範圍内實作降噪。
為實作傑出的NVH性能,對以下各項進行了詳細調查:
- 系統級軸的布局
- 包括齧合階次分離的齒輪宏觀調查
- 用于修正的齒輪微觀調查
- 變速器誤差最小化,包括制造公差的敏感性
前景展望
車輛制造商緻力于對其整個産品組合進行電氣化,這一趨勢為吉凱恩傳動系統的eDrive系統發展曆程開啟了令人振奮的篇章。一方面,相關法規要求降低車輛的二氧化碳排放量,另一方面,客戶對AWD車輛的出衆驅動性能及安全性的期望越來越高。即将到來的車輛排放測試周期會加快混合動力車動力總成架構的普及。
如果車輛制造商采用吉凱恩的eAxle技術,那麼它們提供的插電式混合動力車輛的價格會與現有車輛的價格處于同一區間。
吉凱恩傳動系統已經生産了30多萬台eAxle,并且還在繼續研發下一代技術,以滿足更高扭矩要求,實作eDrive子產品與駐車制動的全面內建。未來的發展不僅會關注硬體元件,而且會把重心轉向系統開發、控制和內建。
此外,根據提出的概念以及已确定的吉凱恩Twinster技術,吉凱恩開發出了eTwinster概念，此概念利用一個電力驅動系統首次實作了全扭矩矢量控制,并且在提供突出驅動性能的同時減少了二氧化碳排放量。采用此技術的試駕版汽車已經在2016年冬季測試中的試車跑道上得到成功展示。
作者：
Dipl.-Ing. Anja Häniche
Dipl.-Ing.(FH) Marc Absenger
GKN Driveline International GmbH（德國洛馬爾）
Andreas Mair 博士 吉凱恩傳動系統（意大利布魯内克）
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參考文獻：
Juraschek, S.; Vachenauer Dr., R., Lorenz, K.; Marschall, T.; Stephan, A.; Tachtler, J.
全新寶馬 2 系 Active Tourer eDrive 搭載高效插電式混合驅動系統
全文完~