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基于新能源汽车永磁电机的电驱动桥开发探讨深度分析!

2018年中国新能源汽车将会实现100万辆以上产销规模,今后5年的发展一定会突飞猛进。这说明制约新能源汽车发展动力电池的瓶颈技术,已经获得实质性地解决。目前主机厂要解决自己的问题了。

主机厂有什么问题,或者主机厂要解决的主要问题是什么?普通人在问,新能源汽车与传统汽车,看不出来有什么不同,不就是油箱换成电池了、发动机换成了电机了吗?更有人提出,中国电动汽车没有正向开发。难道电池、电机的进步,不是汽车正向开发的结果吗?

业内人士都知道,人们指的新能源汽车的底盘结构布置与传统汽车底盘结构布置没有区别而言,才有中国电动汽车没有正向开发的质疑,为什么要有区别?如何才能区别开来?笔者的观点是,基于新能源汽车,开发电驱动桥是内在要求。

一、车桥是什么?

汽车车桥(又称车轴)通过悬架与车架(或承载式车身)相连接,其两端安装车轮。车桥的作用是承受汽车的载荷,维持汽车在道路上的正常行驶。

二、常见车型的经典车桥

简单来说:经典车桥一般有:前桥(见图1)、后桥(见图2)两个桥。

1)转向前桥:由轮毂总成、制动鼓、制动器总成、转向节总成、前轴(工字梁)、主销、止推轴承、横拉杆总成、左右横拉杆臂、直拉杆臂等;其功能是承载、制动、转向组成。

图1 常规车型前转向桥外形

2)后驱动桥:处于动力传动系的末端。有轮毂总成、制动鼓、桥壳总成、主减速器总成、轮边减速器总成、半轴、制动器总成等组成。

图2 常规车型后驱动桥外形

①将万向传动装置传来的发动机转矩通过主减速器、差速器、半轴等传到驱动车轮,实现降速增大转矩;

②通过主减速器圆锥齿轮副改变转矩的传递方向;

③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;

④通过桥壳体和车轮实现承载及传力作用。

3)前桥与后桥功能上的区别

前桥有转向功能没有差速功能,后桥有差速、双级减速器功能。(说明:不同用途汽车,其车桥结构原理和功能基本相同,但产品外形、内部零部件连接,往往是许多的不同方式。)

三、经典后驱动桥为什么要配双级减速器和差速器?

后驱动桥具有驱动和承载功能,但是为什么要配有双级减速器和差速器呢?主要理由:

1)发动机“转速”与汽车“车速”是两个不同的概念。发动机“转速”计量单位是一分钟是几千转,变化范围是(0转到5000转),而汽车“车速”一个小时是多少多公里,变化范围是(0到150公里)。

2)发动机“转速”体现在活塞上下运动上,汽车“车速”体现在4个车轮上。

3)车辆转弯或者路面高低不平时,左右轮胎实际上要求是两个不同的转速。

基于1)、2)的面临的问题,工程师们想出了“双级减速器和差速器”措施来。

四、目前有三种以上电驱动车桥研发的路线之争

电动机替代了发动机、电池取代了油箱。经典车桥,是基于发动机的,能不开发出针对电动机的车桥呢?理论上是可以的,也是必须要开发的。但是要开发出电动机匹配电驱动桥。实际上困难重重。为什么?

1)市面上已有的电驱动桥

①传统燃油车上加装电力驱动,混动动力车用的是这种车桥,过渡性的;

②在燃油车基础上,将发动机改换成电动机,依然保留传统车的复杂机械传动系统,改装性;

③按电动汽车的结构要求进行布置和设计,结构合理性优势明显,全新的。

2)全新电机驱动桥基本种类

①中央电机驱动桥(见图3)。

图3 中央电机驱动桥

②轮边电机驱动桥,(见图4)

图4 轮边双电机驱动桥

③轮毂电机驱动桥(见图5),轮毂电机由于设计难度较大,上面少见市场车型。

图5 轮毂边双电机驱动桥

4)传统后桥仍然是新能源商用车主流

①由中央电机通过传动轴连接一个传统的后桥,也有带一个少档变速箱;

②由中央电机带一个少档变速箱,通过传动轴连接一个传统的后桥。

五、电驱动桥开发难度分析

1)中央电机驱动桥开发难度分析

中央电机驱动桥取消了变速箱和传动轴,工程上可以取消某一个零部件,但是其功能必须保留。

①变速箱和传动轴的功能

一是改变传动比,使发动机在有利的工况下工作;二是在发动机旋转方向不变情况下,使汽车能倒退行驶;三是用空挡,中断动力传递,以发动机能够起动、怠速,并便于变速器换档或进行动力输出。

②电动机的替代变速箱的可能性分析

有启停、顺转、反向转,工况区域。这就从原理上告诉了大家,发动机系统,必须要有变速箱,电动机可以不要变速箱。原理上逻辑通了,工程上要科学(工艺)设计,要保障电机取消变速箱,产品质量不能低于以前的产品。

③电机替代变速箱的靠谱方案

于是许多专家认为,目前电机水准,取消变速箱以后,电动汽车新产品的性能,与传统汽车的性能是下降的。是,将(5-6)档变速箱换成(2-3)变速箱。当然,如果电机能安装到桥手上,传动轴的长度可以是0。实际产品案例:

a)特斯拉乘用车中央电机安装后桥上,传动轴的长度是0;

b)国内纯电动公交车,中央电机为后置,其传动轴比传统车更短。

2)轮边双电机驱动桥开发难度分析

轮边双电机驱动桥比中央电机驱动桥更先迈了一步,不仅取消传统汽车变速箱、传动轴、还是取消传统汽车的主减速器和差速器。同理,零部件可以取消,但是不能取消其功能。

①主减速器和差速器功能

主减速器和差速器一般是一个总成,主减速器主要作用就是减速增扭,提高驱动力,后驱车还通过主减速器的锥齿和伞齿改变动力的传动方向!差速器的左作用就是使动力分配给左右两个车轮,保证车辆在转弯时,使左右两个车轮以不同的速度旋转。

②轮边电机驱动桥,其主减速器和差速器功能呢?

原理上,轮边电机桥,是一个中央电机分解成2个电机,但是减速器和差速器省了,但是其功能如何保障?

这就是轮边电机桥研发的困难所在。国内BYD开始在纯电动客车上尝试,但是其性能,是不是比中央电机驱动桥性能要优秀?目前还没有看到权威机构的报告;

③轮毂电机驱动桥,原来的轮边减速器也给省了?

轮毂电机驱动桥比轮边电机桥更激进。但是轮毂电机驱动桥把变速箱、传动轴、主减速器、差速器、轮边减速器等功能完美替代?目前还没有看到权威机构的报告。

将电机安装到驱动桥上产生新问题

传统汽车的发动机由底架支撑的,底架通过悬挂来支撑的。专业人员是知道,传统发动机的质量,是簧上质量,但是电机安装到驱动桥上以后,电机质量是簧上质量。电机是激烈的运动件,其震动量如何保障驱动桥的寿命、成员舒适性?这些指标,如何超越传统驱动桥?目前还没有看到权威机构的报告。

六、开发电驱动桥是内在要求,但不宜浮躁

发展新能源汽车是国家战略,为了破解动力电池这个瓶颈,中央政府在统筹,中央政府拿出十分可观的资金。客观地说,目前这个瓶颈还没有彻底地得到解决。

发展纯电动汽车第二瓶颈是动力电机。严格地说,工业电机离汽车电机要求比较远。目前满足汽车用的电机不多。在没有满足汽车用电动的前提下,电驱动桥研发是十分困难的。当然,电驱动桥研发对提高电机水平是有拉动作用的。

车用电机的基本要求是什么?

①体积小、重量轻、运动平稳;

②要能弥补主减速器、差速器、轮边减速器被取消后而缺失的功能。

中央电机加传统桥将有相当长的过渡期

①中央电机驱动桥模式,特斯拉乘用车开始应用,但是特斯拉用的方案,后桥是主电机,前桥用了个辅助电机。这个模式会被其他乘用车主机借用,会不广泛采用,目前趋势还不清晰。

②双电机轮边电机驱动桥模式,比亚迪开始用到纯电动公交车上,长江汽车也在推,目前看来其他厂家会不会借用?其趋势不也明显;

③轮毂电机驱动桥,目前还在研究阶段,离从研发、开发距离还相当远;

④中央电机驱动桥在城市配送车,这个级别车应用规模会进一步提升。这个趋势很明显。

图6 城市配送车用的电驱动桥

⑤传统后桥仍然是新能源商用车主流。由中央电机通过传动轴连接一个传统的后桥。(8-12)米中、大纯电动公交车,电机后置,长度较短传动轴连接一个传统后桥方案,其生命力还是很旺盛的。

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