共享電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)裝置與底盤的融合

【德】 M.KRAUS C.HARKORT B.W.GORBATENKO M.LAUMANN

1 新型城市交通運(yùn)輸方案

亞洲地區(qū)超過一千萬人口的特大型城市數(shù)量與日俱增,車輛的需求也隨之增長,必須采取全新的車輛方案。目前,Schaeffler公司正在研究1種高度自動(dòng)化的無人駕駛載人交通工具。乘客可以通過智能手機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行車輛預(yù)約,指定行駛目的地,計(jì)算車程并結(jié)算支付費(fèi)用,每車最多可以搭載4位乘客。

推廣無人駕駛交通運(yùn)輸系統(tǒng)最重要的前提是開發(fā)能自動(dòng)駕駛的輔助系統(tǒng)。Schaeffler公司的可行性研究是基于德國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)(VDA)自動(dòng)化第五級(jí)(L5)車輛的驅(qū)動(dòng)技術(shù)。相關(guān)資料預(yù)測了這種具有高度自動(dòng)化行駛功能的車輛在2035年的市場份額將占所有車輛的3%～15%,占比多少主要取決于交通運(yùn)輸系統(tǒng)的開發(fā)程度。

2 車輛開發(fā)情況

無人駕駛運(yùn)輸車輛的技術(shù)轉(zhuǎn)換需要開發(fā)全新的動(dòng)力裝置和底盤方案,同時(shí)要滿足高度自動(dòng)化行駛的要求,以便盡可能利用好其技術(shù)優(yōu)勢,如取消車內(nèi)方向盤、儀表板總成等操作部件,可為乘客提供更舒適的座位。并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)車輛機(jī)動(dòng)性和緊湊性的目標(biāo),因此設(shè)計(jì)了1種車輛方案,其中4個(gè)車輪能相互獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向,通過相應(yīng)的調(diào)整就能將高度的靈活性與舒適性統(tǒng)一起來,即使車輛在側(cè)向運(yùn)動(dòng)時(shí)乘客也幾乎感覺不到橫向力。

Schaeffler公司開發(fā)了1種創(chuàng)新型的車輪模塊(智能轉(zhuǎn)彎模塊),將輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置包括輪叉、減振支柱和機(jī)電式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)執(zhí)行器在內(nèi)的車輪懸掛作為緊湊單元集成在1個(gè)車輪模塊中(圖1)?？紤]到節(jié)約成本,4個(gè)車輪都使用相同的車輪模塊。在車輪模塊調(diào)節(jié)方面采用了整體行駛動(dòng)力學(xué)模式,綜合考慮了行駛動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)以及驅(qū)動(dòng)輪(扭矩導(dǎo)向)與所有車輪轉(zhuǎn)向之間力的分配等功能,進(jìn)而確保了較高的安全性。如果其中有1個(gè)或2個(gè)車輪模塊發(fā)生技術(shù)故障的話,仍能保持轉(zhuǎn)向和牽引,因?yàn)檐囕喌碾婒?qū)動(dòng)和電動(dòng)轉(zhuǎn)向提供了很高程度的靈活性。

圖1 車輪驅(qū)動(dòng)模塊

3 整車外觀

整車方案以容納4個(gè)車輪模塊的車架結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),牽引蓄電池被安裝在車輛地板底層,這種布置方式在良好的空間利用率情況下確保了很高的碰撞安全性,而且獲得了較低的車輛重心。這種平臺(tái)方案(圖2)使得結(jié)構(gòu)具有很大的靈活性,在最簡單的結(jié)構(gòu)等級(jí)中滾動(dòng)底盤包括：車架、4個(gè)車輪模塊、用于行駛動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)的軟件、車輛電氣設(shè)備和電子器件,以及牽引蓄電池等。在更高的結(jié)構(gòu)等級(jí)中,車輛還要添加更多的模塊,包括帶有外飾板的基座、內(nèi)飾件、照明系統(tǒng)和高度自動(dòng)化行駛所必需的包含調(diào)節(jié)軟件在內(nèi)的全套傳感器。這樣車輛具備了行駛功能,再配套帶窗戶的客艙、空調(diào)設(shè)備,以及操作、顯示和網(wǎng)絡(luò)化等方面的功能才能成為可投入使用的車輛。當(dāng)然,也可以選裝其他專用車身,如用于貨物運(yùn)輸?shù)能嚿怼?/p>

圖2 以滾動(dòng)底盤為基礎(chǔ)的Schaeffler共享電動(dòng)車平臺(tái)方案及其2種結(jié)構(gòu)分級(jí)

由于這種車輛僅在大型城市作短駁使用,因而成本低廉且尺寸較小的牽引蓄電池完全可以滿足需求,未來利用紅燈停車和等候時(shí)間通過感應(yīng)充電系統(tǒng)進(jìn)行中途充電。

四輪轉(zhuǎn)彎直徑小于5 m,使得車輛在城市交通中行駛靈活,除此之外4個(gè)車輪在停車時(shí)最大可轉(zhuǎn)向角為90°,因而能相對(duì)于車輪縱軸橫向行駛,從而能夠在狹小的空間里完成倒車、停車入庫和調(diào)頭。

4 車輪模塊結(jié)構(gòu)

車輪模塊的轉(zhuǎn)向采用機(jī)電式線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng),轉(zhuǎn)向執(zhí)行器(圖1)與轉(zhuǎn)向軸同軸集成在車輪模塊中,它在轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)旋轉(zhuǎn)整套車輪模塊,按電控單元規(guī)定的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)向。在正常行駛中,模塊的轉(zhuǎn)向角被限制在最大45°,而在調(diào)頭時(shí)最大可達(dá)90°(圖3)。用于轉(zhuǎn)向功能的執(zhí)行器是Schaeffler公司已經(jīng)量產(chǎn)的產(chǎn)品,可靠性可以得到保障。

底盤的零件示于圖4,其中縱向轉(zhuǎn)向臂通過叉形支座懸掛在車架上,并在輪邊與減振支柱相連,減振支柱向上通過球形軸承支撐在叉形支座上。車輪模塊可選擇裝備1個(gè)機(jī)電式水平調(diào)節(jié)裝置,用于降低或抬高車輛,方便乘客上下車。

5 輪邊驅(qū)動(dòng)裝置

圖3 行駛和調(diào)車范圍內(nèi)可能的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)(轉(zhuǎn)向角和行駛模式的基本數(shù)據(jù))

圖4 車輪模塊中的底盤零件

輪邊電機(jī)(圖5)采用無刷永磁同步電機(jī)。在目前的設(shè)計(jì)中,4個(gè)電機(jī)都是300 V電壓下持續(xù)功率為13 k W和峰值功率為25 k W,每個(gè)電機(jī)額定扭矩為250 N·m,并能在60 s的時(shí)間間隔內(nèi)提升到最大扭矩500 N·m。電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速在驅(qū)動(dòng)輪上為1 400 r/min。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩通過行星變速器傳遞到輪轂。液體循環(huán)回路冷卻系統(tǒng)能確保牽引電機(jī)的熱可靠性。

圖5 輪邊驅(qū)動(dòng)裝置部件

當(dāng)車輛開始制動(dòng),牽引電機(jī)就被用作發(fā)電,并將電能反饋到車輛蓄電池中。輪邊驅(qū)動(dòng)裝置在4個(gè)車輪上都裝備了機(jī)械液壓操縱的鼓式制動(dòng)器。車輛的最高車速可達(dá)100 km/h,在不到3.3 s的時(shí)間內(nèi)加速至50 km/h,并能在最大斜率31%的坡道上起步。

6 用于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)裝置的調(diào)節(jié)算法

用于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)裝置的復(fù)雜調(diào)節(jié)算法是核心功能模塊,必須在調(diào)節(jié)軟件中描述出由各個(gè)轉(zhuǎn)向輪所產(chǎn)生的功能范圍,同時(shí)確保安全性能和應(yīng)急備用性能。線控轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)軟件的開發(fā)全部由Schaeffler公司內(nèi)部完成。圖6示出了對(duì)車輪模塊調(diào)節(jié)具有重要意義的信號(hào)流。用于高度自動(dòng)化行駛功能(HAF)的電控單元通過1條CAN總線直接與整車電控單元相接,整車電控單元控制應(yīng)急制動(dòng)功能、回收功能,以及諸如空調(diào)設(shè)備等舒適性功能。

圖6 調(diào)節(jié)共享電動(dòng)車的信號(hào)流——用于HAF行駛功能(紅色)、整車功能(藍(lán)色)和行駛動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)(綠色)

在開發(fā)和試驗(yàn)階段,駕駛員在車上監(jiān)視行駛功能,必要時(shí)可通過中央變速桿予以干預(yù),而在此后的正常運(yùn)行中變速桿模塊(圖6中通過CAN 4總線接入)就不再必要了。整車電控單元與行駛動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)電控單元處于相互數(shù)據(jù)連接之中,原來由行駛動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)的電控單元的牽引和轉(zhuǎn)向在車輪模塊中被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的扭矩和轉(zhuǎn)向角。

7 安全性方案

多級(jí)故障應(yīng)對(duì)策略包括了根據(jù)故障嚴(yán)重程度采取不同的相互重疊的措施,能使樣車的安全性達(dá)到最高程度。如果車輪電子控制系統(tǒng)確定了車輪模塊中的損害轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)或數(shù)據(jù)通信等故障,那么這個(gè)發(fā)生故障的車輪模塊就被切斷,而其他3個(gè)車輪模塊可以共同承擔(dān)起這個(gè)故障車輪模塊的牽引和轉(zhuǎn)向任務(wù),而絲毫不會(huì)損害整車的功能。

第二種安全性等級(jí)包括行駛動(dòng)力學(xué)調(diào)節(jié)電控單元中的故障或者48 V、300 V汽車電路中的故障。發(fā)生故障后,車輛會(huì)自動(dòng)由液壓操縱的鼓式制動(dòng)器進(jìn)行應(yīng)急制動(dòng)。如果故障涉及轉(zhuǎn)向的話,那么轉(zhuǎn)向就會(huì)失效,并暫停在其位置上,從而車輛停留在轉(zhuǎn)彎之中。

第三種安全性等級(jí)是系統(tǒng)全部損壞,這是設(shè)想的最壞情況的故障,車輛電子控制系統(tǒng)或整車電路損壞,從而觸發(fā)機(jī)械應(yīng)急制動(dòng)。

8 結(jié)論和展望

Schaeffler公司已開發(fā)出了1種新型的交通解決方案,并在可行性研究項(xiàng)目中轉(zhuǎn)化成適合交通運(yùn)輸?shù)臉榆嚒chaeffler車輛是1種用于短途客運(yùn)的電動(dòng)車,具備自動(dòng)化行駛功能高度集成的特點(diǎn)。其技術(shù)特點(diǎn)是車輛結(jié)構(gòu)模塊化,因此采用1個(gè)底盤結(jié)構(gòu)就能轉(zhuǎn)化成服務(wù)于多種人員和貨物的運(yùn)輸車輛方案。此外,Schaeffler公司已開發(fā)出了1種創(chuàng)新的車輪模塊,它將輪邊電動(dòng)機(jī)與機(jī)電式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)組合在緊湊的模塊之中。

轉(zhuǎn)化而成的四輪驅(qū)動(dòng)和四輪轉(zhuǎn)向模式使車輪具有較高的行駛靈活性,因而在城市交通中能夠極其靈活地駕駛。用于未來高度自動(dòng)化車輛的關(guān)鍵是用于線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的調(diào)節(jié)算法,Schaeffler公司已為這項(xiàng)研究自行開發(fā)出了整套軟件,包括全面的安全性和應(yīng)急備用方案。Schaeffler共享電動(dòng)車是1種新型樣機(jī),驗(yàn)證了Schaeffler公司未來的驅(qū)動(dòng)裝置和底盤方案,并在2018年又增添了客艙裝備方案。