未來混合動(dòng)力轎車的高效全輪驅(qū)動(dòng)方案......

S.HERBER J.HAUPT T.GASSMANN C.CHATENAY

與采用單車橋驅(qū)動(dòng)的車型相比，全輪驅(qū)動(dòng)（AWD）的車型能提供更強(qiáng)的動(dòng)力性和更好的行駛安全性。目前，該項(xiàng)技術(shù)已越來越多地應(yīng)用于高檔轎車上。出于降低CO2排放的目的，德國GKN公司和亞琛工業(yè)大學(xué)目前已為48 V混合動(dòng)力車型開發(fā)出了1種全輪驅(qū)動(dòng)方案，而且通過采用高效的全輪驅(qū)動(dòng)部件，可將全輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較高的燃油耗降至原來的三分之一。

混合動(dòng)力;高效;全輪驅(qū)動(dòng);排放

0 前言

與由單車橋驅(qū)動(dòng)的轎車相比，采用全輪驅(qū)動(dòng)（AWD）的車型燃油耗較高，由此使降低CO2排放的難度進(jìn)一步增加。通過暫時(shí)取消部分不必要的AWD部件，可以顯著降低其燃油耗，但是會(huì)增加部分設(shè)計(jì)費(fèi)用[1]。

德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)與能源部（BMWi）致力于高效技術(shù)的研發(fā)，以有效降低CO2排放[2]。德國GKN公司響應(yīng)BMWi所提倡的AWD2020項(xiàng)目目標(biāo)[3]，開發(fā)出可用于多功能運(yùn)動(dòng)型汽車（SUV）的高效全輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并確保系統(tǒng)成本不變。

為了能進(jìn)一步提升系統(tǒng)的優(yōu)化潛力，研究人員開展了相關(guān)研究，為48 V混合動(dòng)力模塊添加了傳動(dòng)系統(tǒng)，由此可為用戶提供更多樣化的功能，例如電動(dòng)助力、電動(dòng)緩慢滑行和電動(dòng)輔助滑行等，從而進(jìn)一步降低燃油耗。目前，研究人員已選擇新一代的全輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其附屬結(jié)構(gòu)空間作為該項(xiàng)目開發(fā)中的基準(zhǔn)部件。該項(xiàng)目的2個(gè)合作伙伴分別為德國GKN公司和亞琛工業(yè)大學(xué)電機(jī)研究所（IEM）。雙方通過協(xié)同合作，開發(fā)了本文所涉及到的硬件和軟件，并最終將其集成到如圖1所示的全輪驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)中。

1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

作為常規(guī)的AWD車型，高效動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)由1個(gè)原本由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力轉(zhuǎn)換單元（PTU），1根縱軸（傳動(dòng)軸）和1個(gè)配備有側(cè)置片式離合器的后橋驅(qū)動(dòng)單元（RDU）組成。通過上述部件，系統(tǒng)就能按需求調(diào)節(jié)傳遞到后輪的動(dòng)力。

由IEM支持開發(fā)的48 V混合動(dòng)力模塊[4]裝備了1個(gè)下置式行星齒輪變速器和1個(gè)分離離合器，該模塊可選擇安置在傳動(dòng)軸與RDU輸入端之間。

2 方案開發(fā)

研究人員所選擇的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為緊湊型，該結(jié)構(gòu)越來越受到業(yè)界的青睞。研究人員按照所選擇的方案建立了模型，該模型涵蓋了量產(chǎn)部件的損失特性系數(shù)，最終能用該類模型進(jìn)行以全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)規(guī)范（WLTP）工況為基礎(chǔ)的燃油耗模擬和分析，而相關(guān)數(shù)據(jù)已成為該項(xiàng)目開展的基礎(chǔ)，由此逐步提高系統(tǒng)效率，并降低整車燃油耗。研究人員主要的精力應(yīng)放在盡可能減少與負(fù)荷無關(guān)的驅(qū)動(dòng)力損失等方面，但同時(shí)也需要減小系統(tǒng)質(zhì)量。圖2示出了全新開發(fā)的PTU和RDU的剖視圖。

由圖3示出的PTU驅(qū)動(dòng)力損失情況已成為產(chǎn)品開發(fā)的基礎(chǔ)。研究人員首先從進(jìn)行試驗(yàn)比較的PTU中查明了驅(qū)動(dòng)力損失及各種損耗所占的比例。研究人員在設(shè)計(jì)RDU時(shí)，以相同的方法進(jìn)行了處理。

研究人員設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是將與負(fù)荷無關(guān)的變速器損失降至最低程度，為此采用了一系列優(yōu)化措施。

3 軸承

由于鋁與鋼的熱膨脹系數(shù)不同，鋁殼體隨著運(yùn)行溫度升高而產(chǎn)生的膨脹現(xiàn)象更為明顯，由此會(huì)對支承軸產(chǎn)生影響。為了確保支承軸在熱狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)自如，研究人員在裝配時(shí)大幅增加了軸承的預(yù)應(yīng)力。在該預(yù)應(yīng)力作用下，系統(tǒng)在冷態(tài)運(yùn)行時(shí)會(huì)導(dǎo)致較高的驅(qū)動(dòng)力損失。為此，研究人員開發(fā)出了能充分優(yōu)化摩擦過程的軸承，并且對方案進(jìn)行了設(shè)定，使軸承能在所有的溫度范圍內(nèi)均只承受最小的軸承預(yù)應(yīng)力，并在所有的運(yùn)行狀態(tài)下都能達(dá)到較高的運(yùn)行效率。

在PTU和RDU中，研究人員分別通過采用具有相同熱膨脹系數(shù)的軸承座，從而使齒輪軸承不受溫度影響。在PTU中，研究人員通過使用1個(gè)膜片彈簧來確保橫置空心軸上具有恒定的軸承預(yù)應(yīng)力。同時(shí)，研究人員在RDU中配裝了1款全新的差速器，通過差速銷將作用力從雙曲線齒輪直接傳遞到補(bǔ)償齒輪上。因此，差速器殼僅間接地參與扭矩傳遞過程，從而當(dāng)使用鋁合金作為材料時(shí)，在溫度變化時(shí)其膨脹量與車橋殼的膨脹量相同。

此外，研究人員根據(jù)RDU齒輪上的軸承負(fù)荷，將2個(gè)常規(guī)的圓錐滾柱軸承之一替換成了高效的徑向推力球軸承。根據(jù)上述研究，研究人員選擇了直徑盡可能小的軸承。

4 機(jī)油潤滑

變速器中包含的機(jī)油會(huì)對機(jī)油潤滑效率產(chǎn)生重要影響，因?yàn)槠鋾?huì)影響變速器中旋轉(zhuǎn)零件的運(yùn)作。在設(shè)計(jì)過程中，研究人員對PTU和RDU進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬，開發(fā)出了1種被動(dòng)機(jī)油飛濺方案。該方案會(huì)使機(jī)油迅速實(shí)現(xiàn)重新分配。在該情況下，盤形圓錐齒輪會(huì)將油池中的機(jī)油拋向位于上方的級聯(lián)裝置中，在重力作用下再流到需要潤滑的部位，因此降低了機(jī)油池中的油位，并顯著減少了運(yùn)行中的機(jī)油飛濺損失。

此外，該類機(jī)油潤滑方案的運(yùn)用是源于后橋膜片離合器的1種全新機(jī)油潤滑機(jī)理，其中機(jī)油的供應(yīng)過程由滑閥控制，從而實(shí)現(xiàn)了按需求調(diào)節(jié)的目標(biāo)。如果在行駛期間離合器處于非活動(dòng)狀態(tài)，離合器空間中的機(jī)油就會(huì)流出，并通過盤形圓錐齒輪，再回到上文所述的級聯(lián)裝置中。因?yàn)樵谠摖顟B(tài)下，沒有機(jī)油會(huì)沿著離合器方向流動(dòng)，離合器空間中的機(jī)油位會(huì)相應(yīng)變低，因此旋轉(zhuǎn)的離合器構(gòu)件所產(chǎn)生的機(jī)油飛濺損失也會(huì)降至最低。

5 嚙合和密封

根據(jù)研究人員對雙曲線齒輪嚙合的全面分析，PTU和RDU的傳動(dòng)比已從2.4降至1.8，能滿足最佳的嚙合幾何學(xué)要求，與負(fù)荷相關(guān)的嚙合損失還能進(jìn)一步降低。

研究人員已對所選擇的密封環(huán)、密封材料和工作表面涂層進(jìn)行了試驗(yàn)，但是依然無法確定該方案是否能在確保耐久性、使用壽命和密封系統(tǒng)可靠性的前提下保有較高的節(jié)油潛力。除了轉(zhuǎn)速之外，研究人員已證實(shí)該密封環(huán)的直徑在密封設(shè)計(jì)過程中起著決定性的作用，因?yàn)槠渑c密封損失構(gòu)成二次冪關(guān)系。

6 輕型結(jié)構(gòu)

為了持續(xù)降低CO2排放，除了已介紹的機(jī)械優(yōu)化措施之外，輕型結(jié)構(gòu)也起到了重要作用。與采用球墨鑄鐵外殼的常規(guī)差速器相比，該款全新差速器的質(zhì)量已減輕了1.8 kg。

在采用側(cè)置RDU膜片離合器的情況下，目前已通過驗(yàn)證的方案是采用離合器以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部閉合。在該方案中，離合器的操縱力不應(yīng)由周圍的變速器殼體承受，并且離合器蓋可用高強(qiáng)度塑料制成，從而實(shí)現(xiàn)薄壁設(shè)計(jì)。與使用鋁材的設(shè)計(jì)方案相比，通過應(yīng)用該類材料，能進(jìn)一步強(qiáng)化系統(tǒng)的優(yōu)勢。此外，通過構(gòu)件的高度集成，能明顯縮短批量生產(chǎn)過程，從而節(jié)省成本。

在PTU中，橫向旋轉(zhuǎn)軸已被設(shè)計(jì)成具有較高剛度的空心軸，齒輪軸也都采用了空心結(jié)構(gòu)。研究人員通過傳動(dòng)軸將PTU和RDU齒輪上的接頭進(jìn)行直接連接，因此取消了常規(guī)的螺栓連接法蘭。由此可減重約4.3 kg，進(jìn)一步滿足了輕量化設(shè)計(jì)要求。

7 執(zhí)行器損失功率

雖然在采用了AWD的情況下，操縱離合器所需要的平均功率相對較小，但是通過優(yōu)化伺服電機(jī)需求功率的控制過程，能進(jìn)一步減少約68%的功率損失。

8 試驗(yàn)結(jié)果

圖4以PTU為例，示出了每種措施的實(shí)施效果。與基準(zhǔn)PTU相比，可減少約54%的功率損失，為未來的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)樹立了全新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5示出了在試驗(yàn)中查明的PTU和RDU驅(qū)動(dòng)力矩曲線，與基準(zhǔn)系統(tǒng)和目前市場上相似的車橋驅(qū)動(dòng)裝置相比，其部件效率相對較高。根據(jù)轉(zhuǎn)速的不同，驅(qū)動(dòng)力矩可減小約70%。

為了驗(yàn)證優(yōu)化效果，研究人員對不同行駛循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力矩和效率特性曲線場重新進(jìn)行了燃油耗模擬，其中的燃油耗值分別對通過單車橋驅(qū)動(dòng)（2WD）的基準(zhǔn)車輛、基準(zhǔn)AWD系統(tǒng)和高效AWD系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算。常規(guī)AWD基準(zhǔn)車輛在全輪驅(qū)動(dòng)時(shí)每公里所產(chǎn)生的CO2排放比前橋驅(qū)動(dòng)車輛高出約5.1 g。圖6說明了通過使用高效全輪驅(qū)動(dòng)部件，系統(tǒng)每公里的CO2排放降至1.7 g，僅為常規(guī)量產(chǎn)車型的三分之一。

9 結(jié)語

由本文所介紹的設(shè)計(jì)方案表明，常規(guī)的全輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過持續(xù)優(yōu)化，能顯著提高總效率，并相應(yīng)降低了CO2排放。本文介紹的48 V混合動(dòng)力系統(tǒng)能以低成本投入制造，并具有現(xiàn)代全輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各項(xiàng)優(yōu)勢，同時(shí)也表明選用該系統(tǒng)能進(jìn)一步降低CO2排放。在該情況下，模塊化處理能使研究人員選擇是否為車型配備該類混合動(dòng)力系統(tǒng)。GKN公司開發(fā)的部件為傳動(dòng)效率的提升樹立了全新標(biāo)準(zhǔn)，并為未來高效低成本的全輪驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)程奠定了基礎(chǔ)。

[1]HCK M，NETT H P.Gesteigerte effizienz und fahrdynamik durch ein adaptives allradsystem[J]. ATZ，2011，113 （10）：768-773.

[2]GASSMANN T，HILDEBRANDT W，HAUPT J，u.a.Effizientes multi-mode-getriebe für plug-in-hybridfahrzeuge[J]. ATZ，2018，120 （12）：22-27.

[3]TV Rheinland （Projekttr ger）. AWD2020-hocheffizientes， kostengü-nstiges allradsystem[OL].http：//www.tuvpt.de/index.php？id=awd2020.

[4]NELL M，BUTTERWECK D，ERYILMAZ O，u.a.Design of a 48V electric all-wheel-drive system for a hybrid vehicle[C]. IEEE Transportation and Electrification Conference and Expo， ITEC， USA，2018.

范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2021，82（1）

伍賽特 編輯

（收稿時(shí)間：2021-01-12）