GKN新一代三合一同軸電驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

01、系統(tǒng)介紹

GKN Automotive為插電式混合動力高端車型的OEM平臺定制了一款全新的三合一后置驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)最近獲得了歐洲汽車供應(yīng)商聯(lián)盟（CLEPA）的2021年創(chuàng)新獎。主要的挑戰(zhàn)是在一個非常小的包空間內(nèi)安裝一個三合一系統(tǒng)，包括一個斷開單元和一個駐車機構(gòu)，以支持客戶的車輛架構(gòu)。緊湊型同軸設(shè)計，輸入軸和輸出軸在同一軸線上，需要在平行的中間軸上容納駐車機構(gòu)和斷開系統(tǒng)。這是該產(chǎn)品在業(yè)界的首次應(yīng)用，見圖1、表1所示。

表1 電驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)

02、斷開機構(gòu)介紹

當(dāng)車輛處于電動或混合動力模式時，凸輪驅(qū)動斷開裝置（CDD）將扭矩從電機軸傳遞到中間軸，并使最終驅(qū)動差速器轉(zhuǎn)動。斷開單元允許超過某一車速時的電機斷開中間軸，在少于設(shè)定時間內(nèi)打開離合器。當(dāng)車速降低到某一車速時以下時，狗爪離合器在恢復(fù)駕駛的設(shè)定時間內(nèi)自動關(guān)閉。這樣，傳統(tǒng)汽車和電動汽車的運行就有可能發(fā)生不明顯的變化。

斷開裝置的一個挑戰(zhàn)是它在中間軸上的位置，這意味著必須克服和補償狗形離合器內(nèi)更高的轉(zhuǎn)速?？焖俚倪B接和斷開時間是由GKN公司內(nèi)部完全開發(fā)的功能性應(yīng)用軟件（功能安全軟件）實現(xiàn)的。它可以通過一個先進(jìn)的速度控制器，在控制回路中估計時間，實現(xiàn)電機速度的更快同步。此外，通過先進(jìn)的位置控制器，狗爪離合器可以由無刷直流電機更快地驅(qū)動，如圖2所示。

圖2 斷開機構(gòu)示意圖

03、駐車機構(gòu)介紹

該應(yīng)用的另一個特殊特點是駐車機構(gòu)，它也安裝在中間軸上，必須滿足特別苛刻的要求。

即使在-40°C和傾角為30°%的停車情況下，駐車機構(gòu)也必須絕對可靠和始終如一地抓住滾動的車輛，并通過將停車爪插入停車輪將車輛固定在斜坡上，如圖3、圖4所示。

這一要求要求特別快的動作，這是由不同的功能組合來確保的鎖。功能安全軟件的超前位置控制保證了無刷直流電機在軟件端快速驅(qū)動。在硬件方面，駐車機構(gòu)位于自己的艙內(nèi)，有自己的油位，以實現(xiàn)充足的油量和低水動力阻力之間的最佳折衷。由于閉鎖系統(tǒng)不是由齒輪箱其余部分飛濺的油潤滑，額外安裝了一個油墊，以便每次機構(gòu)啟動時都能潤滑閉鎖部件。與主齒輪箱腔相比，該鎖架浸泡在粘度更低的油中，以促進(jìn)在非常低的溫度下可靠的驅(qū)動。專門為該應(yīng)用開發(fā)的一種正在申請專利的槽錐，顯著降低了流動阻力，進(jìn)一步確保了在低溫下所需的嚙合速度。

圖3 駐車機構(gòu)示意圖

圖4 駐車測試曲線示意圖

04、潤滑結(jié)構(gòu)介紹

緊密型電動傳動系統(tǒng)的高效率要求，以及系統(tǒng)周圍幾乎沒有氣流的緊湊單包設(shè)計，要求采用復(fù)雜的冷卻策略，在不需要單獨水泵的情況下，將干式永磁同步電機、變速箱和電力電子設(shè)備的熱量散熱。該解決方案包括將冷卻水輸送到電機外殼、逆變器周圍，并進(jìn)入與齒輪箱外殼集成的熱交換器中，從而在冷卻液流動阻力低的情況下散發(fā)出足夠的熱量。這種選擇的配置確保了干式旋轉(zhuǎn)電機和最佳的變速箱冷卻，避免了電機的損耗和泵的功耗，從而利用世界協(xié)調(diào)輕型車輛測試周期（WLTC）實現(xiàn)了卓越的系統(tǒng)效率。

從電機和逆變器交換的熱量加熱并迅速穩(wěn)定傳動油的粘度，這使得在低溫啟動時能夠快速提高效率。為了優(yōu)化系統(tǒng)殼體齒輪箱側(cè)的配油油藏，通過齒輪軸的旋轉(zhuǎn)填充，保證了對軸承和齒輪嚙合點的供油，如圖5、圖6、所示。中空的中間軸為圓錐滾子軸承通過一個專門開發(fā)的透油可折疊墊片提供油，在高速斷開操作中可靠地潤滑和散熱。

圖5 潤滑仿真示意圖

圖6 驅(qū)動電機水道冷卻示意圖

驅(qū)動系統(tǒng)通常有很高的NVH要求，這給開發(fā)帶來了挑戰(zhàn)。記住，斷開機構(gòu)位于中間軸級，中間軸上的中間齒輪軸承安排的設(shè)計必須特別嚴(yán)格，以防止中間齒輪嚙合的調(diào)制。圓錐滾子軸承使剛性裝配需要在連接模式下，而不妨礙在斷開模式下的delta速度。

傳動設(shè)計包括一個中間板，這是必要的，以預(yù)加載動軸承在這個同軸設(shè)計。重要的振動模式被轉(zhuǎn)移到安全的頻率范圍內(nèi)，而不會增加不必要的重量或損害緊湊的封裝要求。傳動齒輪的個別微觀幾何形狀，加上優(yōu)化的位置公差和高系統(tǒng)剛度，產(chǎn)生高效的扭矩傳輸與優(yōu)越NVH演出。

這款三合一系統(tǒng)由GKN與歐洲的一家OEM合作開發(fā)，在上海的合資生產(chǎn)基地全球推出。整個系統(tǒng)的組裝結(jié)合了電機的建立，傳動部件的制造，電氣子系統(tǒng)的集成和系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)，包括應(yīng)用功能的功能安全軟件。

05、總結(jié)

GKN獨特和創(chuàng)新的三合一同軸系統(tǒng)是高性能的相對于其重量。它驅(qū)動包裝到一個最佳的獨特的熱管理和高效的傳輸，具有線控駐車機構(gòu)與線控斷開系統(tǒng)。電機、高壓電子設(shè)備和變速器之間的傳統(tǒng)接口集成在一個集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，其剛性確保了卓越的NVH性能。該系統(tǒng)允許新型高端汽車在兩輪驅(qū)動和四輪驅(qū)動模式之間、在電力和燃燒模式之間進(jìn)行舒適的切換，以實現(xiàn)高速公路效率和全輪驅(qū)動牽引力的最佳折衷。