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丰田紧凑型电动后驱动装置发展简介 军工板块股票

时间:2021-03-18 15:24:16作者:佚名

来源| EDC电力驱动未来

一.概述

近年来,随着人们环保意识的不断提高,如减少二氧化碳和更清洁的排放,混合动力汽车得到了广泛的应用。然而,在过去,紧凑型混合动力乘用车很少配备AWD(全轮驱动),这阻碍了混合动力汽车在生活中需要AWD车辆的地区的推广。因此,爱信集团旗下三家公司(爱信精机股份有限公司、爱信AW股份有限公司、爱信AI股份有限公司)与丰田汽车公司合作开发了一款新型紧凑型高效电动后驱动单元,该单元的安装对现有紧凑型FF混合动力乘用车的结构改动极小。介绍了电动后驱动装置的结构和特点。作为双轴结构的齿轮系,可以实现紧凑设计。采用感应电机减少两轮驱动时的动力损失,通过ATF集油箱抑制ATF搅拌阻力,有助于降低油耗。

二.紧凑型AWD系统的组成和结构

紧凑型AWD动力变速器由变频器、动力电缆和紧凑型电动后驱动单元(包括电机、减速器和差速器)组成,而不是分动箱和传动轴。FF HEV需要AWD时,后轮驱动电机的逆变器始终为电机提供动力(电源为高压电池电压),从而增加后轮的扭矩。例如,在车辆启动期间或前轮打滑时,提供具有高响应和高效率的AWD功能。图1所示的紧凑型AWD系统的结构。图2为新开发的紧凑型电动后驱动单元的组成,图3为雷克萨斯RX450h(参数|图片)或其他原厂车型使用的电动后驱动单元。表1是紧凑型电动后驱动单元和雷克萨斯RX450h电动后驱动单元主要规格的比较。

1.紧凑的设计

图1紧凑型AWD系统结构

图2新开发的紧凑型电动后驱动装置的主要部件

图3雷克萨斯RX450h电动后驱动单元的组成

表1紧凑型电动后驱动单元与雷克萨斯RX450h电动后驱动单元主要规格对比

为了缩短紧凑型电动后驱动单元的长度,采用了电机和差速器轴位于同一轴上的双轴轮系结构。图2中的箭头表示其动力传输路径。电机扭矩通过转子轴和中间轴传递,减速两次,并通过差速器传递到左右车轮。结构上,差速器左侧的齿轮轴置于空心电机的转子轴内,使电机和差速器可以安装在同一根轴上。考虑到紧凑型电动后驱动单元的前后长度和电机的最大允许速度,总减速比设置为10.487,以减小电机的尺寸和质量。图4显示了车辆上紧凑型电动后驱动单元的布局。随着双轴齿轮传动系统和高减速比的引入,紧凑型后驱动单元的设计和结构可以与FF车辆共用一个油箱和后地板。

图4紧凑型混合动力车辆的电动后驱动单元布置

2.降低油耗

(1)驱动电机形式

考虑到AWD(后驱动电机运行时)和2WD(后驱动电机不运行时)的驱动时间,紧凑型电动后驱动单元中使用无永磁体的感应电机作为驱动电机。因为感应电机在不运转的时候没有功率损耗。这有助于最大限度地减少2WD运行期间的功率损失,并降低油耗。

定子绕组类型采用分布式绕组。转子的导杆和端环采用铝铸件铸造成鼠笼形,大批量生产时生产率高。通过减少铸造缺陷(如气孔)来确保转子在高速运行期间的可靠性。

(2)抑制自动变速箱油搅拌阻力的结构

紧凑型电动后轮驱动装置依靠自动变速箱油循环来润滑齿轮、轴承和冷却电机。为了实现润滑和冷却的能力,进一步降低动力损失,机组采用抑制ATF搅拌阻力的结构,并优化齿轮将ATF舀起,回收到集油箱。图5是润滑装置的结构图。

图5紧凑型电动后驱动装置润滑结构图

车辆后侧的主集油箱和车辆前侧的辅助集油箱都安装在高于初始油位的位置。图中实线箭头表示ATF的流向。正确定位倒档从动齿轮和齿圈,将自动变速箱油收集起来,并将其回收到集油箱,以便根据行驶条件优化装置中的以下油位。

①怠速时间:ATF油位位于差速器轴中心,保证车辆起步时差速器内运动部件的润滑,减少粘滞阻力。

②在②AWD期间:电机室内的自动变速箱油油位高于转子的下端,这样转子可以将自动变速箱油输送到定子,帮助定子线圈冷却。

③2WD期间:电机室和齿轮室的油位低于转子下端。减速前,高速运转的转子停止铲ATF,用齿轮减少搅拌。此外,该装置通过提供从集油箱到必要部件(包括轴承和油封)的油路来输送自动变速箱油,以确保润滑能力,并将自动变速箱油返回电机室和齿轮室。

图6显示了由测试台测量的车速和自动变速箱油油位之间的关系。齿轮开始以大约10公里/小时的速度吸收自动变速箱油..随着齿轮向集油箱供应自动变速箱油,马达室和齿轮室中的自动变速箱油油位降低,而集油箱中的自动变速箱油油位升高。在30km/h或更低的速度下,电机室内的油位高于转子的下端,转子吸收ATF来冷却定子线圈。在30公里/小时或更高的速度下,电机室和齿轮室中的油位稳定在低于转子下端的水平,集油箱中的油位也稳定。根据设计要求,转子停止铲ATF,齿轮的混合也受到限制。图7示出了扭矩损失和单位车速之间的关系。当车速为10km/h或更低时,自动变速箱油不会回收到集油箱,因此损失的扭矩会相应增加。在10km/h或更高的车速下,只有当自动变速箱油回收到集油箱时,电机室和齿轮室中的自动变速箱油油位才会降低,从而抑制损失扭矩的增加。全地形车搅拌阻力抑制结构实现最高传输效率97%的单位。

图6车速与油位的关系

图7车速与损失扭矩的关系

3.降低成本

(1)电机房和齿轮房一体化

在雷克萨斯RX450H后轮驱动单元中,电机室和齿轮室独立分离,电机转子轴和输入齿轮轴通过花键连接,并通过不同的轴承支撑在分离壳体上。在新开发的紧凑型电动驱动装置中,电机室和齿轮室被移除,以集成转子轴和输入齿轮,从而减少轴承数量,并消除对加工花键和其他零件的需求。这种结构变化降低了单位制造成本和重量。

(2)转子轴和铁芯装配在热包装中

在混合动力汽车和电动汽车的驱动电机中,转子铁芯和转子轴的装配往往采用花键结构冷压工艺沿轴向固定。在新开发的紧凑型后轮驱动电机中,调整转子铁芯内径和转子轴外径之间的公差配合,以便通过热套配合进行紧固。通过取消键花键和轴向挡块,转子轴的形状更简单,有助于降低加工成本。图8显示了转子组件的装配图。转子铁芯内径加热扩大,套在转子轴上,冷却至紧固。在设计热夹套的过盈量时,考虑了因受热或其他原因可能影响零件装配紧密性和降低传递扭矩的因素,以始终确保足够的扭矩达到所需的强度。

图8转子组件装配图

三、通过CAE预测技术实现的失重

降低齿轮噪音对于紧凑型电动后驱动单元也是必要的。通过采集实际机组的参数,利用CAE精确预测机组内的声压,并优化更薄的壳体(包括肋排列)以减轻重量。图9示出了实际上新开发的紧凑型电动后驱动单元和CAE模型之间的声压比较的示例。

图9实际单元与CAE模型的声压对比

图10中壳优化结构

通过优化计算技术,在不影响润滑性和铸造性的情况下,获得了优化的壳体形状。例如,设计中间壳体的关键是有效地布置肋,使壳体能够以非常薄的形式支撑两个轴承的载荷。通过CAE优化计算技术和铸造工艺模拟,可以通过满足零件强度和其他各种约束(如可铸造性)来优化壳体形状,获得支撑筋的最佳布置(尽可能减轻重量)。图10示出了中间壳体的最佳形状。

CAE预测技术虽然满足噪声性能和强度的要求,但似乎与开发该单元的目标,即更紧凑、更轻的设计相矛盾。但是,它也有助于缩短开发周期,降低与原型设计相关的成本。

四.结论

紧凑型电动AWD装置已开发并应用于紧凑型FF混合动力乘用车。实现了低油耗、紧凑、低成本的发展目标,为AWD汽车在日常生活环境中性能充足、油耗极低的发展做出了巨大贡献。我们希望通过推广更多的混合动力汽车、进一步改善设备结构和减少二氧化碳来改善环境。


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