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[新能源汽车用材] 电动汽车中的轻型变速器设计

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发表于 2013-6-15 04:18:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
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成立Visio.M项目合作的目的是开发一种适合于大批量生产的新型纯电动微型车方案,实现小型电动汽车的大批量生产,这需要进行轻量化结构设计。为此,新型的变速器轻量化设计是一个很好的解决方案。
        Vison.M合作项目的组织者与慕尼黑技术大学、宝马和戴姆勒的研发部门、西门子及其他很多合作伙伴一起开发和研究小型的、高效的电动汽车生产可能性,并使这种电动汽车具有很高的安全性和经济实惠的价格,能够在市场中站稳脚跟。
        宝马和戴姆勒加入Visio.M项目后,将共同为研发一款拥有廉价、安全等特性的新型交通工具而努力。在此之前,双方已在新能源汽车领域有所成绩,宝马i3将会在今年推出,而奔驰也计划投放使用E-Cell系统的SLS电动超级跑车。
        为满足电动汽车市场的需求,该合作项目的车辆配置方案对驱动技术提出了更高的要求。现有大批量生产的车型都是针对内燃机驱动技术而研发设计的,所以尽管按照电动汽车的要求进行了改进,它们的重量和价格都很难满足市场的需要需求;另一方面的挑战是小型电动汽车的多样性,即使它们的重量和行驶里程能够为人们所接受,目前的技术尚不能确保驾乘人员的安全性。
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        图1 节约能源的驱动装置由电动机、两级变速器及向各个车轮动态输出转矩的转矩矢量输出单元组成

        确保驾驶舒适性
        该合作项目框架内研发的车辆是一种小型的市内长距离行驶的两座车辆。尽管要求的条件非常严格,但不会影响驾驶的舒适性。这种小型电动汽车的功率被限定在15kW之内,但具备很好的加速性能和动态性能。设计中,这种车辆可以携带部分行李,在恶劣的条件下的最低行驶里程应达100km,最高时速为120km/h,应具有较强的爬坡能力。整个项目对这款电动车的价格给予了充分的关注,确保它的价格具有很大的吸引力。项目关注的重点是开发各个零部件经济的并且适合大批量生产的工艺技术。
        项目开发中,最重要的是节约能源、安全性能和驾驶动态性能。而实现目标这些的重要环节是轻结构设计,尤其是采用碳纤维合成材料的车架设计。轻结构设计车架应能降低燃油消耗。车辆行驶机构的结构设计应满足现代化小型车辆安全标准的要求。在这款新型电动汽车中,需要采用主动式和被动式的安全系统。
        带有矢量转矩输出功能的驱动装置
        这款电动汽车的驱动系统采纳了一些非常灵巧的设计,由相应的传感器、电子控制下的电动机、两级减速器及向各个车轮动态输出转矩的转矩输出单元组成。其突出特点是它的轴驱动系统具有矢量转矩输出功能,这样,驱动力矩就可以有目的地分配给各个车轮。根据不同行驶状况来分配驱动力矩,提高了车辆的燃油效率,改善了车辆制动时的能源回收状况。该系统的具体结构包括行星齿轮差速器和他驱式超越离合器。为了能够分配力矩,超越离合器的空心轴由安装在外座圈上的高效电动机来驱动,进行正反转。
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        图2 复合齿轮由锻造齿箍、锻造内齿圈和含有碳纤维增强材料的注塑垫片组成

        变速器的轻量化设计
        对Visio.M项目有着巨大推动作用的创新就是变速器系统的轻结构齿轮设计,这种两级减速齿轮和传动轴的设计是该项目的重点之一。该减速器应把同步电动机传输的转速降低到电动汽车齿轮所需的12000r/min,而减速的前提是要确保结构设计轻量化、更加紧凑的结构以及齿轮啮合时或者啮合瞬间最小的能量损失。同样,对变速器中各个零件的设计也提出了要适合大批量生产的要求。Neumayer Tektor公司开发的复合齿轮方案是由锻造齿箍、锻造内齿圈和含有碳纤维增强材料的注塑垫片组成(见图2)。
        该方案的优点是能很好地降低噪声,尤其是电动机起动高次谐波频率时产生的噪声。
        另外,研发人员在空心轴的设计上也做了努力,并成功地降低了空心轴的重量。此外,还将塑料材料尝试性地应用到变速器的壳体中。
        该合作项目的另一个重要内容是研发可以节省安装空间并直接安装在驱动轴末端的驻车制动装置。其中,发挥制动功能的是一个可以水平移动的内齿圈。制动时,在推动楔块的帮助下,内齿圈被推入变速器中间轴端的齿块上。该齿形啮合结构设计提出的要求是保持啮合的可靠性,避免在转速超过规定的上限时制动装置脱开。
        保证可靠性的措施是机械式的性能匹配:制动内齿圈的移动不是采用刚性楔块直接推动,而是通过有预紧力的弹簧来推动。当轴的转速比较高时,内齿圈会产生很大的阻力使弹簧的预紧力无法达到驱动内齿圈移动的力度。只有在电动汽车速度较低时,内齿圈才可以实现制动。
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