新能源商用汽車電驅(qū)動(dòng)橋技術(shù)

1、車橋概述
卡車的三大動(dòng)力核心總成是發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和車橋，三者中車橋雖不像發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱一樣常被人們提及，但卻在汽車動(dòng)力傳輸?shù)倪^(guò)程中發(fā)揮著紐帶的作用，對(duì)整車的行駛的動(dòng)力性和穩(wěn)定性有著舉足輕重的作用。



重卡車橋作為重卡4大總成(駕駛室、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、車橋)之一，其行業(yè)和技術(shù)發(fā)展水平在一定程度上關(guān)乎著重卡行業(yè)的發(fā)展。

2、車橋的基本功能

車橋的功能就是傳遞車架(或承載式車身)與車輪之間各方向作用力及其力矩，其對(duì)汽車的動(dòng)力性，穩(wěn)定性，承載能力等性能有著重要的影響。

• 將萬(wàn)向傳動(dòng)裝置傳來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩通過(guò)主減速胎、差速器、半軸等傳到驅(qū)動(dòng)車輪，實(shí)現(xiàn)降低轉(zhuǎn)速、增大轉(zhuǎn)矩；
• 通過(guò)主減速器圓錐齒輪副改變轉(zhuǎn)矩的傳遞方向；
• 通過(guò)差速器實(shí)現(xiàn)兩側(cè)車輪差速作用，保證內(nèi)、外側(cè)車輪以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向。
• 通過(guò)主減速器齒輪的傳動(dòng)，降低轉(zhuǎn)速，增大轉(zhuǎn)矩；
• 通過(guò)橋殼和車輪，實(shí)現(xiàn)承載及傳力作用。

▲重卡后驅(qū)動(dòng)模塊（雙聯(lián)驅(qū)動(dòng)后橋、平衡懸掛及板簧、傳動(dòng)軸、推力桿）
3、車橋分類

中央單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋

是驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)中最為簡(jiǎn)單的一種，是驅(qū)動(dòng)橋的基本形式，在載重汽車中占主導(dǎo)地位。一般在主傳動(dòng)比小于6的情況下，應(yīng)盡量采用中央單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋。目前的中央單級(jí)減速器趨于采用雙曲線螺旋傘齒輪，主動(dòng)小齒輪采用騎馬式支承，有差速鎖裝置供選用。



▲奔馳單級(jí)減速橋

中央雙級(jí)驅(qū)動(dòng)橋

中央雙級(jí)驅(qū)動(dòng)橋主要有2種類型：

一類如伊頓系列產(chǎn)品，事先就在單級(jí)減速器中預(yù)留好空間，當(dāng)要求增大牽引力與速比時(shí)，可裝入圓柱行星齒輪減速機(jī)構(gòu)，將原中央單級(jí)改成中央雙級(jí)驅(qū)動(dòng)橋，這種改制”三化”程度高，橋殼、主減速器等均可通用，盆齒輪直徑不變；



▲伊頓中央雙級(jí)減速橋?qū)嵨?br />


▲伊頓中央雙級(jí)減速器宣傳圖冊(cè)



▲伊頓中央雙級(jí)減速器爆炸圖

另一類如洛克威爾系列產(chǎn)品，當(dāng)要增大牽引力與速比時(shí)，需要改制第一級(jí)傘齒輪后，再裝入第二級(jí)圓柱直齒輪或斜齒輪，變成要求的中央雙級(jí)驅(qū)動(dòng)橋，這時(shí)橋殼可通用，主減速器不通用，盆齒輪有2個(gè)規(guī)格。



由于上述中央雙級(jí)減速橋均是在中央單級(jí)橋的速比超出一定數(shù)值或牽引總質(zhì)量較大時(shí)，作為系列產(chǎn)品而派生出來(lái)的一種型號(hào)，它們很難變型為前驅(qū)動(dòng)橋，使用受到一定限制；因此，綜合來(lái)說(shuō)，雙級(jí)減速橋一般均不作為一種基本型驅(qū)動(dòng)橋來(lái)發(fā)展，而是作為某一特殊考慮而派生出來(lái)的驅(qū)動(dòng)橋存在。
中央單級(jí)+輪邊減速驅(qū)動(dòng)橋

輪邊減速驅(qū)動(dòng)橋較為廣泛地用于油田、建筑工地、礦山等非公路車與軍用車上。當(dāng)前輪邊減速橋可分為2類：一類為圓錐行星齒輪式輪邊減速橋，沃爾沃、雷諾等都采用此類車橋：



▲雷諾圓錐齒輪輪邊減速橋?qū)嵨?br />


▲圓錐齒輪輪邊減速橋剖視圖

另一類為圓柱行星齒輪式輪邊減速驅(qū)動(dòng)橋，奔馳、斯太爾、斯堪尼亞等都采用此類車橋。



▲奔馳圓柱齒輪輪邊減速橋



▲圓柱齒輪輪邊減速橋傳動(dòng)系統(tǒng)

4、驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)

主減速器

主減速器一般用來(lái)改變傳動(dòng)方向，降低轉(zhuǎn)速，增大扭矩，保證汽車有足夠的驅(qū)動(dòng)力和適當(dāng)?shù)乃俣?。主減速器類型較多，有單級(jí)、雙級(jí)、雙速、輪邊減速器等。




輪邊減速器

輪邊減速也可以看作是主減速器的第二級(jí)傳動(dòng)。在重型載貨車、越野汽車或大型客車上，當(dāng)要求傳動(dòng)系的傳動(dòng)比值較大，離地間隙較大時(shí)，往往在兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪附近再增加一級(jí)減速傳動(dòng)，稱為輪邊減速器。



一般來(lái)說(shuō)，采用輪邊減速器是為了提高汽車的驅(qū)動(dòng)力，以滿足或修正整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力的匹配。在這一過(guò)程中，輪邊減速器的工作原理就是把主減速器傳遞的轉(zhuǎn)速和扭矩經(jīng)過(guò)其降速增扭后，再傳遞到車輪，以便使車輪在地面附著力的反作用下，產(chǎn)生較大驅(qū)動(dòng)力。

差速器

差速器用以連接左右半軸，可使兩側(cè)車輪以不同角速度旋轉(zhuǎn)同時(shí)傳遞扭矩。保證車輪的正常滾動(dòng)。有的多橋驅(qū)動(dòng)的汽車，在分動(dòng)器內(nèi)或在貫通式傳動(dòng)的軸間也裝有差速器，稱為橋間差速器。其作用是在汽車轉(zhuǎn)彎或在不平坦的路面上行駛時(shí)，使前后驅(qū)動(dòng)車輪之間產(chǎn)生差速作用。



目前大多數(shù)汽車采用行星齒輪式差速器，普通錐齒輪差速器由兩個(gè)或四個(gè)圓錐行星齒輪、行星齒輪軸、兩個(gè)圓錐半軸齒輪和左右差速器殼等組成。

半軸

半軸的內(nèi)側(cè)通過(guò)花鍵與半軸齒輪相連，外側(cè)用凸緣與驅(qū)動(dòng)輪的輪轂相連。



半軸是將差速器傳來(lái)的扭矩再傳給車輪，驅(qū)動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)汽車行駛的實(shí)心軸。由于輪轂的安裝結(jié)構(gòu)不同，而半軸的受力情況也不同。所以，半軸分為全浮式、半浮式、3／4浮式三種型式。

橋殼

驅(qū)動(dòng)橋橋殼按照制造工藝分為沖焊橋殼、鑄造（鑄鐵、鑄鋼）橋殼。

傳統(tǒng)的鑄造橋殼具有剛度大，變形小，成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是制造周期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜，效率較低。沖焊橋殼具有外觀好、重量輕、清潔度高、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，沖焊技術(shù)正在逐步替代鑄造技術(shù)。



驅(qū)動(dòng)橋殼的主要功用是支撐汽車質(zhì)量，并承受由車輪傳來(lái)的路面的反力和反力矩，并經(jīng)懸架傳給車架（或車身）；同時(shí)，它又是主減速器、差速器、半軸的裝配基體。

5、集中式電驅(qū)動(dòng)橋和分布式電驅(qū)動(dòng)橋

按照電機(jī)在車橋中的布置位置，可以劃分為集中式電驅(qū)動(dòng)橋和分布式電驅(qū)動(dòng)橋；通常來(lái)講，集中式電驅(qū)動(dòng)橋的電機(jī)位于車橋中央，而分布式電驅(qū)動(dòng)橋的電機(jī)位于車橋兩側(cè)。

5.1集中式電驅(qū)動(dòng)橋

集中式電驅(qū)動(dòng)橋又可以分為單電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋和雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋

單電機(jī)中央驅(qū)動(dòng)：比亞迪、AXLETECH

單電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋又可以分為平行軸電驅(qū)橋和同軸電驅(qū)橋


▲比亞迪中央單電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋（平行軸）



▲美國(guó)AXLETECH中央單電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋（平行軸）
雙電機(jī)中央驅(qū)動(dòng)：特斯拉



▲特斯拉中央雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋（前后布置）
單電機(jī)直驅(qū)：東風(fēng)德納（同軸電驅(qū)橋）



5.2分布式電驅(qū)動(dòng)橋

分布式電驅(qū)動(dòng)橋又可以分為輪邊電驅(qū)橋和輪轂電機(jī)橋。

輪邊電機(jī)橋：ZF、漢德、AXLETECH



▲ZF輪邊電驅(qū)橋（客車）



▲ZF輪邊電驅(qū)橋（卡車）



▲漢德輪邊電驅(qū)橋



▲美國(guó)AxleTech輪邊電驅(qū)橋
輪邊電驅(qū)單元：ZF、AXLETECH



▲ZF輪邊電驅(qū)單元



▲美國(guó)Axletech輪邊電驅(qū)單元



▲泰特輪轂電機(jī)橋

6、中央電機(jī)橋、輪邊電機(jī)橋和輪轂電機(jī)橋的區(qū)別

中央電機(jī)橋首先是整體橋，是集成了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)橋：

• 按照電機(jī)數(shù)量可以分為單電機(jī)中央驅(qū)動(dòng)和雙電機(jī)中央驅(qū)動(dòng)；
• 按照動(dòng)力輸出軸可以分為同軸中央驅(qū)動(dòng)和平行軸中央驅(qū)動(dòng)；
• 按照有無(wú)差速器又可以分為機(jī)械差速器橋和電子差速器橋。

輪邊電機(jī)橋是指取消了橋殼和半軸的電機(jī)橋：驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在車輪旁邊，此種結(jié)構(gòu)仍然是整體橋，是剛性的，是可以使用鋼板彈簧懸掛的，當(dāng)然也可以使用氣囊減震和螺旋彈簧＋減震筒的結(jié)構(gòu)；但是由于取消了橋包和橋殼以及半軸，機(jī)構(gòu)空間和重量得以大幅減輕。

輪邊電機(jī)橋通常是平行軸結(jié)構(gòu)，因?yàn)橹辽傩枰?級(jí)減速（見(jiàn)下圖）：首先動(dòng)力從電機(jī)輸出軸出來(lái)要經(jīng)過(guò)2級(jí)減速，速比能達(dá)到8-15，但這并不夠，通常還需要一級(jí)輪邊減速，使總減速比達(dá)到30-50，才能把近萬(wàn)轉(zhuǎn)的電機(jī)轉(zhuǎn)速降下來(lái)，得到需要的扭矩，所以沒(méi)辦法做到輸入和輸出同軸。



輪轂電機(jī)橋是把電機(jī)直接集成到輪轂（輪輞/鋼圈）內(nèi)，通常是獨(dú)立懸掛或者乘用車的麥弗遜懸掛，而不是剛性的整體結(jié)構(gòu)；另外輪轂電機(jī)由于受到空間限制（目前輪轂電機(jī)多用于乘用車前橋，所以狹窄的輪轂附近不但集成了制動(dòng)部分和轉(zhuǎn)向部分，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分也弄進(jìn)來(lái)了）



所以一般輪轂電機(jī)不再配有減速器，而是使用低速大扭矩電機(jī)，另外就是為了盡量減小軸向尺寸，此處應(yīng)用盤(pán)式電機(jī)是趨勢(shì)，另外就是為了得到低速大扭矩，此處多應(yīng)用外轉(zhuǎn)子電機(jī)（中央電機(jī)和輪邊電機(jī)通常用內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)）。

7、重卡電驅(qū)動(dòng)橋的進(jìn)化路線

重卡電驅(qū)橋的發(fā)展可以劃分為三代：



▲第一代重卡電驅(qū)橋的代表是比亞迪：中央單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，取消盆角齒，保留差速器，這是第一代，也是最原始狀態(tài)。
優(yōu)點(diǎn)：由傳統(tǒng)車橋改造而來(lái)，改造工作量小，變動(dòng)小，容易實(shí)現(xiàn)，成本低。
缺點(diǎn)：
仍然保留機(jī)械差速器，機(jī)構(gòu)尺寸大、重量大，傳動(dòng)效率低。
重量大于傳統(tǒng)車橋，簧下質(zhì)量大。
若應(yīng)用于重卡，還需要帶氣壓式機(jī)械差速鎖應(yīng)對(duì)打滑路面，可靠性不高。

注：小編今天了解到，有一種電機(jī)叫雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)差速，如果可行，那么單電機(jī)中央驅(qū)動(dòng)橋也可以取消機(jī)械差速鎖。



特斯拉中央雙級(jí)電驅(qū)橋，每根驅(qū)動(dòng)橋放置兩個(gè)電機(jī)，雙聯(lián)后橋共布置4個(gè)電機(jī)，電機(jī)是前后對(duì)角布置。



▲第二代重卡電驅(qū)橋的代表是特斯拉，雖然和第一代比只多了一個(gè)“雙”字，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻有了重大變化。

由于雙電機(jī)的存在，便不再需要機(jī)械差速器，粗略算下來(lái)一根橋的機(jī)械差速器就可以節(jié)省80-100公斤的重量。并且由于是雙電機(jī)前后布置，更容易達(dá)成車橋的前后平衡。
優(yōu)點(diǎn)：取消了差速器，減輕了一部分重量。
缺點(diǎn)：橋殼和半軸仍然存在，總質(zhì)量大于傳統(tǒng)車橋，增加了簧下質(zhì)量。



▲第三代重卡電驅(qū)橋的代表是奔馳（ZF）

此種結(jié)構(gòu)由于集成度更高，小編認(rèn)為其重量已經(jīng)與傳統(tǒng)車橋相差不多，基本上不存在比較突出的簧下質(zhì)量問(wèn)題，發(fā)展到第三代，已經(jīng)沒(méi)有了傳統(tǒng)車橋改造的痕跡，已經(jīng)是很專用的電驅(qū)橋結(jié)構(gòu)了。

優(yōu)點(diǎn)：

• 取消了中央機(jī)械式差速器，減重80-100公斤；
• 取消了橋殼和半軸等結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減重；
• 機(jī)械傳動(dòng)鏈更短，動(dòng)力傳遞效率更高。

缺點(diǎn)：電子差速度的相應(yīng)時(shí)間和扭矩分配的控制算法和策略是電控系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

8、輪轂電機(jī)橋

近日，泰特輪轂電機(jī)橋量產(chǎn)下線。



此輪轂電機(jī)橋主要用于大客車



從圖片可以看出，匹配的是大單胎，小編沒(méi)有獲取更多信息，猜測(cè)是由于無(wú)法應(yīng)用現(xiàn)有鋼圈，不得不采用異形鋼圈。

采用異型鋼圈的原因，是因?yàn)檩嗇炿姍C(jī)體積龐大，對(duì)空間要求大，原來(lái)卡車和客車那種兩個(gè)鋼圈疊放在一起的狀態(tài)無(wú)法沿用。



泰特是收購(gòu)了歐洲一家輪轂電機(jī)公司，在其基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的商用輪轂電機(jī)橋



從公開(kāi)資料得知，泰特輪轂電機(jī)采用直驅(qū)，也就是電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，不需要減速器；從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，不需要減速器就需要電機(jī)的轉(zhuǎn)矩足夠大，顯然內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)無(wú)法輸出足夠的扭矩，只能采用外轉(zhuǎn)子電機(jī)，隨之而來(lái)的就是無(wú)法避免的體積大、重量大，繼而造成簧下質(zhì)量大、散熱困難。



至于“外轉(zhuǎn)子直驅(qū)”和“內(nèi)轉(zhuǎn)子＋減速器”這兩種輪轂電機(jī)技術(shù)路線孰優(yōu)孰劣，還需要進(jìn)行更深的技術(shù)論證和實(shí)物驗(yàn)證，小編在這里不能妄下定論。



外轉(zhuǎn)子直驅(qū)的優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)鏈條短，可靠性相對(duì)高，效率高；帶來(lái)的問(wèn)題如前所述。

相對(duì)輪轂電機(jī)，輪邊電機(jī)橋目前來(lái)看似乎更成熟一些。



輪轂電機(jī)在某些特種領(lǐng)域會(huì)有一定的應(yīng)用



▲泰特輪轂電機(jī)橋

9、關(guān)于電控差速問(wèn)題

電控差速目前沒(méi)有形成統(tǒng)一的技術(shù)路線，小編正在收集各種資料，后續(xù)做一個(gè)專題單獨(dú)講。

10、課后思考題

中央電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋、輪邊電機(jī)橋和輪轂電機(jī)橋，誰(shuí)是未來(lái)的發(fā)展方向？