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純電動(dòng)客車用電機(jī)集成車橋總成設(shè)計(jì)
2019-05-14 00:05:17· 來源：EDC電驅(qū)未來 作者：陸匡偉
一、引言電動(dòng)客車作為新能源汽車發(fā)展的主流已得到世界公認(rèn)，隨著 不可再生能源消費(fèi)的增加，汽車工業(yè)作為能源消費(fèi)者的電氣化趨 勢(shì)越來越突出。目前儲(chǔ)能技術(shù)存在局
一、引言
電動(dòng)客車作為新能源汽車發(fā)展的主流已得到世界公認(rèn)，隨著 不可再生能源消費(fèi)的增加，汽車工業(yè)作為能源消費(fèi)者的電氣化趨 勢(shì)越來越突出。目前儲(chǔ)能技術(shù)存在局限性使得電動(dòng)車的壽命駕駛 距離和充電方便性無法與傳統(tǒng)汽車相比較。因此，根據(jù)運(yùn)行時(shí)間 和運(yùn)營地點(diǎn)確定的純電動(dòng)公交車正成為電動(dòng)公交試點(diǎn)的前沿，近年來，全國各大城市公交車的電氣化速度正在逐漸加快，大量資本糾紛進(jìn)入純電動(dòng)公交行業(yè)，我們應(yīng)該重點(diǎn)應(yīng)用新技術(shù)從而提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。近年來，探索驅(qū)動(dòng)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)車橋的綜合設(shè)計(jì)的過程提高了 電動(dòng)車性能指標(biāo)的發(fā)展，成為電動(dòng)車安全設(shè)計(jì)的前沿。
二、電動(dòng)機(jī)綜合車橋總成概述
傳統(tǒng)的總線動(dòng)力總成線由發(fā)動(dòng)機(jī) + 變速器 + 緩存 + 驅(qū)動(dòng)軸 + 軸 + 橋構(gòu)成，當(dāng)前電動(dòng)總線工業(yè)化正在快速實(shí)現(xiàn)當(dāng)中，各企業(yè)選 擇最簡(jiǎn)單的方法，從傳統(tǒng)的電動(dòng)總線總成轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)動(dòng)機(jī) + 變速器 + 緩存驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示。一是電動(dòng)傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)不足， 傳動(dòng)效率低，系統(tǒng)的效率不超過 80 %，二是系統(tǒng)整合不高，不符 合汽車輕量化方向。三是制動(dòng)能回收率低，受傳統(tǒng)橋式錐齒輪固 有特性的限制，制動(dòng)能回收率小于 30 %。
本文提出的新一代純電動(dòng)客車動(dòng)力總成布局方案可以有效地避免這些缺點(diǎn)如圖 2 所示整個(gè)車輛電源將被驅(qū)動(dòng)電機(jī)集成車輛橋梁配置，完全取代了車架中電動(dòng)機(jī)的布局、懸架附件和驅(qū)動(dòng)軸總成。整個(gè)總成的車輛布局和安裝簡(jiǎn)單、懸架系統(tǒng)連接到車輛橋上，不單獨(dú)設(shè)計(jì)純電動(dòng)客車的電池布局，從而讓占用的空間得到有效的減少。
在實(shí)際運(yùn)用在工程中，要想確定動(dòng)力總成扭矩軸是很困難的，整車與動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)布置會(huì)共同限制系統(tǒng)懸置的位置，同時(shí)橡膠墊本身的性能也會(huì)影響其壓縮剪切剛度比。以上的這些因素都會(huì)使扭矩軸上不能準(zhǔn)確地讓系統(tǒng)前后的懸置中心落腳。
三、電動(dòng)機(jī)綜合車橋總成系統(tǒng)設(shè)計(jì)
以目前市場(chǎng)上主流的純電動(dòng)客車 8.5 m 為例進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)容量設(shè)計(jì):現(xiàn)有解決方案選擇低速永磁同步水冷電動(dòng)機(jī)，最大功率為 300gb，轉(zhuǎn)矩為 2070 nm，轉(zhuǎn)速為 4000 rpm。軸向載荷為 8 t，軸向速度為 5.857，自重 550 kg。驅(qū)動(dòng)軸重 40 公斤驅(qū)動(dòng)輪胎的最大驅(qū)動(dòng)力矩為 2070×5.857 = 12100 nm。通常 30HZ 以下是動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)的固有頻率，這要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于動(dòng)力總成的最低的彈性模態(tài)頻率。
本文選用高速永磁同步水冷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電源，在等效電源條件下電機(jī)功率 205 kw，轉(zhuǎn)矩 500 nm，轉(zhuǎn)速高達(dá) 12000 rpm，重量 102 公斤；汽車橋速比設(shè)計(jì)為 24.8 公斤自行 58 公斤不需要驅(qū)動(dòng)軸。驅(qū)動(dòng)輪胎的最大驅(qū)動(dòng)力矩為 500×24.8 = 12400 nm。制動(dòng)能量回收能力設(shè)計(jì) : 傳統(tǒng)的車橋由于發(fā)動(dòng)機(jī)布置垂直于整個(gè)車輛行駛方向，所以錐齒輪參與了橋梁動(dòng)力傳動(dòng)并同時(shí)改變了傳動(dòng)方向。
根據(jù)橋梁螺旋錐齒輪的設(shè)計(jì)規(guī)則，參與網(wǎng)格的齒輪齒形為凸面，一側(cè)為凹面。整車時(shí)凸面參與嚙合，反向凹面參與嚙合，制造能力限制不能保證凸面和凹面的制造精度相同。一般來說，在齒輪設(shè)計(jì)制造過程中，特別選擇嚙合凸面作為高精度齒面的電動(dòng)汽車的一個(gè)重要特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)在行駛過程中能夠向前驅(qū)動(dòng)汽車，參與制動(dòng)，使整輛汽車的慣性力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，在?jié)能方面發(fā)揮重要作用。電動(dòng)機(jī)制動(dòng)過程中，齒輪的凹部參與嚙合受齒輪凹部精度的限制，如果反向生成能力回收設(shè)置超過 30 %，則齒面受傷，異常發(fā)生，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致齒輪的損壞。本文為了解決困擾電動(dòng)汽車行業(yè)的問題提出了一種創(chuàng)新的解決方案。如圖 3 所示，平行布置電動(dòng)機(jī)和整個(gè)汽車行駛方向所以你不需要錐齒輪所有驅(qū)動(dòng)齒輪都可以設(shè)計(jì)為圓柱齒輪、圓柱齒輪的設(shè)計(jì)和加工保證了更高的精度。
重量對(duì)比度
現(xiàn)有純電工程重量 : 300 + 550 + 40 = 89 公斤
電動(dòng)機(jī)綜合車輛橋梁方案重量 : 102 + 580 = 68 公斤
新計(jì)劃重量輕 : 890-6842 = 208 公斤
四、電動(dòng)機(jī)綜合汽車橋梁的應(yīng)用
整個(gè)機(jī)箱設(shè)計(jì)是自己的動(dòng)力總成，因此設(shè)計(jì)為不使用預(yù)留電動(dòng)機(jī)空間，可以減少乘用車后懸架，如圖 4 所示。采用該方法可增加前后門距離提高整個(gè)乘客的有效空間。
五、電機(jī)綜合車橋總成方案與傳統(tǒng)方案指標(biāo)的比較
通過上述方案可以看出電動(dòng)機(jī)綜合汽車橋具有與傳統(tǒng)純電動(dòng)
汽車橋系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)能力相同的優(yōu)點(diǎn)
(1) 車橋系統(tǒng)自組裝電源總成，傳動(dòng)效率高，車輛布局方便；
(2) 制動(dòng)能量回收能力大大提高可達(dá) 100 %；
(3) 系統(tǒng)輕量級(jí) :8.5m 總線可輕量使用 208 公斤；
(4) 改進(jìn)設(shè)計(jì)后，動(dòng)車提高了其運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性，以及經(jīng)過試驗(yàn)后可得出隔振效果明顯有所改善。
六、結(jié)語
通過本文探索了新型純電動(dòng)客車動(dòng)力總成布局提高純電動(dòng)車輛的創(chuàng)新性能并給出了超短懸架總線的設(shè)計(jì)通過輕量化可以顯著提高現(xiàn)有客車的 EKG 指標(biāo)和連續(xù)運(yùn)行距離，從而體現(xiàn)出高傳輸效率、高制動(dòng)能量回收能力，從而揭示后續(xù)重型車輛的電氣化方向。并且在改善汽車平順性和舒適性這兩個(gè)方面起著很重要的作用，雖然很復(fù)雜，并且涉及了很多不用方向的因素，但在不久的將來依舊能夠處理這些問題。利用能量法解耦的設(shè)計(jì)方法可有效改善懸置系統(tǒng)的隔振效果，而且這個(gè)方法并不是具有專一性的，它并沒有什么專門的要求，所以它被廣泛使用。
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