摘  要

動力傳動產品上市時間的縮短，在空間、重量和成本的縮減與功能，性能與經濟性需求提高之間的平衡是更新發(fā)展戰(zhàn)略的重要發(fā)展因素。

本論文為完整的開發(fā)流程提供了最佳的解決方案。論文首先描述市場的挑戰(zhàn)以及因此產生的原因。第二部分將討論更新要求的概念尋找過程，在概念尋找后便是開發(fā)階段，由此提出模塊化開發(fā)策略。在介紹測試和驗證階段，將展示幾種解決方案。智能定制化的載荷譜在日益增長的測試中變的越來越重要，為了完成這些測試，對于測試設備的要求也會有提及。在論文的最后，我們將對提出的幾種針對新能源動力傳動系統(tǒng)的開發(fā)解決方案進行總結。

介  紹

目前汽車企業(yè)包括吉泰德國有限公司以及其在中國的子公司（吉泰車輛技術（蘇州）有限公 司）正面臨著的市場挑戰(zhàn)，正是在空間重量和成本的縮減與功能，性能與經濟性需求提高之間保持平衡。圖1為市場挑戰(zhàn)的情景圖。


圖一：市場挑戰(zhàn)

有三個主要勢力推動著市場：汽車行業(yè)，政府以及客戶。

對于汽車行業(yè)而言，縮短上市時間是一個非常重要趨勢?？臻g與重量通常十分關鍵，因為新的產品開發(fā)需要適應現有的車輛平臺，并且必須達到性能和經濟性的要求。

全世界政府，尤其是中國政府發(fā)布的法規(guī)越來越嚴格，支持也逐漸減少，來自競爭對手的壓力也在逐漸增大。

此外，客戶在環(huán)境意識，成本，質量方面也變得越來越重視，對新的技術也更感興趣。在接下來的章節(jié)中，將展示新能源動力傳動系統(tǒng)開發(fā)的解決方案。

概念尋找

克服上述提及的市場挑戰(zhàn)首先要有一個好的概念設計。由于種類越來越多，尋找概念本身就成了一個挑戰(zhàn)，正如圖2所示。車輛類型、使用要求和給定的邊界條件是概念尋找的一個好起點。


圖二：概念尋找

如果基礎定義的好, 檔位, 齒輪的布局以及電機的集成概念和軟件概念就可以確定下來。開發(fā)與新能源相關的特供變速器是一個新的趨勢。這意味一方面必須開發(fā)用于電機的變速箱，另一方面則是需要復雜的混合動力變速箱，其結合就例如P1和P3的配置。這一系列復雜的混合動力變速箱也稱為“DHT”–“專用混合動力變速箱”。這些DHT沒有電機就無法當作“獨立” 的傳統(tǒng)變速箱，因為像反向驅動只能通過電動機來實現。DHT與減速器變速箱都需要定義必要的檔位。因此， 我們開發(fā)并使用了模擬和計算模型. 圖3和圖4顯示了DHT和減速器變速箱與“EDS”–“電力驅動系統(tǒng)”的電機組合的結果。


圖3：變速箱檔位– DHT經濟性與性能

圖3是模擬和計算出的DHT傳動配置的齒輪組。例如，發(fā)動機使用的最佳比耗為245 g/kWh。深藍色區(qū)域代表發(fā)動機最佳運行區(qū)域。很明顯，發(fā)動機的油耗區(qū)在所有駕駛條件中隨著檔位而增加。另一個積極的方面是，隨著檔位的增加，標稱性能和峰值性能區(qū)域同樣也在增加。對于上述DHT樣品的應用，4速為最佳。 這些圖形也為EDS（電子驅動系統(tǒng)）創(chuàng)建，如下圖4所示。


圖 4: 變速箱檔位– EDS經濟性與性能

電機的效率對于EDS是有影響和意義的。目前關于變速器的未來有很多種討論，但是我們有很多理由可以明確的表示，變速箱在未來不會被淘汰！

圖 4 就展示了強有力的論據。以一個檔位為例，必須很好地權衡性能（加速/爬坡/最高速度） 和最佳系統(tǒng)效率，但這意味著巨大的妥協。使用兩個檔位后，結果就會發(fā)生很大變化，性能和效率在整個運行區(qū)域內均勻分布。三個檔位在運行區(qū)域內就會帶來更好的效率。通過對比三檔位帶來的效率提升和其研發(fā)應用所需的投入，我們得出結論，在這種情況下，研究 2 速 EDS 是最佳選擇。

從我們的角度來看，由于對電動機速度的需求不斷增加，以至于不僅對電動機還對逆變器的要求也在迅速增長，這也是研究更多檔位EDS進一步的限制因素，這也最起碼加強了2速EDS的合理性。

開  發(fā)

開發(fā)過程中面臨著一系列挑戰(zhàn)。硬件組件的選擇就比傳統(tǒng)變速箱具有更多的種類。就電機而 言, 電機需要有好的發(fā)展并且許多開發(fā)目標需要加以考慮。例如，繞組的技術需要從技術角度并且同時從生產角度去分析。并非每個供應商都有生產發(fā)卡的技術。通過定義系統(tǒng)軟件，與車輛制造商一起定義功能和責任也很有必要。運用該軟件，尤其是對于混合動力控制系統(tǒng)，需要考慮幾種不同的駕駛模式。必須調整和優(yōu)化從一種模式到另一種模式的所有切換以滿足客戶， 同時也要開發(fā)和標定新的功能，如動力輔助和航行。

就拿航行模式來說，這是必須掌握的新挑戰(zhàn)。從普通駕駛模式進入航行模式并不是一個大問題，但是如果駕駛員希望再次加速，則變得困難。一方面，響應時間必須最小化，另一方面， 駕駛員在發(fā)動機速度增加期間不應感覺到失速并且離合器接合也必須非常流暢。這就需要在軟件優(yōu)化和標定工作上付出巨大努力。特別是需要開發(fā)，模擬和校準低級軟件功能和適應策略以支持高級功能。

圖 5 顯示了開發(fā)概況。從硬件組件篩選開始，然后在開始第一次模擬之前進入硬件和軟件進行系統(tǒng)開發(fā)。仿真結果可作為軟硬件開發(fā)和優(yōu)化的進一步輸入。完成此循環(huán)后，便可啟動硬件樣機的制作。


圖5：開發(fā)概覽

與傳統(tǒng)變速箱相比，電氣化水平不斷提高，傳動系統(tǒng)的整體效率也需要進一步優(yōu)化。但是性能和成本水平必須也要有很好地平衡。要克服這些挑戰(zhàn)，優(yōu)化發(fā)展戰(zhàn)略勢在必行。因此，我們正在開發(fā)基于模塊化策略，如圖6所示。


圖6: 模塊化開發(fā)方法

此模塊化開發(fā)策略的目標是為不同的變速箱類型（如DCT、DHT和EDS）開發(fā)變速箱系列。所有這些變速箱系列都必須盡可能多地使用組件庫中的組件。組件庫中包括電動電機、旋變、雙離合器模塊（DCM）、液壓控制模塊（HCM）、泵（電氣和機械）、駐車、過濾器、同步器、軸承等。好處是許多部件都已存在，不需要進一步的開發(fā)，從而降低了成本和時間。還有一個進一步降低成本和時間的因素就是所有部件已經過測試，不需要進一步的測試。測試時間和成本也可以顯著降低，從而使上市時間也顯著縮短。由于開發(fā)測試臺架的可用性更好，因此新開發(fā)組件的剩余開發(fā)測試更容易進行。

因為變速箱的種類異常增加，使得用這種模塊化的開發(fā)策略是非常必要的。如果沒有至少兩倍的組件，那么開發(fā)這種廣泛的變速箱將永遠不會有利。

測  試

如上文所述，由于總體驗證測試變得越來越復雜，許多不同的變體必須進行測試，因此必須通過使用通用部件，來盡可能減少組件開發(fā)的測試工作。因此，定制的載荷譜是盡可能少地進行測試的合適解決方案。

共享汽車等車輛的新要求也影響了測試周期。小型車比以前使用得更頻繁，同時由于是完全不同的駕駛員駕駛，他們對車輛的關心程度不如“私人”客戶。

總體目標是開發(fā) “理想設計”，并通過適當的耐久測試來測試該設計。如果客戶使用情況完全明確，那么很容易開發(fā)出合適的設計。通常有很多都不清晰，為了消除這類情況，解決方法是道路載荷數據的測量和評估（參見圖7）。

在道路載荷數據處理過程中，特定道路上的駕駛情況與可比較的車輛與可選擇的駕駛員一起進行測試。這些測量是混合數據和構建“最關鍵”驅動程序的基礎，通常覆蓋所有驅動程序的9x%。我們可以對定制的測試周期進行編程和測試。


圖7：載荷譜開發(fā)

圖8展示了載荷譜開發(fā)的一個案例。在這個案例中，目標里程是300000公里，重點是離合器能量。道路條件分為城市、公路、農村、山區(qū)和極端條件。每個條件有3種不同的能量等級。在下一個步驟中，將定義“N”個典型的駕駛員，每個駕駛員將結合5種路況和3個不同部分的能量等級的特征，總數為N x 35 = N x 243。為了確?？紤]到所有可能的駕駛員類型，我們采用等概率隨機生成N（上百萬）個不同的駕駛員。結果得出一個統(tǒng)計曲線，顯示了所有可能的駕駛員組合和使用壽命期間的離合器能量。為了找到合適的設計和測試方法，將使用9x%的方 法。否則將會屬于過度設計（參見圖8）。

過去我們多次采用這種方法，都取得了很好的效果。此方案支持設計和測試。例如，關于離合器能量而言，可以看出過去的標準設計與配備渦輪增壓發(fā)動機的車輛（SUV）的重量增加和導致更多停車和行駛的嚴重交通擁擠。在過去的幾年里，離合器上的總傳遞能量顯著增加。


圖8 : 道路譜開發(fā)——案例

除載荷譜外，新能源開發(fā)和測試需求的增加對測試設施的要求也在迅速增加。典型的驅動因 素，如上市時間、效率、成本和不同應用的數量，結合高性能、不斷提高的質量要求、高技術產品等，都對高性能測試臺有需求，如圖9所示。這些臺架必須配備大量的額外設備，如環(huán)境倉、電流測量系統(tǒng)、電池模擬器、遙測等。


圖9：驗證設備

如今，通常需要高達18000rpm的臺架，這需要一個高速電機之外還需要一個驅動系統(tǒng)，以便在所有條件下一所需的速度和所需的功率運行該電機。

隨著新開發(fā)電機的性能，電池模擬器所需的功率也在增長。因此，我們的方法是并行組合系統(tǒng)，此解決方案也已成功運行。

總  結

以上幾頁討論了新能源傳動系統(tǒng)開發(fā)的幾種解決方案。市場的挑戰(zhàn)是在減少空間、重量和成本以及提高功能、性能和經濟性要求之間進行權衡。

吉泰德國及其在中國的子公司（吉泰車輛技術（蘇州）有限公司）制定了許多措施和方案來應對這些挑戰(zhàn)，且這些方案也已成功應用。如圖10所示，中國的速度加上德國的質量是基礎，圍繞著這一點，兩國的優(yōu)勢相互補充，亞琛技術中心和全球合作正在支持中國的本土化發(fā)展。結合模塊化開發(fā)戰(zhàn)略、定制化、自主開發(fā)的DVP和中國的本土化測試能力，保證了吉泰在中國本土市場發(fā)展的成功。


圖10：新能源傳動系產品開發(fā)的解決方案



作者：Dipl.-Ing. Dipl. Wirt.-Ing. Joachim Trumpff
工程與測試總監(jiān) GETEC Getriebe Technik GmbH, Germany