1同軸電橋概述

同軸電橋，因其結(jié)構(gòu)緊湊、輕量化、高功率密度、高扭矩密度等諸多優(yōu)點(diǎn)而被主機(jī)廠青睞。同軸電橋的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)一般需要行星排加持，原因可能是由于行星排的各要素是同軸傳動(dòng)的，并且根據(jù)目前單級(jí)減速器的速比匹配，一般要達(dá)到9~13，要在有限的空間內(nèi)既要同軸又要實(shí)現(xiàn)如此高的減速比，行星齒輪機(jī)構(gòu)就成為較好的選擇方案。

我國(guó)變速箱行業(yè)起步較晚，尤其是AT變速箱，更是比國(guó)外落后了不止一代。由此AT中核心傳動(dòng)部件——行星排的設(shè)計(jì)、加工、質(zhì)量把控等全流程，國(guó)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)都不是多成熟——沒(méi)有獲得充分的成長(zhǎng)空間。同軸電橋的開(kāi)發(fā)也呈現(xiàn)這種狀況，目前見(jiàn)諸于市并被各公眾號(hào)自媒體報(bào)道的大多都是國(guó)外的產(chǎn)品。

2同軸電橋傳動(dòng)技術(shù)分析

2.1雪佛蘭BOLT EV

說(shuō)起同軸電橋，通用雪佛蘭的Spark EV和Bolt EV當(dāng)首先被提及，通用早在2012年就推出了Spark EV，并于2016年推出了Bolt EV

圖1 A00級(jí)Spark EV以及A0級(jí)Bolt EV

兩車的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)下表

表1 Spark EV和Bolt EV性能參數(shù)

表1中的參數(shù)現(xiàn)在看來(lái)并不亮眼，但是要知道那可是2012年，10年前通用雪佛蘭就已經(jīng)成功推出類似于今天五菱Mini純電動(dòng)的車型，多么的超前！

Bolt EV的電橋采用同軸設(shè)計(jì)，動(dòng)力經(jīng)兩級(jí)減速后傳遞至差殼，并經(jīng)半軸輸出驅(qū)動(dòng)車輪。

圖2 雪佛蘭Bolt驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

圖3 Bolt EV電橋剖面圖

圖3中兩級(jí)減速的齒輪軸上使用的都是深溝球軸承，未使用錐軸承，可能出于提高效率的考慮，但是由此帶來(lái)的問(wèn)題是當(dāng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸承要承受較大的軸向力；此外由于半軸要從電機(jī)軸中穿過(guò)，第一級(jí)輸入齒輪不得不做的很大，這樣就不容易匹配出總速比為12（單級(jí)減速器常規(guī)速比要求）左右的減速齒輪，表1中Blot EV減速比做到7.05，勉強(qiáng)可以，而Spark EV減速比卻只有3.87，盡管電機(jī)的峰值扭矩不小，但是輸出扭矩卻大打折扣。Bolt EV為了提高減速比將兩個(gè)被動(dòng)齒輪做的特別大，導(dǎo)致的結(jié)果是占用的空間并不比非同軸的減速器小多少。

圖4 Bolt EV電橋

在今天看來(lái)，Bolt EV的性能參數(shù)早已掉出第一梯隊(duì)，但是作為當(dāng)今一眾電驅(qū)動(dòng)橋的“前輩”，它理當(dāng)被我們所記憶。

2.2加特克

日本加特克在2019年上海車展上提出了他們應(yīng)對(duì)汽車電氣化的解決方案，并推出了一款同軸電橋。電機(jī)的最大扭矩為155Nm，峰值功率100kW，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到20000rpm，應(yīng)該說(shuō)在2019年的時(shí)候，20000rpm已經(jīng)很高。 

圖5 加特克同軸電橋

減速器基于行星齒輪機(jī)構(gòu)打造，由上圖可見(jiàn)，行星排為NW型。該款電橋的減速比達(dá)到了16.5，圖片中未顯示全部輪系，但是根據(jù)其高達(dá)16.5的速比，合理推斷該款加特克的同軸電橋?yàn)閮杉?jí)行星排減速+差速器，且第二級(jí)行星排和差速器共用行星架，可能的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7所示

圖6 加特克同軸電橋性能參數(shù)

圖7 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

杠桿圖如下

圖8 兩級(jí)減速行星排模擬杠桿圖

根據(jù)杠桿圖，加特克的同軸電橋速比為：

i=（1+i1）*（1+i2）

上式表明，16.5的速比由i1和i2共同分配，如果由單一行星排來(lái)獲得16.5的減速比還是很困難的，兩級(jí)的話就比較合理。

2.3

GKN同軸電橋

GKN同軸電橋的發(fā)展很好地詮釋了產(chǎn)品的迭代過(guò)程，從中也能窺見(jiàn)一個(gè)零部件企業(yè)對(duì)產(chǎn)品不斷追求不斷打磨的精益求精的精神。GKN同軸電橋經(jīng)過(guò)了三代的發(fā)展，第一代于2016年公布，搭載于沃爾沃 XC90 T8 插電混動(dòng)車型的后軸上，助力沃爾沃實(shí)現(xiàn)了P4混動(dòng)。

圖9 GKN同軸電橋——Volvo XC90

該箱減速器的設(shè)計(jì)理念同Bolt EV類似，單級(jí)減速器，速比達(dá)到10，沒(méi)有復(fù)雜的換檔裝置。電機(jī)動(dòng)力經(jīng)過(guò)一個(gè)偏置布置的二級(jí)減速器后回到和電機(jī)同軸布置的差速器上。通過(guò)這種減速齒輪偏置的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)左右輸出半軸和電機(jī)輸入軸同軸，從而降低了電橋?qū)Π惭b空間的需求。

圖10  第一代電橋剖面圖

圖9、圖10所示為GKN第一代電橋，配備的電機(jī)最高轉(zhuǎn)速只有13000rpm，這個(gè)轉(zhuǎn)速在2016年份基本上已經(jīng)是極限了，盡管和現(xiàn)在動(dòng)輒20000rpm的轉(zhuǎn)速?zèng)]法比。較低的電機(jī)轉(zhuǎn)速帶來(lái)的弊端是車速不高，電機(jī)允許的最高車速只有170kph，而沃爾沃 XC90 T8 最高車速是230kph，所以當(dāng)車速超過(guò)一定限制時(shí)電橋必須斷開(kāi)，這就是為什么圖10中吉?jiǎng)P恩配備EDD(Electronic Disconnect Differential)的原因。

GKN第二代電橋在第一代基礎(chǔ)上，去掉了差速器和EDD，取而代之的是兩個(gè)多片濕式離合器。

圖11 第二代電橋——eTwinster

其三：

圖12 eTwinster剖視圖

兩個(gè)多片濕式離合器，實(shí)現(xiàn)了扭矩矢量分配，它們屬于輪間差速器的范疇，根據(jù)活塞對(duì)摩擦片對(duì)偶片的壓緊程度來(lái)控制不同扭矩的分配，同時(shí)當(dāng)車速達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)速上限時(shí)打開(kāi)離合器，電機(jī)與車輪分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)第一代產(chǎn)品EDD的功能。

第二代產(chǎn)品應(yīng)該說(shuō)已經(jīng)很完美——同軸驅(qū)動(dòng)、四驅(qū)、扭矩矢量分配等等標(biāo)簽，但是單擋減速器始終對(duì)電機(jī)的性能要求比較高，為了解決該問(wèn)題，第三代產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。

圖13 GKN第三代電橋——eTwinsterX

根據(jù)GKN的解釋，“X”代表二擋箱。其剖視圖如下

圖14 eTwinsterX剖視圖

eTwinsterX的行星排采用的是WW構(gòu)型，雖然吉?jiǎng)P恩的兩檔實(shí)現(xiàn)方式結(jié)構(gòu)新穎、緊湊，但是該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)也是明顯的，其中主要的問(wèn)題是復(fù)雜，加工裝配困難。具體分析見(jiàn)《基于行星齒輪機(jī)構(gòu)的兩擋電橋傳動(dòng)方案分析》。

2.4

單級(jí)行星排減速+差速器方案

圖15 舍弗勒單級(jí)行星排減速+輕量化差速器方案

一級(jí)減速和差速器組合的方案，就同軸電橋而言，總結(jié)目前市場(chǎng)上已有的產(chǎn)品至少有四家在做。該類產(chǎn)品的關(guān)鍵是如何通過(guò)一級(jí)減速即達(dá)到10以上的速比，只有減速比達(dá)到這樣的量級(jí)，才能更好地發(fā)揮電機(jī)的性能。僅通過(guò)一級(jí)減速達(dá)到目標(biāo)速比，這樣才能達(dá)到減少零部件，增大扭矩密度、功率密度的目的。

圖15所示為舍弗勒AKA320同軸電橋，這是一個(gè)非常巧妙而且大膽的設(shè)計(jì)，采用NW行星排實(shí)現(xiàn)9左右的減速比，勉強(qiáng)能夠滿足要求，采用無(wú)齒圈的拉維納行星排實(shí)現(xiàn)差速器的功能，兩行星排共用行星架，具體參見(jiàn)《舍弗勒同軸電橋傳動(dòng)原理分析》。

一級(jí)減速和傳統(tǒng)開(kāi)式差速器組合的方案有美橋、麥格納、一汽紅旗等。美橋的產(chǎn)品搭載于捷豹路虎I-pace ，麥格納的產(chǎn)品是否搭車暫時(shí)未知，一汽紅旗樣件已經(jīng)試制成功，見(jiàn)圖16、17、18

圖16 美橋減速器行星排

圖17 麥格納同軸電橋

圖18 一汽紅旗減速器剖面圖

上述三家產(chǎn)品方案一樣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下

圖19 單級(jí)減速行星排和開(kāi)式差速器組合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

舍弗勒、美橋、麥格納、紅旗等電橋減速器，無(wú)一例外地使用了NW行星排作為減速機(jī)構(gòu)，原因是要達(dá)到10以上的減速比，而且是單級(jí)減速，只有NW行星排可以達(dá)到且具有工程使用的意義。其他行星排，如NGW，雖然簡(jiǎn)單可靠，但是一級(jí)速比達(dá)不到10以上，NN行星排雖然速比能達(dá)到，但是不適合乘用車減速器使用，因而各企業(yè)不約而同地使用了NW行星排構(gòu)型，關(guān)于NW行星排的詳細(xì)分析參考《舍弗勒同軸電橋傳動(dòng)原理分析》。

2.5保時(shí)捷Taycan前橋減速器

Taycan前橋減速器重量約16kg，由兩個(gè)簡(jiǎn)單行星排組合在一起作為減速機(jī)構(gòu)，速比為8.05。差速器同樣為行星排結(jié)構(gòu)，和奧迪e-tron一樣是一個(gè)無(wú)齒圈的拉維納行星排，第二級(jí)和第三級(jí)行星排共用行星架，見(jiàn)圖20

圖20 Taycan前橋減速器

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖21

圖21 前橋減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

為便于計(jì)算速比，除第三級(jí)差速器行星排外，其余兩級(jí)合并后的模擬杠桿圖如圖22所示，差速器的模擬杠桿圖如圖23

圖22 前橋減速器行星排模擬杠桿圖

圖23 差速器模擬杠桿圖

根據(jù)圖22，其減速比為

前橋減速比是8.05，根據(jù)上述計(jì)算公式以及NGW行星排的特點(diǎn)，其實(shí)保時(shí)捷開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)完全可以將該速比設(shè)計(jì)的更大一些，兩級(jí)NGW也還有速比增大的空間。對(duì)于單級(jí)減速的同軸電橋來(lái)說(shuō)，8.05的速比顯然是不能夠充分發(fā)揮電機(jī)的性能的。為什么沒(méi)有將速比調(diào)成更大呢？原因在于保時(shí)捷Taycan還有后橋電驅(qū)，而后橋電驅(qū)的一擋速比高達(dá)16，足以支撐Taycan的彈射起步。關(guān)于Taycan后橋減速器的詳細(xì)分析參考《Taycan&e-tron電驅(qū)傳動(dòng)技術(shù)分析》。

2.6FEV

FEV在2019年公布了一款結(jié)構(gòu)緊湊的同軸電橋，電機(jī)、電控、減速器高度集成，典型的三合一產(chǎn)品。采用同軸的構(gòu)型，F(xiàn)EV官宣的說(shuō)法是為了較低的總高度以及更好的NVH。

圖24  FEV同軸電橋

該箱最大軸端扭矩為3500 Nm，0至100km/h 加速時(shí)間<6 s，最高車速200kph，電機(jī)峰值功率 230kW，持續(xù)功率100kW，在坡度3%時(shí)巡航速度可達(dá)180公里/小時(shí)，具備駐車鎖和空檔功能。

FEV同軸電橋核心部件為一套WW行星排，行星架PC連接TM電機(jī)作為輸入軸，S1被一個(gè)多模離合器B1連接到殼體上，實(shí)現(xiàn)鎖止或釋放，鎖止時(shí)S1為整個(gè)行星排提供支點(diǎn)，釋放時(shí)為空擋，S2連接到差速器殼體，為動(dòng)力輸出，行星排外形見(jiàn)下圖。

圖25 WW行星排

圖26為其剖面圖，顯示了內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖26 FEV同軸電橋剖視圖

根據(jù)圖26繪制杠桿圖如下

圖27 模擬杠桿圖

其中k為行星排特性參數(shù)，k=(ZP1/ZS1)*(ZS2/ZP2)-1，由圖27顯見(jiàn)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速比為(k+1)/k，這個(gè)減速比還是比較小的，不利于電機(jī)性能的發(fā)揮。基于較小的速比，筆者猜測(cè)其作為P4電橋使用，和其他動(dòng)力源(電機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī))共同驅(qū)動(dòng)車輛。

3發(fā)展趨勢(shì)展望

目前隨著我國(guó)碳中和、碳達(dá)峰的時(shí)間表和路線圖的確定，國(guó)家頂層設(shè)計(jì)層面明確了燃油車禁售政策，出臺(tái)了雙積分管理辦法。相對(duì)傳統(tǒng)燃油車，新能源車型在排放上具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，從而使得其呈現(xiàn)井噴式的發(fā)展，也帶動(dòng)了包括同軸電橋在內(nèi)的電驅(qū)動(dòng)橋的需求增長(zhǎng)。

總體上同軸電橋的發(fā)展趨勢(shì)為高效率、高轉(zhuǎn)速、高功率密度、高扭矩密度、高NVH性能，輕量化、低成本，集成化。具體到傳動(dòng)系統(tǒng)，也就是電橋減速器，其發(fā)展趨勢(shì)個(gè)人認(rèn)為應(yīng)該包括如下幾個(gè)方面：

1）高效率、高功率密度

 a、電機(jī)高速化后，需對(duì)油封和軸承進(jìn)行專門的開(kāi)發(fā)，一方面新開(kāi)發(fā)的油封和軸承要適應(yīng)高轉(zhuǎn)速的電機(jī)軸，另一方面要采用低摩擦的設(shè)計(jì)，從而減小因摩擦引起的功率損失；

b、對(duì)齒輪和軸承的潤(rùn)滑進(jìn)行定點(diǎn)強(qiáng)制噴淋，目的是降低油液面，從而減少齒輪的攪油損失；

c、減速器采用兩擋或多擋(一般電驅(qū)橋兩擋減速器已經(jīng)足夠)，拓寬電機(jī)的高效率運(yùn)行區(qū)間，或者采用多電機(jī)(一般也是兩個(gè)電機(jī))，其作用和兩擋減速器一樣也是為了優(yōu)化電機(jī)的效率。高速和低速時(shí)分別用不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而使得電機(jī)始終工作在高效區(qū)間。

2）輕量化、小體積、低成本、高扭矩密度

對(duì)箱體、齒軸采用新材料、新工藝，通過(guò)CAE模擬仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小體積、減少使用材料，從而降低殼體齒軸的重量，降低成本，提高扭矩密度；采用新的設(shè)計(jì)方案，比如舍弗勒的輕量化差速器、奧迪e-tron后驅(qū)的電子差速器、吉?jiǎng)P恩eTwinsterX扭矩矢量控制差速器；

3）高NVH性能

a、電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，齒輪嚙合頻率自燃也隨之提高，在保證速比前提下，需要對(duì)齒數(shù)、齒軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以便提高傳動(dòng)系統(tǒng)剛度，避開(kāi)與電驅(qū)總成的固有頻率耦合，避免產(chǎn)生共振；

b、優(yōu)化齒輪宏觀參數(shù)，采用多齒、小模數(shù)、細(xì)高齒設(shè)計(jì)，增大重合度，增強(qiáng)傳動(dòng)的平穩(wěn)性，此外微觀修形上要盡可能做到全工況覆蓋，減小TE，降低嚙合激勵(lì)引起的齒輪嘯叫；

c、提高齒輪配合精度，除預(yù)留必要的潤(rùn)滑和中和熱變形的空間外，盡量減小傳動(dòng)系統(tǒng)的配合間隙，以消除rattle；