采埃孚EVSys800电驱传动原理分析
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更新时间: 2024/07/18

一、

概述

2023年6月底,采埃孚在技术日中展示了其纯电动概念车EVbeat,该车搭载的即为EVSys800电驱动系统,其参数很耀眼:峰值功率275kW,持续功率206 kW,持续功率占比约75%。最大轮边输出扭矩为5200Nm,系统重量74 kg。峰值功率密度3.72 kW /kg,峰值扭矩密度70.27Nm/kg。


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图1 采埃孚EVbeat概念车


采埃孚计划在2026年将该系统量产,目前正在进行样件制作。


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图2 EVSys800传动系统齿圈-太阳轮样件


EVSys800传动系统采用同轴输出,巧妙的使用两个NGW行星排径向叠加,实现了既差速又减速的功能。该系统无差速器,这无疑对减轻重量、提高扭矩/功率密度极度友好。不过任何结构有它的有点,同样,其缺点也是不可避免的,本文分析采埃孚EVSys800传动系统工作原理,讨论其优劣势。

二、

传动原理分析

1、扭矩特性

EVSys800电驱总成的概念箱件图3


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图3  EVSys800电驱总成


上图中,传动系统为两个径向叠加在一起的NGW行星排,没有差速器,显然这种结构会极大的缩短轴向尺寸,减轻重量。得益于该种设计,所以EVSys800的峰值功率密度和峰值扭矩密度都领先于当前的主流水平。

EVSys800传动系统的结构简图如下:


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图4  EVSys800电驱传动系统结构简图


分析图4,画出其杠杆图如下

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图5  行星排传动系统杠杆图


根据差速器原理,在图5中,当且仅当TLoad1= TLoad2时,方可作为差速器使用,基于该原则,推导图5满足的公式。在行星排1中,对R1取矩,有TE*(1+i1)=TLoad1*1所以TLoad1=(1+i1)* T            (1)同理对PC1取矩,有TE*i1=TR1*1所以TR1=i1* T                    (2)在行星排2中,对PC2取矩,有TS2*i2=TLoad2*1则

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TR1和TS2必然大小相等,方向相反,否则杠杆无法平衡,所以

图片(4)


联立(1)、(4),得到1+i1=i1*i2                    (5)方程(5)是进行行星排配齿时必须满足的公式,下文将通过实例进行验证。2、速比计算2.1、直行工况在进行行星排设计时,齿轮配齿不仅要满足方程(5),还要考虑其速比,下面推导EVSys800传动系统的速比计算公式。如图6,设AB=x,则,BC=1-x


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图6  行星排各元件转速示意杠杆图


显然,其减速比为


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在行星排1中


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在行星排2中


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当车辆直行时(不差速工况),nPC1=nR2,即


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所以


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于是

图片(6)


上式即为EVSys800的速比计算公式。

2.2、差速工况

根据差速器原理,差速时车轮一侧降低的转速和另一端增加的转速相等,设右侧车轮转速降低为Δn,另一侧车轮增加的转速为nx,我们来证明EVSys800的传动系统满足:Δn=nx。如图7所示


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图7  差速工况杠杆姿态


上图中,粉色虚线为直行时工况,此时左右两轮转速相等,为书写方便,将此时的转速设为n,即

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黑色虚线为差速时工况,右侧车轮降低后的转速为n-Δn,左侧车轮增加后的转速为n+nx,设DE=a,则EF=1-a,则

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所以


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而EF=1-a,即

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于是

图片(7)


此外

图片(8)


联立(7)、(8),并注意到,nR1=nS2,所以有


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将a代入上式并化简得到

图片(9)


根据公式(6),nS1/nPC1=i,即


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根据公式(5),1+i1=i1*i2,所以

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代入公式(9),得Δn=nx至此得到我们想要证明的结果。上述证明过程中同样用到了公式(5),说明了公式(5)是该种结构得以作为差速器使用必须满足的条件。

三、

实例验证

为验证本文推导公式的正确性,下面根据公式(5)和公式(6)进行配齿,并在相关软件中搭建模型,并给定工况进行功能性验证。

行星排宏观参数如表1


表1 行星排宏观参数

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上表仅为验证功能性进行的配齿,不具有实际工程意义。

任意给出工况,例如,输入轴转速为4500rpm,扭矩为120Nm,则将表1给定参数代入公式(6)计算其速比为

i=1+i1+i1*i2=1+98/28+(98/28)*(135/105)=9根据公式(1)计算右侧车轮扭矩为TLoad1=(1+i1)*TE=(1+98/28)*120Nm=540Nm根据公式(4)计算左侧车轮扭矩为TLoad2=i1*i2*TE=(98/28)*(135/105)*120Nm=540Nm再来计算转速:车辆直行,按照给定的工况,当输入转速为4500rpm时,不考虑路面不平、摩擦、胎压不一致等情况,理论上两端输出转速相等,都为:n=4500/9=500rpm车辆差速,假设车辆右拐,Δn=10rpm,根据上一节的证明过程及结论,则右侧车轮转速为:

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左侧车轮转速为:

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上述计算结果充分表明,EVSys800传动系统满足差速器的功能,即“差速不差扭”。

以上是根据文中推导公式计算的结果,下面进行模拟验证。根据表1参数建立仿真模型并绘制3D数模如图8


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图8 仿真模型及3D数模结构简图


按照计算时使用的工况,输入软件,如图9、10直行工况:


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图9 直行工况及计算结果


差速工况:


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图10 差速工况及计算结果


理论计算结果和图9、10一致。

四、

总结

采埃孚同轴电驱传动系统的创新,他们对于行星排的深刻理解,都是我们学习的榜样。具体到EVSys800,由于采用了径向叠加行星排,轴向尺寸可以显著缩短,由于革新了传统开式差速器,减重上也非常可观,这就减小了空间尺寸,增加了功率密度、扭矩密度,这是它无可置疑的优点。但,它的劣势也是明显的,首先,因其差减一体,也就是说差速功能一直参与减速功能,这势必带来齿轮的啮合损失,效率降低。我们知道,传统差速器,在直行时,理论上差速器的太阳轮和行星轮不参与啮合,而EVSys800的两套NGW行星排一直在啮合,无论其直行还是转弯;其次,两套NGW行星排的配齿要满足公式(5),同时要考虑速比,也就是要具有实际工程意义,要使得公式(6)达到10左右,这个配齿是不便于实现的。可以参看图3和图8,图3是采埃孚的设计渲染图,图8是本文配齿的3D模型,可见第二排的行星轮较小,这就是结构上的限制,要满足公式(5)又要使公式(6)有意义,导致第二排行星轮受限,行星轮内部的滚针轴承和销轴的选择都不能那么的随意,而且强度也是必须要考虑的,所以EVSys800的第二排用了5个甚至6个行星轮;再次,第一排的齿圈和第二排的太阳轮一体,参看图2实物,这种结构对于加工提出了新的挑战,如何解决热后变形及由此带来的可能的NVH问题?固然可以通过加厚轮缘来抵抗变形,但这样,该结构的减重优势将大打折扣,从而其功率密度、扭矩密度的领先程度也将不再凸显。


注:文章中引用数据和图片来源网络