摘要：本文介紹了一種用于混合動力汽車和電動汽車的創(chuàng)新的電動主動差速器，該產(chǎn)品已經(jīng)過臺架測試，并安裝到某項(xiàng)目中的純電動汽車上測試。
根據(jù) FZG 的原理的電差速器不僅能實(shí)現(xiàn)純電動驅(qū)動，也使主動橫向轉(zhuǎn)矩分配成為可能。
開發(fā)電驅(qū)動差速器的目的在于優(yōu)化電力驅(qū)動系統(tǒng)，包括使效率達(dá)到最高，以及設(shè)計(jì)的產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)和電驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配的功能性驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：輕量化差速器，電動主動差速器，電動汽車
1、前言
由于全球變暖以及化石燃料的缺乏，電動汽車驅(qū)動裝置的開發(fā)成為新能源汽車研究的領(lǐng)跑者。
聯(lián)邦德國政府希望在未來的十年內(nèi)本國成為電動汽車領(lǐng)域的市場領(lǐng)先者。
即使沒有電動車，我們汽車保有量在持續(xù)增加，也導(dǎo)致交通密度不斷升高。
因此為了降低事故率，歐盟發(fā)起 eSafety 運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)一個大膽的目標(biāo)：即把2010 年未來十年的道路交通死亡率降低一半-但僅僅通過改善道路條件是不可能實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)的。
車輛傳動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)必須更加智能化從而可以主動修正駕駛者所犯的錯誤，有別于已經(jīng)有或正在開發(fā)中的一些駕駛輔助系統(tǒng)。
本文提出的用于在純電動驅(qū)動系統(tǒng)的裝置是一個全新的發(fā)明。
舍弗勒在早期開發(fā)正齒輪差速器的時(shí)候，就已經(jīng)激發(fā)了將速差控制電機(jī)同軸的安裝到差速器上的靈感。
最初的設(shè)計(jì)表明這是一種非常緊湊的傳動系統(tǒng)。如果差速器能把集成式的減速器和輔助電機(jī)組合到一起實(shí)現(xiàn)車輛之間的橫向轉(zhuǎn)矩高校分配，駕駛的操控性、舒適性、安全性將得到顯著提升。
舍弗勒在Herzogenaurach的前期開發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了這種被稱為主動電差速器的系統(tǒng)的原型，并且在臺架上進(jìn)行了深入的測試和研究。
然后該團(tuán)隊(duì)將兩個主動電差速器系統(tǒng)安裝在一輛的AWD電動汽車上，進(jìn)一步驗(yàn)證電驅(qū)動轉(zhuǎn)矩定向分配系統(tǒng)在汽車前橋、后橋以及共作用模式下的優(yōu)點(diǎn)和局限性。
2、舍弗勒輕量化差速器
傳統(tǒng)的差速器有平衡兩輪間的不同轉(zhuǎn)速的功能，比如在車輛轉(zhuǎn)彎的時(shí)候。汽車教學(xué)儀器
在這種情況下軌跡半徑大的車輪旋轉(zhuǎn)速度要快于軌跡半徑小的車輪。但轉(zhuǎn)矩的分配比率是固定的 50：50%。
舍弗勒應(yīng)用行星齒輪技術(shù)開發(fā)出優(yōu)化體積和重量的正齒輪差速器，我們稱之為量輕化差速器（圖 1）。
該差速器有對稱齒輪、非對稱齒輪兩種不同型號，見圖 1 中的（a）和(B)。
（a）型差速器有 2 組行星齒輪副，每組行星齒輪副有 3 個行星輪，因此有 3 對行星輪。在左右兩邊，同一個行星齒輪副的 3 個行星齒輪對其對應(yīng)的太陽輪嚙合；而在中間區(qū)域上屬于不同行星副的 3 對行星輪相互嚙合。這種設(shè)計(jì)要在兩個太陽齒輪中間留有間隙。
（B）型差速器的設(shè)計(jì)初衷是為了最大化利用（a）型號差速器兩個太陽齒輪之間的橫向空間，進(jìn)一步的減少差速器的體積和重量。
該設(shè)計(jì)把行星齒輪嚙合平面移動到行星輪與太陽輪之間的嚙合平面。采取舍弗勒輕化差速器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的錐型齒輪差速器可以為中級車的后橋減輕30%以上的重量和幾乎70%的橫軸空間。
圖1：舍弗勒量輕化差速器(a、對稱太陽齒輪和行星齒輪；B、非對稱齒輪）汽車教學(xué)設(shè)備廠家
3、主動差速系統(tǒng)
與前述傳統(tǒng)的差速器不同，所謂的主動差速器不僅平衡兩輪的轉(zhuǎn)速差，而且可以把驅(qū)動轉(zhuǎn)矩獨(dú)立的分配到每個車輪。這就是轉(zhuǎn)矩定向分配技術(shù)。
由于車輪上不同的圓周力，在車輛豎直軸上會產(chǎn)生一個偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，該力矩直接影響駕駛的動力性和穩(wěn)定性。
與 ESP 系統(tǒng)不同，主動轉(zhuǎn)矩分配控制系統(tǒng)干預(yù)時(shí)并不會使車輛減速。具有轉(zhuǎn)矩定向分配功能的主動差速器安裝在后橋上，能產(chǎn)生與目前的 ESP 系統(tǒng)相同的效果，即防止車輛前輪轉(zhuǎn)向不足；并因此提高車輛安全性和動力性能, 見圖 2。
同軸的不同車輪受到不同的驅(qū)動/制動轉(zhuǎn)矩在車輛垂直軸線上產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。主動的橫向運(yùn)動可顯著提升車輛轉(zhuǎn)彎和變向過程中的動力性能。敏捷的駕駛表現(xiàn)不僅僅能提高駕駛的舒適度，還提升了駕駛安全性，比如在車輛做變道動作。
通過合理的車橋運(yùn)動設(shè)計(jì)，作用在轉(zhuǎn)向橋兩側(cè)車輪上的不同的驅(qū)動力將在轉(zhuǎn)向桿方向上產(chǎn)生一個偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。因而可通過設(shè)定橫向轉(zhuǎn)矩分配來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向鎖定或轉(zhuǎn)向助力。
更多的比如由于橫向風(fēng)和路面溝槽等因素造成的負(fù)面影響，可以通過動態(tài)的橫向轉(zhuǎn)矩分配控制來糾正，獲得更憂的駕駛感覺。新能源汽車教學(xué)設(shè)備
此外偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩可以實(shí)現(xiàn)一致的駕駛表現(xiàn)，例如對于一個給定的轉(zhuǎn)向角產(chǎn)生的轉(zhuǎn)彎半徑是一定的，和車的載荷、速度無關(guān)；這一點(diǎn)至少在原理上是可行的。
圖 2：主動橫向轉(zhuǎn)矩分配的優(yōu)點(diǎn)
輪邊轉(zhuǎn)矩的控制是通過控制車輪的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。根據(jù)預(yù)設(shè)的滑差率曲線，可使車輪之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩差。圖3 顯示了車輪轉(zhuǎn)速和驅(qū)動轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。
如圖 3，在最初的(a)狀態(tài)下，車輛直線行駛，兩個后輪都以同樣的速度和驅(qū)動轉(zhuǎn)矩行駛，兩個后輪上產(chǎn)生的滑動率相同。
我們假設(shè)現(xiàn)在左輪制動，由于整車驅(qū)動轉(zhuǎn)矩不變此時(shí)右輪的驅(qū)動起來非常困難。狀態(tài)B 顯示了左輪制動力矩和要求制動滑差之間的關(guān)系。然而，不論左后輪上的制動力矩是怎樣的，右輪上的驅(qū)動力矩必須增大到狀態(tài) C 的程度以保證總驅(qū)動力不變，圖 3 的滑動曲線顯示了右輪必須的工作點(diǎn)。
圖3：車輪滑動率和驅(qū)動轉(zhuǎn)矩關(guān)系
通過滑差率與驅(qū)動力曲線的關(guān)系，要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動軸上驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的定向分配則車輪速度必須發(fā)生變化；反之亦然。
因此，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩定向傳遞功能所需的差速轉(zhuǎn)矩，必須使一個車輪相對另一個車輪加速。第一個基于離合器的主動轉(zhuǎn)矩分配系統(tǒng)應(yīng)用于三菱藍(lán)瑟上，相似量產(chǎn)的還有應(yīng)用于寶馬 X6 和奧迪 S4的系統(tǒng)。
這些特殊設(shè)計(jì)的驅(qū)動單元具有附加傳動齒輪組和液壓控制盤式離合器或者機(jī)電控制盤式制動器，使得后橋的一個半橋加速，從產(chǎn)生差速度并主動的分配兩輪間的轉(zhuǎn)矩。（參照圖 3）
圖 4：液壓控制盤式離合器的主動差速器(1、錐型齒輪差速器，2、耦合傳動裝置，3、盤式離合器，4、驅(qū)動轉(zhuǎn)矩)
4 電動主動差速器
電動主動差速器是傳統(tǒng)的基于離合器帶有耦合傳動裝置的差速器的最佳替代者，該差速器通過連接到一個差速齒輪上的電動裝置直接控制轉(zhuǎn)速差。
目前，集成電動作動器裝置和機(jī)械轉(zhuǎn)矩分配機(jī)構(gòu)的一體化系統(tǒng)僅僅處于概念設(shè)計(jì)階段，實(shí)際硬件還沒有實(shí)現(xiàn)；更別提將該系統(tǒng)作為一種主動（差速）系統(tǒng)在例如緊急避讓等工況下進(jìn)行應(yīng)用的例子了。
這里我們用傳統(tǒng)簡單的錐齒輪差速器來描述主動差速器的功能，見圖 5。
如果差速器行星齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個電動裝置耦合，則這個裝置被差速器驅(qū)動。反過來，通過電動裝置發(fā)出一個轉(zhuǎn)速也可以在車輪之間齒輪(差速器上對應(yīng)半橋的太陽輪)上產(chǎn)生差速運(yùn)動。因?yàn)橥獠侩妱友b置產(chǎn)生的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩使得行星齒輪的平衡桿不平衡，所以差速器的轉(zhuǎn)矩分配也會變化。這意味著在車輪上實(shí)現(xiàn)任何理論上可能的輪邊轉(zhuǎn)矩和速度分配。
這種主動差速器的基本優(yōu)勢是不再需要任何多余的組件，因?yàn)檗D(zhuǎn)矩的分配是直接在差速器內(nèi)部完成的。當(dāng)兩側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速相同的時(shí)候電動裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)，只有在進(jìn)行主動分配轉(zhuǎn)矩時(shí)才提供轉(zhuǎn)矩。
但如圖5 所示設(shè)計(jì)的不足之處是電動裝置和差速器之間的轉(zhuǎn)矩傳遞比率較低（錐齒），另外電動裝置必須要隨著半軸旋轉(zhuǎn)。為了避免這些缺點(diǎn)而保留電差速器的優(yōu)勢，我們根據(jù) FZG 原則對差速器做了重要的改進(jìn)，下面介紹這種改良過的差速器，見圖 6。
圖 5：電差速器原理（1、錐齒輪差速器，2、傳動裝置，3、轉(zhuǎn)矩定向分配電機(jī)，4、驅(qū)動齒輪）
圖 6 中，控制功能關(guān)閉時(shí)正齒輪差速器（1）在平均地將轉(zhuǎn)矩分配到兩個驅(qū)動車輪。如圖 1b 所示，這個差速器是由兩個不對稱的太陽齒輪和三對相互嚙合行星輪組成的行星齒輪裝置。
差速器的行星齒輪分別與太陽輪嚙合，每個太陽齒輪又與一個車輪相連。這種形式的正齒輪差速器可以和外部行星齒輪裝置組合，這一點(diǎn)非常重要。正齒輪差速器中的三對行星齒輪理論上實(shí)現(xiàn)了錐齒輪差速器中軸間傳動錐齒輪同樣的功能。
根據(jù)圖 5 的原理，通過使正齒輪差速器的行星齒輪組產(chǎn)生相對運(yùn)動就可以在兩個車輪之間產(chǎn)生速度差；可通過由主動行星齒輪裝置（2）和耦合傳動裝置（3）的組成的傳動裝置完成的。
主動行星齒輪裝置（2）與差速器（1）共軸并且共用其中的同一個行星齒輪。如果差速器（2）中的太陽齒輪對于齒圈轉(zhuǎn)動，就迫使其行星齒輪以相對應(yīng)的速度轉(zhuǎn)動，這就是車輪上能產(chǎn)生速度差的原因。正齒輪差速器中內(nèi)側(cè)的行星齒輪的相對轉(zhuǎn)速相當(dāng)于圖 5 中錐齒輪差速器中行星齒輪的轉(zhuǎn)速。
圖 6：電動差速原理(1、正齒輪差速器，2、主動行星齒輪裝置，3、耦合傳動裝置，4、轉(zhuǎn)矩定向分配電機(jī)，5、驅(qū)動齒輪)
耦合傳動裝置可降低橫向力分配所需的輪邊轉(zhuǎn)矩，從而降低電機(jī)的定向轉(zhuǎn)矩。與原來 FZG 的概念不同的是耦合傳動裝置（3）的兩個同樣的行星齒輪裝置共用同一個軸。轉(zhuǎn)矩通過兩個獨(dú)立但相同的行星系輸出，其中一個（2）的齒圈的太陽輪相連，另一個（2）的外齒圈相連。
開發(fā)早期階段的仿真顯示，相比FZG 原來設(shè)計(jì)的通過兩個獨(dú)立的行星架輸出的方式，這種布置對于行星齒輪裝置的變形更不敏感。耦合傳動裝置的變形導(dǎo)致給轉(zhuǎn)矩定向分配單元傾向于自鎖。
耦合傳動裝置中（3）的一個太陽齒輪是固定在殼體上的，另一個太陽齒輪和控制電機(jī)相連。當(dāng)控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)，耦合傳動裝置使同（3）中的兩個外齒圈朝反方向轉(zhuǎn)動，在耦合齒輪（2）的太陽齒輪和外齒輪上產(chǎn)生相反的轉(zhuǎn)矩。
如果控制電機(jī)靜止不轉(zhuǎn)，在差速器行星齒輪上不能產(chǎn)生差速運(yùn)動。因?yàn)榇藭r(shí)耦合齒輪的太陽齒輪和齒圈運(yùn)動速度相同，當(dāng)然車輪的轉(zhuǎn)速也就相同。
如果耦合傳動機(jī)構(gòu)不轉(zhuǎn)動，就不會產(chǎn)生任何差速轉(zhuǎn)矩，車輪轉(zhuǎn)矩是一樣的（不計(jì)傳動損失），且控制電機(jī)不提供任何轉(zhuǎn)矩。
當(dāng)車輛行駛過彎時(shí)，控制電機(jī)也是被動的，不需要差速轉(zhuǎn)矩。
如圖 6，如果耦合傳動裝置關(guān)閉，該裝置會像傳統(tǒng)差速器一樣運(yùn)行，只是自鎖值略高。對于每個車輪都有一個驅(qū)動電機(jī)的系統(tǒng)來說，本文的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩分配的功能所需的電能要少很多。
車輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的總和并不由耦合傳動系統(tǒng)，即車輪間的轉(zhuǎn)矩差決定。因此，控制系統(tǒng)可以相當(dāng)?shù)暮唵巍?/span>
圖 7：舍弗勒主動電差速器的原理圖(1、正齒輪差速器（非對稱型），2、主動行星齒輪裝置，3、耦合傳動裝置，4、轉(zhuǎn)矩定向分配電機(jī)，5、行星減速器，6）主驅(qū)動電機(jī))
8：舍弗勒電動主動差速器設(shè)計(jì)圖
舍弗勒高級開發(fā)團(tuán)隊(duì)，將圖 6 所示的電動轉(zhuǎn)矩分配系統(tǒng)整合成為一個電驅(qū)動單元。這個電驅(qū)動單元是為一款全時(shí)四驅(qū)的中級車設(shè)計(jì)的（圖 7）。主動電差速器由以下兩個基本單元組成，“電差速器”和“主動轉(zhuǎn)矩分配系統(tǒng)”[2][3]。這兩個基本單元都與車的半軸同軸，而量輕化差速器是其連接裝置。
主動電差速器的最終設(shè)計(jì)如圖 8 所示，其主要技術(shù)參數(shù)列在表 1中。
5 舍弗勒電動汽車
在主動電差速器早期的開發(fā)階段，為了盡可能在實(shí)際工況下測試其性能，舍弗勒不僅僅要在臺架上面測試，還進(jìn)行了電動汽車的整車測試。
我們選擇了斯柯達(dá)明銳 Scout 的 1.8TSI AWD 版本作為測試電動汽車的平臺。全時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)為調(diào)查主動轉(zhuǎn)矩分配系統(tǒng)在前后橋的作用提供了最大的自由度。這意味著在相同的駕駛情況下可以對前驅(qū)，后驅(qū)，和四驅(qū)的狀況分別進(jìn)行測試。而且可以和沒有主動轉(zhuǎn)矩分配系統(tǒng)的原車進(jìn)行對比。
圖 9 所示為舍弗勒的電動汽車。主動電驅(qū)動差速器（1）按照圖 8 所示同時(shí)安裝到車輛的前橋和后橋上。主驅(qū)動電機(jī)和轉(zhuǎn)矩定向分配電機(jī)的電流由四個相同的逆變器（2）提供。其中的兩個逆變器布置在發(fā)動機(jī)艙，另外的兩個逆變器布置在原來放置備用輪胎的地方。
容量為 17.8kWh 的風(fēng)冷鋰離子電池（3）一部分布置于發(fā)動機(jī)傳動軸通道，一部分布置于原來油箱的位置。電池由 110 個 3.6V 45Ah 的電池單元組成，為高壓逆變器提供 400V 的電壓。
電動汽車上安裝有車載充電系統(tǒng)（4），其電插頭（5）既可以使用 220V充電也可以進(jìn)行快速充電。而且，車上在高壓電路與低 壓 電 路 以 及 AFT 提 供 的 原 型 車 輛 控 制 單 元ProTronic 之間還配備一個 DC/DC 逆變器（6）。舍弗勒電動汽車的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)總結(jié)在表 2 中。
圖 9：舍弗勒電動汽車(1、主動電差速器，2、DC/AC 逆變器，3、電池，4、電池充電器，5、充電插頭，6、DC/DC 變壓器，7、車輛控制單元 ProTronic.)
舍弗勒電動汽車于 2010 年十月正式開始整車測試，從截至目前為止的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺和道路測試中得到了如下的結(jié)果：
雖然電動汽車重量比原車多出了 350kg，但是電動樣車與原車具有同樣的駕駛舒適性和操控性。
轉(zhuǎn)矩定向分配電機(jī)不工作時(shí)，轉(zhuǎn)彎過程中未發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩定向分配系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量對車輛的動力性和噪聲方面帶來的負(fù)面影響。
具有創(chuàng)新意義的電驅(qū)動轉(zhuǎn)矩分配系統(tǒng)在汽車的前橋與后橋同樣工作正常。通過簡單的參數(shù)矩陣設(shè)定，轉(zhuǎn)矩差的分配可隨汽車轉(zhuǎn)向角度和車速度的變化而變化。下一步我們將實(shí)現(xiàn)完整的轉(zhuǎn)矩定向分配策略。
主動電差速器最大可以實(shí)現(xiàn) 2000Nm 轉(zhuǎn)矩差的分配，而物理上合理的極限值大約為 1500Nm。汽車教學(xué)設(shè)備
車后橋的轉(zhuǎn)矩定向分配系統(tǒng)的能夠穩(wěn)定車身，因此對汽車的行駛安全性有很大的幫助。車前橋的轉(zhuǎn)矩定向分配系統(tǒng)明顯的改善了車的操控性，使車輛的操控更加靈敏、舒適、充滿樂趣。
由于安裝了額外的高壓電池增加了車輛重量以及導(dǎo)致的質(zhì)量分配變化，車的底盤必須經(jīng)過改裝加固；減弱在主動轉(zhuǎn)矩分配的幫助下進(jìn)行極限駕駛時(shí)汽車底盤扭轉(zhuǎn)。
6 結(jié)論
舍弗勒的主動電驅(qū)動差速器系統(tǒng)是適合未來控制策略的優(yōu)化平臺。帶有智能橫向轉(zhuǎn)矩分配系統(tǒng)與正齒輪差速器相結(jié)合。當(dāng)在兩個車橋上都使用主動電驅(qū)動差速器時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)矩的縱向分配。
實(shí)現(xiàn)此傳動系統(tǒng)的進(jìn)一步目的是，未來將舍弗勒集團(tuán)和大陸集團(tuán)的技術(shù)進(jìn)行最佳整合的業(yè)務(wù)領(lǐng)域。在這一點(diǎn)上，可以參考大陸集團(tuán)和 TU Darmastadt 所貫徹的策略，如“Proreta”項(xiàng)目。作為此項(xiàng)目的一部分，在內(nèi)燃機(jī)車輛上分析和實(shí)現(xiàn)了自動制動和避讓操作系統(tǒng)。
主動電驅(qū)動差速器既可以應(yīng)用在純電動汽車上，也可以應(yīng)用在使用增程器的混合動力汽車上。另外，該傳動裝置也可以設(shè)計(jì)成不帶控制電機(jī)和耦合傳動裝置的傳統(tǒng)最終傳動系統(tǒng)而無需其它進(jìn)一步改動。