1 對未來汽車的要求

在汽車驅動部件開發(fā)和確定其技術規(guī)格時，環(huán)保性能是最重要的因素，因此諸如混合動力車(HEV)、電動車(EV)和燃料電池車(FCV)等各種不同車型均以電氣化作為發(fā)展趨勢，其中電驅動裝置可被設計成輪邊電機，在未來新一代汽車上此類驅動結構型式將被應用得越來越多。

日本精工株式會社(NSK)公司認為這種輪邊電驅動具有三大優(yōu)點：一是具有減輕整車質量的潛力，驅動電機直接與車輪相連接，能取消諸如變速器和萬向軸等動力傳動系的重要部件，以此可降低燃油耗，并且更環(huán)保。二是輪邊電機提高了汽車的主動行駛安全性，因為與內燃機汽車相比，其可單獨控制車輪，因而能夠獲得更為優(yōu)越的牽引力控制，而且與當今常規(guī)動力傳動系統(tǒng)相比，能有效縮短牽引力控制的反應時間。三是采用該動力驅動方案能節(jié)省更多的車廂內部空間，同時提高行駛舒適性，因為其有效減少了動力傳動部件的數目。

但是，該項技術至今仍未得以商業(yè)化，其中一個重要原因在于減小輪邊電機結構尺寸，不僅需具備較高的扭矩，而且還應達到足夠高的終端轉速。

2 電動車的換檔

當今的電動車大多數配備有固定傳動比的單個驅動級而非多檔變速器。單個驅動級的缺點是電動機的轉速-扭矩特性曲線無法完全達到汽車功率特性曲線場的要求，因此所選擇的電機的功率應設定得更高，以便覆蓋所有規(guī)定工況下的實際行駛功率范圍(圖1)，但是采用功率較高的電動機也就意味著整機質量更大，這不利于實現輕量化目標。

圖1 電動車的行駛功率

與簡單的兩級變速器不同，如果配備輪邊驅動，那么電機的轉速-扭矩特性曲線就能與整車的匹配效果更好，因此通常會選擇功率較小的小型電機，而無須在行駛功率方面采用折中方案。同時與帶有固定減速裝置的電驅動相比，驅動單元的質量能減輕達30%，此外期望的行駛功率所在的運行工況點主要位于低扭矩和低轉速范圍內，尤其適合新歐洲行駛循環(huán)(NEDC)和日本JC08試驗循環(huán)。在采用兩檔變速器的情況下還可減少電力消耗或者增加單次蓄電池充電后的汽車行駛里程。

3 輪邊驅動裝置的結構和工作原理

NSK公司根據該設想開發(fā)出了一種輪邊驅動裝置。該驅動單元由兩個緊湊的電機、1個自由輪離合器、1個兩檔變速器和帶有整體式變速級的車輪軸承組成(圖2)。開發(fā)的目標是：

(1)小型化,配備有兩個緊湊的電動機和1個兩檔變速器；

(2) 具有較高的扭矩和足夠高的終端轉速；

(3) 換檔過程中無較大沖擊。

圖2 輪邊電機結構

變速器由2個行星齒輪總成(單排和雙排小齒輪行星齒輪總成)組成，而單排小齒輪總成的內齒環(huán)與雙排小齒輪變速器的行星齒輪架結合在一起。具有2個支承軸承的自由輪離合器使變速器更為完整，其在換檔時可使單排小齒輪行星齒輪架調整轉動方向。車輪軸承配備了一個整體式減速器，可提高變速器的輸出扭矩。這種驅動裝置按照表1所列的技術規(guī)格開發(fā)，不僅達到了較高的扭矩，而且具有足夠高的終端轉速。

這種輪邊驅動裝置具有兩個前進檔和1個倒車檔。電動機A和B由電控單元控制，能同時或彼此相互獨立地調節(jié)2個電機(圖3)。在第一檔時電機A和B以相反方向旋轉，然后與自由輪離合器相結合，并使單排小齒輪行星齒輪架停止轉動。如果電機B的旋轉方向改變的話，那么自由輪離合器將脫開，變速器就從第一檔轉換到第二檔。

表1 輪邊電機技術規(guī)格

圖3 在第一檔和第二檔時的電動機旋轉方向

在第一檔時，電機A和B以扭矩調節(jié)模式進行運作。如果電機B的調節(jié)算法從扭矩調節(jié)轉換到速度調節(jié)的話，那么變速器就從第一檔轉換至第二檔，但是電機A的調節(jié)算法保持不變，而電機B的額定值則是電機A在第二檔時的轉速，這就意味著電機B將通過調節(jié)而趕上電機A。該變速器的結構型式無需液壓技術和機械式執(zhí)行機構，通過調節(jié)兩個電機的旋轉方向和轉速就能實現換檔，而且以該方式換檔較為平穩(wěn)，駕駛員和乘客都幾乎察覺不到換檔過程。該類變速器結構為提高緊湊性和減輕質量的驅動設計提供了前提條件。第一檔時較高的驅動扭矩在兩套行星齒輪總成之間進行功率分流，而在第二檔時又可達到足夠高的終端轉速。在倒檔時電機A和B同樣以相反的旋轉方向運作，但是旋轉方向的組合并不與第一檔時相對應，而是電機A向后旋轉，電機B向前旋轉，其原因是自由輪離合器僅允許單排小齒輪行星齒輪架朝單一方向旋轉。輪邊驅動裝置僅在倒車檔時電機A和電機B的轉速比才保持恒定不變地運行，此時轉速比受到限制。而倒車的上下轉速極限則是由行星齒輪總成的齒數所決定的。

4 試驗車輛

NSK公司已建造了1輛裝有輪邊驅動裝置的試驗車輛(圖4)，以便能進行實際行駛試驗。在兩個前車輪上各配備了1個輪邊驅動裝置(圖5)?？刂葡到y(tǒng)由操縱裝置(加速踏板、換檔開關、向前行駛和倒車行駛)、數字模塊化硬件串聯式車載專用機箱和轉換器組成。操縱裝置的信號由專用車載機箱進行評估分析計算，算出當前所期望的轉換器運行模式及由行駛指令得到的轉速和扭矩值，并將其作為指令傳遞給轉換器。轉換器由2個絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊、1個微型計算機和多個冷卻體組成。微型計算機能夠同時控制2個IGBT模塊，即2個電機，兩者被各集成為1個驅動單元。輪邊驅動裝置具有3個運行模式，包括第一檔、第二檔和倒車檔。

圖4 輪邊驅動試驗電動車

圖5 試驗車輛上的輪邊驅動裝置

汽車結構由1個中央車架及前后各1個副車架組成。中央車架上裝有蓄電池組(布置于座位下)、蓄電池管理系統(tǒng)(布置于座位后)和車載專用機箱(布置于車輛尾部)。車載專用機箱作為中央控制和調節(jié)單元并用于數據收集和貯存。除了駕駛員座位之外，還有一個試驗工程師座位。另外，轉換器被安裝在可拆卸的副車架上，此類模塊化結構被允許用于各種不同試驗用途的車輛。

5 行駛試驗結果

圖6 無沖擊換檔的試驗結果(左：換高檔；右：換低檔)

NSK公司已用上述的試驗車輛開展了行駛試驗,并且查明了該類新型輪邊驅動裝置在各種不同行駛狀況和每一種運行模式下的功率。圖6示出了換高檔和換低檔的試驗結果。電機A和B以相反方向旋轉，車輪向前滾動。2個電機以扭矩調節(jié)模式進行工作，電機B跟隨電機A的轉速，使車輪加速。此外，試驗證實第一檔的加速度至少是第二檔的2倍。

該輪邊驅動裝置的性能特點是換檔過程無沖擊。其由2個電機組成，并通過具有2套行星齒輪總成的變速器將功率匯聚在一起。如果2個電機的轉速和扭矩可進行精確調節(jié)的話，即使在加速和減速期間駕駛員也能切換至高檔或低檔，該功能同樣也在行駛試驗中得到了證實(見圖6)，以此可在換檔過程中實現連續(xù)加速和減速，或者保持車速恒定不變。

6 開發(fā)目的

雖然NSK公司已制成了裝備輪邊驅動裝置的試驗車輛，但是目前并未追求整個驅動單元的商業(yè)化。此類集成在車輪上的驅動裝置，目前只能由具備一定資質的OEM制造商或達到Tier1等級的零部件供應商能實現成熟產品的開發(fā)并投入批量生產。NSK公司的目的是要先將此類集成在車輪上的電驅動裝置的機械零部件投入批量生產。該類機械零部件如圖2所示(黃色部分)，作為終端變速級的帶有整體式減速器的車輪軸承單元和微型滾針軸承就屬于這類機械零部件，可確保緊湊的行星齒輪總成平穩(wěn)運行。用于換檔過程的無液壓執(zhí)行器的自由輪離合器及為避免電腐蝕而具有專用防腐裝置的滾動軸承也都屬于此類零部件范疇之內。

7 明顯緊湊的第二代產品

第一代輪邊驅動裝置已實現了所設定的開發(fā)目標，并確認了此處所介紹的功率數據，該類驅動裝置要求在軸向增加154 mm的結構空間(圖7左)，而且僅適用于專門為該類驅動裝置開發(fā)的車輪懸架系統(tǒng)，因此尤其是緊湊的軸向結構型式是第二代輪邊驅動裝置(圖7)的重要開發(fā)目標，已在2016年底開始進行研發(fā)，而且保留了基礎方案，但是要求第二代產品的軸向結構空間要比第一代縮短99 mm。該要求主要歸因于2個電機布置的改變： A和B電機布置在車輪軸承周圍，而不再是同軸結構型式。與第一代的電機相比，其特征是轉速更高同時尺寸更小，最高轉速已從5 000 r/min提高到12 000 r/min。新設計的車輪軸承也有助于減小軸向位置，此類新的軸承取消了行星齒輪總成，并使用了整體式輪軸。

圖7 NSK公司第一代(a)與第二代(b)輪邊驅動裝置的比較

8 結論和展望

NSK公司采用輪邊馬達為電動車開發(fā)了一種結構緊湊且功率強勁的新型驅動方案，不僅提供了較高的扭矩并且具有足夠高的終端轉速，同時在試驗車輛上證實了此類電驅動裝置的實用性。NSK公司并未計劃將該驅動裝置商業(yè)化，此項進程將留給有一定資質的OEM制造商或達到Tier1等級的零部件供應商去完成，而NSK公司的目的是要將該集成在車輪上的電驅動裝置的機械零部件先投入批量生產，從而提高高效環(huán)保的電驅動的吸引力。

目前第二代輪邊驅動裝置正在開發(fā)中，其特點是具有更為緊湊的結構型式和更寬廣的轉速范圍。NSK公司已在2017年秋季東京電機展覽會上展出了第二代的第一種型號產品，下一步工作是將其安裝在試驗車輛上，在實際行駛試驗中驗證其技術規(guī)格及相關參數。