轮边驱动系统的几种结构方案

1、轮边驱动系统的几种结构方案环保要求是电动汽车事业的推动力。电动车辆作为“绿色交通”的载体，在资源与环境 的和谐发展中发挥着越来越重要的作用。目前电动车的驱动形式有多种，比如混合动力、纯电动等等，但是它们只是更换了动力 源，汽车的传动系和行驶系并没有根本变化。轮边驱动则不然，它是一种电动车辆的先进驱动方式，带来了电动车内部构造革命性的变化。狭义的轮边驱动即指轮毂电机。这是一种将电 动机、传动系统和制动系统制成一体的轮毂装置， 电动机直接或只通过一级减速带动车轮旋转，例如 左图中所示的通用开发的为150吨的重型卡车设计 的轮毂电机。广义的伦边驱动定义不仅限于此。宽 泛地讲，轮边驱动就是字面上的意思

2、，指设置在车 轮附近的驱动装置。轮边驱动在很早之前就已经有所发展。早在 1900年，保时捷就推出了第一辆轮边驱动电动车。 1968年，通用电气公司将轮毂电机应用在大型矿用 自卸车上。近年来，乂有越来越多的研究机构致力 于开发轮边驱动技术。在日本，以日本庆应义塾大 学、普利司通、三菱、丰出、本田为代表；在欧洲, 有法国的tm4、标志雪铁龙，德国大众奥迪、西门子，英国贝姆勒；在美国则是通用公司。我国也有相应的研究，如我校的春晖一、二、三号，均为轮边驱动电动车。轮边驱动与传统的集中驱动方式相比，在动力配置、传动结构、操控性能、能源利用等 方面具有许多优势：1. 动力控制由硬连接改为软连接，省去了离合

3、器、变速器、换挡器、传动装置和差速器 等一系列机械传动件，所有动力均由电子控制；2. 因为省去了诸多部件，使整车布局和车身造型设计的口市度大大增加；3. 各轮扭矩、转向均独立可控，响应迅速，使行驶更为灵活，适应性更强;4. 有利于实现能量利用的最优化控制与管理，有效节约能源；然而，作为一项还不够成熟的技术，轮边驱动也有很多缺点。尤其对于轮毂电机驱动来 说，由于轮毂电机的引入，整车的非簧载质量显著增加（一般增加15kg左右）；由于电机力矩 波动直接作用车轮（或者经过减速机构），在特定大扭矩转速区间，容易引起悬架前后方向的 共振；与集中电机和传统内燃机相比，轮边驱动系统电机重心位置低，且存在相互旋

4、转表而, 因此密封困难，整车涉水能力不强；轮毂电机一般只经过轮胎一级减振，系统对电机允许最 大振动加速度要求大，疲劳寿命要求高；由于轮毂电机转子构成了车轮的转动惯量，彫响了 车辆的加速性能。在上述的这些缺陷当中，最难以解决的莫过于非簧载质量增加这一难题了。一方面，非 簧载质量增加直接引起车辆行驶的舒适性和平顺性下降；另一方面，尽量采用轻质材料、简 化电动机构造实现电动机轻量化等等努力取得成果均较为有限。普利司通在2003年东京车 展上展出的轮毂电机与专用低滚动阻力轮胎匹配的技术应该是个不错的解决方案，其思路是：将轮毂电机的一部份质暈抽离出来作为减振器质暈，从而减小了非簧载质暈；同时使用 低滚动

5、阻力轮胎，可以适当降低轮胎刚度，使非簧载质量增加引起的车轮动载荷增加的影响 减小。此方案将放在后面的“其他方案展示”部分详细说明。针对非簧载质量增加的问题，受资料启发，我们认为还有另一种较好的思路，就是不使 用轮毂电机，将电机拿出来固定于车轮旁边的车架上，使之成为簧载质量，这样就能最有效 地降低非簧载质量。显然，电动机也不会受到车轮振动的影响。电机与车轮z间的传动采用 类似cvt的装置，用以弥补电机性能的不足。配用主动悬架，就能消除电机扭矩波动引起 的共振。下面用一个例子详细说明。方案详细说明整套驱动机构的基本原理图如上，由双纵臂式独立悬架改造而来。双纵臂式独立悬架的 特点是其导向机构为平行四

6、边形，车轮上下跳动时做平动，定位参数不发生变化。如果将电 动机固定在车架上，其输出轴置于短边中心，而车轮轴线位于另一短边的中心，中间加以适 当的传动，就构成一种新型轮边驱动系统的雏形。在车轮发生跳动时轴线距离保持不变，则 传动条件不会遭到破坏。考虑到电动机和传动件的布置要占用相当一部分空间，悬架的弹性元件选择扭杆弹簧。 此外，扭杆弹簧单位质量的储能量大于钢板弹簧或螺旋弹簧，采用它使悬架质量较小，结构 简单，并且无需润滑。悬架的阻尼元件采用刚度主动可调式阻尼器。为便于整车的全电气化控制，选择电液式 阻尼元件。这种阻尼器构造与传统阻尼器基本相同，不同的是将油液换成电液。这种液体在 不通电状态下与普

7、通液体相差无几，通电后阻尼迅速增大，且电流越大阻尼越高，非常适合 用在电控主动悬架上。以上两者构成主动悬架的核心。若电动机的扭矩波动引起车身共振，则悬架能上动调整项目异步水磁无刷开关磯阻横向磁场功牢密度中高中转知转速待性好好好好效率/%79-8590-9278-8691 -93功率因数/%82-8590-9360-6535 <-55関速范瀏1：51：2.251：31:2.25可靠性好般优秀一般电机敢駅£轻一般轻成本/（黄元au ）8-1210-156-1012-17可控性好好好好控制成本高一股很髙一般综合性能差最好好刚度和阻尼，以迅速消除共振。各种电动机基本性能比较电动机和车轮

8、之间的传动釆用迷你版的cvt 传动，起到无极调速的功能。我们查阅的原始资 料中并没有明确提出这一点，只说可以用带传动 或链传动。联想到轮边驱动技术对于电动机的要 求，我们认为cvt是一个很好的选择。原因如下:根据资料，轮边驱动系统的电动机，主流的有异步电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机、横向磁场电机等儿种。如左图所示，永 磁无刷电动机的各项性能均要优于其他种类电机；但是永磁转子的励磁无法调节，导致电机 调速困难，调速范围不宽。为了弥补调速范围的缺陷，采用cvt改善其调速特性；如此一 來，永磁无刷电动机毫无疑问地成为最优选。同时cvt可以实现平稳的无级调速，配合电 机本身的调速功能，在汽车的

9、速度控制、扭矩控制等方面也会有更灵活的选择。除此之外, cvt现在已有市场化的产殆出现，只要进行适当改造即可应用在这套方案上，方案实现难度 小。在密封方面，此方案亦有少许进步。电动机位置的提升使它的密封已经不成问题，关键 在于cvt的密封（因为金属带传动遇水或杂质效能可能降低）。为此，需要设计专门的密封壳体。然而，因为不存在轮毂电机那样的“相互旋转表面”，使密封难度大大下降，采用传 统密封方式即可。曲轮转向 麻絵转向四轮开绕任意向转向底转向四轮阿 向林向mfr mfr最后，关于此方案与转向系统 的配合。轮边驱动系统应具有更强 大的转向功能，如左图所示。因为 轮边驱动汽车的四轮均独立可控， 不需

10、转向梯形，理论上可以绕任何 一个点转向。而且电动机具有自适 应差速功能，使汽车能在较简单的 控制系统下做到任何转向半径都冇 最优的转速、转矩分配。遗憾的是, 此方案在这一点上有所不足。因为 电动机与车轮分开布置，使车轮不 能以任意角度旋转，所以此方案的 转向仍然只能靠传统的转向节和万 向节实现。这也算是为了追求行驶 舒适性和平顺性而在操控性方面做出的一点牺牲吧。其他方案展示、单级齿轮减速式这种布置形式通常釆用内转子电动机，电动机最高转速设计在4000 r / min20000 r /min之间，目的是为了能够获得较高的比功率。对电动 机的其它性能没有特殊要求。减速机构布置在电动机和 车轮z间，

11、起到减速和增矩的作用，从而保证电动汽车 在低速时能够获得足够大的转矩。电机输出轴通过减速 机构与车轮驱动轴连接，使电机轴承不直接承受车轮与 路面的载荷作用，改善了轴承的工作条件；采用固定速 比行星齿轮减速器，使系统具有较大的调速范阖和输出 转矩，充分发挥驱动电机的调速特性，克服了电机输出 转矩和功率受到车轮尺寸影响的问题。设计中主要应考虑解决齿轮的工作噪声和润滑问题，其非簧载质量也比直接驱动式电动轮电驱动系统的大, 对电机及系统内部的结构方案设计要求更高。二.直接驱动式直接驱动式采用低速外转子电动机，直接驱动车轮带动汽车行驶，所以原理上可以看做 在上图的基础上去掉了行星齿轮减速机构。其主要优点

12、是电机体积小、质暈轻和成木低，系 统传动效率高，结构紧凑，既利于整车结构布置和车身设汁，也便于改型设计。这种电动轮 直接将外转子安装在车轮的轮網上驱动车轮转动。然而电动汽车在起步时需要较大的转矩。 也就是说安装在直接驱动型电动轮中的电动机必须能在低速时提供大转矩。为了使汽车能够 有较好的动力性，电动机还必须具有很宽的转矩和转速调节范围。由于电机工作产生一定的 冲击和振动，还要求车轮轮網和车轮支承必须坚固、可靠。同时由于非簧载质量大，要保证 车辆的舒适性。要求对悬架系统弹性元件和阻尼元件进行优化设计。电机输出转矩和功率也 受到车轮尺寸限制。三、普利司通的方案此方案中，将电动机借助于第二悬架装置安

13、装在弹簧下 器质量的方法。基本原理如下图，左边是旧式方案，右边是车身胎0 am制动轮车轮内装式电机动力阻尼器车轮内装式电机j :电机晟挂申««车身,采用了以电机的质暈作为减振 普利司通的新方案。轮毂电机与 车轴z间增加了电机用悬 挂装置，电机本身还起到质 量阻尼器的作用，即还是减 振器的组成部分。质量阻尼 器具体原理这里从略。电机 采用低速、大扭矩的外转子 式。这样的布置形式不仅降 一低了簧下共振，也降低了簧.原来设计影状祈设计老状初负脅时的变形图像*萝竺警胎瓷影方耘负荷时的共胎銚方向 蛙二歹 ；： ®图6在节能环保32轮胎设计技术(bett)中便绘船沿口 (胎魁

14、)作较大 弯曲.当薰受u荷时.这部分发生变老.绕转动中心伟转的"借心变 增加.由此.轮胎胎面的变彫方向加以有效调整以降低轮胎廉 耗.并提高其耐膳蚀性能上共振，所以同时提高了轮胎的接地性能与乘坐舒适性。除此之外，此方案中采用了专门的低滚动阻力 轮胎，如下图所示，因为其承受载荷时的形变与旧 式轮胎不同，所以能够降低轮胎滚动阻力和提高耐 磨性。轮边驱动导致的车轮动载荷增人问题，缓解 办法之一是降低胎压，减小轮胎刚度，而传统轮胎 降低胎压之后会引起滚动阻力的大幅上升；相比z 下，低滚动阻力轮胎在相同的阻力下刚度较小，从 而减小了动载荷，进一步提高了行驶平顺性和舒适 性。四、其他形式另外一些新

15、方案包括：短半轴型，盘型，动态吸振型等。短半轴型由于将轮毂电机悬置于车身上，从而转化为簧载质量，从根源上解决了非簧载 质量过大问题，但是由于增加了短半轴及相应连接部件，成本相应增加，传动效率稍微降低, 将是未来发展的一个重要方向。盘型主要采用盘式电机。盘式电机能够将定子转化为簧载质量，因此明显改善车辆的垂 向性能，但是由于转子和车轮之间需要一个短半轴，成本增加；同吋由于转子和定子之间存 在不对中，提高了设计难度。动态吸振型是较好的选择，直接降低了车轮的非簧载质量，从一定程度上解决了非簧载 质量过人的问题，能够很好地降低车轮动载荷方均根值，但是需要特殊形式的电机和弹性阻 尼元件，提高了设计难度，

16、增加了成本，同时由于电机转子和车轮一起转动，直接加剧车轮 运动不平衡。优缺点分析与传统方案相比，本方案的优势在于：1专为降低非簧载质量而设计，电机质量全部转移到车架上，在提高行驶舒适性和平顺 性方面效果最明显；2. 在传统的双纵臂式独立悬架基础上改造而来，且新加入的刚度可调减振器和cvt均已 有成熟产品，技术难度小，可行性髙；3. 对电动机的性能要求较轮毂电机驱动为低，电机性能的不足之处可用cvt进行弥补；4. cvt的加入，使电动汽车的转速、转矩控制策略更为灵活。与其他一些旨在直接降低非簧载质量的方案相比，本方案的在第一条上并不占很多优 势，然而，第二、三、四条优势尤为明显。本方案的劣势在于

17、：如前文所述，此方案的转型系统不及轮毂电机的灵活，不能实现任意半径转向。然而, 与传统汽车的转向系相比，此方案的转向性能理论上并无下降；2.cvt的成本较高，且其液压管路的布置可能会有一定难度。轮边驱动电动车的前景采用轮边驱动系统的电动车在车辆操控性、结构复杂度、空间利用率方血均有巨大进步。 但是，将轮毂电机引入车轮，并且构成非簧载质量的主体，使车辆的行驶性能尤其是车辆的上海车展的瑞麒x1-ev （奇瑞）垂向性能发生了很大变化，这是制约该类型 电动车一个重要难题，直接影响了轮边驱动 电动车的推广。这就使我们意识到，伴随着 轮边驱动系统一体化，轻量化的要求，镁合 金、铝合金、钛合金、复合材料等更多的轻 质高强度材料也会应用到轮边驱动系统