具有高减速比的电驱动器的制作方法

1.本发明涉及电动车辆的动力总成，尤其涉及电动机和变速器的定向。


背景技术：

2.人们已熟知电动车辆多年。常规的驱动设计包括电动机和一些类型的变速器，这些变速器专用于每个从动轮、位于从动轮上或紧邻从动轮。在本领域熟知的这些驱动装置称为邻近车轮的电动机配置。这些设计的示例例如公示于us 2010/0155168、us 2001/0011611、us 1,543,044和us 1,540,526。这种类型的设计增加了车辆的复杂性、重量和成本，虽然这种设计可能适用于一些重型卡车，但它们通常不适用于当今的电动乘用车(例如小汽车、轻型卡车等)。
3.紧凑型电动车辆(例如小汽车、轻型卡车等)需要具有成本效益、结构紧凑的解决方案来放置电动机和变速器。如果要在大多数驱动条件下获得尽可能大的电动机效率，即使是小型电动车辆也需要变速器。
4.作为示例，紧凑型车辆的80kw电动机的扭矩和效率最佳rpm在6000至10000rpm之间。如果标称行驶速度为80km/h，最佳电动机转速为10,000rpm，电动机与车轮的最佳配比(使用410mm车轮直径)为1
×
9.66：其中：i
…
传动比；n
电动机
…
最佳电动机rpm[1/min]；d
…
外胎直径[m]；v
…
平均车速[m/min]。
[0005]
已经开发了各种电驱动(即edrive)概念。如图1所示的一个示例，其中电动机和变速器布置在前轮之间，电动机轴线平行于车轮轴线，并且仅使用一个电动机驱动两个车轮。这种设计(被称为“直列设计”)非常紧凑，但存在一些主要障碍，包括：
·
用于驱动单元的前轮之间的宽度较大；
·
重量分布不对称；
·
电动机侧的车轮和轮胎的热辐射高。
[0006]
大“轮间宽度”(即，即车轮之间的电动机和变速器的所需宽度)导致短驱动轴。每个驱动轴都有两个等速万向节(即，cv万向节)，在短驱动轴的情况下，由于转向倾斜和控制臂摆动，这些万向节磨损很快。这也将导致效率降低和前轴噪音。
[0007]
不对称的重量分布必须与其他不对称的车辆部件(如电池)相抵消。但是，仍然会对车辆的动态行为产生消极影响。
[0008]
图1中电动机的永久热辐射可使相邻轮胎的温度升高10℃至20℃。隔热和附加冷却风扇可以降低热轮胎和电动机(即e
‑
motor)的温度，但是，为疏散电动机热量而消耗电能
并不是电动车辆(即ev或e
‑
vehicle)制造商所希望看到的。


技术实现要素：

[0009]
本发明涉及一种车辆的动力系统，所述动力系统包括具有驱动轴的电动机，其中所述驱动轴优选地被定向成垂直于所述动力系统旨在驱动(即旋转)的车轮的公共轴线。所述电动机的驱动轴通过具有至少一对配合齿轮的变速器机械连接到与所述公共轴线对齐的车轮的轴，优选地，一对配合齿轮中的一个是偏置小齿轮，并且变速器的减速比在约6至约15的范围内，小齿轮具有2至6个齿。
附图说明
[0010]
图1示出了常规电动机和直列变速装置。
[0011]
图2示出了包括锥齿圈和准双曲面小齿轮的锥准双曲面齿轮组。
[0012]
图3示出了单级准双曲面变速器。
[0013]
图4示出了具有位于车轮之间的单级准双曲面变速器的电驱动单元。
[0014]
图5示出了大的小齿轮螺旋角和超大螺旋角。
[0015]
图6示出了双级减速圆柱－准双曲面变速器。
[0016]
图7示出了双减速圆柱－准双曲面变速器。
[0017]
图8示出了行星状－准双曲面减速变速器。
[0018]
图9示出了单速变速器的速度图。
[0019]
图10示出了双速变速器的速度图。
[0020]
图11示出了准双曲面变速器在车轴前方的取向。
[0021]
图12示出了准双曲面变速器在车轴前方并处于一个角度的取向。
[0022]
图13示出了用于前轮驱动车辆的准双曲面变速器的取向。
[0023]
图14示出了用于全轮驱动车辆的准双曲面变速器的取向。
具体实施方式
[0024]
本说明书中使用的术语“发明”、“所述发明”和“本发明”旨在广泛地指代本说明书的所有主题以及以下任何专利权利要求。含有这些术语的陈述不应被理解为限制本文所述的主题或限制以下任何专利权利要求的含义或范围。此外，本说明书不寻求描述或限制由任何权利要求所涵盖的主题于本申请的任何特定部分、段落、陈述或附图中。应该通过参考整个说明书、所有附图和所附的任何权利要求理解主题。本发明能使用其它构造，并且能以各种方式实践或实施。并且，应理解，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的而不应视为限制性的。
[0025]
现在将参考附图讨论本发明的细节，所述附图仅以实例的方式说明本发明。在附图中，相似的特征或组件将由类似的附图标记指代。
[0026]
本文中“包括”、“具有”和“包含”及其变体的使用旨在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。尽管下文可以在描述附图时参考例如上部、下部、向上、向下、向后、底部、顶部、前部、后部等等的方向，但出于方便起见而相对于附图(如正常所观察)作出这些参考。
[0027]
在本发明的一个实施例中，车辆的电动机从图1的常规直列取向重新定向，优选地重新定向九十度，这使得允许建立对称电驱动单元，该对称电驱动单元能够仅通过单级减速在电动机和车轮之间提供操作比。例如，图2所示的齿轮组是包括锥齿圈4和配对准双曲面小齿轮6的锥齿轮组2。在此示例中，齿圈有55个齿，小齿轮有7个齿，从而为齿轮组提供55/7或7.86的齿轮齿比(z
g
/z
p
)。在锥准双曲面齿轮组中，齿圈和小齿轮分别在不平行和不相交的轴a
g
和a
p
上运行(图2)，其中平行平面之间的距离h，一个包含齿圈轴a
g
的平面以及包含小齿轮轴a
p
的另一个平面，通常称为偏移、小齿轮偏移或准双曲面偏移。
[0028]
图3示出了具有单级减速器10的变速器，包括锥齿圈12和配对准双曲面小齿轮14。变速器包括至少一个输入端和至少一个(优选至少两个)输出端。输入功率由电动机16提供。为清晰起见，未示出变速器外壳和差速器(位于15处)。电动机16被定向成使得电动机16的驱动轴的旋转轴线a
m
优选地与准双曲面小齿轮14的轴线a
p
重合，并且优选地基本上垂直于变速器输出轴线a
t
，齿圈12在变速器中围绕该轴线旋转。
[0029]
紧凑且低价的电动车辆要求电动机与前轮或后轮之间简单、紧凑且成本有效的变速器。电动驱动的小型紧凑型车辆大多不需要超过90公里/小时的最高速度。它们的主要应用是用于通勤或购物的市内驾驶。这种车辆的所有重要目标都可以通过一个电动机和一个单级准双曲面变速器来实现，该准双曲面变速器优选地位于一对车轮之间，例如，如图4所示。
[0030]
图4示出了包括单级减速器10(锥齿圈12和匹配准双曲面小齿轮14)和电动机16的变速器，其中，电动机16被定向成使得电动机16的驱动轴的旋转轴线a
m
优选地与准双曲面小齿轮14的轴线a
p
重合，并且优选地基本上垂直于变速器输出轴线a
t
，齿圈12围绕该轴线旋转。轴线a
w
是车轮18围绕其旋转的公共轴线。轴线a
w
优选地在车辆的宽度方向上延伸，并且优选地平行于轮轴20和22以及齿圈轴线a
t
并且与其对齐，优选重合。
[0031]
变速器的小宽度允许图4中减小的轮间宽度形成紧凑的车辆解决方案，这允许最佳的包装和理想的车辆重量分布。齿轮比不必大于1
×
15，尽管该比率可以更大。第二齿轮组(可用于根据电动机rpm更好地调整车速)不是必要的，但可以包括在内。图4的单级变速器的传动比为7.86(7
×
55)，后驱系数约为0.3，对于滑行运行时的能量回收是可以接受的。
[0032]
电驱动减速需要高效率以及良好的后驱能力。后驱能力是指当电动机断电时，电动机可通过其连接的负载驱动的难易程度。后驱在两个方面很重要。第一个原因是在车辆驾驶员的脚离开加速踏板的情况下电能的再生。电动机切换到发电动机运行，并且车辆的动能用于为电池充电，而不是简单地使用刹车而浪费掉。后驱能力的第二个原因是在突然松开加速踏板时避免车轮抱死。图2中的齿轮组很好地满足了这两个要求。优选地，齿圈被磷化，或等效地被涂覆涂层，以在磨合前提高齿轮组的效率并避免昂贵的抛光。随着荧光粉层的分解，齿轮组的磨合完成并保持初始效率。优选地，齿轮组的两个构件在热处理之后都经过热处理和研磨。
[0033]
图4中的电驱动单元具有高度对称性，并且使散热电动机远离暴露于来自电动机的热量的轮胎，如图1的直列式设计的情况。驱动轴法兰17之间的距离呈现非常小的“轮间宽度”，这允许相当长的驱动轴。由于可以将电动机面向车辆的前部或后部(即在车辆的纵向方向上)，可以实现特定车辆的理想重量分布和最佳包装。这种只有两个齿轮和两个轴的非常紧凑的设计可以非常经济地制造，并且为小的紧凑型电动车辆提供了非常好的电驱动
解决方案。
[0034]
本发明还设想到在仍保留上述基本优点的同时，利用单级准双曲面齿轮组实现甚至更高的比率，例如通过利用具有六个或更少齿(例如，2、3、4、5或6个齿)或优选地五个或更少齿(例如，2、3、4或5个齿)，以及准双曲面齿轮组和圆柱减速齿轮组的组合。
[0035]
可以考虑的一个方面是由小齿轮的准双曲面偏移产生的啮合齿面之间的最大滑动速度。当车辆以100km/h的速度行驶时，具有用于汽车和卡车应用(例如19
–
38mm)的典型偏移量的常规准双曲面齿轮组(例如1
×
3比率)具有大约125m/min的相对滑动速度。例如，准双曲面齿轮比为1
×
9.66且电动机速度为10,000rpm的电驱动器产生333m/min的相对滑动速度。这是上述传统准双曲面齿轮组相对表面滑动的两倍多。在这种情况下，优选的是使用高压合成准双曲面油以及齿面涂层，如前所述，以便在齿面损伤方面获得必要的齿轮寿命。
[0036]
虽然小齿轮的齿数可以是后驱能力的指标，但它并不是准双曲面齿轮组的后驱能力的唯一指标。还必须考虑小齿轮的螺旋角。一般来说，螺旋角越大，后驱能力越低。可以定义以下类别的螺旋角：小螺旋角：0
°
至20
°
中螺旋角：20
°
至35
°
大螺旋角：35
°
至65
°
超大螺旋角：65
°
至90
°
[0037]
图5中示出了两个示例，一个示例具有大螺旋角，一个示例具有超大螺旋角。小直径上一定数量的齿比大直径上相同数量的齿导致更小的螺旋角。为了将相反的影响考虑在内，可以通过考虑正确的几何形状和假定的0.08摩擦系数来确定后驱能力。分数t
br
/t
dr
(后驱反力t
br
/后驱力t
dr
)被称为后驱系数c
bd
。c
bd
＝1.0及以上的值表示自锁状态。无法达到c
bd
＝0的值。在下表中，示出了五种不同准双曲面齿轮组的c
bd
结果。
[0038]
小齿轮齿数摩擦系数后驱系数c
bd
后驱条件17μ＝0.08t
br
/t
dr
＝0.091不自锁5μ＝0.08t
br
/t
dr
＝0.324不自锁3μ＝0.08t
br
/t
dr
＝0.305不自锁2μ＝0.08t
br
/t
dr
＝0.336不自锁1μ＝0.08t
br
/t
dr
＝1.295自锁
[0039]
虽然17齿汽车准双曲面小齿轮的c
bd
为0.091，这是非常好的，但1齿小齿轮示例是自锁的，c
bd
为1.295。2至5齿小齿轮的系数非常相似，3齿小齿轮的系数出乎意料地低，低于5齿小齿轮。此外，某些齿圈和/或小齿轮参数(例如齿深、小齿轮直径和面角)的优化可以进一步增强后驱能力。
[0040]
例如，如果电驱动准双曲面变速器的理想比率在15的范围内，那么一个示例是选择4个小齿轮齿和60个齿圈齿(优选59或61个，因为追逐齿(hunting tooth)优势，即，没有齿圈和配合小齿轮的齿数的公因数)。这种齿轮组应该优选地以实现后驱系数c
bd
＝0.3或更低为目标进行优化。
[0041]
图6示出了电驱动变速器的另一个实施例。这是双级减速器，其中第一圆柱减速器30、32为2.33(21
×
49)，第二准双曲面变速器34、36为4.4(11
×
51)，这导致总减速比为
10.27。双级变速器的驱动效率将高于图4中的变速器，因为准双曲面级的传动比较低，后驱动系数约为0.15，也优于图4中的变速器。
[0042]
图7中示出了电驱动变速器的另一个实施例，其中示出了双减速器圆柱－准双曲面变速器。中型或高档电动车辆可受益于这种类型的变速器。(例如，电磁或液压致动的)离合器单元可以启动圆柱比40、42为1.46(26
×
38)或圆柱比44、46为3(16
×
48)。准双曲面变速器47、48的比率为3.85(13
×
50)。在以较低速度(例如最高50公里/小时)向前行驶时，总传动比可以切换到3
·
3.85＝11.55。当速度增加到50公里/小时以上时，电动机将以较低的效率运行，并且可以启动第二圆柱齿轮对40、42。总比率变为1.46
·
3.85＝5.62，这使电动机能够降低其rpm以实现更高效的运行。
[0043]
图7中的变速器在滑行操作方面特别令人感兴趣，此时电动机切换到发电动机模式以利用车辆的动能来给电池充电。例如，如果速度为80公里/小时(传动比＝5.62)，变速器将切换到更高的11.55传动比，以便为发电动机(电动机)提供更高的rpm，从而实现更高效的发电。该实施例提供了灵活性，同时保持了诸如封装、良好的重量分布，以及远离多个车轮之一的热辐射(如上文关于单级和双级变速器所讨论的)。
[0044]
图8示出了包括行星－准双曲面减速变速器的另一个实施例。行星轮系统50包括内齿圈52、一个或多个行星轮54、太阳轮56和保持架或托架58。电动机轴19连接到太阳轮56，准双曲面小齿轮60连接到保持架58或与其成为一体作为行星输出。齿圈62绕轴线a
w
旋转，这是被驱动车轮的旋转轴线(见图4)。
[0045]
在行星轮系统中，太阳轮可具有与行星轮不同的齿数。然而，在以下示例中，行星轮均具有与太阳轮(29)相同的齿数(例如29)，并且内齿圈具有与太阳轮相同的齿数(例如87)的三倍。无论太阳轮与行星轮的齿数是相同还是不同，行星系统都可能有两种传动比。行星－准双曲面变速器需要离合器，该离合器可以将内齿圈52连接到(a)太阳轮(比率1.0)，其中齿圈与行星轮和太阳轮以相同的速度旋转，或(b)固定变速器壳体(未示出)(比率4.0)，其中齿圈不旋转。由于两种可能的比率之一始终为1.0，因此行星变速器的灵活性低于双减速器圆柱－准双曲面版本。行星－准双曲面变速器需要尽可能高的准双曲面减速比，正如前面所讨论的，这样提供较低的后驱能力。在图8中，准双曲面比率为5.18(11
×
57)。在第一档的整体比率为1.0*5.18＝5.18，并且第二档是4.0*5.18＝20.72。
[0046]
在单速变速器的情况下(图4)，电动机rpm和车辆速度之间的关系当然是成比例的，如图9所示。这适用于电动原动机处于电动机模式或发电动机模式的情况。最大额定转速为15,000rpm的电动机的效率最佳运行rpm在8,000至10,000rpm附近。这是平均负载情况下高效率的速度范围。如果负载较小，则效率最佳rpm较低，如果负载较高，反之亦然。单级变速器的传动比优选地被定义为使得大部分驱动落入最佳电动机效率范围内。图9还表明，增加的速度图仅在最佳电动机效率范围内持续一小段时间。当操作员踩下加速踏板时，电动机－发电动机控制可以从电动机上取下导线(即没有动力进入电动机或从电动机中流出)，车辆自然滑行。如果轻轻踩下制动踏板，控制器可以在盘式制动器尚未啮合时将电动机切换到发电动机模式。只有当用力踩下制动踏板时，盘式制动器才会启动并支持发电动机制动。
[0047]
在双速变速器的情况下，车辆的电子控制模块可以决定相对于负载的两个比率中的哪一个将提供更好的电动机效率。图10示出了典型的速度图，其中第一比率大于第二比
率。第一档处于活动状态，直到达到最大电动机rpm。然后离合器切换到第二档，该档在再次达到最大电动机速度时有效。图10中的速度图有两个部分通过了最佳电动机效率范围。根据车辆的占空比，两档变速器可以在最佳效率速度范围内使运行时间加倍，并显著降低车辆的能耗。
[0048]
根据缓慢滑行到完全停止(导致电动机关闭)或刹车灯或刹车，车辆的电子控制模块可以调节降档以优化制动力并最大化电池再充电。图10中以虚线示出了灵活降档。可以考虑以下制动条件：
·
松开加速踏板——关闭电动机/发电动机滑行；
·
踩下制动踏板至其行程的30％——通过受控降档和受控发电动机充电条件，制动力与踏板力成正比(abs功能仍由发电动机脉冲充电激活)；
·
踩下制动踏板超过30％行程——除了发电动机制动外，还应用机械制动。
[0049]
一些电动车辆，甚至更大的高级车型，通过释放加速踏板来实现制动。该技术降低了驾驶舒适度，违反直觉，并可能导致不安全的驾驶条件。它需要稳定且不自然的脚部位置，这会使踩加速踏板的脚和驾驶员感到疲劳。
[0050]
如前所述，准双曲面变速器允许将电动机放置在车轮之间的前轴或后轴的中心。图11和12中的小型紧凑型轿车的图像示出了前轴前方的电动机。由于电池位于客舱地板下方(前轮和后轮之间)，如图11所示的电动机取向呈现出良好的重量分布，并可能成为被动乘客碰撞安全概念的一部分。能够逆转准双曲面偏移的方向(电动机更高或更低)，并且找到封装最佳电动机取向的角，如图12所示。
[0051]
虽然优选的是将电动机定向成使得驱动轴旋转轴线水平或平行于地面(例如平行于包含站立在平坦水平面上的车辆的前轮轴线和后轮轴线的平面)，如图11所示，但本发明不限于此。电动机的取向可以是有角度的，使得驱动轴旋转轴线不水平延伸或平行于地面(不平行于包含站立在平坦水平面上的车辆的前轮轴线和后轮轴线的平面)，但与其形成角度，如图12所示。
[0052]
在全轮驱动客车的情况下，驱动前轮的相同变速器单元也可用于驱动后轮。图13和14示出了前轮驱动，其具有指向后方的电动机主体(图13)和全轮驱动装置，两个电动机的主体都指向后(图14)。
[0053]
图11－14中所示的布置例示了准双曲面电动车辆变速器(即电子变速器)的紧凑程度以及它在给定的总体车辆概念中能够如何很好地适应给定的封装约束。其他电动变速器取向是可能的，它们为所有现有的电动车辆设计完成了定制解决方案。
[0054]
车辆的一个或多个电动机可以定位成使得电动机驱动轴的旋转轴线在车辆的长度方向(纵向)上延伸，其中电动机驱动轴面向车辆的前部或后部。此外，虽然变速器的齿圈优选位于变速器旨在驱动的车轮之间的中间(即，车辆宽度方向的中心位置)(例如，参见图4)，但本发明不限于此.变速器的齿圈可位于沿车轮轴线在与一对车轮之间的中心位置的距离为“d”(在任一方向上)内的任何位置处。距离“d”优选地不大于从中心位置到每个单独车轮的距离的50％。图4示出了距离“d”的示例。
[0055]
本发明的准双曲面变速器带来了各种优点。可以很好地实现对称重量分布以及车轮和电池的减少的热辐射暴露。准双曲面变速器可能带来的速度下降是圆柱齿轮组常规实现的速度下降的倍数(对于本发明的电驱动开发，已实现6至15之间的比率)。这使得小型紧
凑型车辆能够将变速器限制为一个固定但较大的传动比。结果是简单且低成本的变速器，该变速器的电动机轴也是小齿轮轴，并且只有一个用于齿圈的附加轴。当然，就像在所有具有准双曲面齿轮的轴驱动中一样，差速保持架可以方便地安装在小齿轮齿圈轮廓的内部(见图3中的15)，而不会占用额外的空间。
[0056]
尽管已经参考包括齿圈和准双曲面小齿轮的锥齿轮组讨论本发明，但是本发明不限于此。还设想到其他齿轮组，例如蜗杆和蜗轮，或端面齿轮和偏置圆柱小齿轮。螺旋锥齿轮组和直锥齿轮组也可以特别地与例如图6、7和8所示的双级或行星减速装置结合使用。
[0057]
虽然优选的是，例如，电动机的驱动轴旋转轴线a
m
和车轮的轴线a
w
垂直，如图4所示，但本发明不限于此。电动机驱动轴轴线a
m
可以与驱动轴旋转轴线a
m
相对于车轮轴线a
w
的垂直方向(例如图4)成至多正/负(
±
)45度。换言之，电动机的驱动轴轴线a
m
可以相对于车轮轴线a
w
定向在45度至135度范围内的任何角度。齿圈和小齿轮的适当锥角变化将伴随驱动轴轴线方向的这种变化。
[0058]
与包括电动机、变速器或齿轮箱、差速器、车桥和车轮的常规车辆传动系统相比，本发明基本上消除了对单独变速器(或齿轮箱)和差速器部件的需求。一般而言，本发明的变速器有效地将变速器和差动部件组合成单个部件，这对电动车辆特别有益，因为它提供了电动机放置和定向的自由度。由于使用具有低齿数和高齿轮比的准双曲面小齿轮，特别是对于具有单级减速的本发明变速器，这是可行的。
[0059]
虽然本发明的变速器的优选用途是接收来自电动机的输入功率，例如用于驱动汽车或卡车，但是变速器也被设想用于原动机为除电动车或纯电动车(例如混合动力汽车或燃料电池驱动的汽车)之外的其他类型的车辆中。
[0060]
虽然已参考优选实施例描述本发明，但应理解，本发明并不限于其细节。本发明旨在包含对于主题所属领域的技术人员来说显而易见的修改，而不偏离所附权利要求书的精神和范围。