e-Axle创造了全新的驾驶体验

图1  宝马i8采用了GKN公司的双速e-Axle系统

图2  GKN公司的eTwinster 转矩矢量e-Axle系统被安装在沃尔沃公司的XC90旗舰车型上

效率的驱动推动了整个汽车行业的发展，宝马i8配备的双速e-Axle创造了插电式混合动力汽车全新的驾驶体验（见图1）。

GKN公司提供了行业第一款用于量产的双速e-Axle，用于混合动力汽车和纯电动汽车，最初用在宝马i8传动系上。“如果你想将电动汽车变速器调试到最优化水平，你不能依靠一种速度，”GKN公司传动系欧洲工程设计运行部总监Andreas Mair坚持认为，“甚至如果我们看到电动机效率能够进一步提高改进的时候，情况也是如此。”宝马i8之后，e-Axle系统也安装在了沃尔沃公司的XC90车型上（见图2）。

现在，汽车行业正准备推出更多的纯电动汽车的驱动系统。

“我们的研究表明，多档变速器的优势可以覆盖更广泛的行车速度，”达姆施塔特机电系统研究所大学的负责人Stephan Rinderknecht教授表示，“多档设计结合了相当高的起动转矩，这将需要两个甚至三个齿轮的电动驱动系统。” Stephan Rinderknecht教授的预测不只是基于理论，他所在的研究所是Speed2E背后的一部分，该项目主要研究基于大型电动机和多档变速器的纯电动概念车。该研究所由四所大学以及行业合作伙伴格特拉克、伦茨和采埃孚组成。

“我们想降低转矩水平，通过速度产生必要的动力，” Stephan Rinderknecht教授解释说，因此，新的动力总成包括两台半尺寸电动机和一台配备两个平行的变速器齿轮箱。其中一个是可以调档的，因此，利用发动机超负载能力，电力同步爪式离合器在不损失横跨两动力路径牵引力的情况下运行。依靠将电动机速度加大三倍达到30 000 r/min，项目工程师们希望把系统质量减少一半，降低30%的成本。为期两年的这个项目得到了德国财政部1.6亿美元的公共资金支持，已于2016年底结束。

E-mobility的整合

在过去的一年中，采埃孚在其混合和电动变速器技术方面，取得了若干进展。

 在2016年开始时，采埃孚将其属下所有E-mobility相关解决方案集成重组一个新的分部，这个新部门的重点是开发和生产一体化整合解决方案，如用于乘用车上的混合动力和全电动驱动装置。其组合还包括电子变速器控制装置和与其相关联的控制元件。采埃孚计划在2020年的时候，成为中国主要的E-mobility供应商之一，上述新分部的成立，也是该计划的一个组成部分。

“把所有与轿车和商用车电气化有关业务集中在一个部门之下，我们就这些未来技术的重大意义，给市场发出明确的信号，”采埃孚的首席执行官Stefan Sommer博士解释说，“E-mobility正在来临，考虑到当前有关汽车排放和法律限制的情况，可能比我们想象的还要快。”据Stefan Sommer博士介绍，新的电气化分部以及公司结构表明，在对待从常规驱动技术到E-mobility的改变方面，采埃孚是非常严肃认真的。

在中国，对电动汽车的需求迅速成长。“我们期望到2020年的时候，成为中国主要E-mobility供应商之一，”采埃孚E-mobility分部的负责人Jörg Grotendorst说，“我们分部已经建立了销售和开发构架，在未来几年里，现场团队将进一步扩大，这个团队将得益于采埃孚在中国现有的强大力量。目标是实现开发和生产市场所需要的解决方案国产化的任务。”

采埃孚还表示，除了电动机、混合动力变速器、变速器控制装置和控制元件之外，还将很快生产全电力驱动系统，这个系统将于2018年为欧洲汽车生产企业投入量产。

采埃孚还将庆祝在德国勃兰登堡工厂里正式开始生产其新的8速双离合器变速器（8DT），采埃孚和保时捷的工程技术人员根据全新8速DCT（双离合变速器）开发了一款变速器“模块化工具箱 ”，在生产新型变速器系统方面，采埃孚投资了1.10亿美元。

“新型8速双离合变速器，让我们能提供从全四轮驱动到插电式混合动力跑车应用所需要的最大灵活性，” Stefan Sommer博士说道，“除了全新变速器模块化工具箱以外，因为在勃兰登堡工厂这里拥有最新生产技术和工艺，所以，可以使得如此广泛的选择方案成为可能。”

面临挑战 

但是，如果电力驱动系统要更加往前迈进，一定会面临挑战。首先，这将会要求更大的功率。Andreas Mair 解释说道：“我们看到一种要求更大功率和转矩的发展趋势，如果我们将电动汽车功率从60～80 kW提高到200 kW，那么，就需要在前进的路上获得额外转矩。其中，一种功能是转矩矢量。为此，我们开发了一款配置两个联轴节的系统，而不是最终差速传动系统。这样，我们可以单独驱动车轴的每一侧。该系统可应用于混合动力和纯电动汽车。”

还有一个发展趋势就是一体化整合。Andreas Mair及其团队已经放弃了传统模块化方法。他表示：“考虑三个基础零部件（电动机、变速器和电力电子器件）和额外的功能，比如停车锁止。为了让设计结构保持小巧、重量轻，必须取消接口，像电动机、齿轮箱和逆变器上的各种板和盘，这些东西都增加质量和占用空间。与其设计单独的零部件，我们还不如生产单一系统，我们将之称为‘高度一体化整合模块’。这是一个思路清晰的开发方向，当然这种模块也可用于纯电动汽车的驱动系统。”　　 

NVH因素

不过，用于纯电动和混合动力汽车的最大问题是NVH。驾驶纯电动汽车，意味着安静行驶，但这使得所有其他声音都突显出来了。所以，产生噪声的任何东西，潜在地说，都令人讨厌，那意味着电动变速器的噪声要求远比常规变速器高得多。

英国传动系统设计公司（DSD）正在为其NVH性能优化寻找新一代塑料。DSD公司总经理Mark Findlay表示：“塑料变速器外壳的优越性表现在两个方面：一个是重量，不仅如此，令人最为激动的是这种材料固有的阻尼性能。用于跑车的齿轮轮齿是短三角形轮齿，就效率和强度而言是好的，但是，对于NVH而言，则是糟糕的。如果箱体外壳能安静一些，则我们可以改变齿轮设计，将每次啮合的效率提高0.5%。如果齿轮的啮合运行效率已经是98%了，那么，0.5%将是相当大的一种提高了。另外一个优点是效率更高的齿轮副将运行于更低的温度下（一般在120℃），而与此相比，常规齿轮副的运行温度为150℃。对于一些水冷电动汽车驱动系概念而言，这是非常重要的。”DSD公司信心十足地认为，在耐久性方面，新材料将等同于与其对等的金属料。“在这方面，我们正在与我们的合作伙伴苏威特种聚合物（Solvay Specialty Polymers）公司一起努力工作，但是，我们仍然需要对其进行验证。我们认为距离大批量生产的验证，大约还要两年的时间，在应用于车辆项目方面，可能还要再过三年。” Mark Findlay继续说道。

图3  DSD公司的MSYS是一款连续三齿轮变速器，用于EV和HEV

在DSD公司，一项更加迫在眉睫的开发工作，是连续转矩三级齿轮变速器（用于电动和混合动力汽车）。本质上，DSD公司开发的MSYS是一款配置双离合同步器和三个齿轮的动力装置（见图3），MSYS承诺在效率和转矩为55 kW 和 2 000 N・m时，效率为 90%以上。“我们想挑战多档变速器的思路，” Mark Findlay声明说，“如果你要拥有双离合器的换档系统，而又没有办法填补转矩空白，你将会注意到档位之间的顿挫感，不管它多么完善也是如此。要让档位变化不被注意到，你就不能超过1：1.4的变速比，为了获得良好分配，并让电动机保持小尺寸和高效率，在理想的情况下，你将会需要1：2或1：2.5的比例。通过使用锥形离合器，我们还消除了湿式离合器的损失。”

那么，如何在既提供不间断转矩的同时，又在同一封装里提供三个齿轮？“这套装置事实上是一个将其功能分成两半的同步器，一个锥形离合器装在一侧，另外一个爪式离合器装在另外一侧，形成稍微复杂的换档顺序，但是，它会产生平顺的转矩传递，相当于优质的自动变速器。由于在前端安装了Yasa电动机，该装置的功率密度非常高，” Mark Findlay解释说道。这套系统由DSD公司的姊妹公司Evolute Drives公司开发，再有3～5年就可以上市。

对此进行计算

图4  在电动车（EV）齿轮上进行NVH模拟仿真

要设计如此复杂的多档变速器，而又不能让原型产品的成本螺旋式上升，那只有通过模拟仿真（见图4）。AVL公司拥有自己的模型工具。“我们有一个车辆模拟仿真的基础平台，称之为‘Cruise’，最近我们将电动传动功能增加到这个平台上，”负责全球变速器运行的副总裁兼产品线经理Hamid Vahabzadeh博士自豪地说，“这个平台让我们能够分析车辆燃油经济性、性能和传动质量之间的利弊得失。”

 据悉，该平台支持电动机的开发，这些电动机具备不同的图谱模型；平台有一体化整合逆变器对能量消耗、热特性和功率损耗等进行跟踪，与此同时，基波电子电动机模型对低频扭转动力学行为和电气与机械系统之间的相互作用进行考虑。结果，得出零部件基于时间负荷周期和集合负荷的详细设计。据称，开放性一体化整合概念将用户定义的零部件带入车辆系统，与此同时，RT系统的支持允许在硬件在环模拟仿真（HIL）和测试过程中，重复使用同一车辆模型。尽管有这些功能，这个项目并不需要外部的超级计算。“Cruise效率非常高，可在诸如笔记本电脑等常规平台上运行。” Hamid Vahabzadeh博士补充说道。

在AVL公司，工程技术人员通过合并变速器架构和定义不同“模式”而不是利用齿轮来降低生产成本和燃效。这家公司2014年推出的7档变速器，刚刚演化成配备电动系统的8档无级变速（eCVT）。据悉，由此生成的8档变速器布局紧凑，只有一个复合行星齿轮副和四个摩擦元件（两个离合器和两个制动器）结合在一起。8档变速器的运行模式包括5种平行混合模式、两种纯电动模式和一种电动无级变速模式。开发者说，速比优化了换档策略，提供了良好的乘驾体验。

这种变速器的特点是有一个电动无级变速（eCVT）模式，这个模式配备确定的转矩比例和可变速度配置，而转矩比例和可变速度配置是根据电动机速度、内燃发动机速度和输出速度而确定的。在eCVT模式下，据称，就其内燃机或电动机而言，系统运行于最佳效率点。另外一个优势，据称是eCVT所起的功能性作用，可允许在起动期间甚至在电池无电的情况下进行充电，或者当其行驶于道路上时，恢复其电力。“我们已经开发了一款展示这种概念的汽车，”AVL公司的Hamid Vahabzadeh说，“这款汽车的乘驾性能令人印象深刻，现在，我们正在就那种设计结构的第二代产品开展工作。”     

变速器专家对未来的发展持乐观态度：业界对电子驱动的兴趣正在方兴未艾，已经是确定无疑的，是所有OEM厂商都将应用第二层级的电气化。对驱动系工程技术人员而言，这是激动人心的时刻。