輪邊的案例
【資訊】特斯拉推出輪邊電機？詳細剖析輪邊驅動技術應用現狀和發展前景
圖1特斯拉 Model Y集中式雙電機驅動形式
究其根源，用戶為什么會如此在意特斯拉的電機是集中式驅動布置形式還是輪邊驅動布置形式呢？其原因就在于輪邊電機的安裝會對整車總布置產生很大的影響，尤其是在后軸驅動的情況下，由于車身和車輪之間存在很大的變形運動，對傳動軸的萬向傳動也具有一定的限制。簡單來說，輪邊驅動布置會對車輛的操控性和舒適性產生影響。這很可能是特斯拉用戶會對這種布置形式擔憂的來源。
二、輪邊電機在商用車行業的應用前景要遠好于在乘用車領域
雖然，輪邊電機的驅動布置形式會對車輛的操作性和舒適性產生影響。但是在要求較低的商用車行業，輪邊驅動電機的優勢則變得很顯著，它可以大大簡化車輛結構，縮短動力傳遞路徑，進一步提高能量的傳動效率，使電能得到最大限度的利用。[1]而且輪邊電機系統由于其電機安置位置離輪轂近的特點，對后期的維修服務非常友好。所以輪邊電機在商用車市場很受歡迎。
在商用車領域，國際上布局最為領先的是比亞迪、采埃孚和奔馳一類專門從事電機技術研發且有成熟產品的公司。其中，以國際零部件巨頭采埃孚布局最為迅猛，安裝了采埃孚輪邊電驅動車橋的車輛已經正在亞歐城市中試用（如圖2），并且得到了德國聯邦交通和數字基礎設施部的補貼。近年來一些新型和傳統的零部件巨頭，如Protean、Elaphe舍弗勒、日本 NSK也開始意識到輪邊電機的重要性，逐步加強在輪邊電機領域的研發投入。
圖2采埃孚輪邊電驅動車橋方案
三、輪邊驅動系統專利技術分析
我們已經弄清楚了輪邊驅動布置形式的概念和定義，并且發現輪邊電機在商用車領域的應用前景要好于乘用車領域后。接下來我們需要從專利技術角度對輪邊驅動電機技術的研究現狀進行分析。通過智慧芽全球專利數據庫發現日本在這一領域的研究起步早，其技術在世界上處于領先。
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附件包含某款輪邊電機（油冷電機）3D模型STP格式
汽車驅動橋知識.
中央單級、輪邊減速驅動橋
輪邊減速驅動橋較為廣泛地用于油田、建筑工地、礦山等非公路車與軍用車上。當前輪邊減速橋可分為2類：一類為圓錐行星齒輪式輪邊減速橋；另一類為圓柱行星齒輪式輪邊減速驅動橋。圓錐行星齒輪式輪邊減速橋由圓錐行星齒輪式傳動構成的輪邊減速器，輪邊減速比為固定值2，它一般均與中央單級橋組成為一系列。在該系列中，中央單級橋仍具有獨立性，可單獨使用，需要增大橋的輸出轉矩，使牽引力增大或速比增大時，可不改變中央主減速器而在兩軸端加上圓錐行星齒輪式減速器即可變成雙級橋。這類橋與中央雙級減速橋的區別在于：降低半軸傳遞的轉矩，把增大的轉矩直接增加到兩軸端的輪邊減速器上，其“三化”程度較高。
但這類橋因輪邊減速比為固定值2，因此，中央主減速器的尺寸仍較大，一般用于公路、非公路軍用車。圓柱行星齒輪式輪邊減速橋，單排、齒圈固定式圓柱行星齒輪減速橋，一般減速比在3至4.2之間。由于輪邊減速比大，因此，中央主減速器的速比一般均小于3，這樣大錐齒輪就可取較小的直徑，以保證重型卡車對離地問隙的要求。這類橋比單級減速器的質量大，價格也要貴些，而且輪谷內具有齒輪傳動，長時間在公路上行駛會產生大量的熱量而引起過熱；因此，作為公路車用驅動橋，它不如中央單級減速橋。
隨著我國公路條件的改善和物流業對車輛性能要求的變化，載重汽車驅動橋技術已呈現出向單級化發展的趨勢。
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附件包含3D模型STP格式 & DWG格式圖紙一張，模型如下圖所示。
汽車制動系統踏板感優化分析
圖 5 踏板力與減速度關系曲線
圖 6 踏板行程與減速度關系曲線
3.2 優化分析
壓力計算發現，輪邊最大抱死液壓偏大，前軸最大抱死液壓為 11 MPa，后軸最大抱死液壓為 6 Mpa，需要降低輪邊最大抱死液壓。
考慮到該車型的生產緊迫性，以及制動系統零部件優化的難易程度，通過提高摩擦片摩擦系數和增加輪邊有效制動半徑來降低輪邊最大抱死液壓，詳細見表 1。
表 1 輪邊最大抱死液壓的優化
項目
摩擦系數
原有效 優化后 原最大 優化后
半徑/mm 有效半徑/mm 液壓/MPa 最大液壓/MPa
前制動器
由0.36提升為0.4
127 139.5 11.5 9.3
后制動器
0.36維持不變
137.5 150 6 4.8
2. 針對初始踏板力大的問題，將真空助力器的始動力由 90 N 減小為 70 N，制動踏板回位簧對制動踏板的反饋力由 10～15 N 調整為 5～10 N。
3. 雖然輪邊最大抱死液壓降低為 9.3 MPa，但是仍然高于助力器拐點 8.5 MPa，需要增大真空助力器拐點，所以將真空助力器膜片型式由 177.8 mm（前膜片直徑）+203.2 mm（后膜片直徑）優化為 203.2 mm（前膜片直徑）+228.6 mm（后膜片直徑）。
4. 針對踏板行程偏長和踏板力大的問題，將制動主缸缸徑由 23.81 mm 優化為 25.4 mm，真空助力器助力比由 8 調整為 10。
以上各優化方案匯總見表 2。
展開 深度 | 純電驅動技術路線！
七、輪邊(輪轂)電機方案還是亮點，離熱點距離較遠
發動機汽車離不開離合器、變速箱，純電動公交車采取直接驅動也是不得以而為之。無傳統軸的直驅方案用于客車，如何克服非簧載質量較重困難，還看不到其可行性。
開發輪邊(輪轂)電機方案的基本意圖是什么？
a)是便于能量回收？有多少都能量可以回收；
b)是便于汽車橫向移動？橫向移動對客戶有而言，有多少增值；
c)降低公交車客車的地板高度？目前公交車地板高度還可以降多少，對客戶有多少增值。
(1)輪邊驅動方案優缺點分析
假設輪邊電機性能是穩定的，下面僅僅從汽車驅動技術上予以分析。輪邊在車輛兩側分別配一個電機，單獨驅動該車輪，它取消了主減速器和差速器，意圖是電耗較少。目前的難題有2個：
a)高速轉彎和路面顛簸上的差速控制，電子差速器的性能還不能與機械差速器的性能相比。這是一個嚴重的技術上的安全隱患問題。
b)非簧載質量較高,導致客車舒適度嚴重下降。這樣的產品推上市，客戶部會買嗎？
(2)輪轂電機方案優缺點分析
假設輪轂電機性能是穩定的，下面僅僅從汽車驅動技術上予以分析。
輪轂電機是安裝在輪轂里面的。省去了傳動軸、減速器等，其效率可能更高，更節能。但是認真研究一下，輪邊驅動方案的不足，輪轂電機方案都有。還有一個安全隱患，就是電機控制器集成到輪轂電機里，可靠性如何保障？
八、研究結論
當下以集中驅動為主，未來才是分布驅動。目前客車企業面對市場開發的純電動客車產品，動力布置的基本技術路線是：單電機+AMT(變速箱(2-3檔)+傳動軸+傳統橋。如果是產品研發(或者后者是零部件驗證)，就另當別論了。
展開 ABAQUS收斂調整(3):位移控制加載還是力量控制?
請參考如下案例，此例為Abaqus自帶的典型案例分析中一個關于接觸穩定與載荷的平衡問題，10KN的張緊力作用在螺母上（對稱模型的半螺母5KN）來緊固輪轂輪邊：
Figure-1:輪轂輪邊的緊固接觸
初次求解，增量步長減小五次后仍無法求解，分析終止。
從job monitor中查看Message File或從工作目錄下打開相關job的.msg文件查看提示的Error信息，看到數值奇異的警告提示：
******************************************
***WARNING: SOLVER PROBLEM. NUMERICAL SINGULARITY WHEN PROCESSING NODE
HALFHUB-1.535 D.O.F. 1 RATIO = 115.819E+12 .
***WARNING: DISPLACEMENT INCREMENT FOR CONTACT IS TOO BIG.
***WARNING: DISPLACEMENT INCREMENT FOR CONTACT IS TOO BIG.
***ERROR: TOO MANY ATTEMPTS MADE FOR THIS INCREMENT
數值奇異問題通常意味模型中的自由度缺少約束因而導致剛體位移，在許多接觸問題中，限制剛體位移的唯一約束需要依靠接觸和摩擦關系的建立，如果在載荷施加時接觸關系尚未建立，在未約束的自由度上就有可能產生不確定的剛體位移，從而產生不穩定問題。
簡化為一維線性模型來說，就是剛度矩陣為零，無法求解位移。
展開 [非線性]ABAQUS收斂調整:位移控制加載還是力量控制?
請參考如下案例，此例為Abaqus自帶的典型案例分析中一個關于接觸穩定與載荷的平衡問題，10KN的張緊力作用在螺母上（對稱模型的半螺母5KN）來緊固輪轂輪邊：
Figure-1:輪轂輪邊的緊固接觸
初次求解，增量步長減小五次后仍無法求解，分析終止。
從job monitor中查看Message File或從工作目錄下打開相關job的.msg文件查看提示的Error信息，看到數值奇異的警告提示：
******************************************
***WARNING: SOLVER PROBLEM. NUMERICAL SINGULARITY WHEN PROCESSING NODE
HALFHUB-1.535 D.O.F. 1 RATIO = 115.819E+12 .
***WARNING: DISPLACEMENT INCREMENT FOR CONTACT IS TOO BIG.
***WARNING: DISPLACEMENT INCREMENT FOR CONTACT IS TOO BIG.
***ERROR: TOO MANY ATTEMPTS MADE FOR THIS INCREMENT
數值奇異問題通常意味模型中的自由度缺少約束因而導致剛體位移，在許多接觸問題中，限制剛體位移的唯一約束需要依靠接觸和摩擦關系的建立，如果在載荷施加時接觸關系尚未建立，在未約束的自由度上就有可能產生不確定的剛體位移，從而產生不穩定問題。
簡化為一維線性模型來說，就是剛度矩陣為零，無法求解位移。
展開 基于整車工況的電動汽車動力總成系統效率優化設計方法
動力總成系統效率η 總是電機控制器效率η 控制器總、電機效率η 電機和減速器效率η 減速器的乘積：
通過整車平衡方程和NEDC 工況，求得對應的每個工況點所需的輪邊轉矩Tr、輪邊轉速Nr，再通過圖2的能量傳輸模型可求得對應點的電機運動特性和能耗。通過機車理論可得汽車行駛中的輪邊平衡方程：
圖1 整車時間速度
圖2 能量傳輸模型
式中，Ft 為驅動力；Ff 為滾動阻力；Fw 為空氣阻力；Fy 為坡度阻力；Fj為加速阻力；Ttq 為電機輸出轉矩；i 為整車轉速比；ηT 為減速器效率；r 為輪胎滾動半徑；G 為整車質量；f 為滾動阻力系數；α 為整車行駛坡度；CD 為空氣阻力系數；A 為整車迎風面積；μa 為整車行駛速度；δ 為汽車旋轉質量系數。
4.NEDC 能耗分布
根據能耗分析方法，結合整車參數和NEDC 工況，通過Matlab 仿真分析，得到整車能耗分布如圖3 所示，并得出結論：①有5個高能耗點（能耗占比＞1%），對應的能耗之和占整個NEDC 工況的54.9%，見表2。結合圖1，可知這5個點為勻速點，所對應點的轉矩值都較小；②在全NEDC 工況轉速范圍內，86% 的工況點落在輪邊轉矩50 ～200N·m 范圍內。為了便于分析其他點的能耗詳細分布情況，剔除5個高能耗點，其余點能耗分布如圖4 所示。
展開 純電驅動車輛動力總成的優化與比較研究
以純電動汽車為例，常見的動力總成拓撲結構包括有：中央驅動式動力總成、輪邊驅動式動力總成和輪轂直驅式動力總成等，如圖1所示。本文即以上述三種典型的動力總成拓撲結構為研究對象。
輪轂電機驅動方式用于微型純電動汽車，主要研究了拓撲結構的構型和參數設計。多輪驅動轉矩協同控制解決了車輛防滑工況時的縱向驅動轉矩和加速度降低等問題。但是，不同的動力總成拓撲結構對電動汽車的能量經濟性、制造/使用成本、車輛性能等方面的影響與分析的研究相對較少。本文擬根據多學科優化設計方法（Multidisciplinary Design Optimization method，簡稱 MDO），對于中央驅動式、輪邊驅動式和輪轂直驅式這三種動力總成拓撲結構進行全面、綜合的分析與比較，重點研究不同的動力總成拓撲結構類型對于車輛性能、能耗、成本等方面影響。
（a） 中央驅動式動力總成
（b）輪邊驅動式動力總成
（c）輪轂直驅式動力總成
圖1 純電驅動電動汽車典型的動力總成拓撲結構
1 基于目標分解的多學科優化方案
1.1 MDO優化架構選型
MDO方法是處理復雜系統設計與工程問題的重要手段之一。近年來，在航空航天、交通運輸、海洋船舶等領域有著廣泛的應用。MDO方法的主旨是：綜合多個學科各自優勢進行分析與優化，同時，在各個學科之間建立有效地協同機制，通過不斷的調節與平衡，使得系統的總體性能達到/實現既定設計要求或系統最優解。
展開 基于整車工況的電動汽車動力總成系統效率優化設計方法
動力總成系統效率η 總是電機控制器效率η 控制器總、電機效率η 電機和減速器效率η 減速器的乘積：
通過整車平衡方程和NEDC 工況，求得對應的每個工況點所需的輪邊轉矩Tr、輪邊轉速Nr，再通過圖2的能量傳輸模型可求得對應點的電機運動特性和能耗。通過機車理論可得汽車行駛中的輪邊平衡方程：
圖1 整車時間速度
圖2 能量傳輸模型
式中，Ft 為驅動力；Ff 為滾動阻力；Fw 為空氣阻力；Fy 為坡度阻力；Fj為加速阻力；Ttq 為電機輸出轉矩；i 為整車轉速比；ηT 為減速器效率；r 為輪胎滾動半徑；G 為整車質量；f 為滾動阻力系數；α 為整車行駛坡度；CD 為空氣阻力系數；A 為整車迎風面積；μa 為整車行駛速度；δ 為汽車旋轉質量系數。
4.NEDC 能耗分布
根據能耗分析方法，結合整車參數和NEDC 工況，通過Matlab 仿真分析，得到整車能耗分布如圖3 所示，并得出結論：①有5個高能耗點（能耗占比＞1%），對應的能耗之和占整個NEDC 工況的54.9%，見表2。結合圖1，可知這5個點為勻速點，所對應點的轉矩值都較小；②在全NEDC 工況轉速范圍內，86% 的工況點落在輪邊轉矩50 ～200N·m 范圍內。為了便于分析其他點的能耗詳細分布情況，剔除5個高能耗點，其余點能耗分布如圖4 所示。
展開 
分析 | 基于新能源汽車永磁電機的電驅動橋開發探討深度分析！
有輪轂總成、制動鼓、橋殼總成、主減速器總成、輪邊減速器總成、半軸、制動器總成等組成。
圖2 常規車型后驅動橋外形
3）前橋與后橋功能上的區別
前橋有轉向功能沒有差速功能，后橋有差速、雙級減速器功能。（說明：不同用途汽車，其車橋結構原理和功能基本相同，但產品外形、內部零部件連接，往往是許多的不同方式。）
三、經典后驅動橋為什么要配雙級減速器和差速器？
基于1）、2）的面臨的問題，工程師們想出了“雙級減速器和差速器”措施來。
四、目前有三種以上電驅動車橋研發的路線之爭
2）全新電機驅動橋基本種類
①中央電機驅動橋（見圖3）。
圖3 中央電機驅動橋
②輪邊電機驅動橋，（見圖4）
圖4 輪邊雙電機驅動橋
③輪轂電機驅動橋（見圖5），輪轂電機由于設計難度較大，上面少見市場車型。
圖5 輪轂邊雙電機驅動橋
4)傳統后橋仍然是新能源商用車主流
①由中央電機通過傳動軸連接一個傳統的后橋，也有帶一個少檔變速箱；
②由中央電機帶一個少檔變速箱，通過傳動軸連接一個傳統的后橋。
五、電驅動橋開發難度分析
1）中央電機驅動橋開發難度分析
①主減速器和差速器功能
②輪邊電機驅動橋，其主減速器和差速器功能呢？
③輪轂電機驅動橋，原來的輪邊減速器也給省了？
展開 純電動汽車雙電機驅動構型大盤點
重卡載荷變化大，由單電機高效，向追求運行綜合高效
3.1 采埃孚雙電機輪邊驅動客車橋
輪邊電機構型是從集中式到輪轂式構型之間的過渡構型，通常輪邊電機與固定速比減速器一起安裝在車架上，減速器輸出軸直接或通過短半軸與車輪相連來驅動車輪。
輪邊電機構型優勢在于舍棄了傳統的主減速器和差速器，不再經由長半軸部件傳動，簡化了機械傳動結構，降低了車載自重。
同時，減速器采用斜齒齒輪，相比主減常用的雙曲面齒輪，傳遞效率提高，制動回收能力提高，傳動平穩，沖擊、振動和噪聲較小。
電驅動系統發展趨勢及關鍵技術解析
輪轂輪邊電機總成方面，搭載輪轂電機的乘用車小批量示范運行，關鍵零部件實現國產化和成本可控，與國際領先水平差距縮小。
2.面臨的挑戰
電驅動系統仍面臨諸多挑戰。驅動電機領域，需加大超高效冷卻技術、高壓化扁線定子PDIV絕緣技術等方面研究力度。電機控制器方面，需提升高密度功率組件的機電熱集成技術、功率器件集成與驗證技術等。乘用車純電驅動總成領域需進一步創新突破。電力電子深度集成、跨領域功能集成、輕量化材料應用等方面需持續投入研發，以降低電驅系統總重、體積和成本。高速減速器研發制造需更多關注，高集成度同軸減速器、多檔化變速器、高性價比制動器等關鍵零部件研發不容忽視，低粘度兼容性潤滑油研發是重要任務。插電式混合動力總成核心技術發展方向包括深度集成、高效換熱、多動力協調控制、域控制器技術，以及功能安全和網絡安全等。商用車動力總成方面，需加強商用車專用齒輪箱供應鏈建設，推動電機控制器向多合一集成發展，功率器件級集成產品是重要技術方向。輪轂輪邊電動輪方面，產品可靠性和成本面臨挑戰，需從減重、關鍵零部件和材料優化、制造工藝改進、集成和工程化驗證等方面推進工程化應用驗證進程。
3. 未來發展方向
電驅動系統2.0框架全面涵蓋電驅動系統全產業鏈，包括驅動電機、電機控制器、電控集成系統、電驅動總成以及測試評價與綠色制造等多個核心組件，為未來技術創新和產業升級指明方向。電驅動系統專題技術指標體系包含驅動電機技術指標、電機控制器技術指標、電控集成系統技術指標、電驅動總成技術指標、測試評價與綠色制造技術指標等五大子領域，為電驅動系統研發、生產及評價提供全面技術指南。重點研究內容包括驅動電機及關鍵材料技術、電機控制器及關鍵器件技術、電控集成系統技術、電驅動總成技術、測試評價與綠色制造技術等。
展開 汽車車身輕量化系數詳解
3
增大腳印面積
此處所述腳印面積，即車身的輪距與軸距所形成區域的正投影面積，它也是表征性能的重要參量。該參量中的前后輪距大小決定了車子的大小、乘用空間，因為前后輪距確定之后，車子的輪邊寬度也相應的確定，車子的輪邊寬度與前后輪距之比應符合黃金分割，即輪邊寬/前后輪軸距的比值接近0.618。可見，A實際上確定了車子的級別，即A級，B級，C級和D級等，這與車子的寬敞舒適度也密切相關。
有人做過這樣的統計，將2011-2015這五年的ECB會議參展車型按照軸距Z來分類統計其輕量化系數。分類標準為軸距Z≤2600、2600＜Z≤2700、2700＜Z≤2900、Z＞2900這四類，并在各個級別剔除一個最高值和一個最低值，同時剔除k-car和超跑等極致車型，得到如下的圖示結果。
圖15
從以上的統計結果可知，由于軸距的不同，輕量化系數分層次排布。簡單來看，對于A0級車，輕量化系數需達到2.9以下，A級車和B級車都要3.2以下，C級車則要2.2以下。
對于扭轉剛度，一般日常A級轎車扭轉剛度在18000N·m，B級轎車扭轉剛度在20000N·m左右。而從上面的統計結果看，普遍比這一目標值要高，主要原因是高性能和SUV車型獲獎較多，拉高了這一數值。
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