GKN新一代三合一同轴电驱动系统设计

01、系统介绍

GKN Automotive为插电式混合动力高端车型的OEM平台定制了一款全新的三合一后置驱动系统，该系统最近获得了欧洲汽车供应商联盟（CLEPA）的2021年创新奖。主要的挑战是在一个非常小的包空间内安装一个三合一系统，包括一个断开单元和一个驻车机构，以支持客户的车辆架构。紧凑型同轴设计，输入轴和输出轴在同一轴线上，需要在平行的中间轴上容纳驻车机构和断开系统。这是该产品在业界的首次应用，见图1、表1所示。

表1 电驱动系统参数

02、断开机构介绍

当车辆处于电动或混合动力模式时，凸轮驱动断开装置（CDD）将扭矩从电机轴传递到中间轴，并使最终驱动差速器转动。断开单元允许超过某一车速时的电机断开中间轴，在少于设定时间内打开离合器。当车速降低到某一车速时以下时，狗爪离合器在恢复驾驶的设定时间内自动关闭。这样，传统汽车和电动汽车的运行就有可能发生不明显的变化。

断开装置的一个挑战是它在中间轴上的位置，这意味着必须克服和补偿狗形离合器内更高的转速。快速的连接和断开时间是由GKN公司内部完全开发的功能性应用软件（功能安全软件）实现的。它可以通过一个先进的速度控制器，在控制回路中估计时间，实现电机速度的更快同步。此外，通过先进的位置控制器，狗爪离合器可以由无刷直流电机更快地驱动，如图2所示。

图2 断开机构示意图

03、驻车机构介绍

该应用的另一个特殊特点是驻车机构，它也安装在中间轴上，必须满足特别苛刻的要求。

即使在-40°C和倾角为30°%的停车情况下，驻车机构也必须绝对可靠和始终如一地抓住滚动的车辆，并通过将停车爪插入停车轮将车辆固定在斜坡上，如图3、图4所示。

这一要求要求特别快的动作，这是由不同的功能组合来确保的锁。功能安全软件的超前位置控制保证了无刷直流电机在软件端快速驱动。在硬件方面，驻车机构位于自己的舱内，有自己的油位，以实现充足的油量和低水动力阻力之间的最佳折衷。由于闭锁系统不是由齿轮箱其余部分飞溅的油润滑，额外安装了一个油垫，以便每次机构启动时都能润滑闭锁部件。与主齿轮箱腔相比，该锁架浸泡在粘度更低的油中，以促进在非常低的温度下可靠的驱动。专门为该应用开发的一种正在申请专利的槽锥，显著降低了流动阻力，进一步确保了在低温下所需的啮合速度。

图3 驻车机构示意图

图4 驻车测试曲线示意图

04、润滑结构介绍

紧密型电动传动系统的高效率要求，以及系统周围几乎没有气流的紧凑单包设计，要求采用复杂的冷却策略，在不需要单独水泵的情况下，将干式永磁同步电机、变速箱和电力电子设备的热量散热。该解决方案包括将冷却水输送到电机外壳、逆变器周围，并进入与齿轮箱外壳集成的热交换器中，从而在冷却液流动阻力低的情况下散发出足够的热量。这种选择的配置确保了干式旋转电机和最佳的变速箱冷却，避免了电机的损耗和泵的功耗，从而利用世界协调轻型车辆测试周期（WLTC）实现了卓越的系统效率。

从电机和逆变器交换的热量加热并迅速稳定传动油的粘度，这使得在低温启动时能够快速提高效率。为了优化系统壳体齿轮箱侧的配油油藏，通过齿轮轴的旋转填充，保证了对轴承和齿轮啮合点的供油，如图5、图6、所示。中空的中间轴为圆锥滚子轴承通过一个专门开发的透油可折叠垫片提供油，在高速断开操作中可靠地润滑和散热。

图5 润滑仿真示意图

图6 驱动电机水道冷却示意图

驱动系统通常有很高的NVH要求，这给开发带来了挑战。记住，断开机构位于中间轴级，中间轴上的中间齿轮轴承安排的设计必须特别严格，以防止中间齿轮啮合的调制。圆锥滚子轴承使刚性装配需要在连接模式下，而不妨碍在断开模式下的delta速度。

传动设计包括一个中间板，这是必要的，以预加载动轴承在这个同轴设计。重要的振动模式被转移到安全的频率范围内，而不会增加不必要的重量或损害紧凑的封装要求。传动齿轮的个别微观几何形状，加上优化的位置公差和高系统刚度，产生高效的扭矩传输与优越NVH演出。

这款三合一系统由GKN与欧洲的一家OEM合作开发，在上海的合资生产基地全球推出。整个系统的组装结合了电机的建立，传动部件的制造，电气子系统的集成和系统软件的实现，包括应用功能的功能安全软件。

05、总结

GKN独特和创新的三合一同轴系统是高性能的相对于其重量。它驱动包装到一个最佳的独特的热管理和高效的传输，具有线控驻车机构与线控断开系统。电机、高压电子设备和变速器之间的传统接口集成在一个集成的系统结构中，其刚性确保了卓越的NVH性能。该系统允许新型高端汽车在两轮驱动和四轮驱动模式之间、在电力和燃烧模式之间进行舒适的切换，以实现高速公路效率和全轮驱动牵引力的最佳折衷。