乘用车同轴电驱基础技术分析

随着新能源电动汽车市场逐渐发展，关于电动汽车电驱动系统的研究逐渐深入，小型化、轻量化、集成化成为电驱动系统的发展趋势，即通过将驱动电机、逆变器，减速器三个部件一体化、集成化，可以实现轻量化、高效、小型化，以减少连接件、去除冗余件、降低成本、提高效率，在一定程度上解放空间、体积上的大幅减少更能支持新能源车型紧凑的动力布局，更加有利于整车布置。

经过一段时间的发展，同轴式电驱动桥因其结构紧凑、电驱桥外形尺寸更加规整、便于整车空间布置受到主机厂及零部件厂广泛关注，投入大量资源进行匹配和开发，市场上同轴电驱桥的车型也逐渐多起来了，下面以几款有代表性的同轴式电驱桥为例进行介绍。

一、GKN同轴电驱动桥

GKN同轴电驱动桥可轻松集成运用到不同车型平台中，除适用城市多功能车、豪华插电式混合动力SUV以及全电动超级跑车外，它还可轻松适用于前轮驱动、后轮驱动或全轮驱动的系统应用。经过三代迭代eTwinsterX配备两个档位，两速变速机构也为减小电机尺寸带来了帮助，同时也瞄准了大型传统OEM对在效率和能耗方面的巨大压力，另外同轴布置、扭矩矢量分配也符合其高端产品的定位。

1、GKN单挡同轴电驱动桥

▲GKN单挡同轴电驱动桥

▲GKN单挡同轴电驱动桥剖面图

GKN单挡同轴电驱桥只有一个挡位，这为车辆的运行带来了一些限制。这款电驱桥电机最高转速为 13,000 转/分钟。当车速到达大约 170 km/h 的时候，电机就已经逼近最高转速，而沃尔沃 XC90 设计最高车速为 230 km/h。因此，车辆必须在 170 km/h 左右时断开电机，保护其不会转速过载。

由于只有一个挡位，高车速的时候由于电机转速的限制必须将电机与驱动轴脱离，为实现此功能，在差速器的一侧有一个为了断开电机而为其配备的 EDD（Electronic Disconnect Differential）装置，如下图，其作用是断开差速器与电机间的动力传输。

▲GKN单挡同轴电驱动桥原理图

2、GKN eTwinster单挡同轴电驱动桥

▲GKN eTwinster单挡同轴电驱动桥

较上一代同轴电驱动桥相比，GKN eTwinster单挡同轴电驱动桥上取消了EDD 装置和传统的差速器，取而代之的是两个湿式离合器。这个就是吉凯恩的 “Twinster”四驱双湿式离合器系统，在这里用在了电轴上，所以加了一个字母 “e”，取名叫做“eTwinster”。其特点是使用两个湿式离合器取代差速器后，左右车轮的扭矩能够自由的分配。例如在弯道中，车辆可以将更多的扭矩传递到弯道外侧的轮子上去，从而提高车辆的过弯性能。这样的扭矩分配系统被称为矢量扭矩分配系统（Torque Vectoring）。

▲GKN eTwinster单挡同轴电驱动桥原理图

总结来说，GKN eTwinster单挡同轴电驱动桥，以平行轴减速实现同轴驱动桥的方案为基础同时用两个离合器实现了矢量扭矩分配。同时，由于有了两个离合器，当车速升高导致电机转速逼近最高转速时时，两个离合器打开，电机就与车轮分开了，从而实现了EDD 装置的功能，从这个角度来看，这个双离合器系统是一举两得。

3、GKN eTwinsterX两挡同轴电驱动桥

▲GKN eTwinsterX两挡同轴电驱动桥

GKN eTwinsterX两挡同轴电驱动桥实现了：同轴的布置、矢量扭矩分配、两个挡位。eTwinsterX 内安装了一个不常见的行星齿轮组，它由两个太阳轮（下图中S1及S2）和一个行星架组成，没有齿圈。在第一挡时，第一个太阳轮（S1）通过一个可控式单向离合器被制动锁死（如下图左侧），行星架推动第二个太阳轮（S2）及其所在轴转动。此时行星齿轮组的的传动比较大，为1.79，整个电轴系统的传动比为17.0。第二挡时，变速器内的换挡离合器（如下图右侧）接合，单向离合器打开。此时，整个行星齿轮组被整体旋转，两个太阳轮及行星齿轮架转速一致。此时，行星齿轮组的传动比为 1.0，整个电轴的传动比为 9.5。两个挡位间的换挡实现了无动力中断，保证了换挡时的驾驶舒适性。在传动比范围（ratio spread）上，吉凯恩采用了1.79，与其TorqueShift两挡变速器里的传动比范围几乎一致。

▲GKN eTwinsterX 第一档（左侧）及第二档（右侧）功率流

总结来说GKN的eTwinster系列同轴电驱动桥主要有以下几大特点：

a)   没有了传统意义的差速器，这一功能是由分别接到左右车轮的两套湿式离合器实现，同时还可以提供扭矩矢量分配。

b)   输出与出入同轴的设计让布局非常简便，不再像很多电驱动桥那样有不规则的外形，更加便于整车布置，尤其是后驱布置，这是最让OEM心仪的。

c)   电机超速有可能对电机本体或者控制器造成损坏，当车速过高时，高车速的时候由于电机转速的限制电机输出转速逼近或者超过最高转速时这时将两个离合器打开，可以断开差速器与电机的动力传输，以保证电机不会超速。

▲GKN eTwinsterX爆炸图

二、FEV同轴电驱动桥

FEV公开了一种高度集成的同轴布置驱动单元，其中电机，电控和变速器高度整合集成在一个紧凑的外壳中，之所以选择同轴解决方案是因为可以获得较低的总高度和优异的NVH性能。

▲ FEV同轴电驱桥

• 目标匹配中大型车，整备质量为2000kg左右；最大轴端扭矩3500 Nm；

• 0至100km/h 加速时间<6 s；

• 最高时速200公里/小时（轴速1,500转/分）；

• 峰值功率 230kW；

• 连续功率100kW，在坡度3%时巡航速度可达180公里/小时；

• 具备驻车锁和空挡功能。

1、齿轮组与驻车机构

齿轮组的运转通过两个齿轮轨道实现，没有齿圈。行星架连接到电动机的输入。小太阳齿轮可以接到壳体，以确保扭矩传递或解耦，以实现空挡功能。

太阳齿轮则提供输出，直接连接到差速器。由于在行星齿轮组中，齿圈一般是行星齿轮组中成本最高的零件，因此采用齿轮轨道代替传统齿圈，可以有效降低成本。

▲Lever diagram (left) and 3-D view of the gear set (FEV)

驻车机构采用轴向设计，与太阳轮同心布置，并具有空挡功能。由于它们非常接近，两个系统可以共用一个制动器（parking lock body）。该系统的设计使得空档和驻车都位于执行器行程的每一端。执行器位置布置在空档和停车（NDP布置）之间的中间位置。

▲ FEV同轴电驱桥驻车锁止机构

驻车锁止装置和空档换档装置由制动套筒驱动，该制动套筒将由致动器马达驱动的齿轮的旋转运动转换成轴向运动。制动套筒移动换档套筒和驻车锁体。与传统的驻车锁系统相比，该驻车锁体在功能上将锥形和驻车棘爪集成为一个部件。

ND套筒直接由执行器推入（方向N→D），并由回位弹簧（D→N）推出。驻车锁定套筒具有完全相反的设定。它通过预加载弹簧（D→P）推入，但不使用负载弹簧直接由执行器拉出。这两种功能都是用相同的弹簧实现的。

2、系统润滑与冷却

为了实现最大化的集成，采用具有用于减速齿轮组，差速器和电动机的一个共用油路。润滑剂不仅要满足冷却和润滑要求，必须满足高温下化学稳定性，高抗泡性，以及避免腐蚀铜组件和绝缘材料等一些额外的要求。

冷却分为外水套冷却和内部油冷却，如下图所示。外部冷却按常规建立，旨在吸收连续损失。安装内部油冷却回路的设计需要降低系统的能量损失，以增加系统输出功率和高能量回收效率。

▲ FEV同轴电驱桥油冷和水冷回路

为了减少这些损失，系统采用离心油冷装置。该系统由一个离心泵组成，该泵沿着水套将油泵送到EDU的侧面，在那里它被送入中心轴。这确保了油和冷却剂之间可以得到充分的热交换。从中心轴，油被输送到齿轮组以确保冷却和润滑。在转子中，该油被捕获并沿着金属板堆进给以转子进行冷却。在转子的两端，油被捕获在转子的端板中，然后回流。

离心泵的主要优点是结构简单、可靠性高、低成本和低功耗的特点，通过转子旋转提供所有给液体压力，与传统的油冷却系统相比，功耗可降低约50％，系统采用的离心泵功率仅需20W。尽管电能需求非常低，但是可以实现整个系统的高冷却性能，通过离心泵的速度控制，油流可以适应所需的范围。

EDU是FEV新一代电驱动系统的首款产品，可用于当前和未来的电动和混合动力汽车平台。通过智能集成组件，实现了高功率密度和高效率，同时优化了NVH性能。

三、雪佛兰Bolt同轴电机

随着电动汽车的发展，电动汽车对三电系统核心的需求也带动了新一波的合作潮和商机。一些整车厂，例如特斯拉、宝马会选择自产电池、电机、电控。

雪佛兰在2016年推出的BOLT是一台动力系统前置前驱的纯电两厢车，电驱系统就采用了 150kW 的油冷扁线电机，搭配输入输出同轴式布置的减速器组成二合一集成式电驱系统，电机控制单元 IPU 布置在电驱系统的上方，电驱系统放到现在来看，都是较为先进的，足以看出通用公司的技术实力。

对于整备质量 1.6 吨的两厢车，轮端最大扭矩 2500 多牛米，使得百公里加速能达到 6.5 秒，足以体现 EV 车型的驾驶乐趣。

▲配备同轴电驱的雪佛兰Blot

其特点在于：

1、雪佛兰 BOLT 电驱系统为电机与减速器二合一集成式设计，减速器的轴齿减速机构为两轴平行轴式布置（输入轴-差速器总成一根轴，中间轴一根轴），输入齿轮直接连接在电机轴上，差速器与电机轴同轴，差速器靠近电机侧采用差速器支架支撑，自带两段式半轴输出，长半轴穿过电机空心轴插入到差速器半轴齿轮，在电机后端盖处加有半轴支撑的滑动衬套，短半轴直接另一端输出。

▲雪佛兰Blot同轴电驱桥剖视图

BOLT 的减速器布置采用了动力输入输出同轴的布置形式，齿轮组为平行轴式，行业同仁有称“卖拐”式同轴，相比行星排的同轴布置，该结构简单，效率高，但空间结构没有行星排同轴紧凑，但相比普通式的三轴式平行轴结构，整体结构比较紧凑。

▲BOLT 的减速器布置实物及原理图

2、该二合一电驱系统的电机采用带有顶部集油箱的主动油冷方式。

电机定子采用集油箱淋油冷却方式，集油箱布置在电机壳的最上方，油液首先经过滤清器进入电子油泵，之后被送入集油箱和后端盖的滑动轴承衬套（用于支撑电机端长半轴的轴承），集油箱底部开有多个油孔，分别满足电机定子前端、中部和后端的冷却以及减速器轴承的润滑。集油箱侧面开有气压平衡孔，用于内部气压平衡，使得油液依靠重力正常进入各个导油槽。

3、为了降低成本，BOLT 取消了热交换器部件，直接在电机底部做了一个有较大面积的水箱，利用电机壳自身铝壳体实现冷却水与润滑油的热交换，没有单独的热交换器，降低了设计成本、重量和水道阻力。

水箱内部设计有多条导热筋，同时水道呈往复迷宫形状，进一步增加热交换面积，水箱的对面就是油底壳，高温油液回流到油底壳后实现热交换降温， 之后经过吸滤器重新进入下一个冷却循环。

▲Blot同轴电驱系统冷却水箱及附件

四、Audi etron电驱桥-后桥

Audi e-tron是奥迪在2019年推出的纯电动高性能SUV，Audi e-tron 车的前桥和后桥上各配备有一个电驱动装置。e Tron 前桥为三合一平行轴式减速形式，后桥桥为三合一同轴减速形式，双联行星轮行星排＋舍弗勒轻量化差速器构成，前后桥驱动电机均为铝转子异步电机。

Audi e-tron后电驱桥整体结构非常紧凑 Z 向高度仅 330 mm X 向长度仅410 mm(带声学包)总成重量 128 kg(带悬置支架、声学包、半轴法兰、搭铁线束以及控制器金属防护壳)。

1、Audi e-tron冷却结构

电驱冷却是比较复杂的，尤其是后电驱为同轴布置，半轴需要穿过电机，使得后电机的转子轴、前后轴承座水冷结构、控制器、电机定子、转子和前后轴承座水冷，水道结构极其复杂，冷却液也是首先流经电机控制器功率器件，随后冷却液流经定子冷却水套。之后，冷却液流经转子内部，最后再返回冷却液循环管路出口。

▲E-tron冷却示意图

电机轴内冷却液与定子进行隔离，e-tron采用端面密封来让旋转着的转子轴与不动的壳体实现密封。

要想实现端面密封这个功能，转动环之间的密封间隙必须要冷却和润滑。为了能在所有工作条件下都保证这个状态，密封转动环在制造时采用了激光结构。这种激光结构还能把冷却液压回入转子轴，但是无法阻止非常小的泄漏。漏出的冷却液被收集到一个储液罐内，储液罐是用螺栓拧在电机内的。在前桥上，坐标转换器盖有个隆起，冷却液被收集到这个隆起内，此处还有一个排放螺塞。

2、Audi e-tron行星齿轮差速器

奥迪首次采用了SCHAEFFLER公司生产的行星齿轮式轻结构差速器。这种结构的优点在于它特别适合用于Audi e-tron的电驱动机构上。其特点为：轴向空间很小但可传递扭矩很大、重量明显降低了（与传统的锥齿轮差速箱相比）。

行星齿轮差速器是一种开放式圆柱齿轮差速器，它会把输入力矩均等地分配到两个输出端(50 : 50)。这个驱动力矩经圆柱齿轮2被传至差速器壳体上。差速器壳体被用作行星齿轮架，它又会把力矩等量地传至行星齿轮。宽行星齿轮和窄行星齿轮彼此啮合在一起，用作差速器齿轮，会把力矩分配到两个太阳轮上，并在转弯时负责所需的车轮转速补偿。窄差速齿轮与小太阳轮1啮合；宽差速齿轮与太阳轮2啮合。

▲舍弗勒行星齿轮差速器

这种行星齿轮式轻结构差速器的一个重用特点是：通过使用两个不同大小的太阳轮来实现非常小的结构宽度。为了能把力矩均等地传至两侧，齿轮的几何形状是这样设计的：这两个太阳轮的齿数是相同的的。由于小太阳轮的齿根厚相比较而言要窄，所以就把该齿轮加宽了一些，以便能承受负荷。结构对比，如下图：

A – 相同大小太阳轮的形式

相同大小太阳轮这种结构要求有3个齿面 (1, 2, 3) 和相应的轴向结构空间。

B – 不同大小的两个太阳轮的形式

(SCHAEFFLER公司的行星齿轮式轻结构差速器)

在带有不同大小的两个太阳轮的结构中，行星齿轮副是在小行星齿轮的齿面内啮合的。因此只需要两个齿面 (1,2)，这就使得轴向结构空间大大减少了。

3、行星齿轮减速器

Audi e-tron双级扭矩减速是采用塔轮来实现的。第一个减速级是从太阳轮传至塔轮的大齿轮(i = 1.917)。第二个减速级是通过塔轮的小齿轮（它与固定不动的齿圈啮合并驱动行星架）来实现的 (i =4.217)。力矩通过行星齿轮架直接传至行星齿轮式轻结构差速器。

行星架分为两个平面：在第一个平面内是与塔轮啮合，在第二个平面内与差速器的行星齿轮（宽和窄）啮合，并由此构成了差速器壳体。齿轮箱有自己的机油系统。采用浸润式和飞溅式润滑。有采用了同轴式结构，因此不需要专门的部件去分配齿轮油。热量通过车辆迎面风对流以及通过电机的水冷式轴承盖散掉。

五、捷豹I-PACE电驱桥

I-PACE是捷豹（Jaguar）的第一款中型高性能SUV纯电动车（BEV）。I-PACE由两个驱动电机驱动，一个电机驱动前驱，一个电机驱动后驱，属于纯电四驱车型，前后驱的电驱系统零部件共用，前后驱电驱系统的区别在于前驱多了电子 P 挡机构以及应急解锁机构。

I-PACE减速器为油冷，但是在减速器外壳同样集成了冷却水道，增强减速器内部冷却效果，电机外壳处的水管为进水管，减速器外壳的水管为出水管，电机壳与减速器壳体之间的水道通过金属管连通。冷却水首先经过电机外壳冷却定子后，通过导水管再进入到减速器壳体，冷却减速器壳体和润滑油。

▲I-PACE电驱剖面示意图

1.减速器部分

I-PACE电驱系统同轴布置，EDU中减速器为双联行星排结构，与舍弗勒为奥迪E-tron设计的后驱减速器类似，该行星排结构中的行星架同样集成了差速器壳体的结构功能，即行星架与差速器壳体整体压铸成型、结构紧凑，三个行星轮为塔轮结构，太阳轮通过花键固定安装在电机轴上。不同点是I-PACE的差速器属于锥齿轮差速器，Y 向尺寸与重量相比E-tron要大一些，原理图如下图。

▲    I-PACE原理图

减速器部分为双联行星排行星架与差壳集成式设计。双联行星轮轴上有一大一小两行星轮，又名塔轮，三个大的行星轮端部均有平衡孔，降低行星轮轴旋转的动不平衡。双联行星排及差速器总成整个减速机构中，后端是锥轴承在减速器壳体上支撑，前端是滚针轴承在电机轴上支撑，滚针轴承位置处在旋转中心且远离壳体壁，高转速工况下需要重点考虑润滑 。

▲双联行星排及差速器总成

虽然减速器的动力输入齿轮（太阳轮）直接安装到电机轴上，但太阳轮并未呈现出悬臂支撑的状态，电机轴的头部端和差壳相互之间有滚针轴承支撑， 即通过四个轴承同时实现电机轴的三轴承支撑，以及减速器结构（行星排与差速器集成式总成）的双轴承支撑。其中，行星排的前支撑滚针轴承需要精确安装和运转，难度较高，对整个轴齿的支撑刚度有一定的挑战，容易引发NVH 问题，加上本身双联行星排的齿轮啮合副就多，因此该 EDU 的 NVH 问题对 AAM 来说有一定的难度，从市场表现力和获奖来看，该车的表现起码是获得了欧洲人的认可。

AAM 为I-PACE减速器设计的差速器属于常用的锥齿轮差速器，一字轴通过定位销固定在行星架与差壳的集成体上，巧妙的利用了行星架中间内部的空间安装差速器的行星轮、一字轴和半轴轮，且实现了双联行星轮轴的两端支撑。

2、电机系统

▲电机后端拆解

电机参数表：

▲峰值功率&峰值扭矩特性曲线

从电机特性曲线图看出 I-PACE 电机的恒功率区间是比较宽的，定转子结构和电磁方案应该是经过仔细设计和仿真的。

AAM 为 I-PACE 在电机外壳下方设置了一个蓄油池，目的是在车辆处于极限工况时，能够补充减速器润滑油，防止轴承出现润滑不足导致失效，正常工况下蓄油池储油，降低搅油损失，毕竟该同轴电驱的减速器内腔体较小。蓄油池的功能类似于水利工程的水库。

电机外壳集成了冷却水道，水道呈螺旋状，采用的工艺是低压浇铸，一体成型，因此机壳外部有多个砂芯出孔，最后采用堵盖封堵。

电机后端盖与电机外壳之间通过○型圈密封，后端盖通过 4 颗螺栓连接到电机壳上，有定位销定位，电机的后轴承安装在后端盖上。电机后端盖上安装有两个定位环，用于后盖板安装到后端盖时的位置定位。

▲电机后端拆解图

由于输入输出同轴布置，电机轴为空心轴，半轴需要穿过电机轴伸入到减速器的差速器半轴轮处。

位于电机后端的半轴处加装了支撑轴承，为开式深沟球轴承，因此需要油润滑，为了解决该轴承润滑问题，AAM 将减速器内腔体的润滑油通过油道引入电机壳，电机壳再引入到后端盖，最后进入到后盖板，完全借助减速器行星排的飞溅润滑，经过如此长的油道，在整车姿态下，电机壳体的油道还有落差，润滑油需要填满油道后才能进入后盖板，润滑有一定难度。半轴轴承的回油道通过半轴与电机轴之间的空腔回流到减速器腔体，如此形成一个润滑闭环。

为了实现半轴轴承润滑油的回油，AAM 在该半轴轴承的两端加了两个油封， 分别用来隔绝外界与轴承、轴承与电机腔。

紧凑的设计可以降低车身地板的高度，最大化车辆的使用空间。在这些应用中，具有小高度的同轴结构具有关键优势。因此，未来的电动汽车需要具有高功率密度结构紧凑型的电动驱动系统，支持新能源车型更为紧凑的动力布置。

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