德纳商用车辆电驱动桥产品开发
摘要
世界各地的车辆制造商正在各种应用中推行电气化产品。城市货运和城市公交应用正在迅速采用电气化产品。德纳的Spicer® eS9000r和Spicer® eS6400i中使用的电驱动桥技术满足了性能和包装需求，提供了高功率密度的解决方案。全新的TM4 Sumo™ LD系列电动电机是与Spicer® eS9000r和Spicer® eS6400i紧密配合开发的，通过采用系统开发方法提供了独特的价值。用于验证这些电驱动桥作为系统的几个关键设计输入和测试包括：加速驱动循环、动态系统疲劳、扭转冲击疲劳和振动耐久性。德纳提供从中央电机和集成系统到传统动力传动系统的电动汽车动力传动产品，并正在寻求更先进的多速方案，以利用替代冷却方法来提高功率密度。导言
德纳公司2020年推出了两款名为Spicer® eS9000r和Spicer® eS6400i的新型电驱动轴，旨在解决中型卡车和公共汽车领域的需求。这些系统符合行业标准性能，并经过优化，可整合到现有车辆平台中。它们是健壮的单速电动轴，采用高效的平行轴斜齿轮传动，使得包装更加紧凑，功率密度更高，并比现有的直接驱动解决方案效率更高。新的TM4 Sumo™ LD电动电机是这些电动轴成功的关键，利用广泛的扭矩和速度能力，适用于电动轴。为了确保耐用性和可靠性目标，德纳在系统级设计验证方面的工作被认为是一个关键的重点领域。本文概述了已经执行的测试，以确保这些产品具有长期的使用寿命。这包括功能验证、系统级疲劳测试和非悬挂质量测试的讨论。最后，将提供德纳在Spicer® eS9000r和Spicer® eS6400i之后的下一步发展展望。市场与应用重点
客户期望、政府法规、总拥有成本模型和移动趋势逐年迅速倾向于电气化交通。全球的汽车制造商和车队都在创建其底盘的电气化版本，甚至有些正在创建全新的电动专用平台。在商用车领域，从4-5级交付卡车和公共汽车一直到8级卡车都在电气化。这些新车辆将需要高度工程化的系统，配备高压电池和用于推进的电动动力传动系统。德纳认为，在3至6级别车辆中，电气化技术的快速适应将会发生，汽车制造商可以迅速实现电动汽车技术。在这些重量级别中运行的车辆通常用于城市货运和小型城市公交应用，每天里程短，速度低，有大量的启停式驾驶。低续航需求使得汽车制造商能够开发低复杂度的电气化解决方案，例如纯电动汽车（BEV），而不是复杂的多燃料续航混合动力车辆。这些车辆将是健壮有效的解决方案，通往市场的路径较短。德纳开发了两款成套的电动轴动力传动系统，以应对3至6级车辆领域的需求。这就是全新的Spicer® eS9000r和Spicer® eS6400i。
图1：德纳 Spicer® eS9000r 电驱动桥
图2：德纳 Spicer® eS6400i 电驱动桥
性能
Spicer® eS9000r的设计首先是通过了解全球各地客户和地区的车辆性能需求而形成的。我们发现，大多数汽车制造商对于特定地区的性能需求相似。然而，不同地区之间的性能要求差异很大。例如，在北美，我们通常会看到车辆在满载重时需要在20%坡度上启动的要求。北美的一个具有挑战性的方面是，这种车辆还必须能够以每小时120公里的速度巡航。相比之下，印度等不同地区可能需要更高的启动能力，约为30%，而顶速则在每小时80至90公里的范围内。这种广泛的性能范围需要一种市场上尚未提供的电动马达和优化的齿轮比。在Spicer® eS9000r和Spicer® eS6400i的核心是由位于加拿大魁北克蒙特利尔外的德纳的TM4合资企业设计和开发的全新TM4 Sumo™ LD HV800电驱动系统。TM4在向中国和其他市场提供高端直驱系统方面有着悠久而成功的历史，例如他们的TM4 Sumo™ MD和TM4 Sumo™ HD。TM4 Sumo™ LD HV800是一种水冷的三相永磁电机，由TM4的CO150逆变器驱动。它主要是为更高比例的电动轴设计的，并具有更适合作为模块化电机系列一部分的较小直驱动动力传动系统的其他变体。该电机重量为82公斤，机身直径为300毫米，更重要的是安装长度仅为321毫米。通过密切合作开发Spicer® eS9000r和Spicer® eS6400i作为完整动力传动系统，优化了TM4 Sumo™ LD的各种特性。特殊设计的后板使电缆端子箱可以放置在电机顶部，而不是电机背面，以提供更多的框架轨道间隙。转子轴花键的开发允许在齿轮箱侧使用特定的高速轴承。此外，电机的电磁电路可以配置不同长度、绕组配置和相数，以支持扭矩、速度和功率级别的变化，有效应对齿轮和直接驱动应用。该系统与广泛范围的输出功率和电池电压兼容，可利用四种可用的逆变器选项。
图3：TM4 Sumo™ LD HV800
HV800在电动轴上表现出色的原因在于其峰值扭矩与转速比。在峰值条件下，它产生950牛顿米的扭矩，同时以高达8600转/分钟的速度旋转，这要归功于转子中的专有磁铁排列。这使得Spicer® eS9000r和Spicer® eS6400i能够在5级车辆的性能范围内良好运行。典型5级车辆上Spicer® eS9000r的性能超过了行业的启动能力和最高速度的预期。通过优化的电磁电路来最小化损耗，解决了对高持续功率的需求。用于将绕组固定在槽中的定子楔升级为铁质材料，以改善从转子到定子的通磁路径。并且优化的树脂真空压力浸渍（VPI）工艺旨在改善从绕组到水套的热传导。为了充分利用TM4 Sumo™ LD的高速和高扭矩，优化了9.83的齿轮比。其他比例正在考虑中，以满足需要更高启动能力和较低速度的车辆的性能要求。齿轮传动采用高效率的双减速斜齿轮组，这些齿轮是在内部制造的。齿轮的设计还考虑了双向扭矩应用，这对于需要进行动力再生以扩大电动车的续航里程至关重要。底盘适配
将电动传动系统与底盘及车辆性能进行物理整合是任何商用车辆动力传动成功的关键要素。这些通常是硬性目标，也是我们在为客户规划系统时首先考虑的要求。德纳在向商用车市场提供传动线多年经验，了解来自不同应用和地区的底盘配置和性能要求。传统车辆采用内燃发动机、变速箱、传动轴和后轴推动车辆前进。长期以来，这一方法被认为是移动性的接受方式。许多原始设备制造商正在使现有底盘电气化，这意味着底盘和悬挂布局将基本保持不变以方便电动解决方案的实现。原始设备制造商需要在使这些底盘电气化方面有所创新。这就是德纳可以增加价值的地方！将所有内燃机动力传动组件移除，并用满足原始设备制造商性能期望的小型紧凑电动轴取代它们并不容易。Spicer® eS9000r采用高功率密度电动机和齿轮减速器系统，以便整洁地安装在现有直升机车辆的框架轨道和悬挂之间，或者安装在新车辆的次级框架中。螺旋齿轮、轴承布置和油流特性得到优化，以便Spicer® eS9000r和Spicer® eS6400i可以前向或后向运行，以便安装到不同的悬挂系统中。
图4：Spicer® eS9000r在客户底盘中
发展
德纳有115年的传动系统产品开发和制造经验。规格、性能数据和车辆演示在纸面和原型中看起来很棒，但是这些产品是如何开发和验证的是德纳增加独特价值的关键差异化点。对于客户来说，购买经过全面测试的电动轴解决方案比管理由不同供应商提供的组件混合和匹配所带来的复杂性和工程更具价值。中型电动轴系列的系统级测试将需要一台先进的电动动力测试台（eDyno）。我们总部内部的电动动力测试台可以提供高达800V和高达680kW的功率。这台新型电动动力测试台与传统的传动系统测试台的区别在于如何为测试设备供电。这台电动动力测试台需要一个带有车辆牵引驱动电机的电动轴。电动动力测试台的其他特点包括从-40摄氏度到120摄氏度的电子元件的水-乙醇冷却，以及一个特殊的气候舱，能够模拟-40摄氏度到110摄氏度的各种环境。
图5：Spicer® eS9000r安装在电动测功机上
我们进行所有电动轴开发的关键测试称为功能验证。该测试的目标很简单，就是了解电动轴在实际世界中的表现，并且是我们对新产品进行的第一项测试。系统性能特性包括总能量效率、理解各种组件的温度，如轴承、离合器、IGBT和电机线圈温度。我们功能验证计划中的一个示例测试模式是在各种气候条件下运行未经修改的时间步长客户驾驶循环。通过新的测试台，我们可以模拟一些最具挑战性的环境条件，以确保我们的电动轴具有最高的可靠性和性能。加速驾驶循环
从耐久性的角度来看，我们有几个其他系统级测试，确保产品在使用寿命期间的可靠性。这些测试源于从头开始的电动轴设计失效模式和影响分析（DFMEA）。三个测试确保系统满足耐久性要求：加速驾驶循环、动态系统疲劳和扭转冲击疲劳。
加速驾驶循环测试基于客户提供的应用驾驶循环或行业内协定的标准循环，例如来自美国国家能源研究实验室（NREL）的巴尔的摩城市送货5B级循环。此循环用作效率分析、机械部件耐久性、电动推进性能和热需求的组成部分。原始的速度与时间驾驶循环通过车辆动力学计算转换为输出扭矩与速度与时间曲线。
然后，在模拟程序中完全对电动轴系统进行建模，并对系统进行损伤分析。为了生成加速驾驶循环，选择特定速度点以展示驾驶循环的操作范围。将电子元件冷却至最佳温度使我们能够在这些选择的操作速度点上提取最大连续扭矩。然后，我们可以将相当于50万公里客户驾驶循环造成的损伤压缩成5到10天的测试时间。在开发这种加速循环时，同时考虑正向和再生模式，因为两者对部件磨损有不同的影响。
动态系统疲劳
在传统传动系统中，商用车辆市场将许多不同的发动机、变速箱和后桥混搭到各种底盘和应用中。例如，城市送货车上的单后桥也用作长途卡车上的串联后桥。Spicer® eS9000r和Spicer® eS6400i能够在4-6级别车辆中的广泛范围内使用。其中一些车辆和应用需要比其他车辆和应用更高水平的性能。动态系统疲劳测试将产品验证到应用范围的极限，并验证系统的能力以确保在使用的任何地方都具有可靠性。
动态系统疲劳的基础是考虑一辆车在其最大总重下，从零加速到高速公路速度，并使用最大再生能力将车辆再次减速至零。这实际上通过高热峰值与最大驱动和再生负载相结合，对电子和机械组件进行了全面的考验。Spicer® eS9000r 和 Spicer® eS6400i 系统的额定最高性能为 750V。在 750V 下，峰值和持续功率输出最高，并且峰值扭矩可以持续到更高的转速。这些特性使得测试具有挑战性。那么，如果德纳收到一个使用最大总重和 750V 应用，并配备了强大冷却系统以保持电机中的水-甘醇处于最佳温度的运行，会怎么样呢？德纳将测试最严苛的条件，以确保其符合耐久性标准，并迅速通过应用审批流程。扭转冲击测试
商用车辆的工作循环和操作环境通常比乘用车更加恶劣。商业和商用活动不会因恶劣天气或恶劣路况而停止或减速。由于Spicer® eS9000r 和 Spicer® eS6400i 提供了高瞬时扭矩，因此在操作过程中可能会出现滑移事件。通常，原始设备制造商限制驱动扭矩的斜坡，并配备牵引控制系统来考虑这一点，但我们无法保证它们的性能，因此德纳确保这些类型的牵引事件具有健壮的可靠性。
滑移事件发生在驱动轮在低摩擦系数表面上旋转，例如冰面时。当车辆在低摩擦表面上缓慢前进时，旋转的车轮会找到高摩擦表面，并迅速减速以匹配实际车速。这种快速减速会在电桥系统上产生巨大的惯性扭矩，通过齿轮、电动机、载体铸件和法兰传递。这种极端条件作为我们系统开发过程的一部分在有限元分析中进行模拟，并在设计验证过程中进行测试。
图6: 电驱动桥一轮轴的惯性扭矩峰值
上述图表仅显示了右侧轴轴承产生的扭矩。在这种滑动-粘滞事件中，带有惯性的总输出扭矩几乎是仅由这个电驱动桥产生的扭矩的两倍。非悬置质量振动耐久性
商用车辆轴产品用于支撑车辆的重量并在车轮和悬架之间传递负载。由于这些产品位于悬架之外，它们所受到的振动和位移约为悬架质量振动的六倍。例如，如果卡车撞上一个大坑，导致轴上的振动增加了30G，驾驶舱只会感受到5G。随着电动轴将推进系统、传动系统和轴功能组合成一个设备。现在，敏感的电子设备、换挡系统和额外的非悬置质量被安装在车辆下方，并经常受到大振动和冲击负载事件的影响。
Spicer® eS9000r系统中的所有子系统和组件均已经过分析和优化，以在非悬架质量条件下长期运行。德纳的首要努力是尽可能减少非悬置质量。通过将齿轮箱壳体设计为铝制，我们从Spicer® eS9000r中节省了32公斤的重量。铝结构部件在商用车辆中并不广泛使用，我们还进行了一些独特的设计输入，例如高扭矩冲击载荷产生的齿轮反力以及严重的g载荷冲击。为了验证电轴系统的非悬置质量耐久性，德纳开发了一项基于真实世界数据采集的综合测试。工程团队出去收集了几辆车的耐久性要素的轴振动和位移数据。其中一些要素的例子包括车架扭曲、嘎嘎声凸起和铁路道口，似乎会产生最大的振动。
对于每个耐久性要素的重复次数是根据电轴的设计寿命计算的。德纳与当地的测试合作伙伴合作开发了一个台架测试，以复 制每个耐久性要素。在这个持续数百小时的测试过程中，电轴的位移和冲击负载都得到了保留。为了确保测试全面且加速，电轴正在进行有动力的热循环，以捕捉电轴中各种材料的膨胀和收缩。电动马达正在旋转以考虑陀螺力，同时监测紧固件中的张力，以确保在非悬置质量振动下没有松动。商用车市场对可靠和强大的动力传动系统有着很强的重视，德纳确保通过Spicer® eS9000r超越了这一期望。新产品开发
Spicer® eS9000r和Spicer® eS6400i仅是使用德纳设计和开发方法的电动动力传动产品的两个例子。市场对几乎每种车辆和应用都需要电动和混合动力解决方案。Spicer® eS9000r和Spicer® eS6400i仅是使用德纳设计和开发方法的电动动力传动产品的两个例子。电动轴具有独特的价值，因为它们具有更高的功率密度和效率，从而减少了能源消耗，并允许更大的包装灵活性。一些应用和车辆具有高于平均水平的性能目标，这需要在相同的包装尺寸内提供更多的功率和扭矩。德纳认识到，具有多速齿轮和替代冷却方法的高速电机提供了增加的功率密度和更好成本效益的性能。对于这些复杂的集成电动轴，对换挡控制器的开发、润滑要求和扩展的电压范围的关注至关重要，以确保其正常运行。德纳提供了从传统的中央电机配合传统传动轴和轴到强大的电轴解决方案的广泛产品。这些解决方案提高了效率、性能和包装。除了高度集成的电轴解决方案具有一流的功率密度和扭矩输出之外，德纳的电轴设计、开发和验证过程还将确保这些产品的质量和韧性。
