摘要：本文介紹了一種用于混合動力汽車和電動汽車的創新的電動主動差速器，該產品已經過臺架測試，并安裝到某項目中的純電動汽車上測試。
根據 FZG 的原理的電差速器不僅能實現純電動驅動，也使主動橫向轉矩分配成為可能。
開發電驅動差速器的目的在于優化電力驅動系統，包括使效率達到最高，以及設計的產業化實現和電驅動轉矩分配的功能性驗證。
關鍵詞：輕量化差速器，電動主動差速器，電動汽車
1、前言
由于全球變暖以及化石燃料的缺乏，電動汽車驅動裝置的開發成為新能源汽車研究的領跑者。
聯邦德國政府希望在未來的十年內本國成為電動汽車領域的市場領先者。
即使沒有電動車，我們汽車保有量在持續增加，也導致交通密度不斷升高。
因此為了降低事故率，歐盟發起 eSafety 運動來實現一個大膽的目標：即把2010 年未來十年的道路交通死亡率降低一半-但僅僅通過改善道路條件是不可能實現這個目標的。
車輛傳動系統及控制系統必須更加智能化從而可以主動修正駕駛者所犯的錯誤，有別于已經有或正在開發中的一些駕駛輔助系統。
本文提出的用于在純電動驅動系統的裝置是一個全新的發明。
舍弗勒在早期開發正齒輪差速器的時候，就已經激發了將速差控制電機同軸的安裝到差速器上的靈感。
最初的設計表明這是一種非常緊湊的傳動系統。如果差速器能把集成式的減速器和輔助電機組合到一起實現車輛之間的橫向轉矩高校分配，駕駛的操控性、舒適性、安全性將得到顯著提升。
舍弗勒在Herzogenaurach的前期開發團隊設計了這種被稱為主動電差速器的系統的原型，并且在臺架上進行了深入的測試和研究。
然后該團隊將兩個主動電差速器系統安裝在一輛的AWD電動汽車上，進一步驗證電驅動轉矩定向分配系統在汽車前橋、后橋以及共作用模式下的優點和局限性。
2、舍弗勒輕量化差速器
傳統的差速器有平衡兩輪間的不同轉速的功能，比如在車輛轉彎的時候。汽車教學儀器
在這種情況下軌跡半徑大的車輪旋轉速度要快于軌跡半徑小的車輪。但轉矩的分配比率是固定的 50：50%。
舍弗勒應用行星齒輪技術開發出優化體積和重量的正齒輪差速器，我們稱之為量輕化差速器（圖 1）。
該差速器有對稱齒輪、非對稱齒輪兩種不同型號，見圖 1 中的（a）和(B)。
（a）型差速器有 2 組行星齒輪副，每組行星齒輪副有 3 個行星輪，因此有 3 對行星輪。在左右兩邊，同一個行星齒輪副的 3 個行星齒輪對其對應的太陽輪嚙合；而在中間區域上屬于不同行星副的 3 對行星輪相互嚙合。這種設計要在兩個太陽齒輪中間留有間隙。
（B）型差速器的設計初衷是為了最大化利用（a）型號差速器兩個太陽齒輪之間的橫向空間，進一步的減少差速器的體積和重量。
該設計把行星齒輪嚙合平面移動到行星輪與太陽輪之間的嚙合平面。采取舍弗勒輕化差速器代替傳統的錐型齒輪差速器可以為中級車的后橋減輕30%以上的重量和幾乎70%的橫軸空間。
圖1：舍弗勒量輕化差速器(a、對稱太陽齒輪和行星齒輪；B、非對稱齒輪）汽車教學設備廠家
3、主動差速系統
與前述傳統的差速器不同，所謂的主動差速器不僅平衡兩輪的轉速差，而且可以把驅動轉矩獨立的分配到每個車輪。這就是轉矩定向分配技術。
由于車輪上不同的圓周力，在車輛豎直軸上會產生一個偏轉轉矩，該力矩直接影響駕駛的動力性和穩定性。
與 ESP 系統不同，主動轉矩分配控制系統干預時并不會使車輛減速。具有轉矩定向分配功能的主動差速器安裝在后橋上，能產生與目前的 ESP 系統相同的效果，即防止車輛前輪轉向不足；并因此提高車輛安全性和動力性能, 見圖 2。
同軸的不同車輪受到不同的驅動/制動轉矩在車輛垂直軸線上產生偏轉轉矩。主動的橫向運動可顯著提升車輛轉彎和變向過程中的動力性能。敏捷的駕駛表現不僅僅能提高駕駛的舒適度，還提升了駕駛安全性，比如在車輛做變道動作。
通過合理的車橋運動設計，作用在轉向橋兩側車輪上的不同的驅動力將在轉向桿方向上產生一個偏轉轉矩。因而可通過設定橫向轉矩分配來實現轉向鎖定或轉向助力。
更多的比如由于橫向風和路面溝槽等因素造成的負面影響，可以通過動態的橫向轉矩分配控制來糾正，獲得更憂的駕駛感覺。新能源汽車教學設備
此外偏轉轉矩可以實現一致的駕駛表現，例如對于一個給定的轉向角產生的轉彎半徑是一定的，和車的載荷、速度無關；這一點至少在原理上是可行的。
圖 2：主動橫向轉矩分配的優點
輪邊轉矩的控制是通過控制車輪的轉速實現。根據預設的滑差率曲線，可使車輪之間產生轉矩差。圖3 顯示了車輪轉速和驅動轉矩之間的關系。
如圖 3，在最初的(a)狀態下，車輛直線行駛，兩個后輪都以同樣的速度和驅動轉矩行駛，兩個后輪上產生的滑動率相同。
我們假設現在左輪制動，由于整車驅動轉矩不變此時右輪的驅動起來非常困難。狀態B 顯示了左輪制動力矩和要求制動滑差之間的關系。然而，不論左后輪上的制動力矩是怎樣的，右輪上的驅動力矩必須增大到狀態 C 的程度以保證總驅動力不變，圖 3 的滑動曲線顯示了右輪必須的工作點。
圖3：車輪滑動率和驅動轉矩關系
通過滑差率與驅動力曲線的關系，要實現驅動軸上驅動轉矩的定向分配則車輪速度必須發生變化；反之亦然。
因此，為了實現轉矩定向傳遞功能所需的差速轉矩，必須使一個車輪相對另一個車輪加速。第一個基于離合器的主動轉矩分配系統應用于三菱藍瑟上，相似量產的還有應用于寶馬 X6 和奧迪 S4的系統。
這些特殊設計的驅動單元具有附加傳動齒輪組和液壓控制盤式離合器或者機電控制盤式制動器，使得后橋的一個半橋加速，從產生差速度并主動的分配兩輪間的轉矩。（參照圖 3）
圖 4：液壓控制盤式離合器的主動差速器(1、錐型齒輪差速器，2、耦合傳動裝置，3、盤式離合器，4、驅動轉矩)
4 電動主動差速器
電動主動差速器是傳統的基于離合器帶有耦合傳動裝置的差速器的最佳替代者，該差速器通過連接到一個差速齒輪上的電動裝置直接控制轉速差。
目前，集成電動作動器裝置和機械轉矩分配機構的一體化系統僅僅處于概念設計階段，實際硬件還沒有實現；更別提將該系統作為一種主動（差速）系統在例如緊急避讓等工況下進行應用的例子了。
這里我們用傳統簡單的錐齒輪差速器來描述主動差速器的功能，見圖 5。
如果差速器行星齒輪的旋轉運動和一個電動裝置耦合，則這個裝置被差速器驅動。反過來，通過電動裝置發出一個轉速也可以在車輪之間齒輪(差速器上對應半橋的太陽輪)上產生差速運動。因為外部電動裝置產生的驅動轉矩使得行星齒輪的平衡桿不平衡，所以差速器的轉矩分配也會變化。這意味著在車輪上實現任何理論上可能的輪邊轉矩和速度分配。
這種主動差速器的基本優勢是不再需要任何多余的組件，因為轉矩的分配是直接在差速器內部完成的。當兩側車輪的轉速相同的時候電動裝置處于靜止狀態，只有在進行主動分配轉矩時才提供轉矩。
但如圖5 所示設計的不足之處是電動裝置和差速器之間的轉矩傳遞比率較低（錐齒），另外電動裝置必須要隨著半軸旋轉。為了避免這些缺點而保留電差速器的優勢，我們根據 FZG 原則對差速器做了重要的改進，下面介紹這種改良過的差速器，見圖 6。
圖 5：電差速器原理（1、錐齒輪差速器，2、傳動裝置，3、轉矩定向分配電機，4、驅動齒輪）
圖 6 中，控制功能關閉時正齒輪差速器（1）在平均地將轉矩分配到兩個驅動車輪。如圖 1b 所示，這個差速器是由兩個不對稱的太陽齒輪和三對相互嚙合行星輪組成的行星齒輪裝置。
差速器的行星齒輪分別與太陽輪嚙合，每個太陽齒輪又與一個車輪相連。這種形式的正齒輪差速器可以和外部行星齒輪裝置組合，這一點非常重要。正齒輪差速器中的三對行星齒輪理論上實現了錐齒輪差速器中軸間傳動錐齒輪同樣的功能。
根據圖 5 的原理，通過使正齒輪差速器的行星齒輪組產生相對運動就可以在兩個車輪之間產生速度差；可通過由主動行星齒輪裝置（2）和耦合傳動裝置（3）的組成的傳動裝置完成的。
主動行星齒輪裝置（2）與差速器（1）共軸并且共用其中的同一個行星齒輪。如果差速器（2）中的太陽齒輪對于齒圈轉動，就迫使其行星齒輪以相對應的速度轉動，這就是車輪上能產生速度差的原因。正齒輪差速器中內側的行星齒輪的相對轉速相當于圖 5 中錐齒輪差速器中行星齒輪的轉速。
圖 6：電動差速原理(1、正齒輪差速器，2、主動行星齒輪裝置，3、耦合傳動裝置，4、轉矩定向分配電機，5、驅動齒輪)
耦合傳動裝置可降低橫向力分配所需的輪邊轉矩，從而降低電機的定向轉矩。與原來 FZG 的概念不同的是耦合傳動裝置（3）的兩個同樣的行星齒輪裝置共用同一個軸。轉矩通過兩個獨立但相同的行星系輸出，其中一個（2）的齒圈的太陽輪相連，另一個（2）的外齒圈相連。
開發早期階段的仿真顯示，相比FZG 原來設計的通過兩個獨立的行星架輸出的方式，這種布置對于行星齒輪裝置的變形更不敏感。耦合傳動裝置的變形導致給轉矩定向分配單元傾向于自鎖。
耦合傳動裝置中（3）的一個太陽齒輪是固定在殼體上的，另一個太陽齒輪和控制電機相連。當控制電機輸出轉矩時，耦合傳動裝置使同（3）中的兩個外齒圈朝反方向轉動，在耦合齒輪（2）的太陽齒輪和外齒輪上產生相反的轉矩。
如果控制電機靜止不轉，在差速器行星齒輪上不能產生差速運動。因為此時耦合齒輪的太陽齒輪和齒圈運動速度相同，當然車輪的轉速也就相同。
如果耦合傳動機構不轉動，就不會產生任何差速轉矩，車輪轉矩是一樣的（不計傳動損失），且控制電機不提供任何轉矩。
當車輛行駛過彎時，控制電機也是被動的，不需要差速轉矩。
如圖 6，如果耦合傳動裝置關閉，該裝置會像傳統差速器一樣運行，只是自鎖值略高。對于每個車輪都有一個驅動電機的系統來說，本文的系統實現轉矩分配的功能所需的電能要少很多。
車輪驅動轉矩的總和并不由耦合傳動系統，即車輪間的轉矩差決定。因此，控制系統可以相當的簡單。
圖 7：舍弗勒主動電差速器的原理圖(1、正齒輪差速器（非對稱型），2、主動行星齒輪裝置，3、耦合傳動裝置，4、轉矩定向分配電機，5、行星減速器，6）主驅動電機)
8：舍弗勒電動主動差速器設計圖
舍弗勒高級開發團隊，將圖 6 所示的電動轉矩分配系統整合成為一個電驅動單元。這個電驅動單元是為一款全時四驅的中級車設計的（圖 7）。主動電差速器由以下兩個基本單元組成，“電差速器”和“主動轉矩分配系統”[2][3]。這兩個基本單元都與車的半軸同軸，而量輕化差速器是其連接裝置。
主動電差速器的最終設計如圖 8 所示，其主要技術參數列在表 1中。
5 舍弗勒電動汽車
在主動電差速器早期的開發階段，為了盡可能在實際工況下測試其性能，舍弗勒不僅僅要在臺架上面測試，還進行了電動汽車的整車測試。
我們選擇了斯柯達明銳 Scout 的 1.8TSI AWD 版本作為測試電動汽車的平臺。全時四驅系統為調查主動轉矩分配系統在前后橋的作用提供了最大的自由度。這意味著在相同的駕駛情況下可以對前驅，后驅，和四驅的狀況分別進行測試。而且可以和沒有主動轉矩分配系統的原車進行對比。
圖 9 所示為舍弗勒的電動汽車。主動電驅動差速器（1）按照圖 8 所示同時安裝到車輛的前橋和后橋上。主驅動電機和轉矩定向分配電機的電流由四個相同的逆變器（2）提供。其中的兩個逆變器布置在發動機艙，另外的兩個逆變器布置在原來放置備用輪胎的地方。
容量為 17.8kWh 的風冷鋰離子電池（3）一部分布置于發動機傳動軸通道，一部分布置于原來油箱的位置。電池由 110 個 3.6V 45Ah 的電池單元組成，為高壓逆變器提供 400V 的電壓。
電動汽車上安裝有車載充電系統（4），其電插頭（5）既可以使用 220V充電也可以進行快速充電。而且，車上在高壓電路與低 壓 電 路 以 及 AFT 提 供 的 原 型 車 輛 控 制 單 元ProTronic 之間還配備一個 DC/DC 逆變器（6）。舍弗勒電動汽車的相關技術數據總結在表 2 中。
圖 9：舍弗勒電動汽車(1、主動電差速器，2、DC/AC 逆變器，3、電池，4、電池充電器，5、充電插頭，6、DC/DC 變壓器，7、車輛控制單元 ProTronic.)
舍弗勒電動汽車于 2010 年十月正式開始整車測試，從截至目前為止的轉鼓試驗臺和道路測試中得到了如下的結果：
雖然電動汽車重量比原車多出了 350kg，但是電動樣車與原車具有同樣的駕駛舒適性和操控性。
轉矩定向分配電機不工作時，轉彎過程中未發現轉矩定向分配系統的旋轉質量對車輛的動力性和噪聲方面帶來的負面影響。
具有創新意義的電驅動轉矩分配系統在汽車的前橋與后橋同樣工作正常。通過簡單的參數矩陣設定，轉矩差的分配可隨汽車轉向角度和車速度的變化而變化。下一步我們將實現完整的轉矩定向分配策略。
主動電差速器最大可以實現 2000Nm 轉矩差的分配，而物理上合理的極限值大約為 1500Nm。汽車教學設備
車后橋的轉矩定向分配系統的能夠穩定車身，因此對汽車的行駛安全性有很大的幫助。車前橋的轉矩定向分配系統明顯的改善了車的操控性，使車輛的操控更加靈敏、舒適、充滿樂趣。
由于安裝了額外的高壓電池增加了車輛重量以及導致的質量分配變化，車的底盤必須經過改裝加固；減弱在主動轉矩分配的幫助下進行極限駕駛時汽車底盤扭轉。
6 結論
舍弗勒的主動電驅動差速器系統是適合未來控制策略的優化平臺。帶有智能橫向轉矩分配系統與正齒輪差速器相結合。當在兩個車橋上都使用主動電驅動差速器時，也可以實現車輛轉矩的縱向分配。
實現此傳動系統的進一步目的是，未來將舍弗勒集團和大陸集團的技術進行最佳整合的業務領域。在這一點上，可以參考大陸集團和 TU Darmastadt 所貫徹的策略，如“Proreta”項目。作為此項目的一部分，在內燃機車輛上分析和實現了自動制動和避讓操作系統。
主動電驅動差速器既可以應用在純電動汽車上，也可以應用在使用增程器的混合動力汽車上。另外，該傳動裝置也可以設計成不帶控制電機和耦合傳動裝置的傳統最終傳動系統而無需其它進一步改動。