Osiowe elektrycno-mechanicne espoły napędowe do pojadów Jan Dida 1. Wstęp Wywołany wieloma cynnikami, własca ekologicnymi, rowój środków transportu o elektrycnych espołach napędowych stał się faktem i wiele wskauje na to, że będie trwałym kierunkiem dalsego rowoju motoryacji. Sytuacja ta ma bardo duże nacenie nie tylko dla producentów wyrobów finalnych, ale i dostawców ich komponentów. Samochody elektrycne i hybrydowe po prostu różnią się rowiąaniami wielu espołów od samochodów napędanych silnikami spalinowymi, a różnice te będą się jesce bardiej pogłębiać upływem casu, w miarę ich doskonalenia i optymaliacji. Disiaj już wiadomo, że opróc różnic w głównych espołach napędowych, również inne będą nadwoia, układy jedne, kierownice, a nawet stosowane śruby. Już od kilku lat można obserwować intensywne diałania wielu producentów w kierunku opracowania nowych espołów i podespołów dedykowanych wyłącnie do samochodów elektrycnych i hybrydowych. W tym ciągle pocątkowym okresie rowoju takich napędów konkurencyjna walka dotycy tego, propoycja której firmy okaże się najbardiej udana i uniwersalna i będie mogła być standardem na wiele lat ustabiliowanej już produkcji nowej generacji samochodów. Prykładem dotychcasowej historii motoryacji takiego wycięskiego standardu jest tak wane kolumnowe awiesenie kół typu MacPhersona i wiele innych podespołów, które osiągnęły bardo dużą popularność. Od strony konstrukcji mechanimów preniesienia napędu samochody elektrycne są i będą prostse od napędanych silnikami spalinowymi. Składa się na to brak spręgła i wykle skryni biegów (najcęściej nie ma koniecności miany prełożenia), Strescenie: Artykuł dotycy aawansowanych konstrukcji elektrycno-mecha- obrotowego satelitów mechanimu różni- pre wymusanie odpowiedniego ruchu nicnych espołów napędania kół jednej cowego oddiałuje się na kierunek jady osi w samochodach elektrycnych i hybrydowych. W prypadku systemów hybrydowych mechanim napędowy realiujący dodat- samochodu. Omówiono również espolony stosuje się je tylko w układach 4x4, w osi kową funkcję kierunkowego napędania o dodatkowo dołącanym napędie. Propoycje rowiąań cołowych firm nie ogra- układ prekładni ora rowiąanie poba- popre bardo oryginalny i uproscony nicają się tylko do prostego espołu elektrycny silnik prekładnia, ale dodatkowo achowaną funkcją oddiaływania na kiewione mechanimu różnicowego, jednak obejmują możliwość kierunkowego napędania pojadu (funkcja systemu torque Opisane espoły poddano ocenie i porówrunek jady pre użycie spręgieł ciernych. vectoring), a casem również mianę prełożenia. W artykule poddano pogłębionej układów, w których każde koło osi jest napęnaniu wględem siebie ora w stosunku do analiie espół napędowy, który awiera dane odrębnym silnikiem. W cęści końcowej podjęto próbę wskaania kierunków dal- elektrycny silnik napędowy i prekładnię preniesienia napędu ora dodatkowy silnik sego rowoju takich espołów. elektrycny wra prekładniami do sterowania diałaniem walcowego mechanimu dów, napędy elektrycne i hybrydowe, sterowa- Słowa klucowe: układy napędowe poja- różnicowego. Preprowadono analię kinematyki tego łożonego układu, w którym nie rodiałem mocy, kierowalność pojadów AXIAL ELECTRO-MECHANICAL DRIVE UNITS FOR VEHICLES Abstract: The article applies to the ment of the differentials satellites, the direction of the car is influenced. Also discussed advanced electro-mechanical designs of single axle drivetrain in electric and hybrid is a complex drive mechanism that provides cars. In the case of hybrid systems, they are an additional function of directional propulsion through a very unique and simplified used only in 4x4 systems, in the axle of an additionally engaged drive. The solutions transmission system and a solution without offered by leading companies are not limited a differential mechanism, but with the preserved function of influencing the direction to the simple electrical motor-transmission unit, but additionally include the possibility of of drive through the use of friction clutches. directional propulsion of the vehicle (torque The described assemblies were evaluated vectoring system function), and sometimes and compared with each other and in relation to systems in which each wheel of the also the gear ratio shift. The article analyes the drivetrain in detail, which includes an axle is driven by a separate motor. In the electric drive motor and transmission drive, final part, an attempt was made to indicate as well as an additional electric motor with the directions of further developments of gears to control the operation of the helical such systems. differential. The kinematics analysis of this Keywords: vehicle drive systems, electric complex system was carried out, in which and hybrid drives, power distribution control, by forcing the appropriate rotational move- maneuverability of vehicles Nr 5 Maj 19 r. 69
a w prypadku napędania kół wielu osi brak skryni rodielcej i wałów napędowych dięki możliwości stosowania wielu silników. Z tego samego powodu możliwe też jest wyeliminowanie mechanimów różnicowych arówno w osiach napędowych, jak i międy nimi. W dalsej cęści artykułu ostały opisane niektóre propoycje cołowych producentów dotycące integrowanych układów elektrycno-mechanicnych do napędania kół jednej osi. Charakterystycne w tych konstrukcjach jest to, że firmy oferują espoły bardo aawansowane pod wględem realiowanych funkcji, wykracające poa podstawowe ocekiwanie, jakim jest apewnienie tylko napędania pojadu. Tą dodatkową funkcją najcęściej jest tak wane kierunkowe napędanie pojadu, opisane scegółowiej w [, 3, 4, i 5], casem również dodatkowo możliwość mieniania prełożenia. Takie podejście może być spowodowane chęcią apewnienia długiego życia tym nowo projektowanym espołom (to, co disiaj jest nowością, niedługo będie standardem), ale można domyślać się i innego powodu. Prawdopodobnie są to próby włożenia do nowych espołów wieloletnich doświadceń i tradycji firmy ora wykorystanie istniejących mocy produkcyjnych.. Elektrycno-mechanicny espół napędowy aktywnym mechanimem różnicowym Poddany analiie w tym punkcie typ elektrycnego układu napędowego kół jednej osi nawiąuje do systemu predstawionego w [9] ora skrótowo w [, 5]. W konstrukcji tej jest realiowana funkcja kierunkowego napędania pojadu (diałanie systemu torque vectoring) w dość scególny sposób, bo pre wymusanie prędkości obrotowej satelitów mechanimu różnicowego. Ideę tę predstawia rys. 1, na którym widać, że jeden satelita jest spręgnięty dodatkowym silnikiem elektrycnym, który może go napędać, pre co narucony jest określony ruch wsystkich elementów mechanimu różnicowego. Rys. 1. Idea kierunkowego napędania pojadu pre wymusenie prędkości kątowej satelitów mechanimu różnicowego: 1 silnik napędowy; mechanim różnicowy; 3 silnik sterujący Jak wiadomo, w casie jady prostoliniowej satelity nie obracają się wokół swojej osi, aś podcas jady na akręcie występuje ich ruch obrotowy. Pre dodatkowe oddiaływanie na ruch elementów mechanimu różnicowego () silnikiem (3) Rys.. Schemat walcowego mechanimu różnicowego (a) i prekrój poprecny prykładowej konstrukcji (b) według [6] Rys. 3. Schemat elektrycno-mechanicnego espołu napędowego aktywnym walcowym mechanimem różnicowym i systemem jego sterowania: T L i T R momenty napędowe na lewej i prawej półosi można mieniać siły napędowe na kołach lewym i prawym i w ten sposób wpływać na tor ruchu pojadu. Jednak wierna realiacja tej idei jest bardo trudna, a wręc niemożliwa, bo ruch krążący satelitów wra napędającym je silnikiem (lub silnikami) powodowałby bardo dużą i technicnie trudną konstrukcję. Na scęście od dawna jest nany walcowy mechanim różnicowy (rys. a i b) [6], w którym krążące satelity są walcami (stanowią awse pary) i mają osie obrotu ułożone równolegle do osi obrotu kół osi. Pryjęcie takiej konstrukcji mechanimu różnicowego cyni realiację systemu torque vectoring, opartego na idei rys. 1, dużo łatwiejsą i możliwą do osiągnięcia. Na rys. 3 predstawiony jest schemat całego analiowanego espołu napędowego. Z lewej strony najduje się główny silnik napędowy, który popre prekładnię główną w postaci prekładni planetarnej G napęda obudowę walcowego mechanimu różnicowego. Z prawej strony espołu umiescony jest elektrycny silnik sterujący, który popre prekładnie planetarne I, II i III wywołuje określony ruch obrotowy walcowych satelitów mechanimu różnicowego. Aby dokładniej preanaliować sposób prenosenia napędu i diałanie systemu sterowania mechanimem różnicowym, wykonano analię kinematyki astosowanych prekładni planetarnych. 7 Nr 5 Maj 19 r.
Wychodąc równania ogólnego dla elementarnej prekładni planetarnej [6] w postaci: 1 1 + = ( 1 + ) (1) gdie: 1, licby ębów koła słonecnego i wieńcowego; 1, prędkości kątowe koła słonecnego i wieńcowego; prędkość kątowa jarma satelitów. Można napisać ctery takie równania dla prekładni planetarnych I, II, III i G. W wyniku rowiąania tego układu równań można wynacyć parametry ruchu poscególnych elementów prekładni planetarnych, pry ałożeniu, że prędkość kątowa silnika napędowego N i silnika sterującego mechanimem różnicowym ST są nane. Wygenerowana prędkość koła satelitarnego mechanimu różnicowego s (wględem własnej osi) wyraża się worem: 1 ST (1 + ) S = () ( + ) s W tym miejscu warto skorystać e nanych parametrów innych mechanicnych układów torque vectoring, które wykle mają możliwość nadania prędkości kątowej jednej półosi do 1% więksej lub mniejsej od prędkości kątowej obudowy mechanimu różnicowego. Tę asadę można pryjąć jako słusną również do analiowanego układu. Prykładowo można to apisać dla lewej i prawej półosi, korystając onaceń rys. 3, w postaci: kl kr 1, 1 1,9 (3) Można to również uogólnić i ująć wskaźnikiem miany prędkości kątowej jednej półosi k wględem prędkości obudowy mechanimu różnicowego : k k = (4) Wykorystując wór na wartość s () ora uwględniając prełożenie pomiędy satelitą i kołem koronowym mechanimu różnicowego, można wylicyć koniecną wartość prędkości kątowej silnika sterującego ST dla uyskania właściwej wartości wskaźnika różnicowania prędkości k pry określonej prędkości kątowej silnika napędowego N : napędania koniecna wartość wskaźnika k wylicana będie promienia toru jady i występujących stanów podsterowności lub nadsterowności w ruchu samochodu. Te procesy mogą być bardo dynamicne, a więc silnik sterujący musi apewnić sybkie miany prędkości ST arówn, co do wartości, jak i wrotu. Z dostępnych opisów wynika, że moc silnika sterującego w takim espole do samochodu osobowego wynosi 5 8 kw, ależnie od obciążenia osi. Pry próbie oceny powyżsego układu nasuwają się następujące spostreżenia: układ konstrukcyjny systemu jest bardo skomplikowany występują ctery prekładnie planetarne, walcowy mechanim różnicowy ora dwa silniki elektrycne napędowy i sterujący. Opisy firmowe [9] prekonują o dużym trudie i staranności w aprojektowaniu układu, jednak całość wydaje się wymiarowo stosunkowo duża i ciężka, a w konsekwencji będie również kostowna; satelitami mechanimu różnicowego połącone są dodatkowe masy wirujące sterujących prekładni planetarnych i silnika. Należy się spodiewać, że w faie nieaktywnej systemu swoboda różnicowania prędkości kół jednych będie pogorsona w stosunku do prostego mechanimu różnicowego powodu powięksonych momentów tarcia i bewładności; oddiaływanie na kierunek ruchu pojadu popre sterowanie takim układem wymaga ciągłego poboru mocy, również w stanach erowej mocy silnika napędowego lub hamowania tym silnikiem. Pod tym wględem wydaje się, że mechanicne systemy torque vectoring (stosowane np. w spalinowych układach napędowych), diałające pre narucanie dodatkowej więi kinematycnej, mogą być prostse i bardiej energooscędne w stosowaniu. 3. Zespół napędowy funkcją kierunkowego napędania ukrytym mechanimem różnicowym Bardo oryginalnie jest rowiąany układ napędowy predstawiony na rys. 4. Schemat ten, nawiąujący do opracowań [7], ma silnik napędowy, którego wirnik 1 pre dwie bocne prekładnie planetarne I i II napęda półosie koła lewego i prawego. Scególną rolę w układie odgrywa wałek 3 łącący pre dodatkowe aębienia koła wieńcowe prekładni I i II. Wałek jest połącony kołem wieńcowym prekładni II popre jedno koło ębate, aś kołem wieńcowym prekładni I dodatkowo popre koło pośrednie. Mimo że wałek (3) nie wykonuje ruchu k ( + ) s k 1 g1 ST = N (5) 1 sd (1 + )( g1 + g ) Powyżsy wór wykauje, że musi być apewniona stała proporcja pomiędy prędkościami kątowymi silnika napędowego i sterującego, jeżeli chcemy osiągnąć określoną wartość wskaźnika k. W faie aktywnego diałania systemu kierunkowego Rys. 4. Schemat espołu napędowego ukrytym mechanimem różnicowym Nr 5 Maj 19 r. 71
krążącego (jego oś jest nieruchoma), spełnia on rolę podwójnego satelity w klasycnych walcowych mechanimach różnicowych. Onaca to, że jeżeli prędkość kątowa jednej półosi rośnie, to drugiej półosi w takim samym stopniu maleje. W układie występuje dodatkowy silnik sterujący (), którego wirnik popre prekładnię planetarną III jest połącony kołem wieńcowym prekładni II. W ten sposób osiągnięto możliwość pryspiesenia lub spowolnienia prawej półosi, a dięki wałkowi (3) symetrycny efekt po lewej stronie, cyli spowolnienie lub pryspiesenie lewej półosi. Predstawiony układ realiuje dokładnie takie same funkcje, jak system opisany w p. (rys. 3). Jednak w tej konstrukcji dodatkowo łatwo można astosować pojedynce spręgło kstałtowe, które będie umożliwiać odłącenie wirnika silnika napędowego od wału łącącego prekładnie I i II (spręgło nie jest pokaane na schemacie). Wartość mocy silnika sterującego w tym rowiąaniu jest bliżona do podanej w p. i wynosi 6 kw. Próbując ocenić opisany system, można wskaać jego następujące cechy: dięki pryjęciu bardo nowatorskiej koncepcji układ jest wyraźnie mniej łożony, występują tylko 3 prekładnie planetarne, wałek łącący ora silnik napędowy i sterujący. Wprawdie prekładnie I i II są prekładniami głównymi, cego wynikają więkse obciążenia i masa, jednak należy się spodiewać, że układ będie lżejsy, mniejsy i tańsy niż opisany w p. ; w faie, gdy system kierunkowego napędania nie jest aktywny, możliwe będie łatwiejse różnicowanie prędkości kątowych półosi niż w poprednim prypadku, dięki astosowaniu prostsego mechanimu kierunkowego (mniejse bewładności prekładni ębatych); wariantowa możliwość mechanicnego odłącenia wirnika silnika napędowego od prekładni może być scególnie ważna w układie 4x4 pry prechodeniu w tryb napędu jednej osi. Wówcas będą ogranicone straty mechanicne w espole, aś oddiaływanie na kierunek jady samochodu może ostać achowany pre narucanie odpowiednich różnic prędkości kątowych półosi napędowych. 4. Kierunkowe napędanie dwóch kół osi be mechanimu różnicowego System predstawiony schematycnie na rysunku 5 nawiąuje do rowiąań predstawionych w [8, 1] i jest kolejnym krokiem w kierunku maksymalnego uproscenia konstrukcji. W systemie tym występuje tylko silnik napędowy, którego wirnik (1) popre prekładnie ębate () (o stałych osiach) napęda obudowę espołu dwóch spręgieł ciernych (3), umożliwiających nieależne napędanie półosi lewej i prawej. Każde tych spręgieł jest sterowane oddielnym siłownikiem hydraulicnym (4) i ależnie od doprowadonego ciśnienia uyskuje się dolność różnicowania momentów T L i T R na lewej i prawej półosi. W układie nie występuje mechanim różnicowy. Onaca to, że w casie jady w trybie napędania kół koniecne jest prawie ciągłe modulowanie ciśnieniami ciecy doprowadonej do siłowników (4), aby umożliwić różnicowanie prędkości kół wynikające toru jady samochodu lub interwencji uaktywnionego systemu torque vectoring. W stosunku do wceśniej Rys. 5. Zespół napędowy funkcją kierunkowego napędania be mechanimu różnicowego opisanych układów ten system wydaje się najprostsy, a równoceśnie spełniający bliżone funkcje. Firma promująca to rowiąanie określa je jako kompaktowe i e wględu na małe wymiary łatwe do abudowania w predniej lub tylnej osi samochodu. Zastosowane dwa spręgła cierne do kierunkowego napędania pojadu równoceśnie umożliwiają całkowite odłącenie silnika napędowego od kół jednych. Jest bardo korystne w układach 4x4 w osi o wyłącanym napędie. Pre niewielkie robudowanie układu możliwe jest wprowadenie dodatkowego prełożenia i uyskanie dwóch biegów do dyspoycji w casie jady. Uwagi, jakie można mieć do tej konstrukcji, są następujące: brak mechanimu różnicowego, własca pry astosowaniu w predniej osi, może skutkować odcuwaniem pogorsenia kierowalności pojadu. Reakcje samochodu na ruchy kierownicy mogą być mienne i pogarsać płynność jady na akręcie. Ponadto każdoraowe różnicowanie prędkości kątowych kół napędanych (spowodowane skręcaniem samochodu) odbywa się pry występującym pośligu jednego spręgła, co obniża sprawność prenosenia napędu; w trybie odłącenia silnika nie ma możliwości oddiaływania na kierunek ruchu samochodu; wygenerowany moment napędania kierunkowego T (wględem osi pionowej) nie może być tak duży, jak w pierwsych dwóch prykładach, gdyż nie jest możliwe wywołanie na kołach napędowych sił obwodowych o wrotach preciwnych. 5. Porównanie opisanych rowiąań do innych koncepcji elektrycnego napędania kół jednej osi Predstawione w punktach, 3 i 4 espoły napędowe cechują się astosowaniem jednego silnika napędowego i stosunkowo łożonych mechanimów rodielających moc na koła. Współceśnie równolegle spotyka się systemy wykorystujące oddielne silniki elektrycne do napędu lewego i prawego koła. W takich układach kierunkowe napędanie pojadu może być realiowane wyłącnie drogą elektrycną pre indywidualne sterowanie momentami obrotowymi lub/i prędkościami kątowymi silników lewego i prawego. 7 Nr 5 Maj 19 r.
Jednak daniem autora wiele premawia a stosowaniem jednego silnika napędowego w osi. Jako alety takich rowiąań wymienia się mniejsy kost pojedyncego silnika i więksą sprawność w stosunku do dwóch mniejsych. Prawie awse w układie występuje koniecność astosowania redukującej prekładni głównej, a casem i miennego prełożenia. W prypadku astosowania jednego silnika nie treba podwajać tych espołów, co również daje oscędności. Pod wględem napędowym pojedyncy silnik jest korystniejsy jesce tego wględu, że jego moc może być kierowana na koło o więksej prycepności, pry równocesnym jej mniejseniu na kole o mniejsej prycepności. Takie sytuacje są typowe na prykład podcas jady samochodu na akrętach. Aby uyskać porównywalną dynamikę napędania, sumarycna nominalna moc oddielnych silników powinna być więksa od pojedyncego, bo jeden silników może być preciążony (niedobór mocy), drugi aś będie miał moc niewykorystaną. Jednak ta aleta stosowania pojedyncego silnika jest możliwa do wykorystania jedynie pry użyciu aawansowanego mechanimu rodiału mocy. Warto jesce dodać, że podcas kierunkowego napędania pojadu system dwoma silnikami napędowymi wymaga operowania dużymi mocami elektrycnymi każdego nich, aś w układach o jednym silniku napędowym jedynie nacnie mniejsą mocą silnika sterującego lub układu asilającego odpowiednie spręgła. 6. Podsumowanie Spośród analiowanych w artykule espołów dwa nich mają mechanim różnicowy, aś w trecim on nie występuje. Autor należy do wolenników achowania mechanimu różnicowego e wględu na jego bardo korystne i stabilne cechy w akresie rodiału momentów napędowych na koła. Scególnie jest to uasadnione w prypadku predniej osi kołami kierowanymi. Pry achowaniu mechanimu różnicowego w preważającej cęści eksploatacji pojadu jego charakterystyka diałania daje wystarcająco dobrą statecność ruchu i kierowalność. System torque vectoring powinien diałać jedynie nakładkowo i włącać się w sytuacjach akłócenia kierunku ruchu samochodu lub w trybie bardo dynamicnej jady w celu wykorystania pełni możliwości fiycnych (sił prycepności kół do jedni) do osiągnięcia najlepsych parametrów trakcyjnych i kierowalności. Patrąc na opisane układy, można auważyć, że ich duża łożoność w głównej miere wynika funkcji kierunkowego napędania torque vectoring. Jeżeli jednak producenci chcą achować ten system jako istotny i lepsy od nanych układów o podobnych funkcjach, jak: ESP (Electronic Stability Program) diałający pry użyciu hamulców kół cy system kierowania pre skręcanie wsystkich kół 4WS (4 Wheel Steering), to należy ciągle posukiwać lepsych rowiąań. Pole posukiwań można poseryć nawet na dość odmienne koncepcje, jak chociażby sygnaliowane w [1,, 5]. Kryterium oceny tych rowiąań ocywiście powinien być korystny wpływ na achowanie pojadu pry najmniejsej łożoności konstrukcji i koscie produkcji. Należy wyraić prekonanie, że rowój takich espołów nie jest akońcony i powstaną dalse nowatorskie konstrukcje, które najdą serokie astosowanie w nadchodącej nowej generacji pojadów. Literatura [1] Adamcyk D., Wilk A.: Model dwuwirnikowej masyny indukcyjnej w aspekcie elektromagnetycnego mechanimu różnicowego. Masyny Elektrycne Zesyty Problemowe 4/15. [] Dida J.: Porównanie różnych sposobów kierunkowego napędania pojadów silnikami elektrycnymi. Masyny Elektrycne Zesyty Problemowe 1/16. [3] Dida J.: Mechanimy rodiału mocy w pojadach. Monografia. Wydawnictwo Akademii Technicno-Humanistycnej, Bielsko- -Biała 1. [4] Dida J., Mesiti D.: Aktywny mechanim różnicowy nowa jakość w sterowaniu pojadów. Zesyty Naukowe OBRSM Bosmal Bielsko-Biała, nr 1/I II, 3. [5] Dida J.: Możliwości i ogranicenia systemów oddiaływania siłami napędowymi na kierunek ruchu samochodu (Torque Vectoring). Archiwum Motoryacji 1/15. [6] Jaśkiewic Z.: Mosty napędowe. WKiŁ, Warsawa 1977. [7] Lagunoff G.: BorgWarner eawd. Publikacja BorgWarner Inc. 14. [8] Ruoff Ch.: Torque Vectoring and electric drives. Charged Electric Vehicles Magaine, Issue 4. March/April 16. [9] Smetana T., Biermann T., Hőhn B-R., Kurth F., Wirth C.: Schaeffler active edifferential: The active differential for future drive trains. Schaeffler Symposium, 1. [1] www.gkngroup.com: GKN reveals breakthrough hybrid electric torque vectoring system. Jan Dida Akademia Technicno-Humanistycna w Bielsku-Białej artykuł recenowany reklama Wybier swoją prenumeratę na www.nis.com.pl Nr 5 Maj 19 r. 73