一、概述

近年来，随着人们对环境保护意识的不断提高，如减少二氧化碳和更清洁的排放，促进了混合动力汽车的广泛使用。但是，在过去很少配备紧凑型混合动力乘用车带AWD(全轮驱动)，这对生活中需要AWD车辆的地区推广混合动力构成了障碍。因此，爱信集团旗下的三家公司(爱信精机有限公司、爱信AW有限公司和爱信AI有限公司)与丰田汽车公司合作开发了紧凑高效的新型电动后驱动单元，在现有紧凑型FF混合动力乘用车的结构上作最小改动进行安装。本文介绍了该电动后驱单元结构与特性，作为具有双轴结构的齿轮系，可实现紧凑型设计，采用感应电动机降低两轮驱动时的动力损失，通过ATF集油罐抑制ATF搅拌阻力，有助于降低燃油消耗。

二、紧凑型AWD系统组成和结构

紧凑型AWD动力传输取消了分动箱和传动轴，通过添加逆变器，电力电缆和紧凑型电动后驱单元(包括电机、减速器和差速器)组成。当FF混合动力汽车需要AWD时，后轮驱动电机逆变器总成为电动机提供电源运行(电源为HV蓄电池电压)，从而增加后轮扭矩。例如，在车辆起步期间或前轮打滑时提供高响应和高效率的AWD作用。如图1所示紧凑型AWD系统的结构。图2所示为新型开发的紧凑型电动后驱单元的组成，图3所示为雷克萨斯 RX450h 或原来其他型号中使用的电动后驱单元。表1是紧凑型电动后驱单元与雷克萨斯RX450h电动后驱单元主要规格比较。

1.紧凑的设计

表1 紧凑型电动后驱单元与雷克萨斯RX450h电动后驱单元主要规格比较

为了使紧凑型电动后驱单元的长度缩短，采用电机和差速器轴位于同一轴上的双轴齿轮系结构。图2中的箭头表示其动力传输路径。电机扭矩通过转子轴和副轴传递，两次减速，由差速器传递到左右车轮。结构上是将差速器左侧齿轮轴放在空心电机转子轴内，使得电机和差速器能够安装在同一轴上。考虑到紧凑型电动后驱动单元的前后长度和电机最大允许转速，总减速比设置为10.487，以减小电机尺寸和质量。图4所示为紧凑型电动后驱单元在车辆上的布局情况。双轴齿轮传动系统和高减速比的引入使得紧凑型后驱单元的设计和结构能够与FF车辆共用一个燃油箱和后地板。

2.降低油耗

(1)驱动电机形式

考虑到AWD(后驱动电机运行时)和2WD(两轮驱动，后驱动电机未运行时)的驱动次数，紧凑型电动后驱单元采用无永磁体的感应电动机作为驱动电机。因为感应电动机在电动机不运行时没有电力损失。这有助于最大限度地减少2WD操作期间的电力损失，并减少燃料消耗。

关于定子的绕组类型，采用分布式绕组。转子的导条和端环采用铝铸件铸造成鼠笼形状，在大规模生产中具有很高的生产率。通过减少诸如孔隙率(砂眼)的铸造缺陷的方法来确保转子在高速运转期间的可靠性。

(2)抑制ATF搅拌阻力结构

紧凑型电动后轮驱单元依靠ATF循环用于润滑齿轮和轴承以及冷却电机。为了实现润滑和冷却的能力，并且进一步降低功率损耗，该单元采用抑制ATF搅拌阻力的结构，优化了齿轮铲起ATF将其回收到集油罐。图5所示为润滑装置结构图。

位于车辆后侧的主集油罐和位于车辆前侧的副集油罐，两者均安装在高于初始油位的位置。图中的实线箭头表示ATF的流向。适当定位反向从动齿轮和齿圈铲起ATF并将其回收到集油罐，从而可以根据行驶条件优化单元中的如下油位。

①怠速期间：ATF油位位于差速器轴的中心，确保差速器中运动部件在车辆启动时的润滑，减少卡滞阻力。

②AWD期间：电机室的ATF油位高于转子的下端，以便转子运转向定子输送ATF，帮助定子线圈冷却。

③2WD期间：电机室和齿轮室的油位低于转子下端。在减速前高速运转的转子停止铲送ATF，并减少了与齿轮的搅拌。此外，该装置通过提供从集油罐到必要零件(包括轴承和油封)的油道来输送ATF，以确保润滑能力，并将ATF返回电机室和齿轮室。

图6所示为用试验台测量的车速与ATF油位之间的关系。齿轮开始以大约10km/h的车速铲起ATF。随着齿轮向集油罐供应ATF，电机室和齿轮室的ATF油位降低，而集油罐的ATF油位升高。在30km/h或更低的车速下，电机室油位高于转子下端，转子吸收ATF，以冷却定子线圈。在30km/h或更高的车速下，电机室和齿轮室的油位稳定在低于转子下端的水平，而集油罐的油位也稳定。按照设计要求，转子停止铲送ATF，并且齿轮的搅拌也受到限制。图7所示为单位车速下与损失扭矩之间的关系。在车速为10km/h或更低的情况下，ATF不回收到集油罐，因此损失扭矩会相应增加。在10km/h或更高的车速下，只有在将ATF回收到集油罐时，电机室和齿轮室的ATF油位才会降低，从而可以抑制损失扭矩的增加。该ATF搅拌阻力抑制结构实现了该单元中最高传输效率达到97%。

3.降低成本

(1)电机室和齿轮室的集成

在LEXUS RX450H后轮驱动单元中电机室和齿轮室是分别独立隔开，电机转子轴和输入齿轮轴通过花键连接，由不同轴承支撑在分隔壳体上。而在新型开发的紧凑型电动驱动单元中，电机室和齿轮隔室的划分被移除，以将转子轴和输入齿轮集成在一起，减少了轴承数量，并消除了对花键等零件机械加工的需要。这种结构的改变，减少了单元制造成本和重量。

(2)转子轴与铁芯的热套装配

在混合动力汽车和电动汽车驱动电机中，转子铁芯和转子轴装配常采用花键结构冷压工艺固定在轴向上。在新型开发的紧凑型后轮驱动电机中，调整转子铁芯的内径和转子轴的外径公差配合，以便通过热套配合紧固。通过消除轴向上的键形花键和挡块，使转子轴的形状更加简单，有助于降低加工成本。图8所示为转子组件装配的图纸，通过加热来扩大转子铁芯的内径，将其套入转子轴上并使其冷却直至紧固。设计热套过盈量时，考虑到可能因热量或其他原因影响零件的装配紧度而降低传递扭矩的因素，以便始终能够确保足够的扭矩达到所需的强度。

三、CAE预测技术实现的减重

降低齿轮噪音对于紧凑型电动后驱单元也是必要的。通过采集实际机组的参数，利用CAE精确预测机组内的声压，优化设计一个更薄的壳体(包括肋骨布置)，使重量减轻。图9所示为实际新型开发的紧凑型电动后驱单元和CAE模型之间的声压比较示例。

通过优化计算技术，在不影响润滑性、浇注性等性能的前提下，得到了优化后的壳体形状。例如，设计中间壳体的关键是有效地布置肋骨，使壳体能够以非常薄的形式支撑两个轴承的载荷。通过CAE的优化计算技术和铸造流程模拟，满足零件的强度和各种其他约束条件(如可浇铸性)以及获得支撑肋的最佳布置(使重量尽可能减轻)来优化壳体形状。图10所示为中间壳体的最佳形状。

虽然CAE预测技术满足了噪音性能和强度，这似乎与开发该单元的目标相矛盾，即更紧凑、更轻的设计。但是，它也有助于缩短开发周期和减少与原型设计相关的成本。

四、结论

紧凑型电动AWD单元已经开发并应用于紧凑型FF混合动力乘用车上。实现了低油耗、紧凑型、低成本的开发目标，为在日常生活环境中具有足够性能以及极低油耗的AWD车辆的开发做出了巨大贡献。我们希望通过推广更多的混合动力汽车，进一步改善装置结构，减少二氧化碳来改善环境。