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車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)要靠扭矩驅(qū)動(dòng),輪轂電機(jī)技術(shù)允許將電力動(dòng)力裝置安裝在車(chē)輪內(nèi),直接為其提供所需的扭矩,同時(shí)也可用作制動(dòng)裝置。結(jié)合新的系統(tǒng)架構(gòu),這種電機(jī)不僅能提高效率和安全性,更為通過(guò)軟件升級(jí),定制個(gè)性化汽車(chē)開(kāi)辟了道路。西門(mén)子的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一輛試驗(yàn)車(chē)。
德國(guó)慕尼黑西門(mén)子中央研究院(CT)的汽車(chē)試驗(yàn)處,看上去不太像一個(gè)汽車(chē)專(zhuān)業(yè)設(shè)施——這里沒(méi)有一團(tuán)團(tuán)的油污、黑乎乎的尾氣排放痕跡或刺鼻的汽油味。不過(guò),這不足為奇,因?yàn)檫@里是清潔電動(dòng)汽車(chē)的試驗(yàn)室。此時(shí)此刻,升降裝置正將一輛白底綠色圖案的流線型敞篷跑車(chē)懸空抬至與人身高齊平的位置,仿佛要突出展示其杰出的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)。在德國(guó)環(huán)境部的支持下,西門(mén)子與Roding汽車(chē)、TRW汽車(chē)及其他小企業(yè)合作開(kāi)發(fā)了這輛車(chē)。在這個(gè)試驗(yàn)處,這輛車(chē)的車(chē)軸被連接至外部的4個(gè)巨大的風(fēng)冷式電機(jī),后者龐大的身軀與汽車(chē)形成了鮮明的對(duì)比——這是用于通過(guò)單獨(dú)改變每個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速,模擬各種行駛情況的典型試驗(yàn)裝置。
這輛電動(dòng)汽車(chē)的特性是,將兩個(gè)非常小巧的輪轂電機(jī)直接安裝在車(chē)輪鋼圈內(nèi)。事實(shí)上,早在112年前,*批采用輪轂電機(jī)的電動(dòng)汽車(chē)便已問(wèn)世——1900年巴黎世博會(huì)上驚艷亮相的保時(shí)捷Lohner Porsche就是一個(gè)例子。
西門(mén)子研究人員為Roding跑車(chē)配備了兩個(gè)輪轂電機(jī)。這些電力動(dòng)力裝置安裝在車(chē)輪鋼圈內(nèi),可產(chǎn)生高達(dá)2500牛米的總扭矩。
輪轂電機(jī)堪稱(chēng)理想的驅(qū)動(dòng)裝置,因?yàn)榭梢詫⒅惭b在車(chē)輪內(nèi),直接為其提供所需的扭矩。從技術(shù)上講,尺寸其實(shí)不是問(wèn)題,關(guān)鍵在于不受自由活動(dòng)部件的影響,盡可能提高電機(jī)的密封性,以確保不會(huì)受到塵土或濕氣的損害。很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái),人們總是擔(dān)心在車(chē)輪上安裝如此大型的裝置會(huì)影響操控性能,此外,由于電機(jī)本身缺乏減震能力,因此人們也擔(dān)心當(dāng)汽車(chē)在崎嶇不平的地面上行駛時(shí),安裝在車(chē)輪內(nèi)的電機(jī)會(huì)受到損害。實(shí)驗(yàn)表明,這樣的擔(dān)心是多余的,并且未來(lái)甚至可能直接在車(chē)輪上安裝彈簧。
實(shí)際上,輪轂電機(jī)無(wú)需占用汽車(chē)內(nèi)部空間,對(duì)設(shè)計(jì)者而言,這一特性帶來(lái)了全新的機(jī)遇。西門(mén)子中央研究院電動(dòng)汽車(chē)概念開(kāi)發(fā)主管Gernot Spiegelberg教授表示,“常規(guī)汽車(chē)必須圍繞著動(dòng)力系進(jìn)行設(shè)計(jì),而采用輪轂電機(jī)的汽車(chē)則允許我們探索新的途徑。拜這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步所賜,現(xiàn)在我們可以設(shè)計(jì)出擁有人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)和操控性能的汽車(chē),而無(wú)須煩惱要將引擎安置在哪里。”
其最大的優(yōu)點(diǎn)是,不再需要任何沉重的高能耗凸輪軸、變速箱或差速器。大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)還不需要離合器或齒輪。這輛試驗(yàn)敞篷跑車(chē)所使用的輪轂電機(jī)可以從一開(kāi)始就提供所需的動(dòng)力,并且無(wú)需任何換擋操作,即可以1000牛米的扭矩(在短距離沖刺中,扭矩可高達(dá)2500牛米),將汽車(chē)加速至每小時(shí)160公里。該系統(tǒng)還可在70%的制動(dòng)操作中,回收幾乎所有的勢(shì)能和動(dòng)能。
西門(mén)子研究人員Gunter Freitag博士(左圖)在檢查輪轂驅(qū)動(dòng)裝置,該裝置亦可被用作電子制動(dòng)器。
西門(mén)子中央研究院電機(jī)開(kāi)發(fā)組負(fù)責(zé)人Gunter Freitag博士表示,“我們的目標(biāo)不是追求高速度。因此,我們采用電子技術(shù),將這輛車(chē)的最高速度限制在每小時(shí)120公里。對(duì)我們而言,更為重要的是以部分引擎負(fù)荷,實(shí)現(xiàn)很高的效率。我們?cè)谝惠v流線型跑車(chē)中采用了這項(xiàng)技術(shù),但我們的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是,打造一輛大部分時(shí)間在中等負(fù)荷范圍內(nèi)行駛的城市車(chē)輛。”
其實(shí),F(xiàn)reitag不喜歡人們將他的輪轂驅(qū)動(dòng)裝置稱(chēng)為“電機(jī)”。他認(rèn)為,“機(jī)器”是一個(gè)更為恰當(dāng)?shù)男g(shù)語(yǔ),因?yàn)樵撾姍C(jī)還可作為制動(dòng)裝置。這兩臺(tái)電機(jī)都具備高性能(連續(xù)工作功率:63千瓦;最高功率:120千瓦),總輸出功率達(dá)325馬力。這一點(diǎn)非常重要,因?yàn)槟呐略撾姍C(jī)充當(dāng)制動(dòng)裝置和發(fā)電機(jī),以電能形式將回收的制動(dòng)能量存儲(chǔ)到蓄電池中時(shí),仍可提供如此高的功率。因此,這輛車(chē)的電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)非常強(qiáng)大,足以產(chǎn)生法律要求的當(dāng)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)失靈時(shí)使車(chē)輛停止下來(lái)所需的總制動(dòng)力的30%。
再生制動(dòng)現(xiàn)已是電動(dòng)汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)特性,但西門(mén)子工程師研制的輪轂機(jī)器遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了當(dāng)今的技術(shù)水平。迄今為止,電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)者總是設(shè)定一個(gè)當(dāng)駕車(chē)者松開(kāi)油門(mén)時(shí)就開(kāi)始制動(dòng)車(chē)輛的恒定阻力矩。一旦駕車(chē)者踩下剎車(chē),標(biāo)準(zhǔn)摩擦制動(dòng)器就會(huì)起作用,并將相對(duì)很大一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱量,白白浪費(fèi)掉。
在西門(mén)子的設(shè)計(jì)中,這輛車(chē)在剛開(kāi)始減速時(shí)僅采用電氣制動(dòng)裝置,直到所需制動(dòng)力達(dá)到總制動(dòng)力的30%以上時(shí),才使用常規(guī)摩擦制動(dòng)器。Freitag解釋道,“然而,經(jīng)驗(yàn)表明,在所有制動(dòng)操作中,70%以上的情況下不需要這樣做。換句話說(shuō),在這種情況下,我們可以將制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的動(dòng)能回收多達(dá)80%。”正如Freitag所指出,駕車(chē)者不會(huì)覺(jué)察到這種“混合制動(dòng)”有何異樣。這種創(chuàng)新技術(shù),加上19.4千瓦時(shí)容量的鋰離子電池,為這輛Roding敞篷跑車(chē)帶來(lái)了120公里左右的續(xù)航距離。
輪轂電機(jī)已經(jīng)在彎道行駛中實(shí)現(xiàn)了極其精確的操控。今后幾年,輪轂電機(jī)還將實(shí)現(xiàn)汽車(chē)原地打轉(zhuǎn)。
系統(tǒng)化方法。顯然,僅當(dāng)每臺(tái)電機(jī)均*由電子系統(tǒng)控制時(shí),這輛敞篷跑車(chē)所采用的技術(shù)才能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。Spiegelberg堅(jiān)信,朝著電力動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)變的趨勢(shì),將迫使工程師*反思整個(gè)系統(tǒng),而不是像以往那樣,僅考慮改進(jìn)某個(gè)組件。他解釋道,“當(dāng)前這股從內(nèi)燃機(jī)向電力動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)變的趨勢(shì),讓我們有機(jī)會(huì)*改造車(chē)輛的整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)。”這種發(fā)展也將大幅提升安全性和舒適度。譬如,所有控制系統(tǒng)都將連接起來(lái),并且可以自動(dòng)激活,而無(wú)需駕車(chē)者執(zhí)行任何操作。
未來(lái),當(dāng)每個(gè)車(chē)輪都配備了可以單獨(dú)控制的電機(jī)時(shí),將更是如此。如今的防抱死系統(tǒng)僅當(dāng)車(chē)輪抱死時(shí)被動(dòng)地重新松開(kāi)制動(dòng)器,與之不同的是,專(zhuān)門(mén)打造的輪轂電機(jī)可以精確制動(dòng),而不會(huì)造成車(chē)輪抱死。這也使這種電動(dòng)汽車(chē)可以更加安全地以更高的速度駛過(guò)彎道。
Freitag解釋道,“如果每個(gè)車(chē)輪都裝配一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置,就可以設(shè)計(jì)出能夠在高速駛過(guò)急轉(zhuǎn)彎時(shí)極其快速地作出反應(yīng)的汽車(chē),因?yàn)槊總€(gè)電機(jī)都將以較合理的方式自動(dòng)加速。在高速公路上,這種汽車(chē)操控起來(lái)就像轎車(chē)一樣順暢、穩(wěn)定,并且僅需輕觸按鈕,即可完成這一切操作。”專(zhuān)家稱(chēng)之為“扭矩定向”。
在不久的將來(lái),可能不僅將驅(qū)動(dòng)裝置、制動(dòng)器和減震器,而且將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)全部都集成到每個(gè)車(chē)輪中。
請(qǐng)不妨想象,如果汽車(chē)的兩個(gè)前輪旋轉(zhuǎn),而同時(shí)兩個(gè)后輪換擋,會(huì)怎么樣?汽車(chē)將寸步不移,至少常規(guī)汽車(chē)會(huì)是這樣。但如果左輪朝前旋轉(zhuǎn),右輪朝后旋轉(zhuǎn),汽車(chē)則將原地打轉(zhuǎn)。這是件好事——不僅是對(duì)于今天那些需要三次操作才能完成調(diào)頭的駕車(chē)新手,許多其他方面亦可從中受益。
當(dāng)然,也可以讓4個(gè)車(chē)輪都朝右,形成一條右曲線,以便將車(chē)停入最狹小的泊車(chē)位——或許是在泊車(chē)輔助系統(tǒng)的幫助下。
利用其車(chē)輛試驗(yàn)裝置,西門(mén)子的專(zhuān)家可以通過(guò)單獨(dú)改變每個(gè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)速,模擬任何行駛情況。
電子油門(mén)(Drive-by-Wire)。所有這些技術(shù)都不可避免地引出如下問(wèn)題:未來(lái)的汽車(chē)究竟是誰(shuí)在開(kāi)?人,還是機(jī)器?換言之,我們的汽車(chē)會(huì)不會(huì)成為機(jī)器人?
西門(mén)子中央研究院的Michael Armbruster博士說(shuō):“有一項(xiàng)新技術(shù),將有助于安全、簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)未來(lái)的整體式駕駛輔助系統(tǒng),自動(dòng)進(jìn)行制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、推進(jìn)等等操作。”Armbruster在斯圖加特大學(xué)航空器系統(tǒng)研究院獲得了他的博士學(xué)位。在加盟西門(mén)子之前,Armbruster在將現(xiàn)代航空器中使用的電傳操縱飛行控制系統(tǒng)(fly-by-wire),引入面向陸地車(chē)輛的全面故障導(dǎo)向安全電子控制系統(tǒng)方面,發(fā)揮了重要作用。
然而,這樣的系統(tǒng)要求新型車(chē)輛控制和通信技術(shù)。在電子油門(mén)系統(tǒng)中,不是以機(jī)械方式轉(zhuǎn)動(dòng)車(chē)輪,而是通過(guò)電子信號(hào)進(jìn)行定位,這種設(shè)計(jì)允許集成每一種可能的電子輔助系統(tǒng)。配備了這種系統(tǒng)的車(chē)輛可以自行泊車(chē),可以在危險(xiǎn)情況下自動(dòng)剎車(chē),并且可以自動(dòng)輔助駕車(chē)者駛過(guò)道路施工工地。未來(lái),創(chuàng)新駕駛輔助系統(tǒng)提供的不計(jì)其數(shù)的輔助功能,將更加重要,因?yàn)樵絹?lái)越多的老年人也想開(kāi)車(chē)出行。甚至可以想象,這些汽車(chē)將可以*自動(dòng)行駛。
當(dāng)然,采用內(nèi)燃機(jī)的車(chē)輛也可以使用電子油門(mén)。不過(guò)這要求逐漸替換或連接現(xiàn)有組件。轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?dòng)力系統(tǒng),從根本上讓設(shè)計(jì)工程師有機(jī)會(huì)重新打造車(chē)輛系統(tǒng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等都被集成到每個(gè)車(chē)輪中,并實(shí)現(xiàn)始終如一的安全控制時(shí),這種新型車(chē)輛系統(tǒng)將尤為充分地釋放其效率。
但是,要將這個(gè)愿景變成現(xiàn)實(shí),電子系統(tǒng)必須可靠,硬件也必須實(shí)現(xiàn)冗余。西門(mén)子研究人員從概念上區(qū)分了硬件和功能。他們認(rèn)為,控制裝置不需要知道是哪個(gè)硬件在執(zhí)行其命令。歸功于這種對(duì)硬件和功能的區(qū)分,我們?cè)O(shè)計(jì)出可靈活擴(kuò)展的軟件,允許通過(guò)即插即用式設(shè)備,隨時(shí)添加新的功能。
配備了西門(mén)子輪轂電機(jī)的Roding電動(dòng)敞篷跑車(chē)擁有325馬力的輸出功率;這輛汽車(chē)的鋰離子電池可實(shí)現(xiàn)約120公里續(xù)航距離。
目前,西門(mén)子工程師正在與數(shù)家研究機(jī)構(gòu)及工業(yè)企業(yè)合作,將他們的愿景變成現(xiàn)實(shí)。在德國(guó)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)部的支持下,這些組織計(jì)劃在2014年年底,開(kāi)發(fā)并試驗(yàn)一個(gè)面向電動(dòng)汽車(chē)的全新系統(tǒng)架構(gòu)。
這個(gè)架構(gòu)將允許駕車(chē)者就像如今更新和升級(jí)計(jì)算機(jī)程序那樣,為其車(chē)輛添加輔助安全系統(tǒng)。畢竟,人們永遠(yuǎn)不知道老了以后是否需要泊車(chē)輔助系統(tǒng)——還有什么安裝方式比下載更好呢?