Speed4E Hyper-high-speed for electric vehicles

Speed4E is the follow-up project of the already successfully completed research project Speed2E.

Today’s electric vehicles are powered by machines with maximum driving speeds between around 10,000 rpm and about 15,000 rpm. With the increase in engine speed of up to 30,000 rpm, the volume of the active components, its mass as well as its price, could be reduced by about 30%. Therefore, the power density, the efficiency and the economic viability of electric automobile drivetrains were considerably raised.

The project objectives for Speed2E were accomplished: both sub-transmissions of the drivetrain were operated with a speed of up to 30,000 rpm, driving cycles could  be implemented and tested at the test-rig.

Figure 1: Speed2E Drivetrain

In Speed4E, the goal is to reach and investigate even higher driving speeds,
in particular, driving speeds of up to 50.000 rpm are to be reached at the two test-rigs in Munich and Hanover, while a maximum motor speed of 30,000 rpm is pursued for safe operation in two vehicles. Hence, while developing a highly integrated, compact and power-dense drivetrain, a great focus will be put onto its NVH-behaviour and, especially, efficiency.

To achieve these ambitious goals, many aspects have to be taken into detailed account and, amongst others, these very challenges have to be faced:

• Identification of a suitable sealing concept, since state-of-the-art solutions cannot be used with the investigated speeds
• Design of bearings and their compatibility with the lubricant
• Loss in the power electronics’ semiconductors and the airstream
• Passing of multiple resonant frequencies of the gears
• Generation of a highly integrated and scalable drivetrain
• Development of a highly efficient lubricant and of an integrated thermal–management
• Development of an intelligent transmission-management with matching control strategies
• First-time integration and practical test in a vehicle

The project goals for the hyper-high-rev drivetrain are in particular:

• Thanks to the hyper-high driving speed, a substantial contribution to raising the range and efficiency shall be given. Because of the application in a real vehicle, a compelling validation of the results is possible.
• In addition to improving and optimising efficiency, intelligent operating strategies shall be developed for the complete system, which will benefit of the synergies of a highly integrated approach.
• Design of a lightweight drivetrain for a further efficiency increase
• First-time vehicle integration and testing of a hyper-high-speed drivetrain
• Design of an innovative fluid to lubricate and cool all the components combined and development of an intelligent thermal-management
• Realisation of a highly integrated and scalable drivetrain

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以下部分为某工具翻译的相关材料，请大家海涵，能力一般。。。

为了更准确地确定轴承支承力，正在运用FVA的RIKOR软件实行轴承支承力准备时，已斟酌到了正在重复历程中壳体刚度的低重，并且通过基于有限元的变形阐发可加紧壳体轴承座，使其确保承载轴产生最小的倾斜。

　

　　为了增大扭矩，设计了一种低损耗啮合方案，它因具有十分小的齿形轮廓啮合面而能将啮合中的滑动因素降低到很小的水准。因为运转转速趋势于越来越高，规矩上就啮合固有频率（正在该频率下齿轮体认正在切线偏向上相互相对振动）而言，已不再能确保啮合的下临界运转。若引发频率（取决于啮合齿数）较小的话，那么这种情状根本上能被抵制。

　

　

　　图6示出了正在电机全负荷下转速开始加快到27000 r/min时每种计划相关于转速均匀的固体声阶次谱的比照，它们是对每一种啮合试验由相像的加快率传感器正在啮合偏向上测得的。试验安顿直至试验到最高计划转速30000 r/min。从阶次谱中依据其主动小齿轮齿数和比其更高的阶次就能辨认出轮齿啮合的频率。低损耗计划的振动性情中轮齿啮合频率的第1阶次高电平占上风，这是因啮合刚度相对较高使动态轮齿受力较大所酿成的。另外，正在轮齿啮合频率四周还显现了侧频带，这是由高的轮齿啮合频率和分度谬误所致。

　　所以，大凡的计划标的为了避免啮合总体共振，不妨存正在限定性。这些试验证明了遵从目前手艺程度计划的啮合性情有利于低重噪声。正在较高转速时利用的档位，齿数多的出力优化的几何计划正在声学职能上也是有利的，由于它们具有的高轮齿啮合频率，靠人耳难以察觉。下临界计划正在声学职能方面是最差的，由于轮齿啮合频率浩繁的谐波外露高电平，全豹试验转速下的引发频率都较低，都处于可听取得的频率领域，所以能证明这关于避免啮合共振是有害的。

　　这种动力传动体例是正在一种车速可到达160 km/h的C级前轮驱动样车根基长进行计划的。这种由两个分支变速器构成的车桥变速器（图1和图2）由两个转速高达30000 r/min的构造相像的永磁同步电机驱动。分支变速器Ⅰ（TGⅠ）被计划成传动比为21的两级前轮驱动变速器，正在电机最高转速时到达最高车速160 km/h。除此以外，3级分支变速器Ⅱ（TGⅡ）具有两个档位，即初始传动比为32和高效档位传动比为15。两个分支变速器通过一个共用的差速器呆滞结合。因为其构造具有很强的性能，所以能完毕牵引力无终了的换档。除此以外，两个分支变速器上活络的功率分派供应了推行抬高能量出力或低重运转噪声辐射互换性。

　　慕尼黑的试验实质是阐发TGⅠ的振动和出力情状，为此正在变速器壳体中仅装置实行相应啮合试验的TGⅠ啮合齿轮系，并装上关闭的差速器（图4和图5）。为了评判振动情状，实行了固体传声和氛围传声衡量。固体传声衡量要正在变速器壳体上装置很众加快率传感器。汉诺威试验的核心是考验电动同步爪式聚散器和阐发TGⅡ的润滑剂散布情状，为此采用由有机玻璃制成的TGⅡ壳体罩，以便也许用高速摄像机拍摄变速器中喷射润滑和油池飞溅的机油散布情状。

　　电气化传动体例越来越多地采用高速计划，因其具有最高的功率密度而能有助于减轻质地。因为其输入转速高，非常是关于桥减速器正在出力、承载技能和噪声-振动-平顺性（NVH）性情等方面提出了新的寻事。正在德邦慕尼黑理工大学齿轮和传动构造商讨所（FZG）的引导下，Speed2E合营项目正在一台高职能传动体例样机上对此实行了商讨，该项方针商讨功劳将有助于纯电动车（BEV）到达开垦标的。

　　下临界计划正在较高阶次的啮合频率时也显示出高的固体声电平,所以这外明因为删除的齿数已亲密几何学极限，计划上要到达无振动的职能不妨受到控制。上临界计划具有与基准计划相相仿的低固体声电平程度。因为受职业道理的控制，电机正在高转速时扭矩大大低重以及无引发的啮合几何学的由来，啮合共振低重得十分少，并导致相对小的电平超高。

　　为此，计划了一种采用齿数十分少的13齿主动小齿轮的啮合试验（下临界）计划。除此以外，还存正在云云的不妨性，即不妨要阐发正在共振或上临界运转时的啮合振动性情。为此，上临界啮合的几何学采用不妨的最众齿数（受到规章的轴距和预先给定的刀具数据库中的最小模数的控制）有针对性地将引发频率计划得最大，另外再低重传动比，以便完毕主动小齿轮与齿轮之间更小的质地比，以低重啮合固有频率。

　　通过Speed2E合营项目已外明了用于电动车的高速传动体例正在道理上的可行性。正在项目创筑和试验的一切传动体例的最终阶段，遵从所计划的运转计谋功率分支的变速器构造显示出了正在出力和NVH性情方面的潜力，然后正在安顿的下一个Speed4E合营项目中就可能与有名的工业合营伙伴一块，进一步将所得回的功劳，开垦成高度集成的传动体例。

　　德邦联邦经济和能源部（BMWi）商讨连结会（FVA）联合Speed2E合营项目，其方针正在于开垦和商讨用于电气化汽车运转转速最高达30000 r/min的高速传动体例。除了该合营项方针首要单元德邦慕尼黑理工大学齿轮和传动构造商讨所（FZG）以外，汉诺威莱布尼兹大学呆板构造与摩擦学商讨所和传动体例与功率电子学商讨所、达姆施塔特理工大学呆板构造机电体例商讨所、麦格纳-格特拉克公司以及伦茨体例工程公司都是这个项方针合营伙伴。正在Speed2E合营项目框架下，测试了一种以两个电传动单位和一个具有两个平行分支传动机构的变速器为根基的新型传动体系计划，而个中一个平行分支传动机构是可能换档的。样机的结构被故意计划得具有很强的性能，以至于正在最高运转转速下的出力以及润滑和振动性情方面存正在实行普通试验商讨的不妨性。正在这个为期3年的合营项方针末了阶段，正在FZG全能试验台长进行了试验商讨。

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