Electric Axle and Wheel Module Driveline Concepts for Self-propelled Agricultural Machinery and Equipment Carriers

技术摘要：自走式农业机械与设备运输车的电驱动桥与车轮模块传动系统概念

问题陈述
自走式农业机械（例如联合收割机、青贮饲料收获机、块根作物收获机）及设备运输车的电气化，相较于传统静液压传动系统，有望带来新的设计自由度并降低能量损失。然而，依赖中央发动机和单一集成传动系统的标准拖拉机架构，在向分布式电驱动转型时面临显著的经济和技术障碍。具体而言，对于标准四轮驱动拖拉机，多个电动机、电力电子器件和减速齿轮的累积成本可能导致总投入电机功率高达标称车辆功率的 400%，这使得中央电机配置对该特定类别更具吸引力。

相反，非标准车辆（如自走式收获机和设备运输车）通常表现出工艺驱动功率（切碎、脱粒）与地面驱动功率的明显分离。在这些机器中，工艺驱动消耗了大部分功率（60–80%），而地面驱动所需的功率则显著较少。这种分离为独立电气化地面驱动提供了机遇。挑战在于定义最优的模块化传动系统架构，以平衡工程需求——包括载荷谱、效率、转向性、可控性、制动、结构支撑、车轮不对称载荷以及制造成本——同时不受中央机械传动系统的限制。

方法论
本文定义并比较了两种无功率分流直接电驱动的具体设计组别：驱动桥模块（Axle Modules）和车轮模块（Wheel Modules）。两者均被定义为自包含的机电一体化单元，集成了电动机、传动系统、电力电子器件、控制智能、转向系统和制动系统。它们仅需来自车辆底盘的直流电源总线和通信接口。

作者根据自走式农业机械的操作工况谱推导出的具体工程需求，对这些概念进行了分析：

• 载荷谱： 对联合收割机和青贮饲料收获机的液压压力数据分析显示，虽然典型的田间压力范围在 50–200 bar 之间，但短时峰值事件（例如上坡加速）可能达到 450 bar。这需要电动机具备高短时峰值功率能力。
• 效率： 研究引用了拖拉机无级变速器（CVT）的效率目标以及联合收割机地面驱动的具体目标（Bernhard 目标），指出电驱动具有超越静液压传动效率的潜力，特别是在静液压系统表现显著不佳的部分负载工况下。
• 速度与制造： 分析考虑了收获机相较于标准拖拉机更窄的速度范围（田间 3–8 km/h，道路最高 40 km/h），以及小批量生产的经济影响，其中来自专业供应商的模块化组件可提供规模经济效应。
• 比较分析： 本文从空间/离地间隙、悬架、制造成本、转向性、可控性（自由度）、制动系统、减速策略、空转能力、热管理和冗余度等维度对两种概念进行了评估。

主要贡献

1. 模块化概念的定义： 本文正式将“驱动桥模块”和“车轮模块”定义为具有分布式控制智能和转向功能的全集成机电一体化单元，以此区别于以往控制仍保持集中式的静液压或集中式电动尝试。
2. 架构比较： 提供了详细的技术比较，重点突出：
   • 车轮模块为车架和悬架提供最大的设计自由度，提供最大的冗余度（三个功能单元即可实现跛行回家能力），并实现全八自由度可控性（扭矩矢量分配、单轮转向）。然而，它们会产生更高的制造成本，需要电机过设计以应对不对称车轮载荷（例如侧坡作业），并需要复杂的结构元件来承载工艺设备载荷。
   • 驱动桥模块提供较低的制造成本，具备适合重型工艺设备的结构刚性，通过差速器实现自动载荷分担（避免电机过设计），以及更简单的热管理。其局限性包括车轮间的设计自由度降低，以及可控性较低（每车轴两个自由度）。
3. 转向与制动的集成： 本文强调，两种概念均将转向执行机构和制动系统直接集成到模块中，允许使用单一的直流电源输入。文章讨论了具体的实施方案，例如在车轮模块中使用范围制动器来实现驻车功能。
4. 减速策略： 作者分析了多档变速器（通常为两个档位：田间和道路）的必要性，以优化整个运行速度谱的效率。他们引用了具体的行星齿轮布置方案，这些方案允许实现高减速比和外部动力换挡制动器。

结果与发现

• 效率： 电驱动显示出相对于静液压驱动显著的效率优势，实验数据显示在田间工况下提高了 17–27 个百分点，这主要归功于更好的部分负载性能。
• 成本： 当前电驱动桥原型的制造成本显著高于静液压等效产品（例如，在引用的一例中高出 4.5 倍）。本文指出，成本平价依赖于行业范围内模块化组件的广泛采用以实现规模经济。
• 载荷处理： 驱动桥模块中的差速器可自动处理不对称垂直载荷，而车轮模块则要求单个电机按最坏情况的单轮载荷进行设计，导致过设计并增加重量和成本。
• 可控性： 车轮模块支持高级驾驶模式，如入弯牵引、用于土壤压实管理的扭矩矢量分配以及精确的阿克曼转向，这些是驱动桥模块无法实现的。
• 热管理： 驱动桥模块受益于集中的热源，允许更简单的冷却回路，而车轮模块分散了热源，可能增加冷却复杂性。

意义与主张
本文主张，无功率分流的直接电驱动系统为自走式农业机械和设备运输车开辟了根本性的新设计空间。文章提出，虽然两种概念均具有可行性，但选择取决于具体应用：

• 驱动桥模块被呈现为重型自走式收获机和块根作物机械的更强起点，其中结构刚性、成本效益以及对不对称载荷的处理是主要驱动因素。
• 车轮模块则更受青睐于那些将设计自由度、冗余度以及高级可控性（例如用于土壤保护的扭矩矢量分配）作为主要设计驱动因素的应用场景。

作者得出结论，从集中式机械/静液压传动系统向分布式电模块的转型已在行业内开始（引用现有的静液压实施案例）。目前全面电气化的主要障碍是电组件的成本高于其提供的节能和二氧化碳减排效益。然而，本文指出，随着电组件成本的降低和能源成本的上升，这些模块化概念的经济可行性将得到改善。文章还指出，混合配置（在单一车辆中混合使用驱动桥模块和车轮模块）代表了未来架构的额外设计自由度维度。