基于智能適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)限扭控制的仿真應(yīng)用

李暉　潘麗佳　柴博　于春滿

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定071000）

?

基于智能適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)限扭控制的仿真應(yīng)用

李暉潘麗佳柴博于春滿

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北省汽車工程技術(shù)研究中心，保定071000）

【摘要】針對(duì)整車搭載博格華納智能適時(shí)四驅(qū)控制系統(tǒng)后橋限扭閥值設(shè)定的問題，分析其傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和智能控制策略，使用整車仿真軟件AVL-CRUISE搭建模型，通過設(shè)置不同限扭閥值進(jìn)行了性能仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，后橋限扭閥值設(shè)定為800 N·m可滿足整車性能目標(biāo)要求。結(jié)合實(shí)車試驗(yàn)，同時(shí)使用CAN總線監(jiān)控軟件CANoe對(duì)不同工況下分動(dòng)器工作情況進(jìn)行監(jiān)控分析，驗(yàn)證了限扭閥值設(shè)定的正確性。

1　問題提出

某款新型橫置四驅(qū)SUV采用博格華納智能適時(shí)四驅(qū)控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)采用分動(dòng)器（Power transmit unit，PTU）和扭矩管理器（NexTrac）組合控制。裝配智能適時(shí)四驅(qū)控制系統(tǒng)的車輛在某些特定工況下，其ECU根據(jù)接收到的整車傳感器信號(hào)經(jīng)過邏輯運(yùn)算判定后橋需要傳遞扭矩時(shí)，會(huì)發(fā)出指令控制NexTrac的后橋電磁離合器，實(shí)現(xiàn)扭矩輸出[1]。NexTrac在前期標(biāo)定過程中可設(shè)置不同大小的電流，通過調(diào)節(jié)電流的大小來實(shí)現(xiàn)智能扭矩管理，如440 N·m、600 N·m、800 N·m、1 000 N·m等不同的扭矩閥值。若選擇限扭閥值過小，則造成后輪提供的驅(qū)動(dòng)扭矩過小，無法實(shí)現(xiàn)前輪打滑時(shí)后輪脫困的智能控制功能；若選擇限扭閥值過大，則輸出軸有破壞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。采用不同的限扭閥值將直接影響整車的布置方式和零部件的材料和工藝選擇。本文通過AVLCRUISE軟件建模仿真結(jié)合實(shí)車性能試驗(yàn)對(duì)比，選擇合理的限扭閥值以實(shí)現(xiàn)整車性能匹配。

2　智能四驅(qū)系統(tǒng)

2.1智能四驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

四驅(qū)系統(tǒng)根據(jù)控制方式不同分為主動(dòng)控制系統(tǒng)和被動(dòng)控制系統(tǒng)。被動(dòng)控制系統(tǒng)主要是駕駛員根據(jù)當(dāng)前行駛工況自主選擇駕駛模式如2WD、4WD-H、4WD-L等；主動(dòng)控制系統(tǒng)不需要人為選擇駕駛模式，而是通過安裝在車輛上的各種傳感器搜集整車的工作狀態(tài)信號(hào)，再經(jīng)過預(yù)先設(shè)定的扭矩控制策略的邏輯運(yùn)算控制分動(dòng)器扭矩輸出，實(shí)現(xiàn)兩驅(qū)模式與四驅(qū)模式的自動(dòng)切換[2]。

智能適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)是一種主動(dòng)控制系統(tǒng)，它主要由PTU和NexTrac兩部分組成。其工作方式是在前驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)中加入PTU，通過冠狀齒輪與螺旋錐齒輪（或雙曲線齒輪）嚙合傳遞扭矩給中間傳動(dòng)軸，再通過NexTrac調(diào)節(jié)內(nèi)部的電磁離合器控制中間傳動(dòng)軸輸出扭矩。橫置式智能適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1　智能適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

2.2智能四驅(qū)系統(tǒng)控制原理

車輛在高附著系數(shù)的平坦路面上行駛時(shí)，一般前輪驅(qū)動(dòng)即可滿足整車動(dòng)力需求，此時(shí)前后車輪轉(zhuǎn)速差異較小，不傳遞扭矩給后橋。當(dāng)車輛在一些特定工況下（如低附著系數(shù)路面、越野路、上坡、急加速等），ECU經(jīng)過邏輯運(yùn)算后判定需要向后橋傳遞扭矩時(shí)，NexTrac輸出不斷變化的電流控制后橋電磁離合器，實(shí)現(xiàn)扭矩的智能分配[3]。智能四驅(qū)系統(tǒng)控制邏輯如圖2所示。

圖2　智能適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)邏輯控制原理

扭矩管理器與整車實(shí)時(shí)通訊，判斷車輛狀態(tài)和駕駛員意圖，再通過ECU采集的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等信號(hào)計(jì)算出車輛后橋需要傳遞的扭矩，由電流的大小來控制電磁場(chǎng)的強(qiáng)弱以達(dá)到按需分配扭矩的目的，從而實(shí)現(xiàn)扭矩智能分配。

3　智能適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)性能仿真

3.1建立智能適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)仿真模型

以某搭載2.0 L橫置發(fā)動(dòng)機(jī)和6擋手動(dòng)變速器的智能四驅(qū)車型為例，基于智能四驅(qū)系統(tǒng)控制原理，用AVL-CRUISE軟件搭建整車仿真模型進(jìn)行計(jì)算。采用軟件模塊化建模理念，使用整車、發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、主減速器、PTU、差速器，制動(dòng)器、輪胎、駕駛室、Nex?Trac等模塊結(jié)合分動(dòng)器邏輯控制函數(shù)（Diff-1）模塊和限扭閥值控制（Limit）模塊搭建整車仿真模型，實(shí)現(xiàn)智能四驅(qū)車型的常用功能。仿真模型如圖3。

圖3　整車仿真模型

3.1.1仿真模型的搭建原理

智能適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)主要控制部分為PTU、NexTrac 和ECU，軟件仿真時(shí)采用分動(dòng)器、主減速器、法蘭和控制函數(shù)模型組成，各個(gè)部件之間用數(shù)據(jù)總線（Data Bus）連接。核心仿真機(jī)構(gòu)見圖4。

圖4　智能四驅(qū)邏輯控制模型的核心機(jī)構(gòu)

a.整車仿真模型中，發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、離合器、主減速器、輪胎、駕駛室模型為常規(guī)仿真模型，根據(jù)試驗(yàn)車型輸入相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)。

b.分動(dòng)器中前單齒輪（Front Gear）模塊和分動(dòng)器中后單齒輪（Rear Gear）模塊，主要作用是改變傳遞扭矩大小和方向，兩對(duì)齒輪可采用對(duì)稱式布置或非對(duì)稱式布置。對(duì)稱式布置或非對(duì)稱式布置的選擇主要考慮整車的布置空間、部件工藝、NVH、成本等因素。本模型采用對(duì)稱式布置即Front Gear與Rear Gear兩齒輪速比乘積為1，F(xiàn)ront Gear模塊的主要作用是減扭增速，Rear Gear模塊的主要作用是減速增扭。

c. PTU模塊和Diff-1模塊把來自于傳動(dòng)系統(tǒng)的扭矩分別傳遞給前橋和后橋，扭矩分配比定義為后傳動(dòng)軸輸出扭矩與前驅(qū)動(dòng)軸輸出扭矩的比值。當(dāng)前、后輪有轉(zhuǎn)速差時(shí)，改變分動(dòng)器扭矩分配比，逐步增大后傳動(dòng)軸輸出扭矩。模型仿真時(shí)PTU的分配策略選擇“Torque Split Factor From Data Bus”，Diff-1模塊根據(jù)當(dāng)前仿真狀態(tài)計(jì)算后，通過Data Bus調(diào)整前后扭矩分配比。扭矩分配比Ψ的取值范圍為：式中，Tn為NexTrac限扭閥值；T=min{Ttq,Tt}為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩和變速器承受扭矩的最小者；Ttq為發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出扭矩；Tt為變速器1擋最大承受扭矩；If為Front Gear模塊速比；I1為變速器1擋速比；I0為主減速比。

d. NexTrac模塊和Limit模塊的主要作用是限制傳遞扭矩的大小，保護(hù)傳動(dòng)系統(tǒng)零部件避免扭矩過大出現(xiàn)過載。采用NexTrac模塊、法蘭（Flange）模塊和Limit模塊相結(jié)合進(jìn)行建模，由式（1）計(jì)算當(dāng)前的最大扭矩分配比，當(dāng)后傳動(dòng)軸輸出扭矩大于設(shè)定的閥值時(shí)，NexTrac把多余的扭矩傳遞至Flange模塊，保證建模的準(zhǔn)確性。

3.1.2仿真模型控制策略

基于智能適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)的控制原理，AVL-CRUISE軟件建模仿真時(shí)主要通過Data Bus傳遞數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真控制。常用的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)是全油門加速和爬坡測(cè)試，2種工況的控制策略如下。

a.普通路面全油門加速工況：前、后輪轉(zhuǎn)速差大于閥值，或油門開度大于閥值時(shí)，Diff-1控制函數(shù)模塊通過Data Bus改變PTU模塊前、后扭矩分配比，使后傳動(dòng)軸輸出扭矩逐步增加；前、后輪無轉(zhuǎn)速差且車速大于標(biāo)定值時(shí)，分動(dòng)器扭矩分配比變?yōu)?，即后傳動(dòng)軸輸出扭矩為0。

b.坡道起步工況：前、后輪轉(zhuǎn)速差大于閥值或坡度大于閥值時(shí)，PTU模塊改變前、后扭矩分配比，使后傳動(dòng)軸輸出扭矩增加；后傳動(dòng)軸輸出扭矩大于限扭閥值時(shí)，函數(shù)Limit模塊控制NexTrac模塊把多余扭矩傳遞至Flange模塊，通過摩擦消耗掉。

c.各個(gè)工況中，地面摩擦因數(shù)依據(jù)仿真工況設(shè)定相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)值，傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出扭矩優(yōu)先傳遞至前驅(qū)動(dòng)軸，但前驅(qū)動(dòng)軸最大驅(qū)動(dòng)力不得超過地面極限附著力。

3.2性能仿真結(jié)果分析

建模分析不同的限扭閥值對(duì)整車常用性能指標(biāo)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的影響，在輸入條件如整備質(zhì)量、風(fēng)阻系數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)特性、變速器特性等不變的情況下，僅有后傳動(dòng)軸輸出扭矩的變化，此時(shí)仿真主要考慮整車的最大爬坡度性能和0～100 km/h加速性能。

忽略整車加速度阻力對(duì)爬坡性能的影響，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩的不斷增大，車輪驅(qū)動(dòng)力大于地面最大摩擦力，車輪打滑且前后輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，分動(dòng)器模塊改變前后扭矩分配比，當(dāng)前輪達(dá)到地面附著力極限且后輪為限扭器最大輸出扭矩時(shí)，得到最大爬坡度。最大爬坡度α計(jì)算方法如下[4]：

其中驅(qū)動(dòng)力為：

式中，F(xiàn)t為驅(qū)動(dòng)力；Ff為坡道阻力；Fw為空氣阻力；Fz1為前輪的地面極限附著力；R為輪胎滾動(dòng)半徑；ηt為傳動(dòng)系統(tǒng)效率；Ir為Rear Gear模塊速比。

AVL-CRUISE軟件仿真計(jì)算最大爬坡度的過程為穩(wěn)態(tài)工況。隨著坡度增大，載荷后移，當(dāng)前輪驅(qū)動(dòng)力超過地面附著力時(shí)，前后輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，控制函數(shù)Diff-1模塊適時(shí)調(diào)整PTU模塊前后傳動(dòng)軸的輸出扭矩，使前輪驅(qū)動(dòng)力趨近于地面極限附著力，在后輪驅(qū)動(dòng)力不超過地面附著力的情況下，限扭閥值越大，整車最大爬坡度越大。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　最大爬坡度仿真

模擬全油門0～100 km/h加速工況時(shí)，油門踏板開度為100 %，發(fā)動(dòng)機(jī)以穩(wěn)態(tài)工況輸出最大扭矩，控制函數(shù)Diff-1調(diào)整扭矩分配比，使后傳動(dòng)軸以最大限扭閥值輸出，忽略原地起步時(shí)離合器的打滑過程，整車以四驅(qū)模式起步加速。由于設(shè)定的限扭器閥值不同，1擋起步時(shí)有不同程度的打滑現(xiàn)象，當(dāng)車輛加速趨于平穩(wěn)時(shí)，前后輪無轉(zhuǎn)速差，控制函數(shù)Diff-1調(diào)整扭矩分配比，使后傳動(dòng)軸輸出扭矩減小至0，整車以兩驅(qū)模式完成加速工況。仿真結(jié)果如圖6所示。

實(shí)車試驗(yàn)時(shí)多以“Testlike”模式進(jìn)行，即整車以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速4 000 r/min起步加速到最高轉(zhuǎn)速再進(jìn)行換擋?？紤]到日常生活中多以怠速起步的方式駕駛車輛，所以軟件仿真選擇“Customerlike”模式，這一點(diǎn)區(qū)別于GB/T 12543-2009《汽車加速性能試驗(yàn)方法》中的試驗(yàn)測(cè)試要求。

圖6　全油門0～100 km/h加速仿真

結(jié)合整車爬坡工況和全油門0～100 km/h加速工況仿真結(jié)果，對(duì)比不同限扭閥值情況下的整車性能表現(xiàn)，同時(shí)引入動(dòng)力性能感受指數(shù)來評(píng)價(jià)整車動(dòng)力性。動(dòng)力性感受指數(shù)PFI=0.2a1+0.3a2+0.2a3+0.1a4+0.1a5+0.1a6，其中a1～a6分別為1擋～6擋最大加速度。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　不同限扭閥值的整車動(dòng)力性仿真結(jié)果

綜合對(duì)比表1中數(shù)據(jù)和圖5、圖6中數(shù)據(jù)，在當(dāng)前的計(jì)算任務(wù)下，即性能分析常用工況（理想良好路面條件）下，不同限扭閥值的各種性能不同。在滿足整車基本性能目標(biāo)的前提下，結(jié)合整車成本、布置空間、性能表現(xiàn)等因素，后傳動(dòng)軸限扭閥值設(shè)置為800 N·m較為理想。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證分析

結(jié)合AVL-CRUISE軟件仿真的爬坡工況和全油門0～100 km/h加速工況計(jì)算結(jié)果，對(duì)搭載2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)和6擋手動(dòng)變速器的智能四驅(qū)車輛進(jìn)行限扭閥值為800 N·m的試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)用CAN總線監(jiān)控軟件CANoe采集4個(gè)車輪的工作狀態(tài)、整車車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油門踏板開度和扭矩管理器輸出扭矩等參數(shù)，對(duì)車輛性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在50 %坡道進(jìn)行爬坡工況測(cè)試，試驗(yàn)車初始狀態(tài)為靜止于試驗(yàn)坡道上，此時(shí)車輛狀態(tài)滿足“坡度大于閥值”的條件，NexTrac電控單元調(diào)整電磁離合器處于壓緊工作狀態(tài)，按照標(biāo)定預(yù)設(shè)，此時(shí)后傳動(dòng)軸輸出扭矩為600 N·m（如圖7中第55.5 s處所示）。駕駛員踩下油門踏板準(zhǔn)備爬坡，在第59 s時(shí)慢松離合器，由于坡度較大，左右前輪與左右后輪轉(zhuǎn)速差明顯，NexTrac調(diào)整輸出電流使電磁離合器壓緊力增大，后傳動(dòng)軸輸出扭矩增至800 N·m，隨后NexTrac保持輸出扭矩不變，在約62 s時(shí)前、后輪轉(zhuǎn)速趨于一致，整車速度穩(wěn)定于標(biāo)定閥值（20±5）km/h范圍內(nèi)，NexTrac分配給后傳動(dòng)軸輸出扭矩線性減小，直至完成爬坡測(cè)試。

圖7　爬坡工況CANoe監(jiān)測(cè)的整車參數(shù)信號(hào)

整車爬坡時(shí)，NexTrac會(huì)根據(jù)坡度不同加載不同的預(yù)壓緊力，考慮NexTrac內(nèi)部電磁離合器的散熱、耐久、壽命等因素，各階段壓緊力持續(xù)工作時(shí)間不同。使用CANoe軟件監(jiān)測(cè)NexTrac的工作狀態(tài)，放大爬坡工況輸出特性圖，可以看出輸出扭矩不斷變化的工作特點(diǎn)，如圖8所示。

圖8　爬坡工況NexTrac輸出扭矩

在全油門0～100 km/h加速測(cè)試時(shí)，車輛初始狀態(tài)為靜止于水平路面上。全油門加速起步時(shí)，離合器接合前車速為0，但此時(shí)油門踏板開度為100 %，NexTrac預(yù)加載扭矩；待離合器接合后前輪與后輪有短暫的轉(zhuǎn)速差時(shí)，NexTrac輸出電流增大，進(jìn)一步壓緊電磁離合器使

后傳動(dòng)軸輸出扭矩增大為800 N·m；待前后輪轉(zhuǎn)速差減小后，后傳動(dòng)軸輸出扭矩逐步降低；當(dāng)車輛高速運(yùn)行時(shí)，為減少能量損失，NexTrac切斷后傳動(dòng)軸輸出扭矩，整車以兩驅(qū)模式完成剩余的加速工況。加速過程整車參數(shù)如圖9所示。

圖9　全油門0～100 km/h加速工況CANoe監(jiān)測(cè)的整車參數(shù)信號(hào)

在全油門加速工況中，車輛起步前油門踏板開度為100 %，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，逐步松開離合器時(shí)，前后輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，ECU根據(jù)采集到的輪速信號(hào)和油門踏板信號(hào)使NexTrac處于工作狀態(tài)。當(dāng)前后輪轉(zhuǎn)速趨于一致時(shí)，NexTrac切斷后傳動(dòng)軸扭矩輸出，該過程非常短暫，如圖10所示。AVL-CRUISE軟件仿真時(shí)，輸入扭矩為發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架標(biāo)定的穩(wěn)態(tài)工況最大扭矩；實(shí)車測(cè)試時(shí)，輸入扭矩為發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)輸出扭矩，兩者略有差異。

圖10　全油門0～100 km/h加速NexTrac輸出扭矩

5　結(jié)束語

a.不同限扭閥值對(duì)整車爬坡能力影響較大，對(duì)全油門加速性能影響較小。

b. NexTrac的限扭閥值設(shè)定為800 N·m能夠滿足整車全油門0～100 km/h加速性能和爬坡性能目標(biāo)要求。

c.使用CAN總線監(jiān)控軟件CANoe對(duì)NexTrac在不同工況下的工作情況進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)果表明，軟件仿真結(jié)果比較符合整車實(shí)際情況。

參考文獻(xiàn)

1 Barlage J A，Perttola T.全輪驅(qū)動(dòng)技術(shù).習(xí)增祥，楊洲譯.北京：軍事誼文出版社，2010：76～81.

2吳憩棠.博格華納四輪驅(qū)動(dòng)扭矩管理系統(tǒng).汽車與配件，2007（10）：42～43.

3汪文杰，翟洪軍，金吉?jiǎng)?，?智能四驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng).機(jī)械工程師，2011（05）：160～162.

4余志生.汽車?yán)碚?北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：18～22.

（責(zé)任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2015年9月21日。

Simulation Application of Torque Limiting Control Based on Intelligent NexTrac

Li Hui, Pan Lijia, Chai Bo, Yu Chunman
（R&D Center of Great Wall Motors Company, Automobile Engineering Technology Center of Hebei, Baoding 071000）

【Abstract】For the rear axle torque limiting threshold setting of BorgWarner automotive intelligent NexTrac control system, we analyze its driveline structure and intelligent control strategy, using simulation software AVL-CRUISE to build vehicle performance simulation model, and make performance simulation by setting different torque limiting threshold, the results show that rear axle torque limiting threshold set to 800 N·m can satisfy requirement of vehicle performance objectives. Combined with the real vehicle test verification, using CAN bus monitoring software CANoe to monitor and analyze operation of Power Transmit Unit under different conditions, to verify the correctness of the torque limiting threshold setting.

Key words:Intelligent NexTrac, AVL-CRUISE, Torque limiting threshold, CANoe

中圖分類號(hào):U463.21；TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-3703（2016）02-0015-04

主題詞:智能適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)AVL-CRUISE限扭閥值CANoe