扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置研究

馮立 戰(zhàn)敏 陳強(qiáng)

摘 要：扭矩矢量控制技術(shù)能有效的提升汽車操縱穩(wěn)定性與脫困能力。近年來，扭矩矢量控制技術(shù)已在四驅(qū)車型普遍應(yīng)用。矢量驅(qū)動(dòng)裝置是實(shí)現(xiàn)扭矩矢量控制的主要零件。文章詳細(xì)分析了幾款扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理及性能。

關(guān)鍵詞：汽車;四驅(qū);扭矩矢量

中圖分類號：U467.4+4 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）14-37-03

Abstract： The torque vectoring technology which can effectively improve the vehicle handling stability and passing ability is increasingly being used in the AWD cars in recent years. The torque vectoring technology works by the torque vectoring axle. This paper detail the mechanical structure and working principle of several torque vectoring axle.

Keywords： Automobile; AWD; Torque vectoring

CLC NO.： U467.4+4 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）14-37-03

前言

市場上常見的適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)，大多是將多片離合器式扭矩管理器安裝在中間傳動(dòng)軸和主減速之間，根據(jù)車輛工況和駕駛意圖，自動(dòng)分配前軸、后軸扭矩，改善車輛通過性和操縱性能。

扭矩矢量控制四驅(qū)是在現(xiàn)有適時(shí)四驅(qū)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上升級而來，它不僅可以實(shí)現(xiàn)前后軸的扭矩分配，還可以實(shí)現(xiàn)后軸左右車輪的扭矩分配，使車輛越野性及操縱穩(wěn)定性得到顯著提升。

扭矩矢量控制技術(shù)早期廣泛應(yīng)用于跑車/性能車，例如三菱EVO、福特FocusRS、寶馬M系列等。主機(jī)廠也擁有不同的扭矩矢量控制技術(shù)，如三菱 AYC主動(dòng)偏航控制、謳歌 SH-AWD超級全輪驅(qū)動(dòng)、豐田 Dynamic Torque Vectoring AWD系統(tǒng)。

近年來，扭矩矢量控制技術(shù)逐漸由跑車應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)镾UV應(yīng)用，大型豪華SUV、中小型城市SUV均有應(yīng)用，?目前，扭矩矢量控制技術(shù)在國外已普遍應(yīng)用，多款量產(chǎn)車型搭載矢量扭矩控制技術(shù)，如寶馬X6、雪佛蘭探界者、謳歌MDX等，但國內(nèi)自主品牌尚無應(yīng)用。

扭矩矢量控制技術(shù)的應(yīng)用趨勢，見圖1。

1 扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置

矢量扭矩驅(qū)動(dòng)裝置是實(shí)現(xiàn)扭矩矢量控制的主要機(jī)械零件，它位于車輛后軸，見圖2。扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置由減速器單元、離合器單元和控制機(jī)構(gòu)組成，見圖3。扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置將兩組離合器單元安裝在減速器單元和左右驅(qū)動(dòng)半軸之間，通過離合器單元和控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)左右車輪的扭矩分配。

2 寶馬X6扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置

寶馬X6扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置主要由開放差速器減速單元和左右兩個(gè)離合器單元組成，離合器單元包括行星齒輪系、多片摩擦片?？刂茩C(jī)構(gòu)為電機(jī)凸輪盤制動(dòng)機(jī)構(gòu)。其機(jī)械結(jié)構(gòu)，見圖3。

2.1 扭矩矢量分配過程

寶馬X6扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置的傳動(dòng)原理，見圖4。其扭矩可沿2條路徑輸出至輪端。

第一條路徑，扭矩經(jīng)差速器行半齒輸出至輪端，扭矩分配過程及原理與開放式差速器一致。

另一條路徑，扭矩經(jīng)差殼和單排行星輪機(jī)構(gòu)輸出至輪端。行星輪系中輸入太陽輪與差殼連接，輸出太陽輪與輪端連接，行星輪與摩擦片相連。該裝置通過制動(dòng)行星輪來實(shí)現(xiàn)扭矩分配，制動(dòng)強(qiáng)弱決定傳遞到輪端扭矩的大小。

2.2 機(jī)械原理

如圖4，設(shè)離合器單元輸出太陽輪、輸入太陽輪、行星架的轉(zhuǎn)速分別為n1、n2、n3，扭矩分別為T1、T2、T3，輸出太陽輪、輸入太陽輪齒數(shù)分別為Z1、Z2，行星輪輸出端、輸入端齒數(shù)分別為Z31、Z32。

寶馬X6扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)參數(shù)見表1。

3 謳歌MDX扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置

謳歌MDX扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置主要由齒輪軸減速機(jī)構(gòu)和左右兩個(gè)離合器單元組成，離合器單元包括單排行星齒輪系、多片摩擦片?？刂茩C(jī)構(gòu)為電磁線圈機(jī)構(gòu)。其機(jī)械結(jié)構(gòu)，見圖5。

3.1 扭矩矢量分配過程

謳歌MDX扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械傳動(dòng)示意圖，見圖6。其扭矩經(jīng)齒輪軸和單排行星輪機(jī)構(gòu)輸出至輪端。

行星輪機(jī)構(gòu)的外齒圈為輸入齒輪，行星輪為輸出齒輪，太陽輪與摩擦片相連。該裝置通過制動(dòng)太陽輪來實(shí)現(xiàn)扭矩分配，制動(dòng)強(qiáng)弱決定傳遞到輪端扭矩的大小。

3.2 機(jī)械原理

如圖6，設(shè)離合器單元太陽輪、外齒圈、行星架的轉(zhuǎn)速分別為n1、n2、n3，扭矩分別為T1、T2、T3，齒數(shù)分別為Z1、Z2、Z3;

謳歌MDX扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)參數(shù)，見表2。

4 路虎極光扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置

路虎極光扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置主要由齒輪軸減速機(jī)構(gòu)和左右兩個(gè)離合器單元組成?？刂茩C(jī)構(gòu)為液壓機(jī)構(gòu)。

4.1 扭矩矢量分配過程

路虎極光扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械傳動(dòng)原理圖，見圖7。齒輪軸和輪端通過摩擦片連接，制動(dòng)摩擦片實(shí)現(xiàn)扭矩分配，制動(dòng)的強(qiáng)度決定分配扭矩的大小。

4.2 機(jī)械原理

路虎矢量驅(qū)動(dòng)裝置無行星輪機(jī)構(gòu)，離合器制動(dòng)扭矩即為輪端扭矩，摩擦片速差即為車輪轉(zhuǎn)速與齒輪轉(zhuǎn)速差。

5 扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置性能分析

扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置主要失效模式為過熱失效，即因離合器單元中的摩擦片滑轉(zhuǎn)產(chǎn)生熱量過多，導(dǎo)致裝置不得不停止工作。

摩擦片產(chǎn)生的熱量多少與摩擦片正壓力和摩擦片滑轉(zhuǎn)速度成正比。所以，我們通過計(jì)算摩擦片制動(dòng)力矩和車輛差速時(shí)摩擦片滑轉(zhuǎn)速度來評估扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置的性能好壞。

摩擦片參數(shù)計(jì)算值，見表3。根據(jù)計(jì)算值，3種扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置的性能分析如下：

寶馬X6扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置最不容易過熱失效，且在離合器過熱后還可通過開放式差速器持續(xù)工作。該裝置能在差速工況下工作。但是該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，成本高。

謳歌MDX扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)及成本重量較為均衡，但抗過熱能力一般。謳歌MDX扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置無法在差速工況使用，僅能起到限滑差速器作用。

路虎極光扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)最簡單，也可在差速工況下工作，但對摩擦片技術(shù)要求苛刻，摩擦片開發(fā)難度大。

6 結(jié)語

上述3種扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置不僅可以起到限滑差速器作用，提升車輛脫困能力。寶馬X6和路虎極光的扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置還可以在車輛差速時(shí)工作，提升車輛操作穩(wěn)定性。

扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置離合器單元中的摩擦片是開發(fā)瓶頸，寶馬X6及謳歌MDX扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置通過設(shè)計(jì)行星輪機(jī)構(gòu)降低摩擦片受力和滑移，從而降低開發(fā)難度。

但隨著摩擦片性能提高，路虎極光的扭矩矢量驅(qū)動(dòng)裝置將是未來開發(fā)趨勢。它的成本重量與傳統(tǒng)差速器接近，且能同時(shí)提升車輛脫困能力和操作穩(wěn)定性。

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