四驅(qū)系統(tǒng)電液式扭矩管理器的響應(yīng)時(shí)間分析

0 引言

車輛四驅(qū)系統(tǒng)，一般是指將發(fā)動機(jī)的動力從變速箱取出后，經(jīng)由中央傳動軸，按一定比例分配給次要驅(qū)動軸/輪的系統(tǒng)。四驅(qū)系統(tǒng)可以幫助車輛脫困，或在幫助車輛在濕滑路面上穩(wěn)定車身姿態(tài)的同時(shí)而不降低車輛的動力性。因此四驅(qū)系統(tǒng)性能好壞，關(guān)系著SUV的越野性能與行駛安全性。

地層劃分工作能夠按新的地層單位進(jìn)行地質(zhì)圖修編，重新建立修測區(qū)的地層格架。柳州市1∶50000城市地質(zhì)調(diào)查，根據(jù)地層劃分方法，按步驟完成了任務(wù)，取得了地層、巖石等多方面的成果，完善了柳州市的地層構(gòu)造格架，對柳州地區(qū)地層研究與對比都有重要意義。

扭矩管理器為四驅(qū)系統(tǒng)中可以按比例將扭矩分配的關(guān)鍵零部件。它有多種結(jié)構(gòu)，一般可分為電機(jī)控制型扭矩管理器，電磁式扭矩管理器，以及電液式扭矩管理器。電液式扭矩管理器又可分為液壓泵控制型和比例電磁閥控制型。但無論哪種結(jié)構(gòu)形式的扭矩管理器，它的扭矩響應(yīng)時(shí)間都是其設(shè)計(jì)開發(fā)的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。本文主要研究比例電磁閥控制型的扭矩管理器。

1 電液式扭矩管理器的結(jié)構(gòu)

乘用車四驅(qū)系統(tǒng)扭矩管理器一般安裝在后橋上，如圖1所示，它由四驅(qū)用離合器組件1、若干電液比例閥2、電泵3組成。離合器組件可安裝在輪邊，直接控制大齒輪傳遞到半軸上的扭矩，也可安裝在小齒輪軸上，調(diào)節(jié)由中央傳動軸傳遞過來的扭矩。

四驅(qū)系統(tǒng)扭矩管理器中的摩擦片組與變速箱中的離合器摩擦片的工作狀態(tài)不同。對于傳統(tǒng)離合器中的摩擦片的接合過程一般分為三個(gè)階段，第一階段為活塞壓盤的空行程階段；第二階段為摩擦片的滑動摩擦階段；第三階段為完全接合階段

。但四驅(qū)系統(tǒng)扭矩管理器中的摩擦片工作情況不同，它只有第一和第二階段而基本沒有第三階段，摩擦片常常工作在第二階段，也就是滑動摩擦階段。摩擦片的主動片與被動片之間常常要保持一個(gè)微小的速差Δ。因此通過ECU控制液壓系統(tǒng)壓力，從而控制滑差Δ，來實(shí)現(xiàn)對扭矩的精準(zhǔn)控制

。因此，如何迅速、準(zhǔn)確地控制施加在離合器片上的壓力是控制四驅(qū)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。

2 電液式扭矩管理器工作原理

如圖2所示，四驅(qū)系統(tǒng)ECU收到整車VCU的指令信號后，將其信號分解并按要求分配給液壓泵驅(qū)動電機(jī)和比例電磁閥上的電磁鐵，而后比例電磁閥調(diào)節(jié)輸出端壓力壓緊多片式離合器的壓盤，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩。

電液式扭矩管理器的核心部分為其液壓控制部分，如圖3所示，液壓泵及電機(jī)1負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)提供流量，比例電磁閥2和3分別連接控制油缸4、5，油缸4、5的活塞桿即為控制多片式離合器軸向力的活塞壓盤。比例減壓閥是一個(gè)中位閉鎖的三位三通閥。左位可實(shí)現(xiàn)對活塞的快速移動，右位可實(shí)現(xiàn)活塞的快速退回。滑閥的閥芯位置由比例電磁鐵，閥芯彈簧和負(fù)載油壓聯(lián)合控制，負(fù)載油路接入閥芯彈簧側(cè)，閥芯受到比例電磁鐵的力，閥芯彈簧的力和負(fù)載油壓對閥芯產(chǎn)生的反饋力平衡時(shí)，閥芯位置穩(wěn)定，此時(shí)閥芯開口開度穩(wěn)定。

由此可見，比例減壓閥部分，是與閥芯質(zhì)量M和受控油壓體積V有關(guān)的。

比例電磁閥由比例電磁鐵，閥芯，閥套以及閥芯彈簧組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，通過將電磁鐵的力與閥芯彈簧和負(fù)載油壓的力進(jìn)行平衡，閥芯可穩(wěn)定在某個(gè)位置，從而控制減壓閥進(jìn)口開度。當(dāng)需要離合器輸出大扭矩時(shí)，也就是需要負(fù)載油壓P2升高，此時(shí)可增大比例電磁鐵的輸出力，從而使閥芯右側(cè)的力增大，迫使閥芯向左移動，此時(shí)閥芯彈簧被進(jìn)一步壓縮，彈簧力相應(yīng)增大，此后形成新的閥芯平衡位置，因此，比例閥入口開度響應(yīng)增大，導(dǎo)致流經(jīng)比例閥的流量增大，在負(fù)載端情況保持不變時(shí)，負(fù)載油壓響應(yīng)增大。反之亦然。若負(fù)載油壓某個(gè)時(shí)刻突然增大時(shí)，即P2瞬間增大，閥芯會因此向右移動，從而使閥口入口開度減小，降低流量，從而降低油壓，保護(hù)液壓系統(tǒng)元件。

3 扭矩管理器各個(gè)組成部分的數(shù)學(xué)模型

3.1 液壓泵與電機(jī)部分

由于本系統(tǒng)主要通過控制比例減壓閥來控制離合器摩擦片組的軸向壓力，故而對電機(jī)與液壓泵的控制，并不是影響扭矩響應(yīng)時(shí)間的主要因素；但由于電泵的流量影響著比例閥前的進(jìn)口油壓，從而也影響著比例電磁閥的控制。若電泵提供的流量過大，會導(dǎo)致比例閥前的壓力過大，從而使比例閥不易調(diào)節(jié)，因此，需要根據(jù)目標(biāo)輸出扭矩，對電泵的流量進(jìn)行分級控制。也就是說將電泵當(dāng)作四驅(qū)系統(tǒng)扭矩控制的粗調(diào)機(jī)構(gòu)，而比例閥作為扭矩控制的精調(diào)機(jī)構(gòu)，兩部分相互配合，從而實(shí)現(xiàn)扭矩的準(zhǔn)確輸出。

3.2 比例電磁閥部分

在接近市郊而環(huán)境條件又允許時(shí), 城市軌道交通多采用地面或高架線路, 以節(jié)約投資。本文利用Civil 3D快速建立橋面模型，通過Revit軟件土木工程結(jié)構(gòu)擴(kuò)展模塊對橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)(橋跨結(jié)構(gòu)、支座、橋墩臺、橋面和欄桿等)進(jìn)行詳細(xì)建模。Revit橋梁詳細(xì)建模效果如圖3所示。集成在Civil 3D中橋梁模型效果如圖4所示?？筛鶕?jù)需要修改橋梁模型屬性參數(shù)，以建立不同橋梁形式。

結(jié)合液壓系統(tǒng)原理圖，可以得到閥芯平衡方程，

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，將設(shè)計(jì)參數(shù)代入傳遞函數(shù)，并使用Simulink仿真分析，當(dāng)代入不同的閥芯質(zhì)量和受控油液體積，可得到如圖5-圖6結(jié)果。

M—閥芯的質(zhì)量，kg；B

—閥芯的粘性阻尼系數(shù)，Ns/m；B

—瞬態(tài)也動力阻尼系數(shù)，Ns/m；K

—液動力彈簧剛度，N/m。

網(wǎng)球運(yùn)動主要是以技術(shù)為核心的對抗類體育項(xiàng)目，戰(zhàn)術(shù)方法是比賽的重點(diǎn)，并且網(wǎng)球運(yùn)動員自身體能素養(yǎng)是決定比賽輸贏的關(guān)鍵。在網(wǎng)球競技能力不斷增強(qiáng)的形勢下，想要確保網(wǎng)球運(yùn)動員能夠更好的適應(yīng)競賽的節(jié)奏，且獲得理想的成績，就需要網(wǎng)球運(yùn)動員應(yīng)具備良好的體能與較強(qiáng)的身體素養(yǎng)。對此，應(yīng)對網(wǎng)球運(yùn)動員進(jìn)行專項(xiàng)體能訓(xùn)練，利用系統(tǒng)化的訓(xùn)練方案以及科學(xué)合理的訓(xùn)練方法，在全面提升廣大運(yùn)動員身體綜合能力的同時(shí)，進(jìn)一步提高他們的競技水平。

將其進(jìn)行拉普拉斯變換后，可以得到傳遞函數(shù)：

他一驚，定睛向下望去。穿過飄蕩的云霧，只見一條綠色的身影，正沿著云浮山東側(cè)的崎嶇小徑，朝著天葬場攀爬而來。

該系統(tǒng)用電液比例減壓閥為離合器活塞壓盤提供可控的恒定的壓力，從而實(shí)現(xiàn)對車輪扭矩的控制。因此，對該部件的研究就顯得極為重要。

其中：F

—電磁鐵力；F

—小彈簧的力；F

—負(fù)載油壓作用在閥芯上的力。

樣品稀土元素分析結(jié)果(表3)表明，區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖可分為兩類，K9001E01、K9001F02、M5001G01和M5001H01的∑REE較低，為29.29×10-6～95.71×10-6，均小于北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)(∑REE=173.21×10-6)；K6001G01、K7001H01、K7001H02和K9001G01的∑REE較高，為177.93×10-6～217.62×10-6，均大于北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，可能與大陸邊緣型沉積環(huán)境有關(guān)[21]。

由圖5所示，從m1到m3閥芯質(zhì)量逐漸增大，由此可見當(dāng)閥芯質(zhì)量越小時(shí)，系統(tǒng)最大超調(diào)量越小，振蕩時(shí)間最短，響應(yīng)時(shí)間最快，隨著閥芯質(zhì)量的增大，系統(tǒng)的最大超調(diào)量越來越大；如圖6所示，從sys1到sys3受控腔容積逐漸增大，由此可見對于受控容腔體積越小時(shí)，系統(tǒng)越趨于穩(wěn)定，響應(yīng)時(shí)間越快。

即若要提高四驅(qū)系統(tǒng)扭矩輸出的響應(yīng)時(shí)間，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，可以考慮降低閥芯的質(zhì)量，從而提高響應(yīng)時(shí)間，且有助于降低系統(tǒng)的最大超調(diào)量，降低四驅(qū)系統(tǒng)的沖擊載荷，對延長后橋的準(zhǔn)雙出面齒輪副的壽命有幫助；而當(dāng)四驅(qū)系統(tǒng)采用兩個(gè)離合器分別控制不同的后輪輸出扭矩時(shí)，電液比例閥布置的位置決定了左右兩側(cè)的離合器受控腔容積，也就是說如果能夠盡量將電液比例閥布置在中央位置（相對于左右兩側(cè)等距），則可獲得盡量相等的受控腔容積，從而使左右兩側(cè)的扭矩輸出同步。如果由于整車布置的原因無法做到，則需在ECU軟件開發(fā)過程中提供補(bǔ)償。

3.3 比例電磁鐵

本系統(tǒng)利用比例電磁鐵的水平位移-力特性，使其工作在工作行程間，即此時(shí)閥芯受到的銜鐵的力與位置無關(guān)，只與電流大小有關(guān)

。

其中：m—銜鐵部件的質(zhì)量總和；D—阻尼系數(shù)；K

—銜鐵彈簧剛度。

由此可見，比例電磁鐵的傳遞函數(shù)是一個(gè)二階系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)間受到銜鐵部件的質(zhì)量影響。

3.4 多片式離合器部分

多片式離合器的輸出扭矩主要由其軸向力決定。當(dāng)四驅(qū)系統(tǒng)不介入時(shí)，活塞壓盤退回，離合器摩擦片之間保持一定的間隙。當(dāng)四驅(qū)系統(tǒng)開始工作時(shí)，液壓油推動活塞壓盤消除間隙，而后離合器工作在滑動摩擦狀態(tài)。當(dāng)摩擦片到達(dá)工作位置后，無論扭矩輸出的大小，活塞壓盤的位置都基本不變，變化的只是摩擦片之間的壓緊程度，且四驅(qū)系統(tǒng)的主被動片轉(zhuǎn)速基本一致，只有微小的速差。也就是說，液壓油推動活塞壓盤消除間隙的過程，是四驅(qū)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間的一部分；但之后，扭矩輸出的大小與離合器部分的響應(yīng)時(shí)間關(guān)系不大。

簡化比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)，當(dāng)只考慮銜鐵部件的質(zhì)量時(shí)，比例電磁鐵的近似關(guān)系為：

由于問卷（思維導(dǎo)圖）是開放性的，調(diào)查對象提交的教師專業(yè)發(fā)展評價(jià)要素名目繁雜。筆者先將概念相近且屬于同一范疇的評價(jià)要素進(jìn)行合并歸類，然后按“教師”“學(xué)校”兩個(gè)板塊分別統(tǒng)計(jì)，并算出分值。確定各評價(jià)要素認(rèn)可度的標(biāo)準(zhǔn)是：分值在90分（含）以上的為高認(rèn)可度；75-90分（不含）之間的為中等認(rèn)可度；60-75分（不含）之間的為低認(rèn)可度，具體見表1和表2。表中存在a、b、c三個(gè)選項(xiàng)的人數(shù)之和與調(diào)查對象總?cè)藬?shù)不合的現(xiàn)象，原因是有的調(diào)查對象沒有在相關(guān)子項(xiàng)中填寫內(nèi)容，但平均分值的計(jì)算仍然以 122人為基數(shù)。

其中：M

—活塞的質(zhì)量；x

—活塞相對于初始位置的位移；c

—離合器油缸與活塞之間的粘性摩擦系數(shù)；k

—復(fù)位彈簧的剛度系數(shù)；x

—復(fù)位彈簧的初始壓縮量；F

—活塞上受到的力；其中：p

—液壓油的壓強(qiáng)。

寶碩股份隸屬于新希望集團(tuán)，寶碩管業(yè)是上市公司“寶碩股份”的骨干企業(yè)。積50年塑料管道制造經(jīng)驗(yàn)，寶碩管業(yè)已發(fā)展成為中國公用事業(yè)管道系統(tǒng)最大的供應(yīng)商。寶碩管業(yè)成套引進(jìn)國際高科技生產(chǎn)線，應(yīng)用世界先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，每年可向中國及世界公用事業(yè)領(lǐng)域提供給排水管道、工業(yè)管道、礦用管道、燃?xì)夤艿?0萬t。

由此可見，離合器活塞壓盤的位移響應(yīng)時(shí)間與壓盤的質(zhì)量有直接的關(guān)系。

由于小學(xué)英語教師的工作任務(wù)繁重，為了將作業(yè)及時(shí)有效地進(jìn)行評價(jià)，教師可以采用以師生、生生、家長和學(xué)生自評的多元化的作業(yè)評價(jià)方式。鼓勵學(xué)生進(jìn)行自我評價(jià)，這也是學(xué)生自我反思過程，它可以幫助學(xué)生正確認(rèn)識自己的不足，幫助學(xué)生根據(jù)作業(yè)的難易度了解自己的學(xué)習(xí)水平和差距，從而及時(shí)修正。家長參與的作業(yè)評價(jià)也是很好的方式，我們應(yīng)該充分調(diào)動學(xué)生家長的積極性，讓他們也參與到學(xué)生的作業(yè)評價(jià)中。這樣不但可以讓家長全面了解孩子的知識水平與學(xué)習(xí)情況，增強(qiáng)了教師、學(xué)生、家長之間的互助性和互動性?？梢越梃b（表4-1）進(jìn)行操作。

3.5 扭矩管理器的系統(tǒng)響應(yīng)

將整個(gè)扭矩管理器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及其設(shè)計(jì)選定的參數(shù)放入Simulink進(jìn)行仿真，將比例電磁鐵的電流作為輸入信號，摩擦片扭矩作為輸出信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)階躍信號的仿真。如圖7所示，可以看出在ECU提出1000nm扭矩需求的情況下，仿真得到的四驅(qū)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間約為220毫秒，達(dá)到900Nm的輸出扭矩，到達(dá)峰值時(shí)間約為350毫秒，峰值扭矩為1117Nm?？蓾M足整車對四驅(qū)系統(tǒng)的性能需求。

4 臺架實(shí)驗(yàn)分析

將本項(xiàng)目開發(fā)的扭矩管理器制作成樣品放入試驗(yàn)臺架進(jìn)行測試。測試臺架虛擬整車VCU功能，發(fā)送指令到四驅(qū)系統(tǒng)ECU，并通過三個(gè)電機(jī)，制造一個(gè)微小的速差到離合器摩擦片上。然后通過測量每個(gè)半軸的扭矩傳感器的信號，從而獲知輸出扭矩的大小，并將其與指令信號進(jìn)行對比，得到試驗(yàn)結(jié)果。1000Nm為四驅(qū)系統(tǒng)一個(gè)典型的臺架測試扭矩。測試時(shí)，令ECU發(fā)出指令需求1000Nm輸出，分別測量比例電磁鐵的響應(yīng)電流和輸出扭矩，并進(jìn)行比較分析。

由圖8的測試結(jié)果可見，ECU從第45.600秒開始發(fā)出1000Nm的需求指令，比例電磁鐵電流響應(yīng)1.25A發(fā)生在第45.860秒時(shí)，同時(shí)觀察到扭矩輸出信號在第45.960秒時(shí)，達(dá)到916Nm扭矩輸出。因此，四驅(qū)系統(tǒng)對1000Nm的扭矩響應(yīng)歷時(shí)360毫秒。離合器扭矩輸出在第46.040秒時(shí)，達(dá)到最大扭矩1095.3Nm時(shí)間為440毫秒，最大超調(diào)量為9.5%，調(diào)整時(shí)間約為160毫秒，之后系統(tǒng)輸出達(dá)到1000Nm扭矩左右。系統(tǒng)穩(wěn)定后，輸出扭矩在978.1Nm與1028.1Nm之間波動，此時(shí)扭矩輸出誤差約為5%。對比，與仿真分析的結(jié)果相似。

5 小結(jié)

文中對采用比例電磁閥控制的電液式扭矩管理器的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了仿真分析，并與臺架測試結(jié)果進(jìn)行比對。通過本文分析可見，在四驅(qū)系統(tǒng)機(jī)械部件中，影響扭矩響應(yīng)實(shí)際的主要參數(shù)為液壓閥芯的質(zhì)量以及受控腔的容積。采用本方法開發(fā)的扭矩管理器與臺架試驗(yàn)結(jié)果基本一致。因此針對扭矩矢量控制四驅(qū)系統(tǒng)，盡量將比例閥布置在靠近四驅(qū)離合器的位置，且盡量使兩側(cè)油路等距，有助于使兩側(cè)車輪同時(shí)達(dá)到系統(tǒng)所需的扭矩，從而有助于提高車輛的行駛安全性。

[1]胡宏偉.濕式自動離合器接合過程特性的研究[D].浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.

[2]黃志君.PI算法在四驅(qū)扭矩管理器速差控制中的應(yīng)用[J].上海汽車，2016（6）：10-13.

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