扭矩矢量驱动装置研究

冯立 战敏 陈强

摘 要：扭矩矢量控制技术能有效的提升汽车操纵稳定性与脱困能力。近年来，扭矩矢量控制技术已在四驱车型普遍应用。矢量驱动装置是实现扭矩矢量控制的主要零件。文章详细分析了几款扭矩矢量驱动装置的机械结构、工作原理及性能。

关键词：汽车;四驱;扭矩矢量

中图分类号：U467.4+4  文献标识码：A  文章编号：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

市场上常见的适时四驱系统，大多是将多片离合器式扭矩管理器安装在中间传动轴和主减速之间，根据车辆工况和驾驶意图，自动分配前轴、后轴扭矩，改善车辆通过性和操纵性能。

扭矩矢量控制四驱是在现有适时四驱结构的基础上升级而来，它不仅可以实现前后轴的扭矩分配，还可以实现后轴左右车轮的扭矩分配，使车辆越野性及操纵稳定性得到显著提升。

扭矩矢量控制技术早期广泛应用于跑车/性能车，例如三菱EVO、福特FocusRS、寶马M系列等。主机厂也拥有不同的扭矩矢量控制技术，如三菱 AYC主动偏航控制、讴歌 SH-AWD超级全轮驱动、丰田 Dynamic Torque Vectoring AWD系统。

近年来，扭矩矢量控制技术逐渐由跑车应用转变为SUV应用，大型豪华SUV、中小型城市SUV均有应用， 目前，扭矩矢量控制技术在国外已普遍应用，多款量产车型搭载矢量扭矩控制技术，如宝马X6、雪佛兰探界者、讴歌MDX等，但国内自主品牌尚无应用。

扭矩矢量控制技术的应用趋势，见图1。

1 扭矩矢量驱动装置

矢量扭矩驱动装置是实现扭矩矢量控制的主要机械零件，它位于车辆后轴，见图2。扭矩矢量驱动装置由减速器单元、离合器单元和控制机构组成，见图3。扭矩矢量驱动装置将两组离合器单元安装在减速器单元和左右驱动半轴之间，通过离合器单元和控制机构实现左右车轮的扭矩分配。

2 宝马X6扭矩矢量驱动装置

宝马X6扭矩矢量驱动装置主要由开放差速器减速单元和左右两个离合器单元组成，离合器单元包括行星齿轮系、多片摩擦片。控制机构为电机凸轮盘制动机构。其机械结构，见图3。

2.1 扭矩矢量分配过程

宝马X6扭矩矢量驱动装置的传动原理，见图4。其扭矩可沿2条路径输出至轮端。

第一条路径，扭矩经差速器行半齿输出至轮端，扭矩分配过程及原理与开放式差速器一致。

另一条路径，扭矩经差壳和单排行星轮机构输出至轮端。行星轮系中输入太阳轮与差壳连接，输出太阳轮与轮端连接，行星轮与摩擦片相连。该装置通过制动行星轮来实现扭矩分配，制动强弱决定传递到轮端扭矩的大小。

2.2 机械原理

如图4，设离合器单元输出太阳轮、输入太阳轮、行星架的转速分别为n1、n2、n3，扭矩分别为T1、T2、T3，输出太阳轮、输入太阳轮齿数分别为Z1、Z2，行星轮输出端、输入端齿数分别为Z31、Z32。

宝马X6扭矩矢量驱动装置传动参数见表1。

3 讴歌MDX扭矩矢量驱动装置

讴歌MDX扭矩矢量驱动装置主要由齿轮轴减速机构和左右两个离合器单元组成，离合器单元包括单排行星齿轮系、多片摩擦片。控制机构为电磁线圈机构。其机械结构，见图5。

3.1 扭矩矢量分配过程

讴歌MDX扭矩矢量驱动装置的机械传动示意图，见图6。其扭矩经齿轮轴和单排行星轮机构输出至轮端。

行星轮机构的外齿圈为输入齿轮，行星轮为输出齿轮，太阳轮与摩擦片相连。该装置通过制动太阳轮来实现扭矩分配，制动强弱决定传递到轮端扭矩的大小。

3.2 机械原理

如图6，设离合器单元太阳轮、外齿圈、行星架的转速分别为n1、n2、n3，扭矩分别为T1、T2、T3，齿数分别为Z1、Z2、Z3;

讴歌MDX扭矩矢量驱动装置传动参数，见表2。

4 路虎极光扭矩矢量驱动装置

路虎极光扭矩矢量驱动装置主要由齿轮轴减速机构和左右两个离合器单元组成。控制机构为液压机构。

4.1 扭矩矢量分配过程

路虎极光扭矩矢量驱动装置的机械传动原理图，见图7。齿轮轴和轮端通过摩擦片连接，制动摩擦片实现扭矩分配，制动的强度决定分配扭矩的大小。

4.2 机械原理

路虎矢量驱动装置无行星轮机构，离合器制动扭矩即为轮端扭矩，摩擦片速差即为车轮转速与齿轮转速差。

5 扭矩矢量驱动装置性能分析

扭矩矢量驱动装置主要失效模式为过热失效，即因离合器单元中的摩擦片滑转产生热量过多，导致装置不得不停止工作。

摩擦片产生的热量多少与摩擦片正压力和摩擦片滑转速度成正比。所以，我们通过计算摩擦片制动力矩和车辆差速时摩擦片滑转速度来评估扭矩矢量驱动装置的性能好坏。

摩擦片参数计算值，见表3。根据计算值，3种扭矩矢量驱动装置的性能分析如下：

宝马X6扭矩矢量驱动装置最不容易过热失效，且在离合器过热后还可通过开放式差速器持续工作。该装置能在差速工况下工作。但是该装置结构复杂，重量大，成本高。

讴歌MDX扭矩矢量驱动装置结构及成本重量较为均衡，但抗过热能力一般。讴歌MDX扭矩矢量驱动装置无法在差速工况使用，仅能起到限滑差速器作用。

路虎极光扭矩矢量驱动装置结构最简单，也可在差速工况下工作，但对摩擦片技术要求苛刻，摩擦片开发难度大。

6 结语

上述3种扭矩矢量驱动装置不仅可以起到限滑差速器作用，提升车辆脱困能力。宝马X6和路虎极光的扭矩矢量驱动装置还可以在车辆差速时工作，提升车辆操作稳定性。

扭矩矢量驱动装置离合器单元中的摩擦片是开发瓶颈，宝马X6及讴歌MDX扭矩矢量驱动装置通过设计行星轮机构降低摩擦片受力和滑移，从而降低开发难度。

但随着摩擦片性能提高，路虎极光的扭矩矢量驱动装置将是未来开发趋势。它的成本重量与传统差速器接近，且能同时提升车辆脱困能力和操作稳定性。

参考文献

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