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摘要：院四驅車輛扭矩管理器的響應時間，是四驅系統的一個重要參數。本文通過對采用比例電磁閥控制的扭矩管理器機械部分進行建模仿真，分析了機械部分影響扭矩響應時間的關鍵參數，并進行了臺架試驗，對比分析了試驗結果與仿真分析的結果。
關鍵詞：院扭矩管理器；扭矩響應時間；電液比例閥；四驅系統
0引言
車輛四驅系統，一般是指將發動機的動力從變速箱取出后，經由中央傳動軸，按一定比例分配給次要驅動軸/輪的系統。四驅系統可以幫助車輛脫困，或在幫助車輛在濕滑路面上穩定車身姿態的同時而不降低車輛的動力性。因此四驅系統性能好壞，關系著SUV的越野性能與行駛安全性。扭矩管理器為四驅系統中可以按比例將扭矩分配的關鍵零部件。它有多種結構，一般可分為電機控制型扭矩管理器，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。但無論哪種結構形式的扭矩管理器，它的扭矩響應時間都是其設計開發的關鍵性能指標之一。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構
乘用車四驅系統扭矩管理器一般安裝在后橋上，如圖1所示，它由四驅用離合器組件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，調節由中央傳動軸傳遞過來的扭矩。四驅系統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不同。對于傳統離合器中的摩擦片的接合過程一般分為三個階段，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[1]。但四驅系統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微小的速差駐。因此通過ECU控制液壓系統壓力，從而控制滑差駐，來實現對扭矩的精準控制[2]。因此，如何迅速、準確地控制施加在離合器片上的壓力是控制四驅系統的關鍵因素。
2電液式扭矩管理器工作原理
如圖2所示，四驅系統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動電機和比例電磁閥上的電磁鐵，而后比例電磁閥調節輸出端壓力壓緊多片式離合器的壓盤，從而產生旋轉扭矩。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1負責為整個系統提供流量，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。比例減壓閥是一個中位閉鎖的三位三通閥。左位可實現對活塞的快速移動，右位可實現活塞的快速退回?；y的閥芯位置由比例電磁鐵，閥芯彈簧和負載油壓聯合控制，負載油路接入閥芯彈簧側，閥芯受到比例電磁鐵的力，閥芯彈簧的力和負載油壓對閥芯產生的反饋力平衡時，閥芯位置穩定，此時閥芯開口開度穩定。該系統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，從而實現對車輪扭矩的控制。因此，對該部件的研究就顯得極為重要。
3扭矩管理器各個組成部分的數學模型
3.1液壓泵與電機部分
由于本系統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，故而對電機與液壓泵的控制，并不是影響扭矩響應時間的主要因素；但由于電泵的流量影響著比例閥前的進口油壓，從而也影響著比例電磁閥的控制。若電泵提供的流量過大，會導致比例閥前的壓力過大，從而使比例閥不易調節，因此，需要根據目標輸出扭矩，對電泵的流量進行分級控制。也就是說將電泵當作四驅系統扭矩控制的粗調機構，而比例閥作為扭矩控制的精調機構，兩部分相互配合，從而實現扭矩的準確輸出。
3.2比例電磁閥部分
比例電磁閥由比例電磁鐵，閥芯，閥套以及閥芯彈簧組成，其結構如圖4所示，通過將電磁鐵的力與閥芯彈簧和負載油壓的力進行平衡，閥芯可穩定在某個位置，從而控制減壓閥進口開度。當需要離合器輸出大扭矩時，也就是需要負載油壓P2升高，此時可增大比例電磁鐵的輸出力，從而使閥芯右側的力增大，迫使閥芯向左移動，此時閥芯彈簧被進一步壓縮，彈簧力相應增大，此后形成新的閥芯平衡位置，因此，比例閥入口開度響應增大，導致流經比例閥的流量增大，在負載端情況保持不變時，負載油壓響應增大。反之亦然。若負載油壓某個時刻突然增大時，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，保護液壓系統元件。結合液壓系統原理圖，可以得到閥芯平衡方程，FM=FS+FH其中：FM—電磁鐵力；FS—小彈簧的力；FH—負載油壓作用在閥芯上的力。即：FM=pA+K1x+Md2xdt2+（Bv+Bt）dxdt+KsxM—閥芯的質量，kg；Bv—閥芯的粘性阻尼系數，Ns/m；Bt—瞬態也動力阻尼系數，Ns/m；Ks—液動力彈簧剛度，N/m。將其進行拉普拉斯變換后，可以得到傳遞函數：P2（S）I（S）=K2（As+Kq）VEMs3+MKp+（Bv+Bt）VE蓘蓡s2+（Bv+Bt）Kp+A2+（Ks+K1）+VE蓘蓡s+Kp（Ks+K1）+AKq由此可見，比例減壓閥部分，是與閥芯質量M和受控油壓體積V有關的。根據系統設計需求，將設計參數代入傳遞函數，并使用Simulink仿真分析，當代入不同的閥芯質量和受控油液體積，可得到如圖5-圖6結果。由圖5所示，從m1到m3閥芯質量逐漸增大，由此可見當閥芯質量越小時，系統最大超調量越小，振蕩時間最短，響應時間最快，隨著閥芯質量的增大，系統的最大超調量越來越大；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，系統越趨于穩定，響應時間越快。即若要提高四驅系統扭矩輸出的響應時間，在機械結構設計方面，可以考慮降低閥芯的質量，從而提高響應時間，且有助于降低系統的最大超調量，降低四驅系統的沖擊載荷，對延長后橋的準雙出面齒輪副的壽命有幫助；而當四驅系統采用兩個離合器分別控制不同的后輪輸出扭矩時，電液比例閥布置的位置決定了左右兩側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（相對于左右兩側等距），則可獲得盡量相等的受控腔容積，從而使左右兩側的扭矩輸出同步。如果由于整車布置的原因無法做到，則需在ECU軟件開發過程中提供補償。
3.3比例電磁鐵
本系統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，即此時閥芯受到的銜鐵的力與位置無關，只與電流大小有關[3]。簡化比例電磁鐵的結構，當只考慮銜鐵部件的質量時，比例電磁鐵的近似關系為：md2駐ydt2+Dd駐ydt+Ki駐y=駐Fm其中：m—銜鐵部件的質量總和；D—阻尼系數；Ki—銜鐵彈簧剛度。由此可見，比例電磁鐵的傳遞函數是一個二階系統，響應時間受到銜鐵部件的質量影響。
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。當四驅系統不介入時，活塞壓盤退回，離合器摩擦片之間保持一定的間隙。當四驅系統開始工作時，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。當摩擦片到達工作位置后，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，且四驅系統的主被動片轉速基本一致，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，是四驅系統的響應時間的一部分；但之后，扭矩輸出的大小與離合器部分的響應時間關系不大。在此工作階段的離合器活塞壓盤，可列出其微分方程：Mpx咬p+cpx觶p+kp（xp+xp0）=Fp其中：Mp—活塞的質量；xp—活塞相對于初始位置的位移；cp—離合器油缸與活塞之間的粘性摩擦系數；kp—復位彈簧的剛度系數；xp0—復位彈簧的初始壓縮量；Fp—活塞上受到的力；其中：pcy—液壓油的壓強。由此可見，離合器活塞壓盤的位移響應時間與壓盤的質量有直接的關系。
3.5扭矩管理器的系統響應
將整個扭矩管理器系統的傳遞函數及其設計選定的參數放入Simulink進行仿真，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行標準階躍信號的仿真。如圖7所示，可以看出在ECU提出1000nm扭矩需求的情況下，仿真得到的四驅系統響應時間約為220毫秒，達到900Nm的輸出扭矩，到達峰值時間約為350毫秒，峰值扭矩為1117Nm?？蓾M足整車對四驅系統的性能需求。
4臺架實驗分析
將本項目開發的扭矩管理器制作成樣品放入試驗臺架進行測試。測試臺架虛擬整車VCU功能，發送指令到四驅系統ECU，并通過三個電機，制造一個微小的速差到離合器摩擦片上。然后通過測量每個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行對比，得到試驗結果。1000Nm為四驅系統一個典型的臺架測試扭矩。測試時，令ECU發出指令需求1000Nm輸出，分別測量比例電磁鐵的響應電流和輸出扭矩，并進行比較分析。由圖8的測試結果可見，ECU從第45.600秒開始發出1000Nm的需求指令，比例電磁鐵電流響應1.25A發生在第45.860秒時，同時觀察到扭矩輸出信號在第45.960秒時，達到916Nm扭矩輸出。因此，四驅系統對1000Nm的扭矩響應歷時360毫秒。離合器扭矩輸出在第46.040秒時，達到最大扭矩1095.3Nm時間為440毫秒，最大超調量為9.5%，調整時間約為160毫秒，之后系統輸出達到1000Nm扭矩左右。系統穩定后，輸出扭矩在978.1Nm與1028.1Nm之間波動，此時扭矩輸出誤差約為5%。對比，與仿真分析的結果相似。
5小結
文中對采用比例電磁閥控制的電液式扭矩管理器的響應時間進行了仿真分析，并與臺架測試結果進行比對。通過本文分析可見，在四驅系統機械部件中，影響扭矩響應實際的主要參數為液壓閥芯的質量以及受控腔的容積。采用本方法開發的扭矩管理器與臺架試驗結果基本一致。因此針對扭矩矢量控制四驅系統，盡量將比例閥布置在靠近四驅離合器的位置，且盡量使兩側油路等距，有助于使兩側車輪同時達到系統所需的扭矩，從而有助于提高車輛的行駛安全性。
作者：張克 單位：同濟大學
