扭矩矢量驅動裝置研究

馮立 戰敏 陳強

摘 要：扭矩矢量控制技術能有效的提升汽車操縱穩定性與脫困能力。近年來，扭矩矢量控制技術已在四驅車型普遍應用。矢量驅動裝置是實現扭矩矢量控制的主要零件。文章詳細分析了幾款扭矩矢量驅動裝置的機械結構、工作原理及性能。

關鍵詞：汽車;四驅;扭矩矢量

中圖分類號：U467.4+4 ?文獻標識碼：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

市場上常見的適時四驅系統，大多是將多片離合器式扭矩管理器安裝在中間傳動軸和主減速之間，根據車輛工況和駕駛意圖，自動分配前軸、后軸扭矩，改善車輛通過性和操縱性能。

扭矩矢量控制四驅是在現有適時四驅結構的基礎上升級而來，它不僅可以實現前后軸的扭矩分配，還可以實現后軸左右車輪的扭矩分配，使車輛越野性及操縱穩定性得到顯著提升。

扭矩矢量控制技術早期廣泛應用于跑車/性能車，例如三菱EVO、福特FocusRS、寶馬M系列等。主機廠也擁有不同的扭矩矢量控制技術，如三菱 AYC主動偏航控制、謳歌 SH-AWD超級全輪驅動、豐田 Dynamic Torque Vectoring AWD系統。

近年來，扭矩矢量控制技術逐漸由跑車應用轉變為SUV應用，大型豪華SUV、中小型城市SUV均有應用，?目前，扭矩矢量控制技術在國外已普遍應用，多款量產車型搭載矢量扭矩控制技術，如寶馬X6、雪佛蘭探界者、謳歌MDX等，但國內自主品牌尚無應用。

扭矩矢量控制技術的應用趨勢，見圖1。

1 扭矩矢量驅動裝置

矢量扭矩驅動裝置是實現扭矩矢量控制的主要機械零件，它位于車輛后軸，見圖2。扭矩矢量驅動裝置由減速器單元、離合器單元和控制機構組成，見圖3。扭矩矢量驅動裝置將兩組離合器單元安裝在減速器單元和左右驅動半軸之間，通過離合器單元和控制機構實現左右車輪的扭矩分配。

2 寶馬X6扭矩矢量驅動裝置

寶馬X6扭矩矢量驅動裝置主要由開放差速器減速單元和左右兩個離合器單元組成，離合器單元包括行星齒輪系、多片摩擦片。控制機構為電機凸輪盤制動機構。其機械結構，見圖3。

2.1 扭矩矢量分配過程

寶馬X6扭矩矢量驅動裝置的傳動原理，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，扭矩經差殼和單排行星輪機構輸出至輪端。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。該裝置通過制動行星輪來實現扭矩分配，制動強弱決定傳遞到輪端扭矩的大小。

2.2 機械原理

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

寶馬X6扭矩矢量驅動裝置傳動參數見表1。

3 謳歌MDX扭矩矢量驅動裝置

謳歌MDX扭矩矢量驅動裝置主要由齒輪軸減速機構和左右兩個離合器單元組成，離合器單元包括單排行星齒輪系、多片摩擦片?？刂茩C構為電磁線圈機構。其機械結構，見圖5。

3.1 扭矩矢量分配過程

謳歌MDX扭矩矢量驅動裝置的機械傳動示意圖，見圖6。其扭矩經齒輪軸和單排行星輪機構輸出至輪端。

行星輪機構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。該裝置通過制動太陽輪來實現扭矩分配，制動強弱決定傳遞到輪端扭矩的大小。

3.2 機械原理

如圖6，設離合器單元太陽輪、外齒圈、行星架的轉速分別為n1、n2、n3，扭矩分別為T1、T2、T3，齒數分別為Z1、Z2、Z3;

謳歌MDX扭矩矢量驅動裝置傳動參數，見表2。

4 路虎極光扭矩矢量驅動裝置

路虎極光扭矩矢量驅動裝置主要由齒輪軸減速機構和左右兩個離合器單元組成?？刂茩C構為液壓機構。

4.1 扭矩矢量分配過程

路虎極光扭矩矢量驅動裝置的機械傳動原理圖，見圖7。齒輪軸和輪端通過摩擦片連接，制動摩擦片實現扭矩分配，制動的強度決定分配扭矩的大小。

4.2 機械原理

路虎矢量驅動裝置無行星輪機構，離合器制動扭矩即為輪端扭矩，摩擦片速差即為車輪轉速與齒輪轉速差。

5 扭矩矢量驅動裝置性能分析

扭矩矢量驅動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產生熱量過多，導致裝置不得不停止工作。

摩擦片產生的熱量多少與摩擦片正壓力和摩擦片滑轉速度成正比。所以，我們通過計算摩擦片制動力矩和車輛差速時摩擦片滑轉速度來評估扭矩矢量驅動裝置的性能好壞。

摩擦片參數計算值，見表3。根據計算值，3種扭矩矢量驅動裝置的性能分析如下：

寶馬X6扭矩矢量驅動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工作。該裝置能在差速工況下工作。但是該裝置結構復雜，重量大，成本高。

謳歌MDX扭矩矢量驅動裝置結構及成本重量較為均衡，但抗過熱能力一般。謳歌MDX扭矩矢量驅動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動裝置結構最簡單，也可在差速工況下工作，但對摩擦片技術要求苛刻，摩擦片開發難度大。

6 結語

上述3種扭矩矢量驅動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動裝置還可以在車輛差速時工作，提升車輛操作穩定性。

扭矩矢量驅動裝置離合器單元中的摩擦片是開發瓶頸，寶馬X6及謳歌MDX扭矩矢量驅動裝置通過設計行星輪機構降低摩擦片受力和滑移，從而降低開發難度。

但隨著摩擦片性能提高，路虎極光的扭矩矢量驅動裝置將是未來開發趨勢。它的成本重量與傳統差速器接近，且能同時提升車輛脫困能力和操作穩定性。

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