电控四轮驱动技术的研究现状与发展趋势

文章编号:1002-6886(2005)06-0074-02

电控四轮驱动技术的研究现状与发展趋势

李素华

(江汉大学机电与建筑工程学院,湖北　武汉　430056)

　作者简介:李素华(1971—),女,湖北天门人,江汉大学讲师,华中科技大学硕士生,从事汽车专业课的教学及汽车动力学、汽车性能的仿真控

制分析等方面的研究。

　收稿日期:2005-4-20

摘要:电控四轮驱动技术是汽车的新技术,本文阐述电控四轮驱动技术研究现状,展望四轮驱动技术的发展,推动电控四轮

驱动技术的研究与应用。关键词:四轮驱动　变扭矩　驱动力分配　发展趋势

Survey on St a te of D evelop m en t and Trends i n Electr i c Power Four 2whells D r i v i n g Technology

L I Su 2hua

Abstract:The research status of the electric power four 2wheels driving technol ogy is exp licated,The devel op ing trends of this tech 2nol ogy is p r os pected,which is very i m port m ent t o push the further devel opment of research and app licati ons of 4WD technol ogy .

Key words:4WD;changeable t orque;tracti on force distributi on;devel opment trends

随着现代汽车技术的发展,人们对汽车各种性能的要求越来越高。汽车的电控四轮驱动(4W heels D riving Syste m,4WD )技术能够根据前后轴的转速等信息,控制并分配前后轴驱动力,使汽车具有防滑能力、良好的加速性和行驶稳定性。四轮驱动已由70年代以前主要用于越野车发展到目前以轿车为中心迅速普及开来。随着对4WD 这一领域研究的不断进展,出现了多种不同结构形式、不同控制方案的实用4WD 系统。粗略地将四轮驱动分类,有短时四轮驱动和常时四轮驱动之分。如果按前后扭矩分配方式进行分类,常时四轮驱动可分为二种,其一是固定扭矩分配方式,其二是变动扭矩分配方式。其中,变动扭矩分配方式的四轮驱动又可分为另外两大类,一种是利用前后轮转速差分配驱动扭矩,这种方式叫做被动分配方式,一种是利用电脑控制液压油压力分配驱动扭矩,这种方式叫做主动分配方式。本文研究的是汽车电子控制变扭矩分配方式的四轮驱动技术,也叫全轮驱动AWD (A ll -wheel -D rive )技术。AWD 系统使汽车在运行中,能适应汽车行驶状态和路面情况,把驱动扭矩合理地分配给前后轮,能充分发挥各轮胎的驱动力,并提高汽车的操纵稳定性[1]。

1　电控四轮驱动技术的研究现状

电控四轮驱动技术近年来发展很快,全轮驱动已经在许多高档轿车上装用。在电控变扭矩四轮驱动系统的两大类型中,采用被动式的四轮驱动系统的产品代表有德国奥迪公司的Quattr o 系统和采用粘性联轴器的常时四轮驱动系统。奥迪的第二代四驱技术Quattr o 系统采用了Torsen (Torque Sen 2sitive 意思是扭矩感应)差速器。Torsen 差速器是一套由蜗轮和蜗杆组成的纯机械系统,在车轮没有产生滑转的情况下,向两输出轴各分配一半的转矩;在一边车轮产生滑转的情况下,Torsen 差速器会向另一边车轮输出更多的转矩,转矩分配的

比例达80/20。由于是机械装置,其锁止动作是渐进却快速的,因而平稳、少冲击;具有扭矩感应特性的T orsen 差速器在车轮产生滑转动作开始之前就能对车轮滑转预先感应,而不是在车轮已经滑转后才开始校正;在没有施加外力的情况下,Torsen 差速器在制动时并不锁止,因而四个驱动轮可各自以不同的速率独立运动。

采用粘性联轴器的四轮驱动系统在国外已得到广泛应用,其产品有保时捷的911Turbo 和三菱欧蓝德四驱系统等,该系统是在依靠前后轮转速差分配扭矩,在车轮发生空转以后才介入的,又叫转速差感应式四轮驱动。如图1是该系统的布置图。

采用主动式的四轮驱动系统的产品代表有大众的四轮驱动系统“4MOTI O N ”、日产的ATTES A E -TS 四轮驱动系统和本田的车辆控制系统“SH -AWD ”等,该系统中电脑会不断收集轮胎的转速、转向盘转向角和油门的大小等信息,按预先给定的程序进行综合控制。图2为该系统工作原理图

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47・现代机械　2005年第6期

其中主要提一下本田的四驱技术。本田公司着手开发四轮驱动自由控制系统是在1988年。当时的开发目标是通过对前后轮驱动力的分配方式进行改良,来追求稳定性及乘坐舒适性。经过10多年的发展,2004年秋推出了可合理分配四轮驱动力、实现高转向性能和车辆稳定性的系统。除前后驱动力可从70:30至30:70无级控制外,后轮左右驱动力分配还可从100:0至0:100无级控制。后轮左右驱动力分配及前后驱动力分配采用“直接电磁离合器”。后差速器左右两侧各配有一个这种离合器,通过踩下靠螺线管(Solenoid)控制的湿式多片离合器来分配转矩。采用了行星齿轮的倍力器来减小操纵力。在后差速器部位新增加了加速机构,通过油压工作,在前进加速及减速时分别通过单向离合器和减速离合器传递转矩;转弯时采用高速离合器,后轮可多转5%左右。值得一提的是,本田在1996年上市的“PRE LUDE”上采用了向左右前轮分配驱动力的“ATTS”系统,而此次发表的系统只对后轮进行左右驱动力的分配。采用这种设计的原因是“如向前轮分配驱动力就会转向过度”。“S H-A WD”系统的目标是获得完全遵从驾驶员的方向盘操作的忠实转向(Neutral Steer)。

此外,电动汽车四轮驱动技术也受到关注。由于四轮驱动电动汽车的轮边电动机,具有扭矩响应快且精确等优点,如果控制系统设计得好,将使其操纵稳定性更佳。东京大学的Shin-ichir o、Yoichi Hori等提出了适用于轮边驱动的电动汽车的驱动力控制系统,其建立的控制模型功能强大,能有效防止车辆的侧向运动。Shin-ichir o、Yoichi Hori等还提出一种关于轮边四轮驱动电动汽车的新的防侧滑的方法,即仅通过检测电动机的电流和转速来检测车轮的滑移,从而通过控制系统来防止滑移。并通过试验进行了验证。

日产2002年推出的MARCH上,配备了使用马达的电动四轮驱动系统“e.4WD”。“e.4WD”是在利用发动机驱动前轮的基础上,通过电机来驱动后轮,只在必要的时候采用四轮驱动系统。利用开关操作即可切换四轮驱动和前轮驱动方式。该系统由“4WD Contr ol Unit(4WD控制单元)”、“后轮驱动单元”和“专用发电机”组成。四轮驱动时,由4WD控制单元向发电机发出指令,电力输送给配置于车身后部的电机,电机的动力通过离合器传输到后轮上。由于使用车身后部的电机来驱动后轮,因此不需要传动轴和分动器,在不牺牲车内空间的情况下就能实现四轮驱动。

在混合动力汽车的研制和生产方面处于领先地位的丰田公司,推出的新式微型客车-ESTI M A(THS-C)上应用了世界第一个电动四轮驱动系统,前驱动动力总成采用并联系统,后轮完全由电机驱动。

目前国内尚未有汽车产品采用此项技术,也少有深入开展此项技术的研究,其中吉林大学的郭立书、葛安林、张泰等对主动分配方式的四轮驱动系统进行了研究,通过对行星齿轮式分动器(内装有湿式多片离合器)等硬件进行建模,以提高运动性能和行驶安全稳定性能、减少轮胎磨损为目的,提出一种控制前后传动轴扭矩主动分配的系统,并根据车辆运行参数和6种特定工况制定了最佳分配方案。并通过试验结果表明其系统优于其他4WD系统。

吉林大学的李静、李幼德、赵健等对被动分配方式的四轮驱动系统进行了研究,设计了四轮驱动汽车的驱动力控制软件和控制系统,建立了四轮驱动汽车加速过程的数学模型,并对弱附着地面、分离路面及松散沙地上的牵引力控制过程进行仿真模拟,用结果来验证其有效。李静,李幼德等还对四轮驱动汽车沙地牵引力控制方法进行了仿真研究,建立了油门的P I控制、模糊控制和模糊P I控制系统,并验证了各系统能消除驱动轮过度滑转现象。

2　电控四轮驱动技术的发展趋势

主动扭矩分配方式的四轮驱动系统可以获得良好的起步加速性能、转向性能和通过性能,具有广泛的发展前景。目前,发展所面临的问题也是未来一段时间需要研究解决的重点问题,主要集中在以下几个方面:

1)硬件系统的匹配,组成四轮驱动系统的结构有多种类型,怎样的组合和匹配是最佳的将是研究人员需要解决的一个问题。

2)针对4WD系统,进一步开发、设计高性能、高精度、高灵敏度的传感器,以便于正确地检测汽车的运动信号。同时,可利用C AN总线和其他系统如A MT(自动变速器)进行信息共用。

3)最优控制策略的确定以及将先进的控制理论与控制方法应用于4WD控制系统的研究中,是研究人员需要解决的重点问题。

4)进一步简化系统,减小系统结构的体积,控制生产成本。由于新一代各种动态稳定系统的研发和应用,未来的AWD系统将和其他电控系统整合在一起,形成集各种功能于一身的综合电控系统。这是4WD系统研究的长远目标。

5)由于混合电动汽车、电动汽车的发展优势和电机的易于控制性,电动汽车四轮驱动技术也将成为一种发展趋势。

参考文献

1庄野欣司.四轮驱动汽车构造图解[M].刘茵等译.长春:吉林科学技术出版社,香港:香港万里机构出版有限公司,1995

2htt p://www.dongfengaut o.ca/inf o/4wd_intr o.ht m

3htt p://www.pcaut /newcar/abr oad/v w/0407/99727_1.ht m l 4王云成,王军,林逸.4WD汽车应用粘性联轴器分析[J].汽车技术. 2001(3):4～6

5htt p://w w w.qdcars.co m/zxzx/hyzx/2004-04-03/hyzx1i13i4026.ht m l

6htt p://aut o.s /2004/05/18/99/article220159930.sht m l

7杨妙梁.从“DYC”到“SH-AWD”本田驱动力分配系统的技术进展[J].汽车与配件.2004-36:31～35

8Shin-ichir o Sakai,H ideo Sado,Y oichi Hori.Ne w Skid Av oidance Method for Electric Vehicle with I ndependently Contr olled4I n-W heelMot ors 9Yasuhir o OSH I U M IMot oki SH I N O Masao NAG A I.Tracti on Force Contr ol of Parallel Hybrid Elecrtic Vehicle by U singModelMatching Contr oller. AVEC(1998.9):129～134

10Shin-ichir o Sakai,Yoichi Hori.Robustified ModelMatching Contr ol for Moti on Contr ol of Electric Vehicle

11htt p://w w /cgi-bin/z wolf1/sho w.cgi?class=1&id=818 12htt p://aut /syste m/2002/09/09/000414204.sht m l 13htt p://aut /ne ws/10565.sht m l

14郭立书,葛安林,张泰,岳英杰.电子控制最佳扭矩分配4WD系统研究[J].农业机械学报.2002(6):16～19

15李静,李幼德,赵健,宋大凤.四轮驱动汽车牵引力控制系统研究[J].吉林大学学报(工学版).2003(4):1～6

16李静,李幼德,赵健,宋大凤.四轮驱动汽车沙地牵引力控制方法仿真[J].吉林大学学报(工学版).2004(1):75～78

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专题综述