四轮驱动系统对操作性和牵引性能的改善

在低附着力路面，四轮驱动系统对操作性和牵引性能的改善

Michael Hoeck

GKN Automotive AG

Christian Gasch

GKN Viscodrive GmbH 摘要

在通常的情况下，高附着力路面如柏油路面或水泥路面上，单一驱动桥（前桥或后桥）足够满足行驶需求。轮胎的牵引力有足够的扭矩保证。

然而在低附着力路面，如冰面，雪地，湿滑路面或非公路条件下，足够的牵引力将难以保证。在这种环境下，装备四轮驱动系统改善牵引力就变得尤为重要了。

这篇文章主要研究了新近开发的锁合式粘滞离合器及差速器在四轮驱动中的作用及整车性能的改善情况，结果发现除了牵引性能的改善以外，操作性及稳定性的改善也很明显。

下面举一个典型的紧凑型SUV的例子，参照传统防滑机构的性能去比较装备带锁合功能的粘滞离合器构成的全时四驱系统（配备防滑差速器的分动箱，及防滑差速锁的后桥）。根据实验数据的分析显示了新的装备在牵引力及操作性能上带来明显的改进，因此，经过优化的四驱系统在低附着力路况下，提升了车辆的稳定性和安全性。

比较更为复杂的分动箱机构，装备带锁合功能的粘滞离合器的全时四驱车在牵引力及操作性能上的改善甚至超过了电子控制的全时四驱车，在车辆稳定性及安全性上的优势更加明显。

介绍

近年来，在美国市场上，SUV的增长相当可观。早期的四驱车通常装配手动离合器切换两轮驱动到刚性四驱。比如，在后驱车的基础上增加一个带手动切换功能的分动器把扭矩送到前桥，当驾驶员需要时，切换到四驱状态。

由于顾客对舒适性的期望逐渐提高，这种四驱系统的缺点就凸现出来：

●在高附着路面上，传动系统的过载

●与ABS的兼容性问题

●在高附着路面上，轮胎及传动部件的非正常损耗

●手动操作及很差的NVH性能

所以不得不开发一种混合的更为复杂的全驱系统

驱动系统

图一显示了我们即将深入研究的驱动系统的结构

后轮驱动系统的配置有：

●开放式后桥差速器

●装备带锁合功能的粘滞差速器

全驱系统（轮间开放式差速器），桥间配置有：

●装备电子离合器（ECC）的实时系统

●装备带锁合功能的粘滞离合器（VT-P）的实时系统

●桥间差速器附带带锁合功能的粘滞离合器作为防滑机构(VCT-P)

全驱系统（在后桥内配备防滑差速器），有：

●桥间为装备带锁合功能的粘滞离合器的实时系统，后桥装备带锁合功能的粘滞差速器

（VT-P & VR-P）

●桥间差速器附带带锁合功能的粘滞离合器作为防滑机构, 后桥装备带锁合功能的粘滞

差速器(VCT-P & VR-P)

●桥间差速器附带带锁合功能的粘滞离合器作为防滑机构, 后桥装备扭矩感应的多片式

有限滑动差速器(VCT-P & MPD)

“实时”驱动系统

后桥为主驱动桥，前桥通过离合装置相联。离合器的形式有：手动操作的（如啮合式离合器）或速度感应式离合器（如被动式的粘滞离合器及带锁合功能的粘滞离合器，或主动式的电子离合器ECC）

“实时”驱动系统比较分动箱系统越来越受欢迎的原因是整车成本的下降：尤其在发动机横置并基于前轮驱动的四驱布置中，前中间传动轴及中央差速器就可以相应省去了。

装配分动箱的驱动系统

在这种布置中，扭矩被变速箱直接分配到前后桥。行星齿轮结构的差速器能够按照客户的需求分配扭矩，在从相等分配到以某一驱动桥为主之间进行调节。

中央差速器能够手动锁合或通过离合器来保证桥间防滑的功能。

有以下几种防滑机构：扭矩感应式的（Pover-trak），被动式速度感应的（粘滞离合器或带锁合功能的粘滞离合器），或主动式速度感应的（电子离合器）。有时候，开放式的中央差速器配备电子循迹刹车系统也很常用。

驱动系统的功能

●电子控制的“实时”驱动系统

研究结果只是对照所测试的电子控制系统，而不可能覆盖所有的各种电子系统。

在前后桥分别安装了速度传感器用来实时监测前后桥的速度差。

在低附着力的路面进行急加速时，主驱动桥迅速打滑，前后桥间产生巨大的速度差。当速度差达到设定的极限值，电子离合器将会闭合，当副驱动桥转速提升至前后桥速度差小于设定值之后，电子离合器重新打开。每当速度差超过设定值之后，这种循环将会重复。因为，这个极限值将被设定到某一个数值，且在使用过程中不能调节，所以该值的设定必须保证传动系统在转弯或停车时不会过载。总之，系统只会在超过某一设定值之后起作用。

●带锁合功能的粘滞离合器

SUV这种类型的汽车要求配备的防滑装置在提供更高的扭矩传递能力的同时，不能影响汽车的操纵性能，包括传动系统干涉，过载及与ABS的兼容性。普通的粘滞耦合器，由于它扭矩递减的特性，无法同时满足以上的要求。所以，我们开发了带锁合功能的粘滞离合器。

带锁合功能的粘滞离合器能够被应用在实时驱动系统中，中央差速器中，及后桥轮间差速器中。关于带锁合功能的粘滞离合器的详细介绍参见“SAE960718”，该装置主要有以下特性：

●完全锁合

●速度差感应

●可设置的，线形特征

●自感应式，不需外界信号

带锁合功能的粘滞离合器包含了一组多片式离合片及一个液压泵，见图二

通过离合器的速度差在液力剪切泵产生一个压力，推动活塞压紧离合片。闭合的离合器就能通过离合片来传递扭矩。由于扭矩的传递只和压力有关，而压力只和速度差相关，典型的特性图参见图3：

该曲

线的形状能够通过调节切入点及斜率来进行调整。离合片的预紧力能够用来设定一个固定的作用速度差及扭矩斜率。

在“实时”系统或分动箱系统中，带锁合功能的粘滞离合器感应桥间的速度差，布置在轮间差速器则感应左右轮间的速度差。

●摩擦片式有限滑动差速器

本次研究所测试的摩擦片式有限滑动差速器是扭矩感应式的。该差速器需要一个输入扭矩，并根据每一边的扭矩承受能力来分派扭矩。由于差速器两边的扭矩差，行星齿轮产生的轴向分离力压紧摩擦片，从而连接连个输出端。左右两个输出扭矩最大差异时的比例就是差速器的扭矩分配比例。本次测试的摩擦片式有限滑动差速器的扭矩比为1.5。

●测试车辆

为了减小不同车辆由于本身性能的不同而对本次测试的影响，我们用同一辆车装配不同的驱动系统来完成全部的测试。同时，我们选用了具有典型牵引及操作特性的紧凑型SUV作为测试车辆，用以代表该细分车型的普遍驱动特性。

我们给测试车装备了各种传感器及信号处理设备，用以记录传动系统的各个性能参数如：传动系统中的各个扭矩，轮胎转速，及车辆纵向及横向的相对速度。

●测试方法

为了减小由于驾驶者的操作带来的影响，我们会同时进行开放式循环和闭环式循环测试以保证结果的标准化及客观化。