SAE-C2009C127主动式智能电子控制转矩分配四驱系统研究

SAE鄄C2009C127 主动式智能电子控制转矩分配四驱系统研究 钱进 华晨汽车工程研究院 摇 摇 揖摘要铱 摇 通过对电子控制转矩管理器工作过程的分析, 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, 研究提出一种新的控制后传动轴转矩分配的系统。 根据前后车轮转速、 转向盘转角和制动开关等信息, 分正常、 起步、 转 向、 制动、 滑转控制和转速差控制等 6 种工况, 制定适合路况的转矩分案, 对系统实施控制。 试验结果明该系统明显 优于其他四轮驱动(4WD)控制系统。 摇 摇 揖关键词铱 摇 四轮驱动汽车摇 电子控制摇 主动摇 转矩管理器 Study on Active Torque Management Control System for AWD Qian Jin Brilliance Automobile Engineering Research Institute 摇 摇 Abstract: In order to improve the vehicle tractive performance, safe stability and reduce the wearing of tire, a new system that controls rear drive shaft torque proportion is conducted by analyzing the working process of active intellectual torque management assem鄄 bly in drive line of 4WD vehicles郾 Regarding the revolutions of front and rear drive shaft, steering wheel angle and brake switch, an e鄄 lectronic control torque distribute strategy suitable for current condition is obtained and used in the control system including normal, starting, steering, braking, sliding control and the difference of rotation control conditions郾 Test results show that the new system in the 4WD has great advantages than others郾 摇 摇 Key words: AWD摇 electronic control摇 active摇 torque management device 引摇 摇 言 摇 摇 主动式智能电子控制转矩分配与被动式不同, 被动式直 接对输入和输出的转速差响应, 而主动式的必须由电控单元 ECU来进行逻辑控制, 从而实现转矩从主驱动桥传输到次 驱动桥, 并且在转弯时转矩管理器允许前后桥在不同的转速 下工作, 避免产生转向制动现象。 随着大功率发动机的飞速 发展, 为了最大限度地传递驱动力, 提高汽车在各种路面上 行驶的加速性和通过性, 广泛采用了四轮驱动(4WD)控制 技术。 本文介绍的电磁激励式电控转矩管理器通过车载电子 系统监控整车参数, 比如加速踏板位置、 轮速、 转向盘转角 和侧向加速度等, 得到这些信号输入后, 电控单元(ECU) 根据本身的控制策略, 决定向转矩管理器输出一定的电流, 这种大小不同的电流触发转矩输出装置, 促使多片摩擦装置 结合来获得想要的转矩, 针对各种运行工况, 制定最佳转矩 分配方案, 利用转矩分配系统加以控制。 1摇 AWD动力模型的建立 摇 摇 本四驱传动系统为基于前置前驱轿车延伸设计而来, 设 计初始阶段考虑了布置间隙及物理接口匹配, 包含了转向驱 动桥与二级传动系统(电控四驱), 具体系统零部件构成及 布置如图 1 所示。 摇 摇 (1) PTU: 取力器(power transfer unit) 摇 摇 针对发动机前置四轮驱动的车辆, 系统增加了取力器这 一部件, 用来提供后桥驱动转矩, 该装置也可称为分动器, 具有以下特点: 摇 摇 1) 将发动机转矩输出的方向旋转了 90毅。 摇 摇 2) 使用螺旋斜齿或准双曲面齿轮机构。 摇 摇 3) 通过半轴向前轮传递转矩。 摇 摇 4) 适用于智能转矩分配或全时全轮驱动车辆。 摇 摇 5) 大多数的前轮驱动全轮驱动车辆应用的是智能转矩 分配全轮驱动系统。 摇 摇 6) 因空间尺寸限制, PTU是最难布置的。 摇 摇 (2) TMD: 转矩管理器(torque management device) 摇 摇 (3) FDU: 后主减总成(final drive unit) 摇 摇 (4) TMM: 转矩管理器电控单元 ( torque management module) 摇 摇 转矩管理器为多级摩擦片结构, 由 PTU 从变速器采集 的转矩经纵向传动轴传递到 TMD, PTU 传递转矩的大小根 据整车参数(如总重、轴距、轴荷、整车目标寿命、目标路况分 配等)确定打滑力矩, 依据此转矩限制传递到后主减输入轴 的最大转矩 Tmax。 摇 摇 选取原则首先考虑 PTU形式(单、双轴)是否影响到整车 布置, 鉴于此种四驱系统采用发动机前置前驱车型基础改制 布置, 因此空间布置为重要因素, 其次, Tmax应占总转矩 70%以上可以正常维持转矩传递, 不会影响整车性能, 选择 最合适的转矩值。 摇 摇 计算前后轮打滑力矩: 摇 摇 摇 摇 Ts1 =ADTFwd(Nm) = 9郾 81伊Q伊B伊R伊Mu衣2(L+Mu伊H) 式中摇 Q———满载转向驱动桥最大载荷(N); B———后轴负荷转移距离(m); Mu———地面附着系数; 7631摇 2009 中国汽车工程学会年会集 SAE鄄C2009C127 图 1摇 系统布置图 摇 摇 摇 R———车轮滚动半径(m); H———质心高度(m); L———轴距(m)。 摇 摇 摇 摇 Ts2 =ADTFwd(Nm) = 9郾 81伊Q伊A伊R伊Mu衣2(L-Mu伊H) 式中摇 A———前轴负荷转移距离(m)。 图 2摇 TMD结构图 摇 摇 转矩管理器传递路线如图 2 和图 3 所示, 由小直径止口 法兰、 线圈加载系统、 二级摩擦片、 球盘系统组成。 摇 摇 由于电流的变化, 绕组线圈产生变化的磁力, 从而吸附 衔铁靠近线圈, 促使首级摩擦片结合, 随后带动二级摩擦片 结合, 传递转矩给二级摩擦片, 同时将轴向力反馈给球盘系 统, 压力增加, 球盘系统开始工作, 钢球到达盘凹槽的顶部 时开始传递转矩到输出轴, 由于摩擦片的间隙受约束, 相应 时间非常快, 控制球盘的转矩随之变化。 摇 摇 图 4 中 ts 为电磁阀的一个工作周期, t0 为电磁阀的开启 时间, tc 为电磁阀的关闭时间, tod为电磁阀的开启滞后时 间, tcd为电磁阀的关闭滞后时间。 摇 摇 电磁阀占空比为 y= ts t0+tc (1) 摇 摇 离合器压力为 8631 2009 中国汽车工程学会年会论文集摇 SAE鄄C2009C127 图 3摇 电磁激励系统 图 4摇 电磁阀的时间响应 p= k(y-a) (2) 式中摇 k———比例系数; a———常数, 与离合器阀弹簧预应力有关。 离合器片摩擦因数为 滋=滋jexp(-0郾 00057 nf-nr ) (3) 式中摇 滋j———离合器片静摩擦因数。 Tc =2仔滋mp R3-r3 3 (4) 式中摇 m———摩擦面数; R3———离合器摩擦片外半径; r3———离合器摩擦片内半径。 由式(1) ~ (4)可知, 只要控制电磁阀占空比 y, 就可以控制 Tc 了。 路面可以提供给汽车的最大牵引力为 Fmax =G1准1+G2准2 (5) 式中摇 G1、 G2———前、 后轮负荷; 准1、 准2———前、 后轮附着系数。 G1、 G2 一定时, 要获得牵引力最大值 Fmax, 则需要 准1、 准2 最大, 准1、 准2 只有在滑转率为 15%~ 20%时有最大值。 摇 摇 图 5 为电流与受力变化 T鄄C 响应曲线, 通过调节电流, 改变转矩, 图中包络面积越大, 说明滞后作用越严重。 9631摇 2009 中国汽车工程学会年会论文集 SAE鄄C2009C127 图 5摇 T鄄C响应曲线 2摇 控制系统的结构和设计 2郾 1摇 控制系统结构 摇 摇 控制系统由四轮转速传感器、 转向盘转角传感器、 节气 门开度传感器、 电磁控制阀、 制动开关和控制单元 ECU 等 组成, 如图 6 所示。 其中, ECU是控制系统的核心, 进行信 号的采集、 处理、 判断、 决策以及自诊断功能。 2郾 2摇 控制决策 摇 摇 转矩管理器后输出轴转矩分配控制是通过占空比电磁阀 完成的。 图 7 所示为转矩管理器前后传动轴转矩分配反馈控 制系统图。 为了提高控制精度, 分为如下几种方式对电磁阀 加以控制。 图 6摇 控制系统结构 图 7摇 转矩管理器转矩控制反馈系统 摇 摇 (1) 正常控制摇 理想情况下, 前输出轴单独传递转矩, 后轴转矩为零, 前、 后输出轴转速差为最大, 为 xr。 实际控 制时, 在满足设计要求的条件下, 控制电磁阀磁力, 尽量使 离合器传递的转矩最大。 图 7 中 xe 作为反馈量, 调节电磁 阀磁力和工作周期。 摇 摇 (2) 起步控制摇 为了确保坡道和低附着路面上顺利起 0731 2009 中国汽车工程学会年会论文集摇 SAE鄄C2009C127 步, 离合器摩擦片存在间隙, 起步阶段有一个拖拽转矩, 因 此可以短时间内控制电磁阀磁力, 使离合器传递的转矩最 大, 相当于短暂地直接进入 4WD状态。 摇 摇 (3) 转向控制摇 低速时, 为了尽可能地避免功率循环, 减小前轮的滑移和后轮滑转, 可以通过控制电磁阀磁力, 尽 量使离合器传递的转矩变大。 摇 摇 (4) 制动控制 摇 紧急制动时, 前轮负荷增加, 后轮负 荷减小, 为了提高汽车行驶的方向稳定性, 控制单元 ECU 接收到制动信号后, 控制电磁阀磁力, 使离合器传递的转矩 为一固定值。 摇 摇 (5) 滑转控制 摇 前轮由于某种原因打滑, 这时控制电 磁阀磁力, 通过减小速比 x, 来提高离合器传递的转矩, 直 到直接 4WD状态。 实际控制中, 当 x<0郾 8 或 x>1郾 2 时, 进 行滑转控制。 摇 摇 (6) 转速差控制 摇 速比 x 在正常控制范围和滑转控制 范围之间时, 利用电磁阀磁力, 控制离合器传递的转矩, 确 保汽车行驶的方向稳定性和运动性能。 2郾 3摇 自诊断功能 摇 摇 控制单元 ECU 利用测得信号的信息冗余, 检测系统的 故障。 典型的冗余信息是汽车正常行驶时后轴的转速, 如果 长时间不变或为零, 就认为电磁阀或离合器失效。 汽车行驶 过程中, 如果长时间检测不到后轴转速, 就认为转矩管理器 转速传感器失效或导线故障。 当控制单元 ECU 检测到系统 的故障时, 以代码的形式存储在 ECU 中, 并利用指示灯的 闪烁, 警报异常。 时, 利用诊断端子触发, 指示灯以相 应的故障码闪烁, 读取故障码。 另外, 系统出现故障时, 作 为失效保护, 离合器保持分离状态。 2郾 4摇 控制程序 摇 摇 主程序如图 8 所示。 图 8摇 主程序流程 3摇 性能评价 3郾 1摇 起步加速性能 摇 摇 图 9 所示为低附着系数路面典型起步加速试验结果。 由 于起步控制时转矩管理器传递力矩大, 前后轮都有转速, 可 以最大限度地发挥各轮的驱动性能, 所以, 得到稳定的起步 加速性能。 3郾 2摇 转向性能 摇 摇 图 10 所示为在湿润路面上转向加速时, 装备不同分动 器汽车的行驶轨迹。 直接 4WD 具有强烈的不足转向特性; 带有粘性联接器式行星齿轮分动器比直接 4WD 方式转向性 能有很大改善; 主动式转矩分配方式, 不仅可以获得良好的 转向性能, 而且由于离合器传递转矩小, 前轮驱动力矩总小 于后轮驱动力矩, 回正力矩在最大值所在区域变化, 所以, 也具有良好的回正性能。 3郾 3摇 通过性能 摇 摇 图 11 所示为通过性能试验结果。 此图表示一个前轮从 开始滑转到恢复正常状态, 前后轮转速差和后轮传递力矩随 时间变化情况。 由图可以看出, 随着前后轮转速差的减小, 后轮传递力矩直线上升, 短时间顺利通过。 1731摇 2009 中国汽车工程学会年会论文集 SAE鄄C2009C127 图 9摇 低附着路面起步加速试验结果 图 10摇 湿润路面上转向加速时的行驶轨迹 1—直接 4WD摇 2—粘性联接器摇 3—主动式转矩分配 4WD 图 11摇 通过性能试验结果 (红色为主动式转矩分配,蓝色为粘性联接器) 4摇 结论 摇 摇 (1) 主动式智能电子控制转矩分配四驱系统可以获得 良好的起步加速性能、 转向性能和通过性能。 摇 摇 (2) 利用 CAN 总线可以和 AMT 信息共用, 节省传 感器。 摇 摇 (3) 增强整车的动力性能, 在汽车加速或减速时, 改 善汽车动力性能, 快速反应能力, 可实现 0 ~ 100%转矩连 续可变传递。 摇 摇 (4) 增强整车和乘客的安全性, 与整车 ABS 和 ESP 系 统集成, 在 60ms内, 可中断动力传递。 摇 摇 (5) 增强整车的驾驶舒适性和灵活性, 转弯或停车时 无转向制动现象, 优化了整车重量, 提高燃油经济性能。 摇 摇 (6) 减少轮胎磨损, 经济性高, 具有广泛的应用前景。 2731 2009 中国汽车工程学会年会论文集摇 SAE-C2009C127