3.2 Drivetrain

The torque produced by a vehiclersquo;s engine is transferred to the wheels by means of the drivetrain. The following drivetrain components are considered part of the chassis: the transfer case, axle drives, differentials, and half-shafts (Figure 3-3). The transfer case enables torque from the engine to be distributed to the front or rear wheels. The front or rear axle drive divides the torque between the right and left wheels of the axle and also allows the wheels to rotate at different speeds. Finally, half-shafts transfer the torque from the axle drive to the individual wheels. In order to accommodate the changes in length and angle caused by suspension compression and rebound, the half-shafts contain constant-velocity joints and elements which allow length changes [3].

Fig. 3-3: Transfer case, axle drive units, differential [3]: transfer case (top left), axle drive unit (top right), differential (bottom left), axle drive unit (bottom right)

3.2.1 Configurations

The position of the engine relative to the driven axle(s) is an important criterion for the relationship between a vehiclersquo;s suspension and its powertrain.

This book only considers the two most common basic types of powertrain configurations: a front-wheeldrive vehicle with a laterally-mounted front engine (see Figure 1-11), and the so-called “standard drive configuration” of a rear-wheel-drive vehicle with a longitudinally-mounted front engine (see Figure 1-12). The all-wheel-drive variants of these configurations are also considered (see Figure 1-13).

For a front-wheel-drive vehicle with a laterally mounted front engine, the front axle drive is mounted directly to the transmission. The wheels are connected to the axle drive by means of half-shafts. For the standard drive configuration, the axle drive is part of the rear axle. A cardan shaft connects the transmission output flange to the axle drive input flange.

3.2.2 Axle Drives

3.2.2.1 Differentials

In most cases, the torque provided by a vehiclersquo;s engine is transferred to the road surface via both wheels on single a driven axle. This generally requires a conversion to a slower rotational velocity, which leads to a corresponding increase in torque.

The wheels must be able to rotate at different speeds so that the vehicle can negotiate curves.

To satisfy these requirements, differentials are used which distribute the torque equally to both half-shafts while allowing variation in the rotational velocity of the wheels. In most cases, differentials are beveled planetary gear sets with the standard ratio i0 = –1. The first known sketches of such a system (Figure 3-4) were created by Leonardo da Vinci [4].

To lower the cost of machining, the teeth on the beveled gears are usually quite rough (Figure 3-5), which results in a less efficient transfer of torque between the wheels. This inefficiency, however, is only noticeable when a difference in rotational speed is present, whereby it causes less “locking” action between the wheels. This is generally a desirable trait.

Fig. 3-4: Leonardo da Vincirsquo;s differential sketch [4]

3.2.2.2 Locking Differentials

The distribution of torque becomes problematic when one wheel is largely unloaded or in contact with a low-friction surface. In this case, the torque received by the unloaded or low-friction wheel from the halfshaft can only partially be transferred to the road surface, if at all. This causes the other wheel to receive a correspondingly reduced amount of torque, even though it may be capable of transferring more force to the roadway. Thus, the traction of the vehicle is greatly reduced. To limit these effects, differential locks can be used which limit the allowed difference between the two wheelsrsquo; rotational velocities. The simplest locking differential is a dog clutch which rigidly links the two outputs and can be engaged as needed. This solution, however, negatively impacts cornering and increases tension in the axle system.

Fig. 3-5: A modern differential unit

A better solution is to automatically limit the difference in the two wheelsrsquo; rotational velocities when needed and distribute a larger portion of the torque to the wheel with the best traction. Such a system can either function based on the difference in rotational velocities (e.g. Haldex, Figure 3-6) or by sensing the torques (e.g. Torsen, torque sensing, Figure 3-7).

The allowed difference in rotational velocities divided by the torque on the ring gear is referred to as the differentialrsquo;s locking factor.

In addition to increasing traction, these types of differential locks also improve vehicle dynamics.

If the torque which drives a single axle is no longer equally distributed between both wheels, the resulting difference in tire longitudinal forces will cause a moment at the vehiclersquo;s center of mass about the vertical axis. This so-called yaw moment is similar to those caused by the lateral forces at the wheels during cornering or by the single-wheel brake intervention employed by standard vehicle dynamic control systems.

During cornering, a self-locking differential shifts torque from the outside wheel (which rotates faster than the inside wheel) to the inside wheel, which results in a yaw moment opposite to that caused by a standard cornering maneuver. This opposite yaw moment helps to stabilize the vehiclersquo;s cornering behavior, but limits overall agility. A selflocking differential only benefits dynamic handling (by improving vehicle lateral dynamics and increasing cornering speeds) at high values of lateral acceleration and driving torque.

Fig. 3-6:

Haldex

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3.2传动系统

汽车发动机产生的扭矩通过传动装置传递到车轮。下面的传动系部件被看作是底盘的一部分：分动器、驱动桥、差速器、半轴（图3-3）。分动器使发动机的扭矩分布到前后车轮上。前桥或后桥将车轴的左右车轮之间的扭矩分开，也允许车轮以不同的速度旋转。最后，半轴传递的扭矩从驱动桥传递到各车轮。为了适应由悬架压缩和反弹引起的长度和角度的变化，半轴包含等速关节和允许长度变化的单元[3]。

图3-3：分动器、驱动桥、差速器[3]：

分动器（左上），驱动桥装置（右上）、差速器（左下），驱动桥装置（右下）

3.2.1 结构

发动机相对于从动轴的位置是汽车悬架和传动系统之间关系的重要标准。

这本书只考虑最常见的两种基本的传动系统结构类型：一个横向安装的前置发动机所用的前轮驱动，和所谓的“标准驱动结构”——纵向安装的前置发动机所用的后轮驱动。此外也考虑了全轮驱动的结构类型。

对于前轮驱动的车辆，横向安装前置发动机，前轴驱动装置直接安装到变速器上。车轮通过半轴与车轴传动相连。对于标准驱动结构，轴驱动器是后轴的一部分。万向节轴将变速器输出法兰连接到车轴驱动输入法兰上。

3.2.2 驱动桥

3.2.2.1 差速器

在大多数情况下，车辆发动机提供的扭矩通过单驱动轴上的两个车轮传递到路面。这通常需要转换到较慢的旋转速度，从而导致相应的扭矩增加。车轮必须能够以不同的速度旋转，以便车辆可以顺利通过曲线路面。

为了满足这些要求，差速器被用来分配两个半轴的扭矩，同时允许车轮旋转速度的变化。在大多数情况下，变速器是标准比i0 =-1的斜行星齿轮组。最早为人熟知的草图，是由里昂纳多达芬奇设计的这样的系统（图3-4）[4]。

为了降低加工成本，斜齿轮的齿通常都很粗糙（图3-5），使其低效地传递车轮之间的扭矩。然而，这种低效率，只有当转速的差异存在时是明显的，因此它会导致车轮间更少的“锁定”行为。这通常是一个可取的特性。

图3-4：里昂纳多达芬奇的差速器草图[4]

3.2.2.2锁止式差速器

当一个轮子在很大程度上卸荷或与低摩擦表面接触时，扭矩的分布就成了问题。在这种情况下，由半轴受到的空载或低摩擦轮的扭矩只能部分地转移到路面，如果这种情况发生的话。这会导致另一个车轮接收到相应减少的扭矩量，即使它能够传递更多的力到路面。这样就大大降低了车辆的牵引力。为了限制这些影响，差速器锁可以用来限制两个轮子的旋转速度之间的允许差。最简单的差速器锁是一个刚性连接两个输出的爪形离合器，可以根据需要接合。然而，这种解决方案会负面影响车辆转弯且增加了车轴系统的张力。

图3-5：一个现代化差速器单元

一个更好的解决方案是在需要时自动限制两个车轮旋转速度的差异，并分配较大部分的扭矩给牵引力最佳的车轮。这样的系统可以基于旋转速度的差异（例如瀚德，图3-6）或通过感应力矩（如托森、扭矩传感，图3-7）来运作。

环齿轮上的扭矩除以旋转速度允许的差值被称为差速器的锁定因子。除了增加牵引力，这些类型的差速器锁也改善了车辆动力学特性。

如果驱动单轴的扭矩不再在两个车轮之间均匀分布，那么轮胎纵向力的差异将导致车辆在垂直轴上的质量中心力矩的产生。这种所谓的横摆力矩类似于在转弯时由车轮的侧向力引起的或由标准车辆动态控制系统所采用的单轮制动干预。

在转弯时，自锁差速器从外侧轮（比内轮转速更快）转移到内侧轮上，从而导致偏航角与标准转弯机动相反。这种相反的横摆力矩有助于稳定车辆的转弯行为，但限制了整体的敏捷性。自锁差速器只有在动态处理（通过改善车辆横向动力学和增加过弯速度）横向加速度和驱动力矩处于高峰值时起作用。

排气检验阀

CAN（交流和电源）

过载保护阀

滚轴轴承

DEM（差速器电子模块）

输出轴

控制阀

进气检验阀

蓄电池

湿式多片离合器

活塞

加油口

油泵

平衡弹簧

输入轴

滚轴

图3-6：二代瀚德电控差动液压泵[5]

图3-7：托森C式扭矩传感差速器[6]

3.2.2.3 主动式差速器

主动式差速器采用电解液或电活性的多片离合器来限制差速滑动。通过限制差速滑动提供了可根据情况进行调整的额外牵引力，直至完全锁定。这样的系统允许有限差速滑动的动态影响能够根据需要激活。然而，扭矩只能从具有更大的旋转速度车轮向具有小的旋转速度的车轮传递（图3-8）。

图3-8：SUV应用的主动式差速器

3.2.2.4扭矩矢量化

3.2.2.3阐述的系统能够从快速旋转的车轮向低速旋转的车轮传递转矩。然而，用于车辆动态控制系统时，自由选择偏航角方向将是最期望的能力。这种分配一个特定扭矩到一个单独车轮的能力被称为转矩矢量化[7]。

图3-9：双离合器扭矩矢量差速器

实现转矩矢量化主要有两种方法。第一种方法使用驱动桥两边的可控离合器将扭矩分配到每个车轮上（图3-9）。第二种方法是使用一个“重载驱动器”（图3-10），它通过平行于差速器运行来提供另一种从差速器壳传递扭矩到车轮的方式。重载驱动器也可以定位，将扭矩从一个车轮传递到另一个车轮。使用离合器或超越驱动器的扭矩分配机制，从二十世纪初开始运用。履带车辆不仅适用于向前运动的驱动机制，还可以控制转向。对于这种类型的车辆，扭矩的分配不再像运动学考虑时那般重要。轨道的平均速度（车辆速度）必须与轨道速度差（转弯半径）并行控制。

图3-10：重载驱动器装置

简单的重载驱动器装置最初被设计用于一个履带车辆：所谓的克莱特拉克系统（命名为克利夫兰拖拉机公司，建造履带式农用车）[8]。克莱特拉克系统使用了两个嵌套的差速器，与一个固定的制动器连接到每个差速器输出轴（图3-11）。

当制动器部分应用时，扭矩由一侧转向另一侧。当制动充分应用时，太阳轮输出轴锁定，导致一定的旋转速度比。锁紧力矩与制动力矩的比可以通过指定内外部的各差速器输出轴的不同行星齿轮的输出轴齿轮比来改进。

虽然直接离合器本身简单，但是他们依靠一个驱动扭矩，没有它的话只有充分锁定可以实现。

对于重载驱动器，可以独立指定驱动扭矩的重载扭矩。理论上，超驱动系统甚至可以用于非驱动轴上。

图3-11：克莱特拉克传输（直齿轮）

为确保重载驱动在所需方向上只使用离合器就能传递转矩，传动误差要小。对于较大的传输错误，损失将会大大增加。传动误差是很小的转弯半径为函数的极限。

从理论上讲，扭矩矢量化系统在很大程度上有能力影响车辆的横向动态行为（如所需的方向盘角度作为横向加速度的函数）。这使得车辆的动态行为可以由软件控制。扭矩矢量化系统在选择某些车辆的细分市场时也允许更大的灵活性，并提供正常驾驶和各种制动干预事件之间的平稳过渡。这有助于减少“被汽车阻碍”的不良感觉。

总体而言，扭矩矢量化系统为增加驾驶趣味性、安全性和舒适性提供了巨大的潜力。

3.2.3 四轮驱动（全轮驱动）

在过去，四轮驱动一般只用于提高牵引力，并只适用于某些特殊车辆。对于如今的车辆，驾驶动力学和安全性被越来越多地作为四轮驱动的使用参数。这种现象的一个主要因素是不断增加的豪华车和高性能车的比例权重。

在许多情况下，这些车辆具有很高的发动机扭矩，唯一能够传输总量的方式是使用汽车的两个车轴。

对于由一个以上的轴驱动的车辆，发动机的扭矩不仅分布在一个特定的车轴的车轮上，也分布在车轴之间。轴与轴间扭矩分配的考虑类似于控制单一轴的扭矩分布。

四轮驱动车辆有各种类型，如下所列[9]：

1. 手动切换四轮驱动
2. 静态四轮驱动，具有可变力分布
3. 自动控制四轮驱动

手动切换四轮驱动只在激活时分配发动机的扭矩到两个车轴。需要手动激活系统。由于其较低的成本和有限的功能，这种类型的四轮驱动系统一般只出现在廉价的四轮驱动车上。两轴由一个没有中心差速器的简单离合器连接在一起。标准两轮驱动操作时一般用前轮驱动。

带静态扭矩分配的永久性四轮驱动（全轮驱动）在中央差速器集成在手动变速器的前驱车辆可以简单实现（如奥迪四驱）。

中心差速器补偿前后车轮转速的任何差异。扭矩的分配是静态的，由中心差速器确定分配（例如50:50，40:60，25:75）。通过使用中心差速器或后差速器的制动干预或手动锁定传递扭矩，可以进一步提高牵引力。

全轮驱动系统的可变扭矩分配使用中心差速器与粘性锁止机构，即托森差速器，或粘或多盘离合器。该离合器机构自动控制驱动轴的驱动力矩的分布。这种类型的系统的驱动程序是独立运行的，并与ABS兼容。

全轮驱动系统的自动扭矩分配（如图3-12）功能使用电控多片离合器。这些离合器可以激活磁、电动、或液压，并使无数可能的力分布在前后轴之间。这些离合器可以与其他车辆系统联网，使车辆行为可以根据情况变化。

使用离合器是最常见的实现可变和可调节的全轮驱动功能的系统的途径。当上一段描述的系统用作纵向扭矩分配机构或中心差速器时，它可以使偏离标准传动比为1。这使得发动机扭矩多数按需要从前端传到后端的轴（图3-13）。由于其在高侧向加速度和在低摩擦表面操作时，各车轴的剩余侧力势的影响，上述的发动机扭矩的纵向分布可以确定车辆的操纵行为。具有可控离合器连接驱动桥的系统可以使用这种纵向力分配能力作为车辆动态控制系统。但是，这样的控制系统的影响，与直接偏航力矩所造成的主动横向转矩分配系统相比不太明显。

图3-12：ZF可控分动器 [7]

图3-13：保时捷卡瑞拉4S（发动机后置，全轮驱动）

横向差速器（轴驱动）和纵向差速器之间的一个重要区别是在旋转速度的差异的大小，它必须在转弯时补偿。

这种差异是极小的纵向微分（前轴只比后轴稍快）。纵向分布机制采用多片离合器的形式（可控多盘离合器：图3-14，粘性离合器：图3-15），以转速差分函数的方式重新分配扭矩。

图3-14：带电磁作动器的电控多片离合器[10]

图3-15：粘性多片离合器

3.2.4 控制策略

上述的主动式动力传动系统能够通过目标驱动的横向和纵向的分布影响车辆动力学扭矩。这需要一个全面度取决于所需的干预类型的控制策略。控制策略也必须设计成能与车辆的发动机管理和ESC控制系统一起工作。

任何扭矩分配策略的基础包括一个基本的控制系统，它使用动态垂直车轮负载的驱动轮，以确定在传输输出法兰的扭矩应该如何分布。由这个基本控制系统确定的扭矩的比例分布，然后进一步操纵，以增加车辆的灵活性。这个扭矩转移的数量和方向是基于方向盘的角速度，即司机期望的车辆偏航率变化的指示。偏航速率控制器中使用的目标偏航速率值应进行调整，以匹配车辆的增加的动态电位。如果个别车轮发生滑移，其传力能力的方式应该由防滑控制系统保证。图3-16显示车辆的自转向特性在稳态循环的（skidpad）运动实验测量结果。曲线显示所需的转向角度与传统的全轮驱动汽车和全轮驱动车，已被修改为包括三个可控离合器传动系统的横向加速度（一个在前轴和在每一个后轮）。转矩分配也在后轴表示。在这个测试中，车辆被驱动沿一个直径100米的圆形路径行驶，随着速度的增加，这导致了相应的横向加速度增加。在此操作中，在较大的横向加速度范围内方向盘角度逐渐线性增加。只有在车辆接近其稳定极限时发生转向不足不成比例的增加。这种行为是利用三个实现可控离合器（扭矩矢量控制传动系统）实现的，而传统的全轮驱动车辆具有一个渐进的斜坡（增加不足）和较低的横向加速度极限。使用该控制系统，可以按照阴影区域内的任何曲线实现车辆的自转向行为。

图3-16：稳态Skidpad运动测量

3.2.5 半轴

半轴将扭矩从驱动桥传递到车轮。在后桥，半轴包含CV（等速）关节来补偿悬架行程和弹性动力学车轮定位角度和长度的变化引起的变化（图3-17）。在前轴CV接头也必须补偿转向运

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