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SUV的四驱系统的开发

----Shyouji Tokushima, Kazuhiro Nakano, Kouji Kuroda , Yoshikazu Konishi and Kazunori Kobayashi

摘要

在SUV较为受欢迎的北美尤其是美国地区，各项关于运动型多功能车（SUV）的调查表明SUV的主要行驶路段绝大多数集中在城市街道。然而，大多数SUV都是基于卡车底盘发展而来的，相对于适时路面的操纵性及可用性来说,人们更为看重车辆的越野性能。因此，本系统采用了在后主驱动单元带集成功能的FF（前置引擎，前轮驱动）轿车底盘，在左、右后轮半轴间安装上离合器控制装置，使之具有电子扭矩控制，转矩控制功能等能力。最终其同时满足了SUV在恶劣道路条件下的越野性能同轿车所要求的操纵性能两方面的要求。此外，该处理方式使得驱动系统质量减少至97kg，是同类系型中质量最轻的系统。

简介

根据美国SUV类车辆的销售结果，已经证明其年销售呈增长的一个新趋势。在所有汽车销售门类中，SUV占据了很大的一部分。事实上不仅在美国，在中国，SUV的销售也呈现出越来越火爆的局面，因此SUV是各大国际汽车厂商竞相开发的一个热门汽车品类。根据市场调查了解到人们选择SUV的各种原因，包括安全的视觉感受，高视角体验感及休闲易用性等。而在实际使用过程中，SUV被单独用于城市驾驶或者越野驾驶的情况很少,通常都是在两种情况下转换使用。然而，目前许多SUV是基于卡车底盘，同时在许多情况下，越野性能优先于路面操纵性和可用性。但是我们都知道，SUV也有很大一部分的时间不是在野外，而是在城市道路上面行驶，这个时候消费者就更加偏向于操纵性和可用性的SUV，所以这种情况下很有必要制定一个四驱系统的SUV的实际使用模式。

研究目标

SUV各种行驶条件根据其使用目的进行预测，根据使用模式的调查结果，我们发现，在恶劣的道路条件下的越野性能，能确保车辆在多砾石路面或积雪覆盖的斜坡或拖船上斜坡时的提供的驱动力足以用于实际使用。此外，我们发现，用户觉得一辆便于使用的SUV在道路上行驶时应该具有这样类似轿车的便利的操纵性能。在此基础上，我们确立了我们的研究目标为：“不良路况下行驶时所需SUV越野性能与轿车操纵性能的平衡”。 为了确保在恶劣的道路条件下的越野性能，必须使前、后车轴的左、右车轮根据车辆在不同行驶条件的下响应进而控制最佳驱动力的控制和分配。而与轿车相似的底盘类型和减少重量对于保证其操纵性能都是极为重要的，这些都是本文在之后研究四驱系统时所考虑的。

四驱系统

由于性能检测结果中必须考虑达到SUV在恶劣路况的越野性能及其操纵性能两方面的要求，我们意识以下项目的重要性(图1)[1,2]

性能 功能 处理方式

图1. 车辆性能与处理方法

表1. 四驱类型与所用原理比较

四驱系统中包含各种不同的配置，其中包括全时式、直接式和中央离合器式（表1）。然而，在我们的开发过程中通过检测最小化所涉及的必需的功能元件的数量以达到轻量化和紧凑的方式并定如下所示的基本4WD系统（图2）

图2. 系统布置方案

PTO动力输出

PTO是在前置前驱车辆中将驱动力从FF汽车发动机室传递并使之与自动变速器（AT）相适应的装置。基于对市场调查的分析与研究,我们可以采用一种准双曲面齿轮的配置，利用准双曲面齿轮的传递特性,在速度变大时使相应的输出驱动力随之改变。这使得我们可以降低驱动力的输出，进而达到减轻的重量的效果。如图3为PTO的横截图：

图3. PTO截面图

传动轴

我们采用两片式螺旋桨轴（图）。此外，通过调节PTO转速和后主驱动装置齿轮比的方式，同时优化了接头尺寸和直径比。为了抑制从螺旋桨轴的旋转振动，我们使轴的平衡旋转量保持一个固定值以下范围内，在经过调整阶段之后，以便被锁定再经由主传动装置输入法兰盘。这样的改变可以改善驾驶过程中噪声和振动。

图4. 传动轴

后主驱动器

为实现减轻重量的目标以及与一个由前置前驱为基础的系统相匹配，我们重点关注的是后主驱动器单元的扭矩控制功能。根据市场的研究和调查，综合分析各种类型，在相应研究了液压控制，电磁控制及别的扭矩控制方法之后。既要实现目标性能的新得发展，又要确保控制特性的同时，保证前轮与后轮之前的低转速差是尤为重要的环节。用油压控制离合器的方法需要一个单独的油压力源，会使系统变得过于复杂，这不利于车身空间的利用，并且增加成本和维修难度。采用电磁线圈式离合器转矩控制系统不仅结构简单，且能确保其具有良好的控制性能。从传动轴至后主动驱动单元的转矩传递方向在经由准双曲面齿轮后被独立地分配到电磁线圈式离合器的左右两侧。图5为后主驱动器的横截面

图5. 后主驱动单元

电磁线圈型离合器由先导离合器和主离合器组成。当电流流向电磁线圈时，将电枢压在转子上，产生摩擦力矩。摩擦力矩是由一个球凸轮在驱动器内转化为推力，这成为主离合器推力。图6所示的是电磁线圈式离合器的横截面。

图6. 电磁线圈离合器截面

由主离合器控制的扭矩独立地传递到输出轴的右半轴和左半轴。左、右车轮传递的转矩不同会影响车辆的正常行驶，例如，直线前进的能力。作为调查对转矩传递的分散体中的右和左离合器的各元件的相对效应的结果，我们认识到，先导离合器间隙对转矩传递量的影响最大。图7示出的导频离合器间隙和转矩传递的量之间的关系。在这个系统中，我们已经通过优化电枢和转子的摩擦面的间隙确保左、右扭矩差和控制性能。润滑油由油泵提供，油泵与离合器准双曲面齿轮位于同一轴线上，左、右离合器之间，并统一提供向左、右离合器提供润滑油。润滑油被输送并提供给在轴内的离合器。所用的润滑油是专门设计用以稳定离合器摩擦特性的。除了要确保恶劣路况条件下的性能所需的动力，锁定模式不具有机械连接，但不断提供地向电磁离合器最大电流，抑制过剩推动力，继而实现轻量化。

图7. 离合器间隙与转矩关系

控制系统

控制要求 , 实现目标的四驱系统的功能如下：

*在恶劣路况条件下，将最佳驱动力分配给后轮，以改善恶劣路况条件下的性能和操纵性。

*只有在需要的时候，才进行驱动力的分配传递。以达到减轻重量，增加紧凑性和改善燃油经济性的目的。

以实现这些目标，我们大致同时设置自动模式和锁定模式。自动模式结合加速控制，车轮速度控制和爬坡控制。图8示出的控制形式和其相应的流动的概略。

图8. 系统控制概况

自动模式

1. 加速控制

车辆需要从静止启动加速期间需要一个较大的驱动力驱动，使之开始不以恒定速度加速行驶。因此，我们通过已响应于加速度的驱动力对后轮进行优化配置，以保证车辆在恶劣的道路条件下的性能和操控性。仅在静止加速阶段，通过将行驶驱动力传递至后轮，便够减少系统的重量，抑制角制动现象以及提高燃油经济性。

该系统根据发动机转矩、变矩器特性、车辆速度、齿轮位置等分析计算车辆出加速度，由此确定所需驱动力并将驱动力分配至后轮。图9显示车辆加速时的驱动力分配情况。

图9. 加速度与后轮转矩关系

2。差动轮速控制

有时需要从后轮提供较大的驱动力以保证车辆在湿滑路面上的行驶性能，如在粗糙路面或积雪道路上。除了其加速控制应用外，该系统还能在恶劣道路条件下在通过增加后轮驱动力响应前后轮的转速比变化，以保证在恶劣路况下车辆的行驶性能。图10显示了后轮驱动力与前后轮转速比之间的关系。

图10. 车轮转速与后轮驱动力

3.爬坡控制

在某些情况下，车辆试图在一个附着率极低的形坡道上静止启动，此时车辆不会加速且前后轮的转速比不会明显增大。但是此时为了保证在这类情况下车辆的行驶性能，使前轮持续滑转一段固定时间之后再进行控制，并根据轮胎大打滑长度决定分配到后轮驱动力的增加量。图11显示了在增加驱动力分配系数与滑动时间的关系。

图11. 前轮滑转时间与驱动力分配系数的关系

锁止模式

当车辆需要较高的行驶通过性时，如打滑或极限爬坡，通过将汽车的前、后轮以及左、右轮直接刚性连接时会使车辆有更高的行驶通过性。然而，这样便限制了车辆转弯时车轮之间的转速差，使车辆在行驶过程中受到较大的制动力，等情况，继而导致车辆行驶变得不稳定。这对于汽车的越野能力会有较大影响，而据市场调查所知道，suv的应用场合有时候就恰恰实在野外而不是城市的道路，所以左右轮之间如果刚性连接有利也有弊，我们必须考虑到他的弊处之所在。进一步的，在驱动系统上增加了一个更大的负载，同时增大了整个系统的总重量。由于仅在不良的道路条件且低速行驶时，才会需要锁止模式下的强通过性性能，因此随着车速的提高，该系统会逐渐由锁止模式切换到自动模式。同时，车辆也被限制在只能在低速状态才能切换至锁止模式。其切换开关位于变速杆上的反向位置。如图12所示在不同车速下后轮转矩的大小情况。

图12. 车辆速度与后轮转矩关系

系统重量

图13示2001年讴歌MDX使用的该系统重量和在其他模型中所使用系统的权重比较。跟过我们的分析和讨论得出了令人喜悦的结果：我们成功的实现了在该系统在同类型系统重量最低，且通过性能集成实现了转矩限制，加速控制等功能。

图13. 系统重量

实际车辆性能

“实际SUV性能”该术语所涵盖的范围过于宽泛且难以确切的定量表达。所以我们只能选取有代表性的性能进行测试，不能对汽车的所有方面测试，尽量争取其具有代表性，尽可能的靠近真实的综合性能。在恶劣道路条件下的越野性能和操纵性能，必须考虑到车辆的使用方式，实际路面状况，负载等方面才能进行较为准确的评估。以往，对于相对性能的评价，常根据人们的主观感受作为性能评价指标。根据世界范围的经验以及历史中的经验来看，单纯根据人们的主观感受作为性能评价指标是片面的，所以在此次研究中，我们对讴歌MDX进行了基本性能（恶劣道路条件下的驱动性能和操纵性能）的定量评估。

在恶劣路况条件下的越野性能

四轮驱动系统在恶劣的道路条件下行驶所要求的性能可大致分为以下三类：

1. 绝对驱动力性能
2. 前、后驱动力分配性能
3. 左，、右驱动力分配性能

四轮全驱工况时的发出的绝对驱动力是车辆在上坡爬行、坡道拖车等情况时所必需的驱动力。它是确定像该系统基于前轮驱动发展而来的四驱系统进行扭矩分配时，由前轮分配到后轮最大扭矩的一个指标。此外，扭矩必须在前轮滑转过多之前进行传递，注意其扭矩分配传递时机。

根据我们所做市场调查来看，如果MDX的四驱系统能满足一下两点要求，并绝对保持在这样驱动力性能水平，才能使MDX在目标市场里保持强有力的竞争力。

1. 顺利爬上泥泞坡道

2. 能在沥青上坡路段拖车行驶

在上述两种必要条件下我们测得了后轮驱动力大小如图14、15所示

图14. 泥泞路面上的后轮转矩

图15. 沥青路面上拖车时的后轮转矩

我们已能成功的使该四驱系统提供能保证爬坡时及爬坡性能时所需的目标驱动力，从后轮所发出转矩特性可以看出，在自动模式下，可以保证所需的爬坡性能，使路面条件准确地传送给用户。在锁止模式下，爬坡所必需的的驱动力是在瞬间产生的，以便能发挥出足够的爬坡性能，向用户提供更大的安全感，并在此基础上提高汽车的性能。

前后驱动力分配性能指车辆在恶劣道路条件下、冰雪道路条件下，前后梯度较大的路面条件下，或通过高度差距较大路面时的通过性能。

为了定量评估其性能，我们不能单纯依靠系统模拟，这会导致一些误差，并且像我们所有人都知道的那样，有些误差比如系统误差和随机误差是无法消除的，所以我们基于一辆实际的车辆进行了一项实验，利用一个确定高度的滚子凸台，保证车辆正向反向都能越过，同时与使用其他系统的代表车型在相同状况下的测试结果进行比较，结果如图16、17所示

图16. 越过滚子凸台(前行)

图17、越过滚子凸台(倒退)

以上结果表明，与其他测试车辆相比我们保证了所需的目标驱动性能。

左、右驱动力分配性能是指例如在左右路面存在有附着率差（如路肩结冰）时静止起步，或者车辆车轮偏离路面时的操控性能。为了能定量测定其左右驱动力分配性能，我们用先前测试所用的滚子凸台进行测试，并将其放在汽车前、后轮的一侧，然后测量该侧车轮所发出的驱动力，该系统的测量结果与其他代表车辆比较结果如图所示

图18. 在附着率差micro;时的牵引力

在上述条件下讴歌MDX系统相对于正常预置两LSD（相对于竞争者A）将近能产生两倍的驱动力，并且保证了车辆在实际使用过程中左、右驱动力分配性能。

操纵性能

操纵性能大致可分为在潮湿路面和干燥路面两个方面性能，在这里，我们采用标准评估方法进行评估即侧向加速度试验法。

我们比较了一些在潮湿路面和干燥路面横向加速特性比较有代表性的轿车。如图19所示，我们已经能够使其达到类似于轿车的处理性能，即该系统所需到达的目标性能要求之一。

图19. 湿滑/干燥路面上加速特性

结论

下面的网状图显示为具有代表性的SUV和普通轿车在恶劣道路条件下的车辆性能比较图。

此系统的最终目标是完成车辆在不利道路条件下SUV先越野性同轿车操纵性之间的平衡。该目标系统已到达同类型系统中的最低重量（97kg）。通过采用电子扭矩控制和转矩限制功能的在后主驱动器中进行集成。并在将离合器单元布置在后车轴左、右车轮之间，使之在轿车底盘上得以使用。

图20.

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