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AWD系统:实现更安全的汽车操控
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传动/转向/制动系统展厅
变速箱, 离合器, 制动系统...
除了传统的ABS和安全气囊等产品外,全轮驱动的传动系统(AWD,All Wheel Drive)开始在汽车中流行,汽车制造商也正逐步加大对AWD系统的开发和推广,AWD系统在未来普通家庭轿车和SUV市场有着非常广阔的应用前景。

AWD系统既可以用于普通的轿车,也可以用于SUV车型。它通过减少轮胎的滑动和更好的操控性能来提高各种公路和全天候条件驾驶的汽车安全性。利用AWD系统的关键部件——扭矩管理器(TTD,Torque Transfer Device)来接合整车系统,按照需求自动分配前后轮的扭矩输出,在不干涉发动机动力输出的情况下,可提高物理极限,全时段实现最佳操控。

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图1 AWD系统的结构简图

相对于后驱车辆(RWD)和前驱车辆(FWD)来说,AWD系统对每个驱动轮分配了更少的牵引力,所以更少发生牵引力大于轮胎和地面摩擦力的情况,驱动轮更少打滑。因为牵引力是被4个车轮而不是2个车轮分配,车辆能够通过更高的弯道极限,特别是在粗糙路面和湿滑路面。同时车辆会产生中性的转向倾向,避免了后驱车辆容易转向过度、前驱车辆容易转向不足的危险情况。

此外,与传统的全时四轮驱动系统(利用中央差速器分配动力到前后轮)相比,由于AWD系统前后轮的动力输出完全独立,不会因为某一个车轮的打滑而让整个车辆丧失动力。而相比传统分时四轮驱动系统来讲,AWD系统又可在铺装路面全时应用。可以说AWD系统继承了全时和分时四轮驱动系统二者的优点。

AWD系统的结构与原理

AWD系统的主要部件包括取力器(PTU,Power Take-off Unit)、中间传动轴、扭矩管理器(TTD)、后主减速器(RDM)以及后传动半轴。其中取力器和扭矩管理器是AWD系统区别于传统四轮驱动系统的主要部件。

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图2 AWD系统中的动力流程示意图

图2大致描述了AWD系统中的动力流程。可以看出,变速箱的动力一部分输出到前半轴的左右两端,另外一部分输出到取力器。通常情况下,动力从变速箱传递到取力器后需要改变传递方向,并且有一个升速比,该比率大致在2~3之间,这主要是由于扭矩管理器的本身特点决定的。扭矩管理器本身就是一个结构紧凑的动态离合器(见图3),所承受的传递扭矩有限,在相同转速的情况下,通过取力器的升速比可以增大1~2倍的传递动力;另一方面,扭矩过大,需要更大的取力器和后主减速齿轮尺寸。而通常情况下,车辆底盘空间有限,不允许有过大的取力器和后主减速齿轮尺寸。而一个2~3之间速比的设计恰好解决了上述两个问题。

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图3 取力器动力传递图

图4是取力器在汽车动力总成的位置示意图。从车辆后面看过去,左边的传动半轴直接连入变速箱边齿轮,右边的传动半轴连接到取力器中间轴外花键。

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图4 取力器在汽车动力总成的位置

当动力经中间传动轴传递到扭矩管理器后,扭矩管理器利用本身ECU和车辆各系统的传感器,不断判断轮胎对地面的动态附着力和司机的驾驶意图,适时调整传递到后主减速器动力的大小,平衡前后轮的驱动力,优化汽车的各项性能。此外,扭矩管理器可设置好可传递到后轮的最大扭矩,以起到保护整个传动系统 (取力器、传动轴、后桥及后半轴)的作用。

AWD系统的主要类别

目前,市场应用比较广泛的AWD系统有被动式、非先发主动式和先发主动式三种类别。

被动式AWD系统通常采用粘滞离合器实现扭矩传递。当前后轮产生比较大的速度差时,粘滞离合器因为此速差产生联结力传递扭矩动力到后主减速器。被动式AWD系统属于纯机械式系统,不能和ESP系统结合在一起应用。

非先发主动式扭矩管理系统目前被普遍采用,它采用机械-电子组合的方式,可以连接车辆CAN总线,结合到ABS和ESP系统里面,控制传递到后轮动力的大小。但这种扭矩管理器采用一种内置的偏心钢球来控制推动内部的离合器片,该钢球的推动力来自于传动轴与后主减速器产生的速度差。所以只有当车辆前后轮之间产生较大的速度差时,扭矩管理器才能激发启动(不可先发式)。为了解决这个问题,在设计AWD系统时,制造商通常将后主减速器速比设计得比取力器小0.5%左右,这样车辆后轮就可以持续产生一种“过速”,即可以激活扭矩管理器,使得更多的扭矩可以传递到后轮,并产生过度转向的状态。驾驶者在弯道行驶时可明显感觉到更好的操控性。但是当车辆过度转向突然变得过大时,可能变成非常危险的回形滑行,扭矩管理器需要预先松开离合器以避免此种状态,这时该扭矩管理器(非先发式)就不能做到这一点,而只有先发式扭矩管器才得以实现。

先发式扭矩管理器在车辆运行中随时监控各个系统的状态,并在危险到来之前即刻改变前后轮动力分配比例,矫正车辆行驶状态,以避免事故的发生。扭矩管理器制造商Haldex和AWD系统制造商美国车桥(AAM)都具有此种系统的设计和制造能力。先发式扭矩管理器时刻获取车辆制动系统、转向系统、底盘系统及动力系统等各个系统的信息及前后轮速度/扭矩状态。信息进入扭矩管理器ECU后,ECU根据预先制定好的程序控制离合器,动态分配最佳动力到前后轮上。

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图5 全主动式扭矩管理器总成示意图

鉴于ECU在发出指令之后,需要离合器瞬间响应,即刻控制车辆前后动力分配比例。先发式扭矩管理器大都采用了液压离合系统。图5是美国车桥生产的全主动式扭矩管理器总成示意图。控制模块和负责扭矩传递的离合器全部包含在内,结构非常紧凑。由于采用更高效的液压装置,系统响应时间更快。前后轮分配扭矩的激发时间只需要0.15~0.2s,一辆100km/h的汽车行驶距离不过才4.8m。它既可以提供更好的车辆牵引力性能,也有更好的车辆动态控制性能。

小结

AWD系统的重量只有50kg左右,对整车重量的影响并不大。该系统本身具有减少车辆打滑的特性,目前的应用证明AWD系统对整个车辆的油耗并没有明显的增加。美国车桥的AWD系统已批量应用于沃尔沃 X90、萨博 93、丰田RVA4、雷克萨斯 RX350及本田 CRV等车型。由于其结构紧凑,对普通前驱车辆的差速器和后车架稍做修改即可应用,因此在未来的普通家庭轿车和SUV市场有着非常广阔的前景。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (12/2/2013)
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