李暉　潘麗佳　柴博　于春滿

（長城汽車股份有限公司技術中心河北省汽車工程技術研究中心，保定071000）

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基于智能適時四驅系統(tǒng)限扭控制的仿真應用

李暉潘麗佳柴博于春滿

（長城汽車股份有限公司技術中心河北省汽車工程技術研究中心，保定071000）

【摘要】針對整車搭載博格華納智能適時四驅控制系統(tǒng)后橋限扭閥值設定的問題，分析其傳動系統(tǒng)結構和智能控制策略，使用整車仿真軟件AVL-CRUISE搭建模型，通過設置不同限扭閥值進行了性能仿真計算。計算結果表明，后橋限扭閥值設定為800 N·m可滿足整車性能目標要求。結合實車試驗，同時使用CAN總線監(jiān)控軟件CANoe對不同工況下分動器工作情況進行監(jiān)控分析，驗證了限扭閥值設定的正確性。

1　問題提出

某款新型橫置四驅SUV采用博格華納智能適時四驅控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)采用分動器（Power transmit unit，PTU）和扭矩管理器（NexTrac）組合控制。裝配智能適時四驅控制系統(tǒng)的車輛在某些特定工況下，其ECU根據接收到的整車傳感器信號經過邏輯運算判定后橋需要傳遞扭矩時，會發(fā)出指令控制NexTrac的后橋電磁離合器，實現扭矩輸出[1]。NexTrac在前期標定過程中可設置不同大小的電流，通過調節(jié)電流的大小來實現智能扭矩管理，如440 N·m、600 N·m、800 N·m、1 000 N·m等不同的扭矩閥值。若選擇限扭閥值過小，則造成后輪提供的驅動扭矩過小，無法實現前輪打滑時后輪脫困的智能控制功能；若選擇限扭閥值過大，則輸出軸有破壞斷裂的風險。采用不同的限扭閥值將直接影響整車的布置方式和零部件的材料和工藝選擇。本文通過AVLCRUISE軟件建模仿真結合實車性能試驗對比，選擇合理的限扭閥值以實現整車性能匹配。

2　智能四驅系統(tǒng)

2.1智能四驅系統(tǒng)結構

四驅系統(tǒng)根據控制方式不同分為主動控制系統(tǒng)和被動控制系統(tǒng)。被動控制系統(tǒng)主要是駕駛員根據當前行駛工況自主選擇駕駛模式如2WD、4WD-H、4WD-L等；主動控制系統(tǒng)不需要人為選擇駕駛模式，而是通過安裝在車輛上的各種傳感器搜集整車的工作狀態(tài)信號，再經過預先設定的扭矩控制策略的邏輯運算控制分動器扭矩輸出，實現兩驅模式與四驅模式的自動切換[2]。

智能適時四驅系統(tǒng)是一種主動控制系統(tǒng)，它主要由PTU和NexTrac兩部分組成。其工作方式是在前驅傳動系統(tǒng)中加入PTU，通過冠狀齒輪與螺旋錐齒輪（或雙曲線齒輪）嚙合傳遞扭矩給中間傳動軸，再通過NexTrac調節(jié)內部的電磁離合器控制中間傳動軸輸出扭矩。橫置式智能適時四驅系統(tǒng)結構原理如圖1所示。

圖1　智能適時四驅系統(tǒng)結構原理

2.2智能四驅系統(tǒng)控制原理

車輛在高附著系數的平坦路面上行駛時，一般前輪驅動即可滿足整車動力需求，此時前后車輪轉速差異較小，不傳遞扭矩給后橋。當車輛在一些特定工況下（如低附著系數路面、越野路、上坡、急加速等），ECU經過邏輯運算后判定需要向后橋傳遞扭矩時，NexTrac輸出不斷變化的電流控制后橋電磁離合器，實現扭矩的智能分配[3]。智能四驅系統(tǒng)控制邏輯如圖2所示。

圖2　智能適時四驅系統(tǒng)邏輯控制原理

扭矩管理器與整車實時通訊，判斷車輛狀態(tài)和駕駛員意圖，再通過ECU采集的發(fā)動機、變速器等信號計算出車輛后橋需要傳遞的扭矩，由電流的大小來控制電磁場的強弱以達到按需分配扭矩的目的，從而實現扭矩智能分配。

3　智能適時四驅系統(tǒng)性能仿真

3.1建立智能適時四驅系統(tǒng)仿真模型

以某搭載2.0 L橫置發(fā)動機和6擋手動變速器的智能四驅車型為例，基于智能四驅系統(tǒng)控制原理，用AVL-CRUISE軟件搭建整車仿真模型進行計算。采用軟件模塊化建模理念，使用整車、發(fā)動機、離合器、變速器、主減速器、PTU、差速器，制動器、輪胎、駕駛室、Nex?Trac等模塊結合分動器邏輯控制函數（Diff-1）模塊和限扭閥值控制（Limit）模塊搭建整車仿真模型，實現智能四驅車型的常用功能。仿真模型如圖3。

圖3　整車仿真模型

3.1.1仿真模型的搭建原理

智能適時四驅系統(tǒng)主要控制部分為PTU、NexTrac 和ECU，軟件仿真時采用分動器、主減速器、法蘭和控制函數模型組成，各個部件之間用數據總線（Data Bus）連接。核心仿真機構見圖4。

圖4　智能四驅邏輯控制模型的核心機構

a.整車仿真模型中，發(fā)動機、變速器、離合器、主減速器、輪胎、駕駛室模型為常規(guī)仿真模型，根據試驗車型輸入相關計算數據。

b.分動器中前單齒輪（Front Gear）模塊和分動器中后單齒輪（Rear Gear）模塊，主要作用是改變傳遞扭矩大小和方向，兩對齒輪可采用對稱式布置或非對稱式布置。對稱式布置或非對稱式布置的選擇主要考慮整車的布置空間、部件工藝、NVH、成本等因素。本模型采用對稱式布置即Front Gear與Rear Gear兩齒輪速比乘積為1，Front Gear模塊的主要作用是減扭增速，Rear Gear模塊的主要作用是減速增扭。

c. PTU模塊和Diff-1模塊把來自于傳動系統(tǒng)的扭矩分別傳遞給前橋和后橋，扭矩分配比定義為后傳動軸輸出扭矩與前驅動軸輸出扭矩的比值。當前、后輪有轉速差時，改變分動器扭矩分配比，逐步增大后傳動軸輸出扭矩。模型仿真時PTU的分配策略選擇“Torque Split Factor From Data Bus”，Diff-1模塊根據當前仿真狀態(tài)計算后，通過Data Bus調整前后扭矩分配比。扭矩分配比Ψ的取值范圍為：式中，Tn為NexTrac限扭閥值；T=min{Ttq,Tt}為發(fā)動機輸出扭矩和變速器承受扭矩的最小者；Ttq為發(fā)動機最大輸出扭矩；Tt為變速器1擋最大承受扭矩；If為Front Gear模塊速比；I1為變速器1擋速比；I0為主減速比。

d. NexTrac模塊和Limit模塊的主要作用是限制傳遞扭矩的大小，保護傳動系統(tǒng)零部件避免扭矩過大出現過載。采用NexTrac模塊、法蘭（Flange）模塊和Limit模塊相結合進行建模，由式（1）計算當前的最大扭矩分配比，當后傳動軸輸出扭矩大于設定的閥值時，NexTrac把多余的扭矩傳遞至Flange模塊，保證建模的準確性。

3.1.2仿真模型控制策略

基于智能適時四驅系統(tǒng)的控制原理，AVL-CRUISE軟件建模仿真時主要通過Data Bus傳遞數據，并進行實時仿真控制。常用的性能評價指標是全油門加速和爬坡測試，2種工況的控制策略如下。

a.普通路面全油門加速工況：前、后輪轉速差大于閥值，或油門開度大于閥值時，Diff-1控制函數模塊通過Data Bus改變PTU模塊前、后扭矩分配比，使后傳動軸輸出扭矩逐步增加；前、后輪無轉速差且車速大于標定值時，分動器扭矩分配比變?yōu)?，即后傳動軸輸出扭矩為0。

b.坡道起步工況：前、后輪轉速差大于閥值或坡度大于閥值時，PTU模塊改變前、后扭矩分配比，使后傳動軸輸出扭矩增加；后傳動軸輸出扭矩大于限扭閥值時，函數Limit模塊控制NexTrac模塊把多余扭矩傳遞至Flange模塊，通過摩擦消耗掉。

c.各個工況中，地面摩擦因數依據仿真工況設定相應的經驗值，傳動系統(tǒng)的輸出扭矩優(yōu)先傳遞至前驅動軸，但前驅動軸最大驅動力不得超過地面極限附著力。

3.2性能仿真結果分析

建模分析不同的限扭閥值對整車常用性能指標評價項目的影響，在輸入條件如整備質量、風阻系數、發(fā)動機特性、變速器特性等不變的情況下，僅有后傳動軸輸出扭矩的變化，此時仿真主要考慮整車的最大爬坡度性能和0～100 km/h加速性能。

忽略整車加速度阻力對爬坡性能的影響，隨著發(fā)動機輸出扭矩的不斷增大，車輪驅動力大于地面最大摩擦力，車輪打滑且前后輪產生轉速差，分動器模塊改變前后扭矩分配比，當前輪達到地面附著力極限且后輪為限扭器最大輸出扭矩時，得到最大爬坡度。最大爬坡度α計算方法如下[4]：

其中驅動力為：

式中，Ft為驅動力；Ff為坡道阻力；Fw為空氣阻力；Fz1為前輪的地面極限附著力；R為輪胎滾動半徑；ηt為傳動系統(tǒng)效率；Ir為Rear Gear模塊速比。

AVL-CRUISE軟件仿真計算最大爬坡度的過程為穩(wěn)態(tài)工況。隨著坡度增大，載荷后移，當前輪驅動力超過地面附著力時，前后輪產生轉速差，控制函數Diff-1模塊適時調整PTU模塊前后傳動軸的輸出扭矩，使前輪驅動力趨近于地面極限附著力，在后輪驅動力不超過地面附著力的情況下，限扭閥值越大，整車最大爬坡度越大。仿真結果如圖5所示。

圖5　最大爬坡度仿真

模擬全油門0～100 km/h加速工況時，油門踏板開度為100 %，發(fā)動機以穩(wěn)態(tài)工況輸出最大扭矩，控制函數Diff-1調整扭矩分配比，使后傳動軸以最大限扭閥值輸出，忽略原地起步時離合器的打滑過程，整車以四驅模式起步加速。由于設定的限扭器閥值不同，1擋起步時有不同程度的打滑現象，當車輛加速趨于平穩(wěn)時，前后輪無轉速差，控制函數Diff-1調整扭矩分配比，使后傳動軸輸出扭矩減小至0，整車以兩驅模式完成加速工況。仿真結果如圖6所示。

實車試驗時多以“Testlike”模式進行，即整車以發(fā)動機轉速4 000 r/min起步加速到最高轉速再進行換擋?？紤]到日常生活中多以怠速起步的方式駕駛車輛，所以軟件仿真選擇“Customerlike”模式，這一點區(qū)別于GB/T 12543-2009《汽車加速性能試驗方法》中的試驗測試要求。

圖6　全油門0～100 km/h加速仿真

結合整車爬坡工況和全油門0～100 km/h加速工況仿真結果，對比不同限扭閥值情況下的整車性能表現，同時引入動力性能感受指數來評價整車動力性。動力性感受指數PFI=0.2a1+0.3a2+0.2a3+0.1a4+0.1a5+0.1a6，其中a1～a6分別為1擋～6擋最大加速度。計算結果如表1所示。

表1　不同限扭閥值的整車動力性仿真結果

綜合對比表1中數據和圖5、圖6中數據，在當前的計算任務下，即性能分析常用工況（理想良好路面條件）下，不同限扭閥值的各種性能不同。在滿足整車基本性能目標的前提下，結合整車成本、布置空間、性能表現等因素，后傳動軸限扭閥值設置為800 N·m較為理想。

4　試驗驗證分析

結合AVL-CRUISE軟件仿真的爬坡工況和全油門0～100 km/h加速工況計算結果，對搭載2.0 L發(fā)動機和6擋手動變速器的智能四驅車輛進行限扭閥值為800 N·m的試驗驗證，同時用CAN總線監(jiān)控軟件CANoe采集4個車輪的工作狀態(tài)、整車車速、發(fā)動機轉速、油門踏板開度和扭矩管理器輸出扭矩等參數，對車輛性能進行實時監(jiān)測。

在50 %坡道進行爬坡工況測試，試驗車初始狀態(tài)為靜止于試驗坡道上，此時車輛狀態(tài)滿足“坡度大于閥值”的條件，NexTrac電控單元調整電磁離合器處于壓緊工作狀態(tài)，按照標定預設，此時后傳動軸輸出扭矩為600 N·m（如圖7中第55.5 s處所示）。駕駛員踩下油門踏板準備爬坡，在第59 s時慢松離合器，由于坡度較大，左右前輪與左右后輪轉速差明顯，NexTrac調整輸出電流使電磁離合器壓緊力增大，后傳動軸輸出扭矩增至800 N·m，隨后NexTrac保持輸出扭矩不變，在約62 s時前、后輪轉速趨于一致，整車速度穩(wěn)定于標定閥值（20±5）km/h范圍內，NexTrac分配給后傳動軸輸出扭矩線性減小，直至完成爬坡測試。

圖7　爬坡工況CANoe監(jiān)測的整車參數信號

整車爬坡時，NexTrac會根據坡度不同加載不同的預壓緊力，考慮NexTrac內部電磁離合器的散熱、耐久、壽命等因素，各階段壓緊力持續(xù)工作時間不同。使用CANoe軟件監(jiān)測NexTrac的工作狀態(tài)，放大爬坡工況輸出特性圖，可以看出輸出扭矩不斷變化的工作特點，如圖8所示。

圖8　爬坡工況NexTrac輸出扭矩

在全油門0～100 km/h加速測試時，車輛初始狀態(tài)為靜止于水平路面上。全油門加速起步時，離合器接合前車速為0，但此時油門踏板開度為100 %，NexTrac預加載扭矩；待離合器接合后前輪與后輪有短暫的轉速差時，NexTrac輸出電流增大，進一步壓緊電磁離合器使

后傳動軸輸出扭矩增大為800 N·m；待前后輪轉速差減小后，后傳動軸輸出扭矩逐步降低；當車輛高速運行時，為減少能量損失，NexTrac切斷后傳動軸輸出扭矩，整車以兩驅模式完成剩余的加速工況。加速過程整車參數如圖9所示。

圖9　全油門0～100 km/h加速工況CANoe監(jiān)測的整車參數信號

在全油門加速工況中，車輛起步前油門踏板開度為100 %，此時發(fā)動機轉速為4 000 r/min，逐步松開離合器時，前后輪產生轉速差，ECU根據采集到的輪速信號和油門踏板信號使NexTrac處于工作狀態(tài)。當前后輪轉速趨于一致時，NexTrac切斷后傳動軸扭矩輸出，該過程非常短暫，如圖10所示。AVL-CRUISE軟件仿真時，輸入扭矩為發(fā)動機臺架標定的穩(wěn)態(tài)工況最大扭矩；實車測試時，輸入扭矩為發(fā)動機瞬態(tài)響應輸出扭矩，兩者略有差異。

圖10　全油門0～100 km/h加速NexTrac輸出扭矩

5　結束語

a.不同限扭閥值對整車爬坡能力影響較大，對全油門加速性能影響較小。

b. NexTrac的限扭閥值設定為800 N·m能夠滿足整車全油門0～100 km/h加速性能和爬坡性能目標要求。

c.使用CAN總線監(jiān)控軟件CANoe對NexTrac在不同工況下的工作情況進行監(jiān)控，結果表明，軟件仿真結果比較符合整車實際情況。

參考文獻

1 Barlage J A，Perttola T.全輪驅動技術.習增祥，楊洲譯.北京：軍事誼文出版社，2010：76～81.

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3汪文杰，翟洪軍，金吉剛，等.智能四驅傳動系統(tǒng).機械工程師，2011（05）：160～162.

4余志生.汽車理論.北京：機械工業(yè)出版社，2011：18～22.

（責任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2015年9月21日。

Simulation Application of Torque Limiting Control Based on Intelligent NexTrac

Li Hui, Pan Lijia, Chai Bo, Yu Chunman
（R&D Center of Great Wall Motors Company, Automobile Engineering Technology Center of Hebei, Baoding 071000）

【Abstract】For the rear axle torque limiting threshold setting of BorgWarner automotive intelligent NexTrac control system, we analyze its driveline structure and intelligent control strategy, using simulation software AVL-CRUISE to build vehicle performance simulation model, and make performance simulation by setting different torque limiting threshold, the results show that rear axle torque limiting threshold set to 800 N·m can satisfy requirement of vehicle performance objectives. Combined with the real vehicle test verification, using CAN bus monitoring software CANoe to monitor and analyze operation of Power Transmit Unit under different conditions, to verify the correctness of the torque limiting threshold setting.

Key words:Intelligent NexTrac, AVL-CRUISE, Torque limiting threshold, CANoe

中圖分類號:U463.21；TP391.9

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）02-0015-04

主題詞:智能適時四驅系統(tǒng)AVL-CRUISE限扭閥值CANoe