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摘要：院四驱车辆扭矩管理器的响应时间，是四驱系统的一个重要参数。本文通过对采用比例电磁阀控制的扭矩管理器机械部分进行建模仿真，分析了机械部分影响扭矩响应时间的关键参数，并进行了台架试验，对比分析了试验结果与仿真分析的结果。
关键词：院扭矩管理器；扭矩响应时间；电液比例阀；四驱系统
0引言
车辆四驱系统，一般是指将发动机的动力从变速箱取出后，经由中央传动轴，按一定比例分配给次要驱动轴/轮的系统。四驱系统可以帮助车辆脱困，或在帮助车辆在湿滑路面上稳定车身姿态的同时而不降低车辆的动力性。因此四驱系统性能好坏，关系着SUV的越野性能与行驶安全性。扭矩管理器为四驱系统中可以按比例将扭矩分配的关键零部件。它有多种结构，一般可分为电机控制型扭矩管理器，电磁式扭矩管理器，以及电液式扭矩管理器。电液式扭矩管理器又可分为液压泵控制型和比例电磁阀控制型。但无论哪种结构形式的扭矩管理器，它的扭矩响应时间都是其设计开发的关键性能指标之一。本文主要研究比例电磁阀控制型的扭矩管理器。
1电液式扭矩管理器的结构
乘用车四驱系统扭矩管理器一般安装在后桥上，如图1所示，它由四驱用离合器组件1、若干电液比例阀2、电泵3组成。离合器组件可安装在轮边，直接控制大齿轮传递到半轴上的扭矩，也可安装在小齿轮轴上，调节由中央传动轴传递过来的扭矩。四驱系统扭矩管理器中的摩擦片组与变速箱中的离合器摩擦片的工作状态不同。对于传统离合器中的摩擦片的接合过程一般分为三个阶段，第一阶段为活塞压盘的空行程阶段；第二阶段为摩擦片的滑动摩擦阶段；第三阶段为完全接合阶段[1]。但四驱系统扭矩管理器中的摩擦片工作情况不同，它只有第一和第二阶段而基本没有第三阶段，摩擦片常常工作在第二阶段，也就是滑动摩擦阶段。摩擦片的主动片与被动片之间常常要保持一个微小的速差驻。因此通过ECU控制液压系统压力，从而控制滑差驻，来实现对扭矩的精准控制[2]。因此，如何迅速、准确地控制施加在离合器片上的压力是控制四驱系统的关键因素。
2电液式扭矩管理器工作原理
如图2所示，四驱系统ECU收到整车VCU的指令信号后，将其信号分解并按要求分配给液压泵驱动电机和比例电磁阀上的电磁铁，而后比例电磁阀调节输出端压力压紧多片式离合器的压盘，从而产生旋转扭矩。电液式扭矩管理器的核心部分为其液压控制部分，如图3所示，液压泵及电机1负责为整个系统提供流量，比例电磁阀2和3分别连接控制油缸4、5，油缸4、5的活塞杆即为控制多片式离合器轴向力的活塞压盘。比例减压阀是一个中位闭锁的三位三通阀。左位可实现对活塞的快速移动，右位可实现活塞的快速退回。滑阀的阀芯位置由比例电磁铁，阀芯弹簧和负载油压联合控制，负载油路接入阀芯弹簧侧，阀芯受到比例电磁铁的力，阀芯弹簧的力和负载油压对阀芯产生的反馈力平衡时，阀芯位置稳定，此时阀芯开口开度稳定。该系统用电液比例减压阀为离合器活塞压盘提供可控的恒定的压力，从而实现对车轮扭矩的控制。因此，对该部件的研究就显得极为重要。
3扭矩管理器各个组成部分的数学模型
3.1液压泵与电机部分
由于本系统主要通过控制比例减压阀来控制离合器摩擦片组的轴向压力，故而对电机与液压泵的控制，并不是影响扭矩响应时间的主要因素；但由于电泵的流量影响着比例阀前的进口油压，从而也影响着比例电磁阀的控制。若电泵提供的流量过大，会导致比例阀前的压力过大，从而使比例阀不易调节，因此，需要根据目标输出扭矩，对电泵的流量进行分级控制。也就是说将电泵当作四驱系统扭矩控制的粗调机构，而比例阀作为扭矩控制的精调机构，两部分相互配合，从而实现扭矩的准确输出。
3.2比例电磁阀部分
比例电磁阀由比例电磁铁，阀芯，阀套以及阀芯弹簧组成，其结构如图4所示，通过将电磁铁的力与阀芯弹簧和负载油压的力进行平衡，阀芯可稳定在某个位置，从而控制减压阀进口开度。当需要离合器输出大扭矩时，也就是需要负载油压P2升高，此时可增大比例电磁铁的输出力，从而使阀芯右侧的力增大，迫使阀芯向左移动，此时阀芯弹簧被进一步压缩，弹簧力相应增大，此后形成新的阀芯平衡位置，因此，比例阀入口开度响应增大，导致流经比例阀的流量增大，在负载端情况保持不变时，负载油压响应增大。反之亦然。若负载油压某个时刻突然增大时，即P2瞬间增大，阀芯会因此向右移动，从而使阀口入口开度减小，降低流量，从而降低油压，保护液压系统元件。结合液压系统原理图，可以得到阀芯平衡方程，FM=FS+FH其中：FM—电磁铁力；FS—小弹簧的力；FH—负载油压作用在阀芯上的力。即：FM=pA+K1x+Md2xdt2+（Bv+Bt）dxdt+KsxM—阀芯的质量，kg；Bv—阀芯的粘性阻尼系数，Ns/m；Bt—瞬态也动力阻尼系数，Ns/m；Ks—液动力弹簧刚度，N/m。将其进行拉普拉斯变换后，可以得到传递函数：P2（S）I（S）=K2（As+Kq）VEMs3+MKp+（Bv+Bt）VE蓘蓡s2+（Bv+Bt）Kp+A2+（Ks+K1）+VE蓘蓡s+Kp（Ks+K1）+AKq由此可见，比例减压阀部分，是与阀芯质量M和受控油压体积V有关的。根据系统设计需求，将设计参数代入传递函数，并使用Simulink仿真分析，当代入不同的阀芯质量和受控油液体积，可得到如图5-图6结果。由图5所示，从m1到m3阀芯质量逐渐增大，由此可见当阀芯质量越小时，系统最大超调量越小，振荡时间最短，响应时间最快，随着阀芯质量的增大，系统的最大超调量越来越大；如图6所示，从sys1到sys3受控腔容积逐渐增大，由此可见对于受控容腔体积越小时，系统越趋于稳定，响应时间越快。即若要提高四驱系统扭矩输出的响应时间，在机械结构设计方面，可以考虑降低阀芯的质量，从而提高响应时间，且有助于降低系统的最大超调量，降低四驱系统的冲击载荷，对延长后桥的准双出面齿轮副的寿命有帮助；而当四驱系统采用两个离合器分别控制不同的后轮输出扭矩时，电液比例阀布置的位置决定了左右两侧的离合器受控腔容积，也就是说如果能够尽量将电液比例阀布置在中央位置（相对于左右两侧等距），则可获得尽量相等的受控腔容积，从而使左右两侧的扭矩输出同步。如果由于整车布置的原因无法做到，则需在ECU软件开发过程中提供补偿。
3.3比例电磁铁
本系统利用比例电磁铁的水平位移-力特性，使其工作在工作行程间，即此时阀芯受到的衔铁的力与位置无关，只与电流大小有关[3]。简化比例电磁铁的结构，当只考虑衔铁部件的质量时，比例电磁铁的近似关系为：md2驻ydt2+Dd驻ydt+Ki驻y=驻Fm其中：m—衔铁部件的质量总和；D—阻尼系数；Ki—衔铁弹簧刚度。由此可见，比例电磁铁的传递函数是一个二阶系统，响应时间受到衔铁部件的质量影响。
3.4多片式离合器部分
多片式离合器的输出扭矩主要由其轴向力决定。当四驱系统不介入时，活塞压盘退回，离合器摩擦片之间保持一定的间隙。当四驱系统开始工作时，液压油推动活塞压盘消除间隙，而后离合器工作在滑动摩擦状态。当摩擦片到达工作位置后，无论扭矩输出的大小，活塞压盘的位置都基本不变，变化的只是摩擦片之间的压紧程度，且四驱系统的主被动片转速基本一致，只有微小的速差。也就是说，液压油推动活塞压盘消除间隙的过程，是四驱系统的响应时间的一部分；但之后，扭矩输出的大小与离合器部分的响应时间关系不大。在此工作阶段的离合器活塞压盘，可列出其微分方程：Mpx咬p+cpx觶p+kp（xp+xp0）=Fp其中：Mp—活塞的质量；xp—活塞相对于初始位置的位移；cp—离合器油缸与活塞之间的粘性摩擦系数；kp—复位弹簧的刚度系数；xp0—复位弹簧的初始压缩量；Fp—活塞上受到的力；其中：pcy—液压油的压强。由此可见，离合器活塞压盘的位移响应时间与压盘的质量有直接的关系。
3.5扭矩管理器的系统响应
将整个扭矩管理器系统的传递函数及其设计选定的参数放入Simulink进行仿真，将比例电磁铁的电流作为输入信号，摩擦片扭矩作为输出信号进行标准阶跃信号的仿真。如图7所示，可以看出在ECU提出1000nm扭矩需求的情况下，仿真得到的四驱系统响应时间约为220毫秒，达到900Nm的输出扭矩，到达峰值时间约为350毫秒，峰值扭矩为1117Nm。可满足整车对四驱系统的性能需求。
4台架实验分析
将本项目开发的扭矩管理器制作成样品放入试验台架进行测试。测试台架虚拟整车VCU功能，发送指令到四驱系统ECU，并通过三个电机，制造一个微小的速差到离合器摩擦片上。然后通过测量每个半轴的扭矩传感器的信号，从而获知输出扭矩的大小，并将其与指令信号进行对比，得到试验结果。1000Nm为四驱系统一个典型的台架测试扭矩。测试时，令ECU发出指令需求1000Nm输出，分别测量比例电磁铁的响应电流和输出扭矩，并进行比较分析。由图8的测试结果可见，ECU从第45.600秒开始发出1000Nm的需求指令，比例电磁铁电流响应1.25A发生在第45.860秒时，同时观察到扭矩输出信号在第45.960秒时，达到916Nm扭矩输出。因此，四驱系统对1000Nm的扭矩响应历时360毫秒。离合器扭矩输出在第46.040秒时，达到最大扭矩1095.3Nm时间为440毫秒，最大超调量为9.5%，调整时间约为160毫秒，之后系统输出达到1000Nm扭矩左右。系统稳定后，输出扭矩在978.1Nm与1028.1Nm之间波动，此时扭矩输出误差约为5%。对比，与仿真分析的结果相似。
5小结
文中对采用比例电磁阀控制的电液式扭矩管理器的响应时间进行了仿真分析，并与台架测试结果进行比对。通过本文分析可见，在四驱系统机械部件中，影响扭矩响应实际的主要参数为液压阀芯的质量以及受控腔的容积。采用本方法开发的扭矩管理器与台架试验结果基本一致。因此针对扭矩矢量控制四驱系统，尽量将比例阀布置在靠近四驱离合器的位置，且尽量使两侧油路等距，有助于使两侧车轮同时达到系统所需的扭矩，从而有助于提高车辆的行驶安全性。
作者：张克 单位：同济大学
