1、扭矩矢量分配概述

扭矩矢量分配源于人们对汽车操纵稳定性和灵活性的追求，它是一种底盘主动控制技术。汽车在行驶过程中，前后左右车轮的实时受力状态是不同的，这就需要驱动力与之相适应以获得最佳驱动。目前在前后轮之间、左右轮之间的速度和扭矩分配采用的是各种差速器来解决，即所谓中央差速器、轮间差速器。例如著名的奥迪运动型差速器：

图1 奥迪运动型差速器

采埃孚矢量控制差速器：

图2 ZF矢量控制差速器

此外还有日系的，例如三菱、丰田等等，上述种种基本上都是采用多片离合器进行滑磨控制来达到扭矩和速度的分配，多片离合器的拖曳损失不可避免的带来了效率的消耗。近年来为了解决湿式离合器扭矩矢量分配系统的效率损失，有些公司开发了辅助电机式的扭矩矢量分配装置，下面以某公司开发的P3电桥扭矩矢量传动系统为例进行详细分析。

2、辅助电机扭矩矢量分配系统

2.1、结构简介

某公司开发的带扭矩矢量分配的P3电桥，其传动简图如下：

图3 P3电桥结构简图

由图3可见，该电桥的驱动电机TM经过NW减速增扭后动力由行星架输出到差速器壳体，在行星架和差壳之间有个脱开机构，有研究表明，脱开机构可为系统节约2%~3%的效率。扭矩矢量控制单元并没有湿式离合器，它由两个简单行星排组合而成，一个TV辅助电机通过二级减速齿轮接入到行星排的太阳轮。其3D概念图如下：

图4 P3电桥概念数模

2.2、原理分析

图3中的电桥，当车辆直行、转弯以及需要对扭矩进行分配时，TVD（Torque Vectoring Differential）如何工作？通过分析图3，认为TVD的两个行星排特性参数一致，即它们是两个一样的行星排，特性参数设为k，下面通过行星排杠杆工具对其进行分析说明。绘制TVD的杠杆模型如下图所示：

图5 TVD杠杆模型

2.2.1、建立转速关系方程

考虑一般情况，即假设两个行星排特性参数不一样，分别设为k1和k2，如图6

图6 一般情况下的杠杆模型

车辆直行时，设半轴转速为nST，根据图6建立如下转速关系式：

上式中，当k1=k2时，nTV=nS1=0，杠杆姿态如图5，当车辆直行时，理论上需要时刻控制辅助电机的转速为0，也就是说电机存在堵转，此时应当选择比较适合这种工况的SRM电机，实际上该款电桥的TV电机选择的正是SRM电机。

当k1＞k2时，直行时的杠杆姿态如图6，nS1的转速由行星排特性参数和直行时的转速决定；当k1＜k2时，直行时的杠杆姿态如图7：

图7  k1＜k2时的杠杆模型

分析图6和图7以及公式（1），当k1≠k2时，最常用的车辆直行工况，TV电机的转速都不为0，无论选择SRM电机或是PMSM电机理论上都是可行的，但是k1≠k2意味着需要两个不同的行星排，这样成本肯定会有所提高，因此从工程实际出发，设计两个行星排一样是最优解，即k1=k2=k。

上述分析是直行的情况，那么转弯时TV电机的转速如何进行控制呢？

设转速差为2倍的△n转，首先建立转弯时差速器的杠杆模型，如图8

图8 差速时的杠杆模型

左半轴降低△n转，右半轴增加△n转，体现在TV行星排的杠杆模型上如图9所示

图9 转弯时TV杠杆模型

根据图9：

将（2）代入（3）得：

联立方程（1）和（4），并将k1=k2=k代入（1），即可得到直行和转弯时TV电机转速的控制方程：

2.2.2、建立扭矩关系方程

方程（5）解决了转速分配的问题，那么当需要进行扭矩控制时，例如传感器测得左后轮需要减小扭矩150Nm，相应的右后轮需要增加150Nm，TV电机如何出力呢？同样给出TV行星排的扭矩杠杆模型：

图10 扭矩分配计算杠杆模型

根据图10，设TV电机作用在太阳轮S1上的扭矩为TS1，则作用到左半轴上的扭矩为：

作用到差速器行星架上的扭矩为：

其中作用到差壳上的扭矩经过差速器后被一分为二，所以

根据公式（6）、（7），TV电机作用在左右半轴上的扭矩为50:50

3、功能模拟验证

公式（5）、（6）、（7）建立了车辆直行、转弯、扭矩分配时的方程，下面基于软件模型对其进行功能模拟验证（用于验证的所有数据均随意给出，不具有任何工程意义）。

图11  模拟验证模型

图11中未建立NW行星排及驱动电机TM和脱开机构的模型，其对TV电机转速和扭矩的控制没有影响，故未建立。上图模型共涉及一对弧齿锥齿轮，一对外啮合斜齿圆柱齿轮以及两个NGW行星排，它们的速比见下表：

表1 速比参数

3.1、直行工况

车辆直行时，假设输入转速5000rpm，输入扭矩180Nm，则左右半轴的转速为：

左右半轴的扭矩为：

软件模拟时，控制TV电机的转速和扭矩都为0，计算数据如下：

图12 直行时软件模拟数据

计算结果一致，正负号可以通过电机旋转方向调整。

3.2、差速工况

差速时，假设左半轴降低5rpm，右半轴增加5rpm，根据公式（5），此时需要控制TV电机的转速为：（1+92/46）*5=15rpm，同时控制TV电机的扭矩为0。设此时输入转速为2000rpm，输入扭矩为180Nm，则转弯前一时刻左右半轴的转速为：

所以

软件计算结果如下：

图13 差速时软件模拟数据

3.3、扭矩分配工况

假设此时输入转速为2500rpm，输入扭矩为410Nm，则输出到左右半轴的扭矩为：

此时若想对左右半轴进行扭矩矢量控制，例如左半轴需要减小150Nm，相应的右半轴增加150Nm，根据公式（6）和（7），电机需要出扭：

左半轴的总扭矩为：

右半轴的总扭矩为：

软件计算结果如下：

4、总结

扭矩矢量分配技术能够有效提升车辆的性能，目前各种差速器被开发出来用于高端性能的车上。离合器和执行机构的使用会降低整车效率，因此开发一种无湿式离合器又可实现扭矩分配的传动装置是有实际意义的。本文所述P3电桥正是出于这种考虑而设计开发了辅助电机扭矩矢量控制系统，增加牵引力和越野性能，提升了系统效率。