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全时四驱和分时四驱的典型牵引力分配
乘用车会议博览会
迪尔伯恩·密歇根
1986.09.22-1986.09.25
摘要：
1980年以前，四轮驱动几乎只被用于越野车。而现在，几乎每个欧洲、日本的车辆制造商都已将四轮驱动的乘用车纳入其产品体系。从第二轴的手动接合到电脑控制的传动系，都在使用这种体系。
这篇文章的目的是为了详细说明目前存在的四轮驱动系统的主要区别，特别是在转矩分配方面。重点在于转矩传输和转矩控制的黏性单元的应用。 如果假设使用液力耦合器作为转矩传输的汽车有全时驱动的话，新的计算方法证实了测验结果。
近年来，四轮驱动的乘用车和多用途运载车在不断扩大其市场份额。在欧洲，仅仅四轮驱动的乘用车的销售额从1984年到1985就增长了40%(见图1）。
基于当前的数据和四轮驱动车辆工程未来的发展趋势，在不远的将来，四轮驱动的乘用车和多用途运载车总市场份额预计可达到6%~10%。
许多车辆制造商紧跟发展趋势，在目前两轮驱动汽车的基础上，纷纷引进了四轮驱动汽车。考虑到这些原有的车辆在有的情况下并不适合四轮驱动的应用，开发工作的进程要尽可能快，而成本又要尽可能低，所以在四轮驱动系统的最优化方面就不得不适当作出牺牲。
四轮驱动的应用，尤其是在乘用车部门应用的快速发展，对车辆工程的发展提出了很高的要求：四轮驱动要不逊于甚至优于双二轮驱动。追求机动性的增长决不能以牺牲安全性为代价，也不能牺牲操作的简便性和驾驶者的舒适度。
具体而言，正处于发展中的四轮驱动车，要符合以下要求：
——在不良路况下有更好的机动性
——在任何速度下的操作行为都是安全的，涉及传动系不会导致突发性变化
——轮胎和路面之间永久的附着力传感
——刹车制动的安全性，包括在U型分车道
的紧急制动
——防锁制动系统的兼容性
——车辆控制系统无额外操作
——必要的时候切断传动系统，比如一个车轴离地或者在常规的滚筒道路模拟机上。
四轮驱动的应用
根据动力系统的布局，四轮驱动车辆可被分为两类：
- 分时四轮驱动车辆
- 全时四轮驱动车辆
第一种类型的车辆在很多年前就很常见了。这种车通常是由一个轴驱动，而另一个轴的
运作是通过司机操纵爪形离合器来完成的。前后轴就这样紧紧联系在一起（见图2）。当轴间差速器故障导致传动系罢工时，简单的布局就没有优势了。
直到近年来中央差速器的出现，第二种车辆才出现。因为有了中央差速器，在出现紧急情况时，传动系也不会罢工。
为了避免在较滑路面上牵引力的损失，中央差速器应该具有控制或锁定机制（如图3）。
全时四轮驱动领域的一个创新在于粘液耦合器在一轴牵引的引用，最早是普赫公司研发并应用于大众同步凡拉冈微型车的批量生产(见图4）
粘液耦合器不仅实现了转矩分配和传递的功能，还作为一种自我控制的轴间差速器。
除了上面提到的两种容易区分的系统，有些制造商生产的车辆，一方面可以在双轮驱动的模式下操作，另一方面却使用了典型的全时四轮驱动系统的组件。这两种模式之间的切换是通过司机或者电力系统的操控来实现的。
因此，简单地将车辆分为分时和永久四轮驱动是不够的，应该通过四轮驱动模式下的转矩分配来区分。
根据转矩分配区分四轮驱动系统
即使没有不同的四轮驱动系统牵引力或者转矩分配的具体知识，以下关于转矩分配的区分（如图5），应该也是可以完成的。
第一组：
采用中央差速器，没有额外控制机制的转矩分配值全时的动力系统，其类型取决于差速器的设计。而转矩分配值不全时，即使变化的范围很小，其类型取决于动态桥荷的变矩比。
第二组：
一轴被有特定特征耦合器，比如粘液耦合器牵引的车辆，其扭矩分配范围会更广，但还是系统的。
第三组:
如果动力系统里的耦合器能够从外面完全开放的位置和刚性连接之间被控制，其扭矩分配将在有限的范围内变化。
第四组：
只有允许扭矩分配在前轮驱动和后轮驱动之间自如切换的车辆才能被称为可变的。
为了能够正确配置特定车辆适用的动力系统，关于各个具体系统扭矩分配的知识是有必要掌握的。
作为控制回路的四轮驱动系统
算法的发展，使得模拟特定驾驶情况，预测驾驶表现、动力系统张力和其他标准成为可能。
一个四轮驱动车辆的动力传动系可被描述为一个闭合控制回路（图6）。
从发动机，发送和传输转换的扭矩，在功率分配器（扭矩分离器）的前部和后部传动系分裂，并通过车轮传递到路面，均衡驱动阻力。。
对于转矩和速度的方程允许对牵引力分配的计算中，它被定义为比率X
X=（牵引力-前轴牵引力）/总牵引力
为了不同的传动系系统，测试车辆，比较在这个特定区分一个大众Vanagon，装备用四种不同的动力系统的理论计算方法。采用这种计算模型，不仅车辆数据，而且速度和道路坡度可以被改变。速度是被视为稳定状态，但加速度可以被认为类似于驱动与不同梯度的道路。
滑移率在这个计算中特别重要。滑移和摩擦系数之间简化的相互关系。曲线图上升的部分被画成直线。
扭矩分配和路面的层级性（摩擦系数）
除了驾驶表现和安全性这些标准，四轮驱动的一个突出性能是即使在摩擦系数较小的路面也有出色的爬坡能力。
首先，计算层级性和牵引力分配直接的相关性。然后，比较不同动力系统的功率分配特征之间不同的计算结果。
驾驶阻力和动态桥荷之间的等式可以考虑两个轴上必要的（被利用的）摩擦系数。（EQ：1.1和1.2 RESP。 2.1和2.2）
图7显示了mu;fr,rr作为系数的等式2.1和2.2。（在之后的图标中，X被等价的前轴扭矩比例代替）所以可以得出以下的推论：
——曲线mu;fr,和mu;rr,的交点形成的直线是由重心的位置决定的，代表了动态桥荷分布。在这条直线的左边，后轴比前轴需要更大的摩擦系数（反之亦然）。
——取决于动态桥荷的牵引力分配可以决定最大爬坡度。
——为了在任意摩擦系数下都能达到这个最大爬坡度，分配比率必须是变量。
由于加速度可以由爬坡度代替，右轴的非线性范围显示的就是等价的加速度（在相同的总行驶阻力下）。
分时四轮驱动 = 正四轮驱动
如已经提到的，四轮驱动的啮合通常由司机完成，控制齿式离合器。这种齿式离合器即正的扭转刚性。
在所述离合器前部和后部传动系统的速度相等，可以把理论牵引力分配计算出来,几乎所有情况下该结果可以简化为： X =Wfr/( Wfr Wrr)
一个正四轮驱动传动系牵引力的分布对应于动态轮轴加载（图7中的直线），在两个车轴的轮胎的摩擦系数相等时，爬坡（加速度）达到其最大值。
粘性耦合四轮驱动
用于扭矩传递的粘性耦合器的应用对于全时四轮驱动是一个非常经济的解决方案。
粘性耦合的布局和多片离合器很相似(图8)，除了在几乎每一个驱动条件下，板之间的重要区别是分开的一层硅流体,转矩传递是通过在硅流体建立剪切力作为输入和输出轴之间的速度差的结果实现的。
由硅流体的非牛顿行为引起的，转矩传递特性是回归,这是可能是为了计算这一特点，利用耦合尺寸和流体参数，更简单的方法，然而用于计算牵引力分布由一个指数方程的装置描述测量传输特性。
有粘性耦合的扭矩分配
在粘性耦合车辆牵引力的分布可以计算如下：
- 由该装置发送具有相等的总驱动阻力的位置“x”的扭矩
- 如上所述，扭矩和速度差的测量连接可以通过一个指数方程的装置进行说明
- 在车辆上发生的耦合的速度差，是在前端和后轴不同车轮滑移的结果
通过插入驱动电阻，动态轴负载，车轮滑移和速度，该解决方案可以在一个迭代过程中找到（图10）。可以观察到以下行为：
——四轮驱动是永久的
——车辆的牵引力分配粘性耦合取决于速度
——没有坡度情况下，Xvc=Xp
——在斜坡上行驶时，牵引力稍转向轴正连接到发动机
——该轴首次达到可能的最大（可用）的摩擦系数并增加其滑。结果是一个更大的速度差，在粘性耦合和换档的牵引力分配朝着正的四轮驱动
粘性耦合的过载保护
如果平时小功率（lt;1%）损失超过散热能力，粘性单元升温。为保护密封和温度过高的硅液，必须提供特殊的措施。通过特殊形状和加工板和流体的正确体积的装置，所传递的转矩的一个非常陡的梯度可以在可选择的温度达到(图9b)。扭矩的增加是由内部的压力突然增大，又是逐渐增加的流体体积造成的，最后填充整个耦合。流动条件改变，内外板接触，压在一起。
这种效果的后果（所谓的“驼峰”）在车辆的速度差的耦合，因此，功率损耗是一个超比例的减少。温度不进一步上升。
带中央差速器的四轮驱动（粘性单元）
在带中央差速器的传动系中扭矩分配的比率是恒定值，仅由差速器的设计来确定。
一般扭矩分配和动态轴重比率的值不匹配，并且利用摩擦在两个车轴的系数是不同的。对于一个给定的摩擦系数最大的特点是始终低于正四轮驱动轴首先达到此值倾向于滑动。
为了避免这种系统内在的缺点中央差速器应锁定。
除了与爪形离合器（正差动锁）或力锁定多片离合器工作差速锁，时下粘性控制单元被广泛使用。
如果在中央差速器的扭矩分配和动态轴重比率不匹配，前后轴与不同车轮滑移运行。这种差异驱动VC差速锁和传递扭矩的轴从高速到低速。
通过类似于系统与转矩传递粘稠单元方程装置，牵引力分配可以以迭代的方法来计算（见图11）。
牵引力分配取决于车辆的速度和中心差分分布，正驱动转变.
根据扭矩分割四驱系统的分类
有了这些计算结果，显示对车辆的测量，四轮驱动系统的分类非常好的对应关系。此外，对于可变扭矩分配可能的解决方案中列出。
评估4WD系统的 - 发展趋势
四驱技术在乘用车上还必须满足除了良好的牵引性能等要求。
比较重要的标准是对驾驶性能牵引力的影响，容易在四轮驱动系统操作的，具有防锁定制动系统和成本兼容性。
分时四轮驱动—虽然这个系统实现了在给定的参数可能的最大牵引力，但是它寻找其他的重要标准时存在缺陷。因此，其在客运车辆的应用程序将在未来被限制在较低的价格段的车辆，其中它只会提高牵引力。
然而，低油耗的该段具有重要意义。因此这将是必要的，以减少所造成的四轮驱动特定组件的额外重量和削减摩擦和飞溅的齿轮和轴承损失。改进的另一个重要领域是噪音所加入的动力传动系部件发出的减少。
一个可能的解决方案是断开，使静止的整个传动系统这个车轴的车轮不能在两轮驱动模式中使用。目前使用的四轮驱动啮合机构（例如一个爪形离合器）将由同步啮合单元被替换。4WD接合由从动轴和传动轴，的差分和驱动轴之间进行同步的速度来实现非驱动车轴，此后正连接的车轮的动力传动系。
粘性耦合4WD - 当扭矩传递时，该单元有三个不同的功能：
- 全时尚未可变扭矩分配至前轴和后轴
- 轴间差速行动
- 轴间差速锁（或制动）
目前使用的非粘性控制单元的调整已经完成谈判急转弯时或停车时铭记最佳牵引力，以及很少或没有增加转向力。
新一代的粘性联轴器都已经配备了可变扭矩特性，它会自动调整到当时的驾驶模式，由传感器，例如录对车轮速度和转向角度。处理和评估这些信号自动启动液压或气动设备发生负责传递扭矩的元素。粘性部的刚性设定则可以确保最佳的牵引力等于这个未经积极驱动的，需要积极地连接到发动机的那些车轮的附加滑动。然而软特性消除转弯时方向盘增加精力和打轮。
具有车轴之间永久扭矩连接，特别措施可具有与锁定的（前）的车轮制动的情况下作出。（和不带轴之间的扭矩连接相比，其它制动方式得到更好的结果）
除了通过续流机制或离合器的机械方式断开传动系统的可能性，未来的粘性单位将采用的手段为自己特点的快速变化。
这也适用于四轮驱动系统用抗防抱死制动系统的兼容性。
带中央差速器的四轮驱动—正差速锁最终会被淘汰。当由驾驶员致动的，不正确的应用的可能性一起用于手动操作永远存在的必要性存在。此外，转向力增加，并且系统不再用抗防抱死制动系统兼
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