Twin AWD 适时全轮驱动系统新技术方案

标准的全轮独立驱动系统目前多采用多片离合器将动力传递给后轮(副驱动桥)。在2013 年吉凯恩推出的Twinster系统使用两个独立控制的多片离合器取代了后桥上的开放式差速器， 给业界带来了高效率、高性能和高操控性能的革新。新推出的Twin AWD研发的目标在于获得 最佳性价比的、可靠的全轮驱动系统。两者的相同点在于都在后桥中使用了两个多片离合器， 不同点在于Twin AWD使用一个液压泵同时驱动两个多片离合器， 使得两个离合器的压紧力和 扭矩相同。智能的控制算法能够避免Twin AWD系统产生干预转向的问题，同时获得了全面提 升的整车性能。本文将讨论Twin AWD系统研发的背景、模块化设计理念和系统功能安全， 并 将其与单离合器的系统做比较。吉凯恩在汽车传动系统领域全球领先，与众多车企合作开发传 动系统。 模块化设计的全轮驱动系统将能够实现从基础四轮驱动的低端车型到需要扭矩矢量控 制的高端运动车型全覆盖。模块化设计通过降低系统的复杂程度和提高部件通用性来实现。

捷豹路虎在2013年推出了采用Active Driveline全轮驱动系统的路虎揽胜极光[1] 。该车型采 用了与吉凯恩共同研发的带有主动断开技术和扭矩矢量控制的Twinster[2,3]。在过去的五年中， 由于二氧化碳排放法规和对性能的需求， 多家主机厂也选用主动断开技术和扭矩矢量控制系  统。这两种技术的应用使得全轮驱动技术的复杂程度和成本都有提升，自然面临了来自业界的 降本需求和挑战。本文将介绍Twin AWD产品及其开发过程，阐述如何以系统性的开发方法覆 盖整个产品开发的全部相关部门， 包括机械、电子控制、软件和制造工程。

近年来发动机横置的全轮驱动系统变得越来越复杂。目前的传动系统产品多采用模块化设 计。简单的系统包括取力器PTU、后轮驱动单元RDU和纵置的多片离合器，见图1。这种采用 纵置离合器的全轮驱动系统可以与多种后桥差速器进行搭配组合， 包括开放式差速器、被动式 限滑差速器和电控限滑差速器。 采用了主动断开技术的系统采用了侧置式多片离合器，并在取 力器中增加了断开机构，以降低油耗和二氧化碳排放。 Twinster系统在此基础上增加了一个侧 置式离合器，取消了开放式差速器，获得了扭矩矢量控制和电控限滑差速控制功能。

图1: 发动机横置全轮驱动系统概览

吉凯恩的产品系列采用通用化设计来降低后轮驱动单元的复杂程度，保持和提升了性能， 见图2。

图2: 吉凯恩全轮驱动系统产品系列 (通用化产品设计)

目前吉凯恩采用了模块化设计的方案[4] ，图3展示了其结构和性能评价。作为对比基准的 单离合器构型采用一个侧置式的离合器和开放式差速器。这里要说明的是侧置式单离合器系统 的性能与功能是和传动纵置式离合器全轮驱动系统完全相当的。 Twinster系统在侧置式单离合 器系统基础上再增加了一个侧置式离合器，取消了开放式差速器， 增加了两个电磁阀。后驱单 元壳体、伞齿轮和锥齿轮未做改动。

下面的性能评价中考虑了下面诸多方面：

• 高附着路面

• 对开路面

• 越野性能

• 横摆抑制

• 扭矩矢量控制(高附着路面和低附着路面)

图3: 模块化设计的侧置式离合器后驱单元结构和性能

标准的适时全轮驱动系统如何改进？

单离合器的适时全轮驱动系统采用了后轮开放式差速器。因此受其制约， 车辆的驱动性能 会收到限制，例如在沥青/冰面这样的对开路面上。牵引力控制系统(TCS)可以弥补这一性 能损失。当车辆在对开上坡路面上，或者一个轮子悬空的情况下， TCS通常需要比较大的节气 门开度以防止发动机熄火。而这对于普通驾驶员来说比较难以操作。此时驾驶员通常想小心操 作，减少节气门开度，结果导致车辆无法获得足够的驱动力。另外牵引力控制系统工作会降低 整车的NVH表现。通常60-80km/h以上的速度牵引力控制也将退出。 为提升驱动性能，限滑差 速将成为有价值的功能。

限滑差速器的最大优势在于可以在驱动轮打滑之前锁止差速器，并将动力传递给驱动轮。 与之相比，TCS需要对打滑的车轮进行制动，导致部分动力被转化为热能浪费掉了。有了限滑 差速器， 车辆的表现将提升驾驶员的安全感，这是因为驾驶员能够很容易地控制车辆实现流畅

的加速。为了比较开放式差速器和被动式限滑差速器的性能表现， 这两种构型在图4中做了详 细的对比。

引入被动式限滑差速器后增加了内外盘片、压板，变更了差速器壳体，影响了成本评分。 装有被动式限滑差速器的车辆主要是在牵引能力上得到提升，负面影响是增加了车辆的不足转 向。装有被动式限滑差速器的全轮驱动系统无法采用主动断开技术。兼容主动断开技术的开放 式差速器在断开时后桥伞齿轮不转，差速器圆锥行星齿轮旋转。如果以这样的方式旋转，被动 式限滑差速器的离合器片将会损坏。总体而言， 采用被动式差速器的全轮驱动系统的性价比不 具备吸引力。

图4: 纵置式离合器后驱单元增加被动式限滑差速器的

采用被动式限滑差速器的单离合器全轮驱动系统在某些性能上得到提升， 但性价比不高。 因此Twinster作为被研究的第二个对象进入视野。如果单离合器和双离合器都采用了液压控  制，那么二者之间会有不少通用部件。相对于采用被动式限滑差速器的单离合器构型，如何才 能提升性能的同时降低成本？如果取消电磁阀， 那么成本将得到降低。这就意味着两个离合器 的压力和传递扭矩将是相同的。需要解决的问题是非独立控制的离合器能否避免对车辆造成负 面的影响，如转弯时传动系统干预造成的转向困难。答案是肯定的。智能的控制算法能够根据 方向盘转角、车辆加速度、节气门开度和车速等信息判断车辆的状态，控制离合器扭矩以避免 上述问题，并且系统的性能能够得到很好的提升。原来的开放式差速器被一个空心轴和第二组 离合器所取代。新增部件的成本可以被取消部件所补偿，见图5。相对于原有的单离合器开放 式差速器构型， 新的构型性能得到显著的提升。 Twin AWD是介于单离合器和Twinster系统之 间的新产品。

图5: 液压控制的侧置式单离合器和双离合器构型性能对比

双离合器的Twin AWD相对于单离合器系统性能有了明显的提升。从硬件和设计角度来 看，研发和量产Twin AWD所需的投入并不大，见图6。

图6: 单离合器、 Twin AWD (非独立控制)和 Twinster的

进一步考虑生产制造方面，以及未来发展的优劣(扩展难度小和零部件精简等)来评价能 否将Twin AWD作为代替单离合器的方案。评价的结果是性能的提升击败了略微增长的成本。 图7展示了新的产品线方案。该方案的基础是通用型的后驱单元， 使用液压控制的两个侧置式 离合器， 通过增加额外的两个电磁阀和线束来实现模块化升级。

图7: 新的产品线方案

主机厂是否会对这种双侧置式离合器全轮驱动方案感兴趣？ 当前主流的车型平台使用相同 的传动系统来满足不同车型差异化的DNA需求。例如追求越野性能的车型可以选用Twin AWD 产品，而同平台的追求操控性能的运动款车型可以选用仅仅增加了两个电磁阀的Twinster产  品，见图8。机械、电子和控制软件的集成将变得更加容易，因为同平台的电器和机械的接口 都是一样的。

图8: 模块化双侧置式离合器系统展望

Twin AWD在后驱单元中安装的两个同步控制的离合器实现了带有限滑差速功能的适时全 轮驱动。为了提升产品的可靠性，满足诸如离合器响应时间等要求，我们沿用了已经量产的 Twinster的液压系统和离合器。选取液压系统可以提供高精度且相同的离合器驱动力矩。功能

安全断开是通过液压系统的压力自释放来实现的。当液压泵驱动电机关闭，液压油通过液压泵 和泄压孔返回到蓄液池。带有滚针轴承的Z型盘的设计使得即使两侧离合器磨损不一致也能保 证系统的耐用性和一致的扭矩输出，见图9 。如前文所述， 基于路况识别的控制算法能够很好 地与车辆匹配， 保证其性能表现。

图9:Twin AWD液压原理图和两侧离合器压力阶跃测试

Twin AWD系统的功能安全要求

Twin AWD负责前后轴间、两后轮间的扭矩分配，见图10。功能安全断开是适时全轮驱动 系统的一个非常基本和重要的要求。例如考虑极端情况下离合器卡在锁止位置的影响。此时前 后轴间和两后轮间都处于锁止状态。车辆转弯时由于传动系统锁止将导致转向困难，也可能损 坏传动系统部件。车辆制动时，车轮之间需要断开连接以避免对前后制动力和轮间制动力分配 的干预。当传动系统两离合器锁止时，上述制动力分配将无法 正常调节，例如在对开路面上的 左右车轮制动力调节。这将导致车辆制动时出现不稳定的问题。

图10: 功能安全断开要求

我们在一台样车上安装了TWIN AWD来测试和展示其性能，并与标准的单离合器系统 作对比。从干燥沥青路面到冰雪路面， 该车在不同的路面上都展示了良好的弯道和驱动性能。

驱动能力:

o 没有牵引力控制系统TCS干预后轮，易于预测和控制，少许节气门位置输入即 可100%锁止后轴。

操控性能:

o 易于预测且稳定，在低附着路面上很安全，很少的车轮打滑，丢油门时通过横摆抑制功能减少了ESP的干预

o 没有在泊车或转弯过程中传动系统干预造成的转向困难

o 丢油门时非常稳定 (减少了ESP的干预)

o 当侧向加速度大于0.3g时，扭矩矢量控制可以帮助车辆过弯

功能性:

o 系统兼容主动断开技术

o 拖拽扭矩非常低(在断开时没有旋转的差速器行星齿轮)

o 可以实现功能安全断开

发展成为具有成本优势的Twin AWD系统的潜力

通过工程团队(机械、软件和电子)、制造工程和采购的深入合作，在设计和制造过程贯 彻了降低成本的目标。Twin AWD系统具备以下的发展潜力：

o 利用已经量产的Twinster系统部件

  离合器片、离合器外壳、电子控制器、软件、液压泵和电机等

  简化后驱单元的设计

o 标准化的后驱单元壳体和组件:

o 只需保留双侧置离合器版本的后驱单元壳体

o 只需布置一个后驱单元

o 减小了ABS/TCS/ESP等控制器的集成工作量， 易于在车辆上集成

Twin AWD研发的目标在于获得比标准适时全轮驱动性能更好、最佳性价比的、可靠的全 轮驱动系统。过程第一个要点是以系统性的开发方法覆盖整个产品开发的全部相关部门。机  械、电子控制、软件和制造工程部门在项目启动后即形成一个团队共同工作。第二个要点是确 定了使用液压控制侧置式双离合器构型作为基础，通过智能控制算法的应用获得车辆性能的提 升。最终产生了一个新型的、非常有竞争力的产品线方案。 Twin AWD可提供同级别产品中最 佳的驱动能力和操控性能，有望成为下一代标准的适时全轮驱动系统。