某運輸裝備驅動軸轉矩分配優化

李栓成，秦萬軍，劉詠標，陳 欣，唐志強

(1.軍事交通學院 軍用車輛系，天津300161;2.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161;3.總后勤部華北軍用物資采購局 采購五處，石家莊050000)

某運輸裝備(三維模型如圖1 所示)為多軸驅動車輛。對于多軸驅動車輛，必須進行合理的轉矩分配［1］。合理的轉矩分配可以避免功率循環的發生，一定程度地提高裝備的動力性;不合理的轉矩分配會由于功率循環，導致傳動系載荷增大、輪胎磨損加劇、能量消耗增加，從而影響裝備動力傳動系統。為了減少功率損失，轉矩分配并不局限于1∶1∶1的分配形式。

該運輸裝備動力總成由發動機、橡膠帶式無級變速器以及變速器集成組成，布置在裝備中部。通過該動力總成，發動機轉矩按照固定比例傳遞給前軸與中、后軸。中軸與后軸之間布置帶有軸間差速器的分動器。筆者根據裝備載荷分配和常用工況，建立轉矩分配數學模型，選取合適的分配形式;根據數學模型得出的結果，利用CRUISE 進行整車動力仿真，得出最理想的轉矩分配。

1 轉矩分配數學模型

基于汽車理論可知，6 ×6 驅動型式的3 軸車輛在行駛過程中，每個軸的軸荷是不同的，特別是前軸與中后軸之間。為充分利用各軸附著力，提高整車驅動能力，各軸轉矩應根據附著力合理分配。理想情況下，合理的轉矩分配應使1、2、3 軸的附著率相等［2］，即

這時可能克服的坡度最大。反之，如果某一軸附著率比較高，該軸車輪便會先滑轉，而其他軸上車輪要克服的阻力就會過大，也隨之滑轉，導致車輛無法前進。

1.1 中軸與后軸之間的轉矩分配

中軸與后軸距離很近，且由帶有軸間差速器的分動器相連接。由于中軸與后軸共同承載后載貨平臺，在一般情況下，認為中軸與后軸所承受的載荷相等，中、后軸的轉矩分配也相等。

1.2 前軸與中后軸之間的轉矩分配

整車要求的總轉矩MR為

式中:MRV為前軸轉矩;MRH為中、后軸轉矩;r為車輪半徑，m;Ff為滾動阻力，N;Fw為空氣阻力，N;Fi為坡道阻力，N;Fj為加速阻力，N。

設軸間分配:中、后軸轉矩MRH=iMR(i為轉矩分配系數);前軸轉矩MRV=(1-i)MR。切向力為

式中:FxV為前輪地面切向反作用力;FxH為中、后輪地面切向反作用力;RVr為前輪所受阻力，N;RHr為中、后輪所受阻力，N;FfV為前輪所受滾動阻力，N;FfH為中、后輪所受滾動阻力，N;JRV為前軸轉動慣量;JRH為中、后軸轉動慣量;u為車輛速度，m/s。

軸荷為

式中:G為車身重力，N;FzV為前軸軸荷;FzVstat為前軸靜態軸荷;FLzV、FLzH為作用于車身上并位于前、后輪接地點上方的空氣升力，N;λ*為旋轉質量系數;FzH為中、后軸軸荷;FzHstat為中、后軸靜態軸荷;h為質心高度;l為軸距。

將式(3)的切向力與式(4)的軸荷相比，并且忽略旋轉質量的影響(λ*-1 ≈0)，可以得到前、后軸附著率為

在保持附著率相等的條件下，可以根據式(5)求得轉矩分配系數i。

如果首先考慮車輛在無路、無坡度的曠野上低速行駛的附著狀況，式(5)可簡化為式中:lV為質心到前軸的距離，m;lH為質心到后軸的距離，m。

圖1 裝備三維模型

根據6 ×6 驅動型式山地高機動性物資補給平臺整車參數，計算可得i=0.62。則轉矩分配比例為:前軸轉矩38%，中軸轉矩31%，后軸轉矩

31%。

1.3 勻速爬坡工況的轉矩分配

當裝備以低速勻速駛過較大角度坡道時，加速阻力與空氣阻力均不考慮。根據式(5)可得

式中:α 為坡道縱向坡度;fR為滾動阻力系數。

這里用sin α 來代替坡度p，是因為全輪驅動車輛所能克服的坡度很大，用sin α≈tan α =p來簡化將帶來較大的誤差。滾動阻力也精確地用FfV=fRFzVstat、FfH=fRFzHstat以及FR=fR(Gcos α)來表示，這里設前、后軸的滾動阻力系數是相等的。取附著率CφV=CφH，即可求得理想的轉矩比為

或

在理想分配時，前、后軸轉矩比應與相應的軸荷比一致，并且隨裝載狀態以及坡度的大小不同而異。

將式(8)中的數值代入式(7)，即CφV=CφΗ=tan α=p。因此，在轉矩理想分配時，最大爬坡度αmax將由附著率決定，即CφH=tan αmax=pmax。如當CφΗ=1 時，αmax=45°，相應的p=100%。

綜上所述，考慮不同情況下裝備行駛工況，以極限狀態p=100%來計算轉矩分配，則轉矩分配比例為:前軸轉矩40%，中軸轉矩30%，后軸轉矩30%。

2 基于CRUISE 的仿真驗證

(1)利用CURISE 軟件的靜態計算模式，根據各總成主要參數建立整車模型(如圖2 所示)［3］。總成主要參數見表1。

圖2 動力傳動系統建模

表1 總成主要參數

(2)將由數學模型得出的轉矩分配比例與平均分配的2 種轉矩分配比例對比，得出4 組擬選的分配比例(見表2)。

(3)利用待定系數法計算對比裝備的最大爬坡度、加速特性以及牽引特性［4］。完成裝備模型搭建和參數輸入后，設定軟件計算任務，包括最大爬坡度計算、全負荷加速度計算以及最大牽引力計算。整理仿真結果，可以看出:

第一，隨著轉矩分配情況的不同，裝備最大爬坡度也有相應的變化。在變速器為低速擋時，利用第4 種轉矩分配形式可獲得最大爬坡度;利用平均分配的分配方式獲得的爬坡度最低。其中，爬坡度的最大差距達到了7.4%，可知轉矩分配對多軸全輪驅動裝備有著較大程度的影響。

第二，裝備的全負荷加速時間是在變速器高速擋的情況下測試的。第3 種和第4 種轉矩分配方式的加速時間最短。

第三，裝備最大牽引力出現在第3 種轉矩分配的情況下，第4 種轉矩分配和第3 種轉矩分配的最大牽引力相差約22 N。

表2 轉矩分配及仿真結果

3 結 論

轉矩分配對裝備動力性能存在影響，合理的轉矩分配可以在很大程度上避免循環功率的發生，減少裝備磨損。筆者根據轉矩分配數學模型得出的轉矩分配比例，在動力性能的各項指標上均高出了平均分配轉矩的情況。綜合考慮某運輸裝備的仿真結果與使用情況，應選用第4 種轉矩分配形式，即前軸轉矩分配40%，中軸與后軸轉矩分配均為30%。

［1］ 陳欣，蔣美華.戰術輪式車輛機動性概論［M］. 北京:兵器工業出版社，2011.

［2］ 米奇克，瓦倫托維茲. 汽車動力學［M］. 陳萌三，余強，譯. 北京:清華大學出版社，2009.

［3］ 劉振軍，趙海峰，秦大同.基于CRUISE 的動力傳動系統建模與仿真分析［J］.重慶大學學報:自然科學版，2005，28(11):8-11.

［4］ 孫慶合，史建鵬. 基于CRUISE 仿真研究分動器轉矩分配比［J］.寧夏工程技術，2007，6(3):217-220.