某运输装备驱动轴转矩分配优化

李栓成，秦万军，刘咏标，陈 欣，唐志强

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津300161;2.军事交通学院 研究生管理大队，天津300161;3.总后勤部华北军用物资采购局 采购五处，石家庄050000)

某运输装备(三维模型如图1 所示)为多轴驱动车辆。对于多轴驱动车辆，必须进行合理的转矩分配［1］。合理的转矩分配可以避免功率循环的发生，一定程度地提高装备的动力性;不合理的转矩分配会由于功率循环，导致传动系载荷增大、轮胎磨损加剧、能量消耗增加，从而影响装备动力传动系统。为了减少功率损失，转矩分配并不局限于1∶1∶1的分配形式。

该运输装备动力总成由发动机、橡胶带式无级变速器以及变速器集成组成，布置在装备中部。通过该动力总成，发动机转矩按照固定比例传递给前轴与中、后轴。中轴与后轴之间布置带有轴间差速器的分动器。笔者根据装备载荷分配和常用工况，建立转矩分配数学模型，选取合适的分配形式;根据数学模型得出的结果，利用CRUISE 进行整车动力仿真，得出最理想的转矩分配。

1 转矩分配数学模型

基于汽车理论可知，6 ×6 驱动型式的3 轴车辆在行驶过程中，每个轴的轴荷是不同的，特别是前轴与中后轴之间。为充分利用各轴附着力，提高整车驱动能力，各轴转矩应根据附着力合理分配。理想情况下，合理的转矩分配应使1、2、3 轴的附着率相等［2］，即

这时可能克服的坡度最大。反之，如果某一轴附着率比较高，该轴车轮便会先滑转，而其他轴上车轮要克服的阻力就会过大，也随之滑转，导致车辆无法前进。

1.1 中轴与后轴之间的转矩分配

中轴与后轴距离很近，且由带有轴间差速器的分动器相连接。由于中轴与后轴共同承载后载货平台，在一般情况下，认为中轴与后轴所承受的载荷相等，中、后轴的转矩分配也相等。

1.2 前轴与中后轴之间的转矩分配

整车要求的总转矩MR为

式中:MRV为前轴转矩;MRH为中、后轴转矩;r为车轮半径，m;Ff为滚动阻力，N;Fw为空气阻力，N;Fi为坡道阻力，N;Fj为加速阻力，N。

设轴间分配:中、后轴转矩MRH=iMR(i为转矩分配系数);前轴转矩MRV=(1-i)MR。切向力为

式中:FxV为前轮地面切向反作用力;FxH为中、后轮地面切向反作用力;RVr为前轮所受阻力，N;RHr为中、后轮所受阻力，N;FfV为前轮所受滚动阻力，N;FfH为中、后轮所受滚动阻力，N;JRV为前轴转动惯量;JRH为中、后轴转动惯量;u为车辆速度，m/s。

轴荷为

式中:G为车身重力，N;FzV为前轴轴荷;FzVstat为前轴静态轴荷;FLzV、FLzH为作用于车身上并位于前、后轮接地点上方的空气升力，N;λ*为旋转质量系数;FzH为中、后轴轴荷;FzHstat为中、后轴静态轴荷;h为质心高度;l为轴距。

将式(3)的切向力与式(4)的轴荷相比，并且忽略旋转质量的影响(λ*-1 ≈0)，可以得到前、后轴附着率为

在保持附着率相等的条件下，可以根据式(5)求得转矩分配系数i。

如果首先考虑车辆在无路、无坡度的旷野上低速行驶的附着状况，式(5)可简化为式中:lV为质心到前轴的距离，m;lH为质心到后轴的距离，m。

图1 装备三维模型

根据6 ×6 驱动型式山地高机动性物资补给平台整车参数，计算可得i=0.62。则转矩分配比例为:前轴转矩38%，中轴转矩31%，后轴转矩

31%。

1.3 匀速爬坡工况的转矩分配

当装备以低速匀速驶过较大角度坡道时，加速阻力与空气阻力均不考虑。根据式(5)可得

式中:α 为坡道纵向坡度;fR为滚动阻力系数。

这里用sin α 来代替坡度p，是因为全轮驱动车辆所能克服的坡度很大，用sin α≈tan α =p来简化将带来较大的误差。滚动阻力也精确地用FfV=fRFzVstat、FfH=fRFzHstat以及FR=fR(Gcos α)来表示，这里设前、后轴的滚动阻力系数是相等的。取附着率CφV=CφH，即可求得理想的转矩比为

或

在理想分配时，前、后轴转矩比应与相应的轴荷比一致，并且随装载状态以及坡度的大小不同而异。

将式(8)中的数值代入式(7)，即CφV=CφΗ=tan α=p。因此，在转矩理想分配时，最大爬坡度αmax将由附着率决定，即CφH=tan αmax=pmax。如当CφΗ=1 时，αmax=45°，相应的p=100%。

综上所述，考虑不同情况下装备行驶工况，以极限状态p=100%来计算转矩分配，则转矩分配比例为:前轴转矩40%，中轴转矩30%，后轴转矩30%。

2 基于CRUISE 的仿真验证

(1)利用CURISE 软件的静态计算模式，根据各总成主要参数建立整车模型(如图2 所示)［3］。总成主要参数见表1。

图2 动力传动系统建模

表1 总成主要参数

(2)将由数学模型得出的转矩分配比例与平均分配的2 种转矩分配比例对比，得出4 组拟选的分配比例(见表2)。

(3)利用待定系数法计算对比装备的最大爬坡度、加速特性以及牵引特性［4］。完成装备模型搭建和参数输入后，设定软件计算任务，包括最大爬坡度计算、全负荷加速度计算以及最大牵引力计算。整理仿真结果，可以看出:

第一，随着转矩分配情况的不同，装备最大爬坡度也有相应的变化。在变速器为低速挡时，利用第4 种转矩分配形式可获得最大爬坡度;利用平均分配的分配方式获得的爬坡度最低。其中，爬坡度的最大差距达到了7.4%，可知转矩分配对多轴全轮驱动装备有着较大程度的影响。

第二，装备的全负荷加速时间是在变速器高速挡的情况下测试的。第3 种和第4 种转矩分配方式的加速时间最短。

第三，装备最大牵引力出现在第3 种转矩分配的情况下，第4 种转矩分配和第3 种转矩分配的最大牵引力相差约22 N。

表2 转矩分配及仿真结果

3 结 论

转矩分配对装备动力性能存在影响，合理的转矩分配可以在很大程度上避免循环功率的发生，减少装备磨损。笔者根据转矩分配数学模型得出的转矩分配比例，在动力性能的各项指标上均高出了平均分配转矩的情况。综合考虑某运输装备的仿真结果与使用情况，应选用第4 种转矩分配形式，即前轴转矩分配40%，中轴与后轴转矩分配均为30%。

［1］ 陈欣，蒋美华.战术轮式车辆机动性概论［M］. 北京:兵器工业出版社，2011.

［2］ 米奇克，瓦伦托维兹. 汽车动力学［M］. 陈萌三，余强，译. 北京:清华大学出版社，2009.

［3］ 刘振军，赵海峰，秦大同.基于CRUISE 的动力传动系统建模与仿真分析［J］.重庆大学学报:自然科学版，2005，28(11):8-11.

［4］ 孙庆合，史建鹏. 基于CRUISE 仿真研究分动器转矩分配比［J］.宁夏工程技术，2007，6(3):217-220.