宝马新7系G11/G12底盘车型的动力传动系统解析(8)
BMWCHE/2016-01-13/技术解析/阅读:次
八、四轮驱动
1、四轮驱动系统概览
BMW 所用四轮驱动型号根据不同的驱动平台进行划分。虽然四轮驱动系统分为以前轮驱动为基础的车辆例如 F45 和以后轮驱动为基础的车辆，但在 BMW 上这两种四轮驱动系统均称为 xDrive。
不同车型系列的四轮驱动系统概览见下图：
A 以后轮驱动为基础的 xDrive
B 以前轮驱动为基础的 xDrive
1 前桥主减速器
2 手动和自动变速箱
3 分动器
4 后桥主减速器
5 伞齿轮传动装置
6 纵向力矩分配装置（集成在后桥主减速器内）
G11/G12 采用以后轮驱动为基础的 xDrive。
下表概括了 BMW 使用的不同分动器。
2、xDrive 新特点
G11/G12 的选装四轮驱动装置从外观上与当前所用的以后轮驱动为基础的 xDrive 系统没有区别。
但 G11/G12 的 xDrive 具有以下新特点：
• 在重量不变的情况下将最大可传输扭矩提高至 1300 Nm
• 通过使四轮驱动片式离合器分离降低热负荷
• 通过在分动器内进行智能化四轮驱动调节和根据需要进行液位调节降低耗油量（高效模式）。
G11/G12 xDrive 系统电路图见下图：
1 前桥差速器
2 车身域控制器 BDC
3 分动器
4 分动器 VTG 控制单元
5 前传动轴
6 动态稳定控制系统 DSC
FlexRay FlexRay 数据总线
发动机产生的扭矩在自动变速箱内传输并通过变速箱输出轴传至分动器。下一个传动系部件分动器根据行驶情况调节扭矩并以可变方式分配给前桥和后桥。由于可能存在车轮转速差，后桥与前桥无法进行刚性连接，因此在分动器内部有一个片式离合器。片式离合器负责在两个驱动桥间进行可变力矩分配。
3、xDrive 功能描述
G11/G12 分动器见下图：
A 从自动变速箱输入
B 输出至后桥
C 输出至前桥
1 片式离合器
2 钢球（三个）
3 球道
4 带花键的调节环
5 分动器 VTG 控制单元
6 链条
通过四轮驱动分动器内的片式离合器可在限定范围内将扭矩分配给两个车桥。从静态角度，当前 BMW四轮驱动车辆按 40:60 在前桥与后桥间进行力矩分配。
G11/G12 按 50:50 在两个驱动桥间均匀分配力矩。从动态角度，还要考虑到其他重要参数，例如不同的车轮滑转率值。两个驱动桥的车轮滑转率不同时，无法再按 50:50 分配力矩。在此情况下，驱动力矩以可变方式根据行驶情况在理论值 0:100 至 100:0 范围内进行分配。
片式离合器处于分离状态时，所有扭矩都传递至后桥。为了能够将扭矩传递至前桥，必须使片式离合器接合。
需要传递的离合器力矩在动态稳定控制系统 DSC 内进行计算并通过一根 FlexRay 数据总线传输至分动器 VTG 控制单元。分动器 VTG 控制单元根据所要求的离合器力矩计算出在带花键的调节环上需要调节的角度值。通过一个电机产生调节所需调节力矩。
根据所要求的力矩分配，片式离合器的压紧力提高。这样可根据行驶情况在两个驱动桥间以无级方式分配所传输的发动机扭矩。
4、高效模式
G11/G12 xDrive 高效模式见下图：
A 机油回路
1 蜗杆轴
2 停止供油装置（连接片式离合器的锁止装置）
3 带花键的调节环
4 带储油罐的机油管路
5 换档轴（操纵机油隔板）
6 油室 2
7 溢流装置
8 机油隔板（不同油室间的锁止装置）
9 弹簧
10 链条
11 油室 1
“高效模式”是降低牵引力矩方面的新特点，用于提高效率。通过智能化调节四轮驱动系统可根据行驶情况使分动器的片式离合器分离。这样可减少分动器内的润滑。在此分为以下功能：
• 停止供油
• 阻隔机油。
下面将对这两项功能进行详细介绍。这两项功能都用于将分动器内的损耗降至最低。它们始终同时启用，但处于总成内的不同作用范围。
只有 DSC 控制单元未提出四轮驱动要求因此片式离合器处于分离状态时，才会使用高效模式。
(1)停止供油
G11/G12 xDrive 停止供油功能见下图：
A 停止供油装置启用（关闭）
B 停止供油装置停用（打开）
1 带花键的调节环
2 密封系统机油流
xDrive 分动器停止供油功能具有以下优点：
• 片式离合器处于分离状态时可降低牵引力矩
• 通过直接位于摩擦片套件前的小储油罐迅速为片式离合器提供润滑油。
片式离合器处于分离状态时会停止向离合器套件供油。机油存储在管路和储油罐内。启用和停用停止供油功能时，通过蜗杆轴使带花键的调节环旋转。通过调节环旋转可终止机油流向片式离合器。要求分动器提供力矩时（片式离合器接合），根据调节环旋转重新开启供油并对片式离合器进行润滑和冷却。
由于机油油位较低，可消除旋转的片式离合器浸入所产生的搅油损失。这样可降低耗油量并减小片式离合器的磨损。
(2)阻隔机油
G11/G12 xDrive 阻隔机油功能见下图：
A 机油隔板关闭
B 机油隔板打开
1 带花键的调节环
2 链条
3 换档轴（操纵机油隔板）
4 机油隔板（不同油室间的锁止装置）
5 油室 2
不要求分动器提供力矩时（片式离合器分离），机油隔板关闭。机油隔板用于使机油存储在一个规定空间内（油室 2）。通过一个杠杆系统实现油封功能，该系统位于壳体内，通过一个弹性体密封垫封住一个规定开口。
由带花键的调节环移动的换档轴操纵机油挡板并使其保持在规定位置。这样可使油室相互阻断，从而将搅油损失降至最低。为了确保对轴承和密封环进行润滑，在循环回路中始终保留规定量的机油。这一点通过第一和第二油室间的溢流装置来确保。
5、运行策略
G11/G12 的四轮驱动（xDrive）采用智能化设计。xDrive 智能化调节有助于实现高效且节油的车辆运行。在此不是简单地关闭或停用四轮驱动，而是根据当前行驶情况进行相应调节。通过各种不同的传感器提供有关当前牵引力需求的信息。根据牵引力和行驶动力，结合需要将驱动力矩分配给不同驱动轮。
G11/G12 xDrive 运行策略见下图：
A 潮湿
B 下雪
C 沥青
D 越野路面
E xDrive
在很多行驶情况下，四轮驱动片式离合器均处于分离状态，在此仅驱动后车轮。只有在特定行驶情况下才会将部分驱动力矩也传输给前车轮。根据需要以提前方式分配驱动力矩。在动态稳定控制系统 DSC控制单元内进行计算。
DSC 计算力矩分配时考虑以下标准：
• 车速
• 横向和纵向加速度
• 横摆率
• 制动防抱死系统（ABS）
• 转向角
• 车轮转速
• 车辆纵向倾斜度
• 加速踏板位置
• 驾驶模式（运动，舒适，ECO PRO）
• DSC 状态（DSC 启用/停用，DTC 启用/停用）。
根据行驶情况将部分驱动力矩传输至前车轮。根据片式离合器控制情况和车轮滑转率确定准确的力矩分配比例。下面列出了一些影响因素。
出现以下行驶情况时，如果不受其他标准所限，将会提高四轮驱动离合器力矩：
• 车速低于 20 km/h
• 已启用运动驾驶模式
• 已停用动态稳定控制系统 DSC
• 已启用动态牵引力控制系统 DTC
• 车辆过度转向
• 前车轮与后车轮之间的转速差增大
• 车辆纵向倾斜度较大（例如在坡路上）
• 加速踏板要求较高，例如强制降档位置
• 负荷变化状态，例如过渡到滑行模式（驾驶员松开加速踏板）。
出现以下行驶情况时，如果不受其他标准所限，将会降低四轮驱动离合器力矩：
• 车速高于 180 km/h
• 车辆不足转向
• 随转向角增大（以免传动系内受力过大）
• 紧急制动（ABS 制动）。
为了评估路面状态进而实现高效的预判式纵向力矩分配，由 DSC 控制单元探测轮胎与路面间的摩擦系数条件。为此例如分析车轮滑转率以及纵向和横向加速度。
接收到动态稳定控制系统 DSC 表示不同车轮滚动周长的车轮转速信息时，以低于正常状态下的强度接合四轮驱动片式离合器。这样可防止传动系内受力过大进而导致 xDrive 损失功率更高。
(1)确定车轮滑转率
无论加速还是减速时，不同车桥上的车轮都会出现滑转。通过所有车轮转速传感器以及 DSC 控制单元内计算模型的传感器信号可确定车轮滑转率。
可按如下方式定义车轮滑转率：
• 车轮滑转率是车轮圆周速度与车速间的差异。
某一车轮紧急加速或制动致使超过最大静摩擦力时，滑转率会一直增大至车轮打滑或抱死。
在实际情况下会出现两种不同类型的滑转率。
• 驱动滑转率
• 制动滑转率。
通过以下措施可降低出现的驱动滑转率。
• 通过降低发动机扭矩进行 DSC 干预
• 提高需要传输的 xDrive 离合器力矩（将力矩分配给两个驱动桥）。
通过以下措施可降低出现的制动滑转率。
• ABS 调节（制动防抱死系统）。
为了能在紧急制动期间（ABS 或 DSC 调节）针对各车轮调节车轮上的制动力从而避免影响另一驱动桥，根据需要降低或在必要时完全减小四轮驱动离合器力矩。
驱动滑转率计算示例
• 车轮圆周速度 = 16.67 m/s（相当于约 60 km/h）
• 车速 = 13.89 m/s（相当于 50 km/h）。
由于在上述数值中车轮圆周速度大于车速，此为驱动滑转率。
驱动滑转率公式见下图：
SA 驱动滑转率
V Wheel 车轮圆周速度
V Vehicle 车速
SA = (16.67 m/s – 13.89 m/s) : 13.89 m/s = 0.2
SA (%) = 0.2 · 100 % = 20 %
驱动滑转率为 20 %。
制动滑转率计算示例
• 车轮圆周速度 = 11.12 m/s（相当于约 40 km/h）
• 车速 = 13.89 m/s（相当于约 50 km/h）
由于在上述数值中车轮圆周速度小于车速，此为制动滑转率。
制动滑转率公式见下图：
SB 制动滑转率
V Wheel 车轮圆周速度
V Vehicle 车速
SB = (11.12 m/s – 13.89 m/s) : 13.89 m/s = – 0.2
SB (%) = – 0.2 · 100 % = – 20 %
制动滑转率为 20 %。
在不同车轮滑转率数值下的 xDrive 运行策略
进行 xDrive 调节的车轮滑转率图见下图：
A 车轮圆周速度（驱动滑转率）
A1 20 % 驱动滑转率
B 车轮圆周速度（制动滑转率）
B1 20 % 制动滑转率
C 车速（恒定）
1 分动器内的片式离合器接合
2 分动器内的片式离合器分离
Schlupf λ [%] 车轮滑转率 [%]
V wheel in [km/h] 车轮圆周速度 [km/h]
6、售后服务信息
• 前传动轴已拆下时不允许车辆行驶。
• 在制动试验台上进行作业时无需注意四轮驱动特殊事项。（会自动识别出用于检查制动系统的转鼓模式。）
• 不允许仅抬起一个车桥进行拖车。
• 分动器的加注机油寿命与整个总成使用寿命相符。但行驶超过 150,000 km 后会存储一条故障代码存储器记录并建议更换分动器油。重新加注分动器油时必须通过 BMW 诊断系统 ISTA 使机油隔板移动到打开位置。
• 在 BMW 诊断系统 ISTA 内提供用于售后服务的不同检测流程。
为了确保前桥和后桥 xDrive 功能正常运行，轮胎花纹深度、轮胎滚动周长和轮胎制造商最好保持一致。此外建议仅使用 BMW 批准和推荐的轮胎。
G11/G12 分动器见下图：
1 变速箱通风装置
2 连接后传动轴的传动装置
3 分动器 VTG 控制单元
4 加注螺塞
5 防尘套
6 连接前传动轴的带万向节的传动装置
7 前传动轴
前传动轴的万向节位于分动器内部传动装置上。这样有助于减小分动器安装空间。由此可确保与其他车型系列采用相同部件方案。
前传动轴通过一个插接连接件插入带万向节的传动装置内。防尘套起到防污作用。
由于拆下前传动轴后不再对带万向节的传动装置进行引导，在此状态下不允许车辆行驶。缺少引导会导致车辆加速时传动装置不可控移动，从而造成分动器损坏。
前传动轴已拆下时不再允许车辆行驶。
(1)更换分动器油
分动器的加注机油寿命与整个总成使用寿命相符。相当于可行驶约 150,000 km。超过上述行驶里程后会存储一条故障代码存储器记录并建议更换分动器油。
分动器没有放油螺塞。必须使用抽吸设备抽出需要更换的机油。
可通过加注螺塞加注新分动器油。
为了确保更换全部机油，必须在抽吸和加注期间使机油隔板保持打开状态。
售后服务人员可通过 BMW 诊断系统 ISTA 内的“服务功能 > 分动器 VTG > 更换机油”使分动器内的机油隔板移动到打开位置。
(2)分动器等级
G11/G12 分动器等级见下图：
1 BMW 零件编号
2 更改索引
3 分动器等级
4 序列号
5 壳体型号
6 装配生产线
7 生产厂（A = 奥地利，M = 墨西哥）
8 输出法兰直径（96 mm，105 mm）
9 型号
10 生产日期
根据分动器不同组件的允许部件公差，例如用于接合分动器内片式离合器的球道行程有所不同。但通过对接合片式离合器的电机进行控制调整可补偿上述公差。为此必须将公差等级输入分动器 VTG 控制单元内。
在生产期间确定具体公差并标注在分动器型号铭牌上（参见上图）。
维修时可按如下方式确定公差：
• 读取分动器型号铭牌上的公差等级
• 通过 BMW 诊断系统 ISTA 读取公差等级。
可通过 BMW 诊断系统 ISTA 内的一项服务功能将四位等级代码输入分动器 VTG 控制单元内。为使 VTG控制单元接受该代码，该代码必须在存储的等级范围内。
下表展示了 G11/G12 分动器的全部等级范围。
G11/G12 分动器等级表见下图：
A 偏移等级 [°]
B 梯度等级 [%]
进行以下维修作业后必须将公差等级输入 VTG 控制单元内：
• 已更换 VTG 控制单元
• 已更换分动器。
7、系统电路图
G11/G12 xDrive 系统电路图见下图：
1 动态稳定控制系统 DSC
2 分动器 VTG 控制单元
3 右前配电盒
4 车身域控制器 BDC
5 高级碰撞和安全模块 ACSM
6 Headunit
7 中央信息显示屏 CID
FlexRay FlexRay 数据总线
K-CAN4 车身 CAN4
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