扭矩架构是扭矩控制体系的顶层设计框架，它定义了扭矩在动力系统（或执行机构）中的传递路径、分配逻辑、控制层级、安全边界及协同规则，是实现精准扭矩控制的前提。其核心目标是：在满足功能需求的前提下，确保扭矩输出的准确性、稳定性、安全性与可追溯性。扭矩架构的设计需结合具体应用场景（如汽车动力总成、工业拧紧工艺、机器人关节控制等），以下从通用架构框架、核心组成模块、典型应用场景三方面展开说明：
一、扭矩架构的通用框架
一个完整的扭矩架构遵循 “目标层 - 分配层 - 执行层 - 监控层” 的四层逻辑，各层级环环相扣，形成闭环控制：| 层级 | 核心功能 | 关键输入 / 输出 |
|---|---|---|
| 目标扭矩层 | 明确扭矩控制的核心目标，基于工况需求生成目标扭矩值 | 输入：工况指令（如拧紧工艺要求、动力需求）；输出：目标扭矩设定值 |
| 扭矩分配层 | 按预设规则将目标扭矩分配至各执行单元，解决 “多源扭矩如何协同” 的问题 | 输入：目标扭矩；输出：各执行单元的分配扭矩值 |
| 扭矩执行层 | 执行机构（如电机、拧紧轴、发动机）按分配扭矩输出，实现物理层面的扭矩传递 | 输入：分配扭矩指令；输出：实际输出扭矩 |
| 扭矩监控层 | 实时采集、校验、反馈扭矩状态，异常时触发干预，保障架构稳定安全 | 输入：实际扭矩、过程参数；输出：扭矩偏差报告、安全干预指令 |
二、扭矩架构的核心组成模块
无论应用场景如何，扭矩架构的落地依赖以下 5 个核心模块，它们是架构的 “骨架”：1. 扭矩需求定义模块
这是架构的起点，需明确 “为什么需要扭矩”“需要多大扭矩”“在什么条件下需要”，核心输出是扭矩需求规格书，包括：- 目标扭矩范围：如工业拧紧的 “目标扭矩 ± 公差”（如 20N・m±5%）、汽车驱动的 “低速大扭矩 / 高速小扭矩” 区间；
- 工况约束条件：温度（如高温金属热膨胀导致扭矩衰减）、转速（如电机扭矩随转速变化特性）、负载状态（如空载 / 满载扭矩差异）；
- 功能优先级：如汽车混动架构中，“驱动扭矩优先”“发电扭矩次之”“热管理扭矩补充” 的优先级排序。
2. 扭矩传递路径模块
定义扭矩从动力源到负载的物理传递链路，需明确 “路径上的关键部件”“部件间的扭矩损失”“路径切换规则”，核心关注点：- 关键部件选型：如拧紧工艺中的 “扭矩扳手 - 套筒 - 螺栓”、汽车传动系统的 “电机 - 减速器 - 传动轴 - 车轮”，部件的刚度、传动效率直接影响扭矩传递精度；
- 扭矩损失补偿：路径中存在摩擦损失、弹性变形损失（如螺栓预紧的弹性变形），架构需预设补偿系数，确保执行端扭矩达标；
- 路径切换逻辑：多路径场景下（如四驱汽车的前后桥扭矩切换），定义切换阈值（如车速＞60km/h 时，扭矩从四驱切换为前驱）。
3. 扭矩分配与协同模块
针对多执行单元协同的场景（如混动汽车的发动机 + 电机、多轴机器人的关节协同），这是架构的核心决策模块，核心原则：- 按需分配：基于实时工况，将总目标扭矩分配至各单元。例如混动汽车低速时，电机承担 100% 扭矩；高速时，发动机承担 70%、电机辅助 30%；
- 冲突规避：避免多单元扭矩输出冲突（如电机正转扭矩与发动机制动扭矩叠加导致过载），预设 “扭矩互斥规则”；
- 动态调整：根据负载变化实时修正分配比例，如工业产线中，工件硬度变化时，自动调整拧紧轴的扭矩输出占比。
4. 扭矩执行与驱动模块
架构的执行终端，负责将 “数字扭矩指令” 转化为 “物理扭矩输出”，核心技术要求：- 驱动方式选型：
- 工业拧紧：分为扭矩控制型（直接输出目标扭矩）、角度控制型（通过拧紧角度间接控制扭矩，如螺栓拧紧的 “扭矩 - 角度法”）；
- 动力系统：分为扭矩闭环驱动（实时反馈调整）、开环驱动（按预设参数输出，适用于精度要求低的场景）；
- 执行精度保障：部件的响应速度（如电机扭矩响应延迟）、控制算法（如 PID 闭环调节）需匹配架构的精度要求。
5. 扭矩监控与安全模块
架构的 **“安全阀”，确保扭矩输出不超出安全边界，同时实现可追溯性 **，核心功能：- 实时监测：通过扭矩传感器（如应变片式扭矩传感器、扭矩扳手内置传感器）采集实际扭矩，对比目标扭矩，计算扭矩偏差；
- 异常干预：预设扭矩阈值（如最大扭矩上限、最小扭矩下限、扭矩波动范围），超出阈值时触发动作（如拧紧工艺中的 “停机报警”、汽车动力系统的 “扭矩限幅”）；
- 数据追溯：记录扭矩输出的全过程数据（时间、扭矩值、工况参数），用于质量追溯（如螺栓拧紧不合格的原因分析）、工艺优化。
三、典型场景下的扭矩架构示例
1. 工业拧紧工艺的扭矩架构（以汽车螺栓拧紧为例）
- 目标层：基于螺栓规格（如 M8 螺栓）和装配要求，设定目标扭矩 15N・m，公差 ±10%；
- 分配层：单轴拧紧场景，扭矩 100% 分配至拧紧轴；多轴同步拧紧时，按螺栓分布位置均匀分配扭矩，避免工件变形；
- 执行层：采用 “扭矩 - 角度” 复合控制，先以低扭矩拧入螺栓，再按目标扭矩拧紧，最后监测拧紧角度是否达标；
- 监控层：拧紧过程中实时采集扭矩值，偏差超限时立即停机，记录每颗螺栓的拧紧数据并上传 MES 系统。
2. 新能源汽车驱动系统的扭矩架构
- 目标层：基于驾驶员踏板开度，生成整车目标驱动扭矩（如踏板开度 50% 对应目标扭矩 200N・m）；
- 分配层：双电机四驱架构下，前电机分配 120N・m，后电机分配 80N・m，兼顾动力性与能耗；
- 执行层：电机控制器接收扭矩指令，通过矢量控制算法驱动电机输出扭矩，经减速器传递至车轮；
- 监控层：实时监测电机扭矩、转速、温度，当电机过载或温度过高时，自动降低输出扭矩，保障系统安全。
四、扭矩架构设计的关键原则
- 精准匹配需求：避免 “过度设计”（如低精度场景用高精度扭矩方案）或 “设计不足”（如高负载场景扭矩储备不够）；
- 模块化与可扩展性：各模块独立设计，便于后续升级（如新增执行单元时，只需调整分配层规则，无需重构整个架构）；
- 安全性优先：必须预设扭矩安全边界，避免因扭矩过载导致部件损坏或安全事故；
- 可追溯性：全流程数据记录是扭矩架构的必要环节，尤其适用于汽车、航空航天等对质量要求严苛的行业。
