車輛轉矩協調控制系統的仿真分析

2014-03-16 05:51:14德州學院汽車工程學院

電子世界 2014年7期

關鍵詞：汽車

德州學院汽車工程學院張亮

1.引言

轉向驅動力轉矩分配系統是在分析了車輛轉向時轉矩協調對車輛縱向動力學和側向動力學的基礎上，使用一定的控制方法，實現驅動轉矩協調策略，在車輛行駛時，根據不同的轉向條件，重新分配左右輪之間的驅動力，同時使左右輪轉速不一致，使車輛在轉向行駛時，能夠很好地控制其運動，使其沿預定軌跡穩定地轉向，同時減少車輛轉向時轉向盤操作負荷，提高車輛的轉向性能，從而提高車輛的轉向穩定性。

2.轉矩協調對車輛動力學的影響

2.1 轉矩協調對車輛縱向動力學的影響

具有2個自由度的的車輛模型如圖1所示，其動力學方程可描述為：

Fy1+Fy2=may

Fy1a-Fy2b=Izγ

式中Fy1、Fy2分別為前、后輪的側偏力；m為汽車質量；ay為汽車質心側向加速度；Iz為汽車繞質心的轉動慣量；γ為汽車的橫擺角速度。

由式(1)、(2)可以看出，Fy1、Fy2之和等于may，但二者數值大小的分配原則取決于Izγ的大小。穩態轉向條件下，Fy1越大，Fy2越小。通過轉矩協調策略，增加一橫擺力矩，如圖1(b)所示，增大后外輪作用力Fx21，減小后內輪作用力Fx22，則車輛力矩平衡方程為：

Fy1a+(Fx21-Fx22)B/2-Fy2b=0

圖1 穩態轉向行駛時汽車的力平衡圖

顯然，此時Fy1減小，Fy2增大，相應的前輪側偏角α1減小，后輪側偏角α2增大，則汽車的不足轉向量減小，改變了車輛的穩態轉向特性。當車輛在接近極限工況時，隨著Fy1的減小，還給前輪創造了一個提供更大驅動力Fx的空間，使得汽車有更好的動力性，如圖2所示。由于載荷轉移的影響，前內輪首先達到附著極限，這時由于前內輪側向力減小，則縱向力增大的空間變大。

圖2 前輪受力變化比較

2.2 轉矩協調對車輛側向動力學的影響

在傳統車輛中，通過方向盤轉角的變化來改變車輛的方向。發動機的驅動轉矩在左、右輪的分配相等，縱向力僅僅作為驅動力矩。轉矩協調分配系統利用驅動轉矩產生控制橫擺力矩，可以提高車輛轉彎加速的不足轉向的極限，并且車輛的操縱性得到極大提高。

車輛在轉向行駛工況下，由于垂直載荷的影響，在驅動力達到極限時，內側驅動車輪的轉向力為零，僅外側車輪提供轉向力。在獨立驅動系統中，轉矩協調系統可以減小內側內輪轉矩、增大外輪驅動轉矩。由圖3可以看出驅動力比例的范圍和內外輪的轉向力的變化趨勢。在與傳統車輛相同的總的縱向力情況下，轉矩協調系統可以選擇最優的轉矩分配比例，使得轉向力最大，保證車輛在轉彎時具有更好的彎道動力性能，提高車輛的穩定性。

圖3 內外輪的轉向力的變化圖

3.轉矩協調控制仿真及結果分析

3.1 仿真模型的建立

整車模型的建立不考慮車輛坐標系的z軸的垂直運動，僅考慮車輛的x軸的縱向運動、y軸的側向運動、繞z軸的橫擺以及4個車輪的回轉運動4個自由度，如圖4所示。仿真參數如下：整車質量m為1200kg；整車繞z軸的轉動慣量Iz為1546kg·m2；車輪轉動慣量Iw為0.4892kg·m2；車寬B為1.36m；前軸到質心的距離a為1.016m；后軸到質心的距離b為1.436m；質心高度hg為0.57m；車輪半徑Rtire為0.287m。