輪式工程車輛防滑差速系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究
2012-12-31 00:00:00李建華
【摘 要】本文概括了汽車常用防滑差速系統(tǒng)的主要形式，并在此基礎(chǔ)上分析了汽車差速器的結(jié)構(gòu)類型以及相應(yīng)的特點(diǎn)，并給出了衡量防滑差速器性能的技術(shù)指標(biāo)。最后以防滑差速器的數(shù)值模擬為背景，通過力學(xué)分析模型為基礎(chǔ)，通過簡(jiǎn)化分析后利用MATLAB中的SIMULINK工具來進(jìn)行ＢＰ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和分析。
【關(guān)鍵詞】防滑差速系統(tǒng)；輪式機(jī)械；ＢＰ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
0.概述
汽車上使用的防滑差速系統(tǒng)主要有三種形式：主動(dòng)控制式、轉(zhuǎn)矩感應(yīng)式和轉(zhuǎn)速感應(yīng)式。在實(shí)踐中防滑差速系統(tǒng)在提高汽車安全性能方面起到了很重要的作用，也逐漸成為一個(gè)重點(diǎn)研究的領(lǐng)域。國(guó)外汽車公司在防滑差速器方面的研究比較早，經(jīng)過幾十年的發(fā)展逐步形成了以TCS防滑差速系統(tǒng)為代表的電子控制系統(tǒng)，在多種高中檔轎車上都得到了普遍的應(yīng)用。相比之下國(guó)內(nèi)的防滑差速系統(tǒng)的研究起步晚，受到總體汽車發(fā)展水平的限制，在這個(gè)方面更多的研究注重于邏輯控制方面，但還缺乏比較成熟的市場(chǎng)化產(chǎn)品。要提高我國(guó)汽車設(shè)計(jì)生產(chǎn)的水平，提高汽車防滑差速系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平是必由之路。
1.汽車差速器的結(jié)構(gòu)類型和特點(diǎn)
差速器的結(jié)構(gòu)類型取決于車輛的具體類型和工作條件。從功能上分，差速器可分為普通對(duì)稱式圓錐行星齒輪差速器和防滑差速器兩大類，其中防滑差速器又可以分為自鎖式差速器和強(qiáng)制鎖止式差速器兩類，如果要細(xì)分還可以劃分出更多的類型。在本文中針對(duì)輪式工程機(jī)械的防滑設(shè)計(jì)，因此在本節(jié)中對(duì)防滑差速器的設(shè)計(jì)來展開討論。這里對(duì)幾種常見的防滑差速器類型進(jìn)行概述，將其作為后續(xù)研究的重要參考。常用防滑差速器的類型和特點(diǎn)為：（1）強(qiáng)制鎖止式，強(qiáng)制鎖止式差速器的使用需要和差速鎖配合，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但操作不方便，有可能因?yàn)椴钏冁i摘鎖時(shí)間不當(dāng)而導(dǎo)致左右車輪剛性連接；（2）摩擦片式自鎖差速器摩擦片式自鎖差速器通過產(chǎn)生內(nèi)摩擦力矩來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的重新分配，從而能夠改善汽車在經(jīng)過惡劣路段時(shí)的平衡能力。這類差速器的缺點(diǎn)也比較明顯，主要表現(xiàn)在于其工作方式會(huì)增加摩擦片的磨損，油耗量也相對(duì)較大；（3）滑塊凸輪式差速器，滑塊凸輪式差速器是一種高摩擦自鎖差速器，其結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小。但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其零件材料、機(jī)械加工等方面均有較高的技術(shù)要求，摩擦件的磨損較大；（4）托森差速器，托森差速器又稱蝸輪-蝸桿式差速器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、性能優(yōu)異，在中央軸間差速器和后驅(qū)動(dòng)橋的輪間差速器上應(yīng)用最為廣泛，但由于在轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩差較大時(shí)有自動(dòng)鎖止作用，通常不用作轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋的輪間差速器。
2.防滑差速器的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)
不同的場(chǎng)合使用場(chǎng)合對(duì)防滑差速器的要求不同，因此需要按照一定的標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)防滑差速器的性能進(jìn)行評(píng)定。一般來說，有4類參數(shù)：①旋轉(zhuǎn)較快的半軸齒輪上的轉(zhuǎn)矩；②旋轉(zhuǎn)較慢的半軸齒輪上的轉(zhuǎn)矩；③差速器殼上的轉(zhuǎn)矩；④差速器元件在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦力矩。上述四類因素中，以旋轉(zhuǎn)較慢的半軸齒輪上的轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)較快的半軸齒輪上的轉(zhuǎn)矩的比值來衡量汽車兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪之間的轉(zhuǎn)矩差異（鎖緊系數(shù)）。鎖緊系數(shù)是衡量防滑差速器性能的關(guān)鍵指標(biāo)，因此對(duì)輪式車輛防滑差速器的設(shè)計(jì)主要就是針對(duì)鎖緊系數(shù)的調(diào)整，從而達(dá)到操作性、穩(wěn)定性以及磨損等方面的平衡。本文中將采用優(yōu)化方法和智能控制理論來調(diào)整鎖緊系數(shù)來完成防滑差速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
3.防滑差速系統(tǒng)的建模
3.1力學(xué)分析模型
輪式工程車輛一般都是四輪驅(qū)動(dòng)，因此在建模時(shí)采用4輪車輛模型，并按動(dòng)力的不同需求來分配兩軸的輸入功率，通過液壓調(diào)整驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，從而可構(gòu)建基于試驗(yàn)樣本訓(xùn)練的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)差速控制系統(tǒng)。建模時(shí)的基本規(guī)則如下：（1）打飛輪，當(dāng)有一個(gè)車抽上的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)速差很大時(shí)，應(yīng)讓模型輸出糾正控制參數(shù)，加大輪速差穩(wěn)定的輸入扭矩；（2）滑移率的控制，滑移率是制動(dòng)過程中的控制問題，其目的是通過增加前后軸的驅(qū)動(dòng)力矩，減少滑移的比例，這里選取20%滑移率作為閾值，當(dāng)滑移率超過20%時(shí)有控制系統(tǒng)輸出控制參數(shù)來進(jìn)行調(diào)整。建模方法采用圖形建模方法，利用MATLAB軟件仿真，主要是利用其中的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬工具箱SIMULINK來完成。
車輛動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型為：
aφ-aβ-aλ+aδ=0
bψ+bξ+bλ-bδ+=0
車輛在制動(dòng)情況下的縱向滑移率為：λ=，其中v，v分別為車輛的縱向速度和輪胎的圓周速度。車輛在制動(dòng)情況下的橫向滑移率為λ=
tan，其中v為車輛的橫向速度。上述模型中的參數(shù)a，b是一組和車速有關(guān)的參數(shù)，在計(jì)算這些系數(shù)時(shí)分別建立一個(gè)子模型，將車速作為輸入，將這些系數(shù)作為模型的輸出。在設(shè)計(jì)時(shí)采用防滑差速器和整車系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置，只要考慮其模型參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整車防滑性能的影響程度。
3.2基于MATLAB的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練
MATLAB軟件包中已經(jīng)包含了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法，在對(duì)3.1中的力學(xué)模型進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)可以直接使用，只需要針對(duì)具體問題的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置即可。具體的MATLAB設(shè)置如下：
（1）首先設(shè)定網(wǎng)絡(luò)各層之間的鏈接權(quán)重和閾值，隨機(jī)項(xiàng)的數(shù)值區(qū)間為-1~+1之間的隨機(jī)值。
（2）設(shè)定初始隨機(jī)模式序列，該序列中包含了再一組車體試驗(yàn)中的車體的知心轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角等運(yùn)行數(shù)據(jù)，用來描述汽車內(nèi)側(cè)車輪和外側(cè)車輪的數(shù)據(jù)。
（3）調(diào)用軟件自帶的輸入模式和連接權(quán)重以及閾值來計(jì)算ＢＰ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中間層各個(gè)神經(jīng)元的輸入和輸出，其中輸出采用Ｓ型傳遞函數(shù)計(jì)算。
（4）計(jì)算輸出層神經(jīng)元的輸入值，其計(jì)算數(shù)據(jù)來源于中間層的輸出、連接權(quán)重和閾值，進(jìn)而計(jì)算各輸出層神經(jīng)元的輸出。
（5）調(diào)用希望輸出模式和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所計(jì)算出的結(jié)果之間的一般化誤差。
（6）計(jì)算輸出層、中間層各個(gè)神經(jīng)元輸出的一般化誤差。
（7）修正鏈接權(quán)重，修正的依據(jù)為輸出層的一般化誤差以及中間層中神經(jīng)元的輸出值。
（8）利用中間層中的神經(jīng)元一般化誤差計(jì)算結(jié)果以及輸入來進(jìn)一步修正鏈接權(quán)重和閾值。
（9）隨機(jī)設(shè)定若干個(gè)學(xué)習(xí)模式讓BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，直到對(duì)所有設(shè)定的模式都訓(xùn)練完成并且滿足了給定的誤差要求后完成訓(xùn)練。
3.3結(jié)果分析
通過上節(jié)中的數(shù)值分析，得到的基本數(shù)據(jù)和結(jié)論如下。當(dāng)采用50公里每小時(shí)的速度值外加9度的前輪轉(zhuǎn)向角，得到橫擺角速度瞬態(tài)響應(yīng)峰值反映時(shí)間為0.621秒，給差速器的調(diào)整量為105.1%，角度值為31.3度。質(zhì)心側(cè)偏角瞬態(tài)響應(yīng)峰值反應(yīng)時(shí)間約為1秒，超調(diào)量約為90%，角度為4.32度。為了對(duì)比模擬的效果，當(dāng)采用普通差速器來進(jìn)行調(diào)整時(shí)的結(jié)果都比模擬結(jié)果中的峰值相應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量以及角度要大，而二者的質(zhì)心側(cè)偏角瞬態(tài)響應(yīng)相比，裝有限滑差速器車輛的響應(yīng)峰值時(shí)間、超調(diào)量以及穩(wěn)態(tài)值都較裝有普通差速器車輛略有減小?？梢哉J(rèn)為限滑差速器加入車輛傳動(dòng)系后，增加了系統(tǒng)的剛性，而相對(duì)降低了系統(tǒng)的阻尼。
傳統(tǒng)的數(shù)值分析方式都需要建立在精確數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，很多實(shí)際問題由于影響條件太多而使得建立精確的數(shù)學(xué)模型幾乎不可能。采用帶有容錯(cuò)空間和模糊信息的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是分析這類問題的有效手段。為了提高模擬分析的精度，可進(jìn)一步采用更為精確的數(shù)學(xué)模型，配合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來進(jìn)行。
【參考文獻(xiàn)】
［１］趙健.四輪驅(qū)動(dòng)汽車 TCS 制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)裝置及附著系數(shù)分離路面控制方法的研究[J].吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文.
［２］鄧陽慶.車用粘性式限滑差速器建模仿真與臺(tái)架試驗(yàn)研究[M].吉林大學(xué)車輛工程專業(yè).
［３］張玲.模糊模型參考自學(xué)習(xí) ABS 控制系統(tǒng)[M].上海交通大學(xué)儀器工程系慣性技術(shù)及導(dǎo)航設(shè)備專業(yè).
［４］李君，喻凡，張建武.基于道路自動(dòng)識(shí)別 ABS 模糊控制系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，(32-5):26-29.
