獨立驅(qū)動電動汽車機電耦合系統(tǒng)的研究*

林 程,徐志峰，張 汝，王 剛，周逢軍

(北京理工大學機械與車輛工程學院,北京 100081)

前言

獨立驅(qū)動電動汽車可以通過單獨控制每個驅(qū)動輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩來改善車輛的行駛性能，具有集中驅(qū)動無法比擬的優(yōu)點，是電動汽車的重要發(fā)展方向[1]。

但多輪獨立驅(qū)動還存在較大缺陷：當車輛行駛在對開路面時，如果處于低附著路面上的車輪打滑，則必須減小該側(cè)驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩，使車輪恢復正常轉(zhuǎn)動，這時主要依靠高附著系數(shù)路面的驅(qū)動電機進行驅(qū)動，浪費了打滑車輪一側(cè)電機的驅(qū)動功率，在這點上不如帶防滑差速器的單電機集中驅(qū)動車輛。為此，本文中選用黏性聯(lián)軸器作為機電耦合裝置，并通過整車仿真驗證黏性聯(lián)軸器對整車性能的影響。

1 黏性聯(lián)軸器的布置和轉(zhuǎn)矩特性

以北京理工大學電動車輛國家工程實驗室發(fā)明的具有防滑差速功能的雙電機獨立驅(qū)動車輛為平臺[2]，進行設計和研究。整車主要零部件和黏性聯(lián)軸器的布局如圖1所示。

黏性聯(lián)軸器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。它由輸入軸、輸出軸、外殼(與輸出軸相連)、內(nèi)摩擦片、外摩擦片、作為黏性工作介質(zhì)的硅油以及油封組成。

黏性聯(lián)軸器有剪切和駝峰兩種工作狀態(tài)，在車輛正常行駛過程中其處于剪切狀態(tài)，即通過剪切硅油，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩從高速端到低速端的傳遞。

黏性聯(lián)軸器內(nèi)的硅油和空氣的混合流體是非牛頓流體[3]，再結(jié)合油膜剪切原理，可得到黏性聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩計算模型為

式中：ε為孔槽影響系數(shù)；n1、n2分別為內(nèi)、外摩擦片數(shù)；ρ1、ρg為標準狀態(tài)下硅油和空氣的密度；η0為硅油的初始填充率；γB為參考剪切率；a、b、c、d為常數(shù)；v0為硅油在零剪切率以及25℃時的運動黏度值；T為硅油某時刻的瞬時溫度；ΔN為內(nèi)外摩擦片的轉(zhuǎn)速差；s為油膜厚度；r1和r2分別為外摩擦片的內(nèi)半徑和內(nèi)摩擦片的外半徑；n為硅油流動指數(shù)。

2 黏性聯(lián)軸器參數(shù)設計和試驗分析

本文中所選用的目標車型主要參數(shù)如表1所示。經(jīng)實驗測得，汽車正常轉(zhuǎn)向時，左右車輪的最大轉(zhuǎn)速差為80r/min左右[4]，即所設計的黏性聯(lián)軸器的駝峰觸發(fā)轉(zhuǎn)速差必須大于此值。表2為黏性聯(lián)軸器的主要技術參數(shù)。

表1 目標車型的主要參數(shù)

表2 黏性聯(lián)軸器主要技術參數(shù)

圖3為黏性聯(lián)軸器主要零部件。按照上面提到的轉(zhuǎn)矩傳遞特性建立黏性聯(lián)軸器的Simulink模型，將仿真結(jié)果與臺架實驗數(shù)據(jù)進行對比[5]，結(jié)果如圖4所示。由圖可見，仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本吻合。

3 整車動力學模型

本文中建立了7自由度車輛模型，包括車體的縱向、橫向和橫擺運動，以及4個車輪的轉(zhuǎn)動。同時假定車輛行駛在水平路面，并忽略空氣阻力的影響。建立整車坐標系，如圖5所示。

整車運動方程為

驅(qū)動車輪和從動車輪的旋轉(zhuǎn)運動方程為

式中：Iw為車輪的轉(zhuǎn)動慣量；Td為電機傳給驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩；Fx為車輪受到的地面力；Tf為滾動阻力矩；Tlsd為黏性聯(lián)軸器傳遞的轉(zhuǎn)矩，動力學計算時高速端取負值，低速端取正值。

模型中輪胎模型選用郭孔輝院士提出的統(tǒng)一輪胎模型，輪胎縱向力Fx、側(cè)向力Fy和回正力矩M為[6]

M=Fy(Dx+Xc)-FxYc

Dx=(Dx0+De)exp(-D1φ-D2φ2)-De

4 車輛仿真分析

下面對不同工況下裝有和未裝黏性聯(lián)軸器的車輛進行仿真研究。

4.1 動力性仿真

設定左側(cè)車輪所處的路面附著系數(shù)為0.8，右側(cè)路面附著系數(shù)為0.2，車輛在對開路面上起步加速。各驅(qū)動車輪滑轉(zhuǎn)情況和加速曲線如圖6～圖8所示。

從圖6可見，安裝黏性聯(lián)軸器后，高附著系數(shù)路面上的車輪滑轉(zhuǎn)率略高于安裝前，但依然處于正常狀態(tài)。這是由于右側(cè)電機的部分轉(zhuǎn)矩經(jīng)黏性聯(lián)軸器傳到了左側(cè)車輪。

從圖7可以看出，未安裝黏性聯(lián)軸器的車輛右前輪出現(xiàn)嚴重的滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這時只能依靠減小右側(cè)電機的輸出轉(zhuǎn)矩來抑制滑轉(zhuǎn)。而裝有黏性聯(lián)軸器的車輛能有效地消除低附著系數(shù)路面上車輪的滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，此時無需減小右側(cè)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，從而降低了整車對驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)的依賴。而且從圖8可見，裝有黏性聯(lián)軸器的車輛加速性能有明顯改善。綜上所述，相比單一地調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)矩進行防滑控制，加裝黏性聯(lián)軸器后，整車加速性和安全性都有明顯提高。

4.2 穩(wěn)定性仿真

4.2.1 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向運動

設車輛在運動過程中轉(zhuǎn)向角不變，始終為9°，車速由零增加到40km/h后勻速行駛。圖9和圖10為車輛行駛在高附著系數(shù)路面上的仿真結(jié)果。圖11和圖12為車輛在低附著系數(shù)路面上的仿真結(jié)果。

由圖可見，安裝黏性聯(lián)軸器的車輛在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向時，橫擺角速度和側(cè)向加速度都略低于普通車輛，有輕微的不足轉(zhuǎn)向趨勢。即安裝黏性聯(lián)軸器后，在不影響車輛正常轉(zhuǎn)向的同時，提高了整車的操縱穩(wěn)定性。

4.2.2 瞬態(tài)轉(zhuǎn)向運動

設車輛從靜止加速到40km/h，待車速穩(wěn)定于40km/h后，突然給車輛一個9°的轉(zhuǎn)向角，之后保持該轉(zhuǎn)向角不變。圖13和圖14分別為車輛行駛于高附著系數(shù)路面和低附著系數(shù)路面的仿真結(jié)果?？梢姡惭b黏性聯(lián)軸器的車輛在瞬態(tài)轉(zhuǎn)向時，橫擺角速度略低于普通車輛，有輕微的不足轉(zhuǎn)向趨勢。

4.2.3 蛇形運動

設車輛以10m/s的速度勻速行駛在良好路面上，第8s時通過控制轉(zhuǎn)向盤，使車輛作蛇行運動。仿真進行20s。圖15為黏性聯(lián)軸器傳遞的轉(zhuǎn)矩，圖16為安裝黏性聯(lián)軸器前后整車橫擺角速度對比。

圖15中轉(zhuǎn)矩的正負體現(xiàn)車輛蛇形運動過程中轉(zhuǎn)矩傳遞的方向，轉(zhuǎn)矩呈正弦規(guī)律變化。從圖16可見，安裝黏性聯(lián)軸器后，橫擺角速度略低于普通車輛，整車的操縱穩(wěn)定性得到提高。

5 結(jié)論

安裝黏性聯(lián)軸器作為機電耦合裝置后，不僅使獨立驅(qū)動車輛在對開路面上的動力性和安全性明顯提高，簡化了驅(qū)動防滑控制策略，并且不影響車輛的正常轉(zhuǎn)向，使其呈現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向趨勢，操縱穩(wěn)定性得到改善。對于現(xiàn)有獨立車輪驅(qū)動系統(tǒng)存在的無法實現(xiàn)左右電機動力耦合的弊端，提出了一種可行的備選方案。

[1] Yoichi Hori. Future Vehicle Driven by Electricity and Control-research on Four-wheel-motored “UOT Electric March II”[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2004,51(5):954-962.

[2] 北京理工大學.電動汽車雙電機防滑差速驅(qū)動橋:中國,200810097693.5[P].2009-09-02.

[3] Mohan S K, Ramarao B V. Viscous Coupling in 4WD Vehicles: Application of Computational Modelling[C]. SAE Paper 1992-01-0611.

[4] 張利鵬.雙電機獨立驅(qū)動汽車動力學仿真與控制[D].北京:北京理工大學機械與車輛工程學院,2011.

[5] 劉亮,夏國棟.液體粘性聯(lián)軸器剪切轉(zhuǎn)矩計算方法[J].汽車工程,2003,25(1):30-33.

[6] 付皓.汽車電子穩(wěn)定性系統(tǒng)質(zhì)心側(cè)偏角估計與控制策略研究[D].長春:吉林大學汽車工程學院,2008.