適時(shí)四驅(qū)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮劍波， 齊志權(quán), 尹天文, 吳 沄, 李朝兵, 蘇 強(qiáng)

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081；2. 重慶長安汽車有限公司 動(dòng)力研究院, 重慶400023)

適時(shí)四驅(qū)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮劍波1， 齊志權(quán)1, 尹天文1, 吳 沄2, 李朝兵2, 蘇 強(qiáng)2

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081；2. 重慶長安汽車有限公司 動(dòng)力研究院, 重慶400023)

電控適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)在城市型SUV上得到了越來越廣泛的應(yīng)用.針對(duì)某款車輛的適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)的扭矩管理器及傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，基于dSPACE+Carsim工具設(shè)計(jì)了硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，并對(duì)典型工況下的適時(shí)四驅(qū)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究.結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的適時(shí)四驅(qū)控制硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)完全可以滿足系統(tǒng)控制策略開發(fā)的需要，為下一步控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ).

適時(shí)四驅(qū)；軸間扭矩分配；硬件在環(huán)仿真

相對(duì)于兩驅(qū)車，四驅(qū)汽車在控制前后軸動(dòng)力分配以減小車輛滑轉(zhuǎn)率和提高車輛動(dòng)力性等方面有很大的優(yōu)勢.四驅(qū)系統(tǒng)分為3種：分時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)、適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)以及全時(shí)四驅(qū)系統(tǒng).分時(shí)四驅(qū)：駕駛者必須根據(jù)路面狀況和經(jīng)驗(yàn)通過撥動(dòng)分動(dòng)器檔桿調(diào)節(jié)至4WD或2WD，是越野車最常見的四輪驅(qū)動(dòng)形式[1-2]，顯然，分時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)由于操作不方便及過分依賴駕駛者經(jīng)驗(yàn)等缺點(diǎn)具有較強(qiáng)的局限性；全時(shí)四驅(qū)：即汽車行駛過程中，全程四輪驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)形式，但是全路段的四驅(qū)增加了油耗，故而其燃油經(jīng)濟(jì)性較差[2-3]；適時(shí)四驅(qū)：正常工況下為兩輪驅(qū)動(dòng)，僅在特殊時(shí)刻下自動(dòng)切換為四驅(qū)模式，燃油經(jīng)濟(jì)性好，且結(jié)構(gòu)簡單，成本較低.

目前許多汽車公司已經(jīng)開發(fā)出了各種各樣的適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)， 其中BorgWarner公司開發(fā)出的NextracTM則是較為突出的一種，John Barlage[4]等介紹了NextracTM的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理，并給出了諸如壽命曲線和階躍響應(yīng)等的特性曲線，而Hiroyuki Ando和Tsuyoshi Murakami[5]則在其特性的基礎(chǔ)上提出了一定的控制策略，其它相關(guān)文獻(xiàn)[6]中也有提及電磁離合式差速器的控制原理.然而，對(duì)于基于NextracTM扭矩管理器的適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)深入研究依然較為缺乏.

本文首先針對(duì)某款車輛的適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)的扭矩管理器及傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模，然后基于dSPACE+Carsim工具設(shè)計(jì)了硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，最后通過仿真驗(yàn)證了該硬件在環(huán)平臺(tái)的有效性和可行性.

1 適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與全時(shí)四驅(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在較大差異.適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)沒有裝備類似全時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)一樣的中央差速裝置，而是利用一組多片離合器向后軸傳遞扭矩.本文的研究對(duì)象是基于前置前驅(qū)車輛的適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng).其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

典型適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由主減速器1、前軸差速器總成2、取力器(PTU)3、傳動(dòng)軸4、扭矩管理器5、后軸減速器6、后軸差速器總成7組成.NextracTM扭矩管理器5是一組電控多片離合裝置，通過電子控制離合器片壓緊力來調(diào)節(jié)傳遞到后軸的扭矩.

2 NextracTM建模

NextracTM的特點(diǎn)在于其第一級(jí)離合器是由電磁閥直接控制，且不同于傳統(tǒng)的鋼制離合器摩擦片，NextracTM采用的是有機(jī)材料摩擦片，這種材料賦予其卓越的NVH性能和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性.NextracTM中央差速器扭矩轉(zhuǎn)換部分的結(jié)構(gòu)如圖2所示.其執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由3部分構(gòu)成：第一級(jí)離合器、凸板-鋼球機(jī)構(gòu)、第二級(jí)離合器.其中第一級(jí)離合器的開合狀態(tài)及壓緊程度由一個(gè)電磁線圈和電樞組成的電磁閥驅(qū)動(dòng)控制.

當(dāng)驅(qū)動(dòng)扭矩控制單元輸出的控制電流i為0時(shí)，第一級(jí)離合器處于放松狀態(tài)，后軸輸入扭矩為0；當(dāng)驅(qū)動(dòng)扭矩控制單元輸出的控制電流i不為0時(shí)，通電線圈產(chǎn)生的磁場將吸引電樞軸向移動(dòng)并壓緊第一級(jí)離合器，第一級(jí)離合器產(chǎn)生的摩擦力矩使主動(dòng)凸板隨同轉(zhuǎn)動(dòng)，而從動(dòng)凸板則與后軸力矩輸入軸保持相同轉(zhuǎn)速，此時(shí)若前后軸存在轉(zhuǎn)速差，則在主從動(dòng)凸板之間將產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致鋼球周向移動(dòng)并使得第二級(jí)離合器接合壓緊，然后由輸入軸及殼體傳入的力矩將通過兩級(jí)離合器及凸板-鋼球機(jī)構(gòu)向后軸輸出[7].

圖2 NextracTM扭矩管理器

2.1 NextracTM動(dòng)力學(xué)模型

NextracTM扭矩管理器控制電流對(duì)應(yīng)扭矩管理器能傳輸?shù)淖畲笈ぞ?，即扭矩容量Tcap，如圖3所示.當(dāng)傳輸轉(zhuǎn)矩大于該容量時(shí)，離合器處于滑摩狀態(tài)，NextracTM輸出扭矩即為Tcap，否則離合器處于鎖止?fàn)顟B(tài)，前后軸機(jī)械連接.

對(duì)離合器工作狀態(tài)判斷的依據(jù)為：

1)如果當(dāng)前離合器處于滑摩狀態(tài)，而仿真過程中出現(xiàn)如下情況時(shí),

(1)

則中央差速器由滑摩狀態(tài)轉(zhuǎn)為鎖止?fàn)顟B(tài).其中dωtrcase為當(dāng)前仿真時(shí)刻前后傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速差，dωtrcase_old表示前一仿真時(shí)刻前后軸轉(zhuǎn)速差，Tlock為在鎖定的離合器上加載力矩的理論計(jì)算值，其計(jì)算公式為

(2)

其中，

.

(3)

式中：I表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；axle_F、axle_R、wF、axle_LF、axle_LR、shaft_F、shaft_R分別表示前軸、后軸、前輪、前左半軸、后左半軸、前傳動(dòng)軸以及后傳動(dòng)軸；My_load為每個(gè)車輪上涉及到輪胎力及轉(zhuǎn)矩的負(fù)載力矩；N表示輪間差速器的傳動(dòng)比.當(dāng)離合器鎖止時(shí)，扭矩管理器的輸出轉(zhuǎn)矩即為Tlock.

2)如果當(dāng)前離合器處于鎖止?fàn)顟B(tài)，而仿真過程中出現(xiàn)如下情況時(shí),

|Tcap|<|Ttrcase|,

(4)

則離合器轉(zhuǎn)為滑摩狀態(tài).其中，

Ttrcase=Klock_trcase×dφtrcase+Dlock_trcase×dωtrcase

,

(5)

式中：Klock_trcase、Dlock_trcase分別表示離合器鎖止時(shí)的剛度和阻尼；dφtrcase表示前后傳動(dòng)軸之間的轉(zhuǎn)角差.

圖3 NextracTM扭矩管理器扭矩容量

2.2 NextracTM動(dòng)力學(xué)模型在Matlab/Simulink中的實(shí)現(xiàn)

NextracTM動(dòng)力學(xué)模型的輸入為控制器向第一級(jí)離合器電磁線圈中輸入的控制電流、變速器的輸出轉(zhuǎn)矩、前后軸轉(zhuǎn)速、地面作用于4個(gè)車輪的切向反作用力及其各自受到的滾動(dòng)阻力偶矩，輸出為傳輸?shù)胶筝喌尿?qū)動(dòng)扭矩，如圖4所示.

圖4 NextracTM扭矩管理器simulink模型

3 適時(shí)四驅(qū)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)

基于DS1103 dSPACE系統(tǒng)和Carsim車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件，在MATLAB/Simulink環(huán)境中搭建適時(shí)四驅(qū)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái).整車模型在Carsim中搭建，扭矩管理器模型在Simulink環(huán)境下構(gòu)建，適時(shí)四驅(qū)控制器通過CAN總線和接口電路與dSPACE進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真.具體結(jié)構(gòu)如圖5所示，運(yùn)行于dSPACE系統(tǒng)中的車輛模型通過CAN總線輸出輪速、節(jié)氣門開度、方向盤轉(zhuǎn)角等車輛狀態(tài)信息，適時(shí)控制系統(tǒng)控制器(AWD控制器)實(shí)物基于該信息進(jìn)行分析判斷，并輸出控制信號(hào)控制扭矩管理器實(shí)物；設(shè)計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，采集ITM線圈電流并輸入dSPACE系統(tǒng)中，ITM模型基于該電流信號(hào)和車輛狀態(tài)信息實(shí)時(shí)計(jì)算前后軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，反饋到Carsim車輛模型中，實(shí)現(xiàn)適時(shí)四驅(qū)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真.圖6為適時(shí)四驅(qū)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)平臺(tái)實(shí)物.

圖5 適時(shí)四驅(qū)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)平臺(tái)原理

圖6 適時(shí)四驅(qū)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)平臺(tái)實(shí)物

4 適時(shí)四驅(qū)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗(yàn)

1)AWD控制直線加速行駛性能對(duì)比

車輛在峰值附著系數(shù)為0.85的路面上從0 km/h全油門起步加速，AWD與FWD車輛對(duì)比結(jié)果如圖7所示.其中實(shí)線表示AWD控制結(jié)果，虛線表示FWD結(jié)果.可以看出，車速較低時(shí)，車輛縱向加速度較大，控制器輸出較大電流，扭矩管理器迅速鎖止；隨著車速上升，加速度隨之減小，控制電流減小，扭矩管理器解鎖進(jìn)入滑磨狀態(tài)；當(dāng)車速較高時(shí)，加速度較小，前后軸轉(zhuǎn)速差也較小，控制器不輸出電流，車輛變?yōu)榍膀?qū)行駛.

與車輛前驅(qū)對(duì)比.在該工況下，AWD系統(tǒng)在車輛起步初始階段防止了前后軸轉(zhuǎn)速差過大，明顯提升了車輛在起步初始階段的加速度和車速.相比于FWD車輛，AWD車輛的百公里加速時(shí)間縮短0.84 s；起步過程中峰值縱向加速度提高約0.3 g，提升約75%.但由于路面附著情況良好，AWD車輛在高速區(qū)間動(dòng)力性提升不明顯，也正因此AWD系統(tǒng)在高速區(qū)間采用兩驅(qū)行駛.

圖7 AWD與FWD車輛控制直線加速度對(duì)比結(jié)果

2)AWD控制操縱穩(wěn)定性能對(duì)比

車輛沿目標(biāo)雙移線行駛，并在彎道中加速.AWD控制結(jié)果和FWD車輛仿真結(jié)果如圖8所示.可以看出，在此工況下，相比于FWD，AWD車輛可以在駕駛員明顯較小的方向盤轉(zhuǎn)角下使車輛有更好的循跡性.即具有較好的操作性.

圖8 AWD控制結(jié)果和FWD仿真結(jié)果對(duì)比

5 結(jié) 論

基于dSPACE+Carsim工具設(shè)計(jì)的在環(huán)仿真平臺(tái)可以有效提高適時(shí)四驅(qū)控制系統(tǒng)研究的靈活性，在此平臺(tái)的基礎(chǔ)上對(duì)典型工況下的適時(shí)四驅(qū)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究.結(jié)果表明，AWD控制系統(tǒng)能夠較為明顯地提升車輛的動(dòng)力性和操縱性，工作效果符合預(yù)期.

[1] Kiyotaka L. The Lexus Traction Control (TRAC) System[R]. SAE Technical Paper 900212, 1990.doi:10.4271/900212.

[2] 劉清波, 李 季. 智能四驅(qū)與其他四驅(qū)系統(tǒng)仿真比較[J].科技經(jīng)濟(jì)市場 ,2006(5)：16.

[3] Mitsuru O,Hirokazu S, Takashi Y. Development of a new electronically controlled 4WD system: Toyota active torque control 4WD[J]. SAE,1999-01-0744.

[4] Barlage J, Mastie J, Niffenegger D. Development of NextracTM Electronic Driveline Coupling for Front-Wheel Drive Based All-Wheel Drive Applications[R]. SAE Technical Paper, 2007-01-0660.

[5] Ando H, Murakami T. Awd vehicle simulation with the intelligent torque controlled coupling as a fully controllable awd system[R]. SAE Technical Paper, 2005-01-0552.

[6] Piyabongkarn D, Grogg J, Yuan Q, et al. Dynamic modeling of torque-biasing devices for vehicle yaw control[R]. SAE Technical Paper, 2006-01-1963.

[7] 肖文棟. 某四驅(qū)汽車驅(qū)動(dòng)扭矩分配特性與滑模變結(jié)構(gòu)控制研究[D].吉林:吉林大學(xué),2015.

Design of Hardware-in-the-Loop Simulation Platform forOn-Demand All-Wheel-Drive Vehicles

FENG Jian-bo1, QI Zhi-quan1, YIN Tian-wen1, WU Yun2, LI Chao-bing2, SU Qiang2

(1.School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology，Beijing 100081,China；2. Changan Automotive Co. LTD., Chongqing 400023,China)

The electronically controlled on-demand All-Wheel-Drive (AWD) system is increasingly used in urban SUVs. An Intelligent Torque Management (ITM) controller of the system and the transmission of a certain urban SUV are modeled. Based on the dSPACE+Carsim, a hardware-in-the-loop (HIL) simulation platform is designed. The simulation study of the control system is carried out under some typical working conditions. The simulation results show that the designed HIL system can meet the requirements of developing the corresponding control strategies, laying a foundation for the further research on the control system.

on-demand AWD；torque distribution between driving shafts；hardware-in-the-loop simulation

1009-4687(2017)02-0014-04

2016-11-18

馮劍波(1989-)，男，博士研究生，研究方向?yàn)榛谶m時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)的車輛動(dòng)力學(xué)及其控制.

U461.1

A