電子差速系統(tǒng)輪胎附著特性模擬仿真研究

宋廣青　胡鉉哲　余潔　徐鎮(zhèn)煒

摘 要：電子差速系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的機(jī)械式差速器可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的精準(zhǔn)分配，根據(jù)輪胎的縱向運(yùn)動特性以及側(cè)向運(yùn)動特性，結(jié)合輪胎滑移率讓內(nèi)外側(cè)車輪在過彎時擁有足夠的附著力，減小整車的橫擺角速度，提高過彎穩(wěn)定性。采用后輪雙電機(jī)的驅(qū)動方案，驅(qū)動電機(jī)采用直接轉(zhuǎn)矩控制的方法，由整車控制器將指定的計算轉(zhuǎn)矩信號發(fā)送給電機(jī)控制器完成動力分配，所需轉(zhuǎn)矩根據(jù)駕駛員的加速踏板及方向盤轉(zhuǎn)角，運(yùn)用阿克曼轉(zhuǎn)向模型計算得到。關(guān)鍵詞：電子差速;輪胎特性;雙電機(jī)驅(qū)動;側(cè)向運(yùn)動狀態(tài);方向盤轉(zhuǎn)角中圖分類號：U467? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）02-52-04

Abstract： Compared with the traditional mechanical differential mechanism， the electronic differential system can achieve accurate distribution of torque. According to the longitudinal and the lateral motion characteristics of the tire， combined with the slip rate of the tire， the inner and outer wheels have sufficient adhesion during cornering， so as to reduce the vehicles yaw angle speed and improve cornering stability. The driving scheme of double motors for rear wheels is adopted. The driving motor adopts the direct torque control method. The vehicle controller sends the specified calculated torque signal to the motor controller to complete power distribution. The required torque is calculated according to the drivers accelerator pedal and steering wheel angle by using ackerman steering model.Keywords： Electronic differential; Tire characteristics; Double motor drive; Lateral motion state; Steering wheel angleCLC NO.： U467? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-52-04

引言

隨著新能源汽車的普及以及雙電機(jī)后輪驅(qū)動方案的實現(xiàn)，電子差速系統(tǒng)的研究也紛紛展開。電子差速系統(tǒng)主要由驅(qū)動系統(tǒng)以及電機(jī)協(xié)調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成，目前國內(nèi)外的研究重點(diǎn)都是電機(jī)的控制方案以及差速控制邏輯和算法的研究，葛英輝^[1]提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行差速調(diào)節(jié);吳道龍^[2]針對單次轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的響應(yīng)延遲穩(wěn)定性下降的情況提出了二次轉(zhuǎn)矩分配的方案;Kada HARTANI^[3]在電機(jī)控制層面采用了DTC（Direct Torque Control）的直接轉(zhuǎn)矩控制法縮短電機(jī)的響應(yīng)時間。然而在動力學(xué)模型分析上的研究相對較少尤其是電子差速過程中輪胎特性的研究極少，馬浩軍^[4]考慮了側(cè)傾運(yùn)動時的控制方案;張煒培^[5]分析了橫擺工況下轉(zhuǎn)向特性;陳江松^[6]針對高速時差速系統(tǒng)失穩(wěn)的情況提出了橫擺力矩控制的解決方案，這些差速系統(tǒng)的動力學(xué)分析為本文針對差速過程中輪胎特性的變化進(jìn)行研究提供了借鑒和參考。

1 模擬仿真研究

1.1 駕駛工況模擬

采用主動差速的形式，如圖1所示，借助simulink中的Dynamics Vehicle block里的駕駛員模型可以模擬在實際工況中的駕駛情況，該模塊輸出加速踏板信號和方向盤轉(zhuǎn)角信號，加速踏板將加速信號傳遞給中央控制器，由于是線性踏板，踏板的角位移傳感器將踏板的實際角度傳達(dá)給中央控制器，進(jìn)而確定電機(jī)所需的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩;方向盤轉(zhuǎn)角信號經(jīng)過阿克曼轉(zhuǎn)向模型計算模塊得到實際的前輪轉(zhuǎn)角，進(jìn)而確定轉(zhuǎn)彎半徑，然而算得內(nèi)外側(cè)車輪的差速值。如圖2為整車的“人—車—路”閉環(huán)控制邏輯框圖。

1.2 理想阿克曼轉(zhuǎn)向模型

通過理想的阿爾曼轉(zhuǎn)向模型可知（中性轉(zhuǎn)向），直線時車輪具有完全相同的速度，在曲線軌跡中，兩輪速度的差值保證了車輛在曲線上的軌跡。請參見圖3。由于兩個后輪是由兩個單獨(dú)的電機(jī)直接驅(qū)動的，因此在曲線轉(zhuǎn)向時，位于曲線外側(cè)的車輪的速度需要大于內(nèi)側(cè)車輪的速度，這有助于輪胎在轉(zhuǎn)彎時減少牽引力。軸距L;輪距D;前輪轉(zhuǎn)角δ;轉(zhuǎn)彎半徑R;整車角速度ω₀;輪心縱向速度V;車輪縱向角速度ω_r;減速比k_gear;通過計算，求得內(nèi)外側(cè)車輪電機(jī)需要的不同速度，如圖4所示：

1.3 側(cè)偏時的載荷轉(zhuǎn)移計算并根據(jù)輪胎附著力進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配

電子差速最關(guān)鍵的是可以差速不差矩，給內(nèi)外側(cè)車輪分配足夠的轉(zhuǎn)矩;傳統(tǒng)的機(jī)械式差速器都是被動的差速，輪胎的附著力反饋給差速器，從而進(jìn)行差速，但是如果是復(fù)雜惡劣工況下的路面，差速器就會讓一側(cè)輪胎失去附著力，影響整車穩(wěn)定性。而主動差速既可以根據(jù)路面的實際附著系數(shù)合理分配車輪轉(zhuǎn)矩;因此在電子差速系統(tǒng)中，輪胎的附著情況是轉(zhuǎn)矩分配的依據(jù)，需要對其進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。車輛在過彎時會因為側(cè)傾而產(chǎn)生橫向的載荷轉(zhuǎn)移，會對輪胎的附著系數(shù)—滑移率曲線產(chǎn)生影響，如圖5和圖6為有無側(cè)偏時輪胎的不同狀態(tài)曲線圖;輪胎的附著力主要由垂直載荷決定，在過彎時，整車的載荷轉(zhuǎn)移可以分解為簧上質(zhì)量離心力、簧下質(zhì)量離心力和車身質(zhì)心偏移引起的三個部分，圖7為側(cè)傾時的整車簡化模型，整車質(zhì)心至前軸距離a;距后軸距離b;質(zhì)心高度h;整車質(zhì)量m;重力加速度g;后懸架側(cè)傾角剛度K_φr;車廂側(cè)傾角φ_r;路面橫向坡度角φ₀;期望轉(zhuǎn)矩T_m。

1.4 建模仿真

1.4.1 建模

根據(jù)以上動力學(xué)分析進(jìn)行數(shù)學(xué)計算模型搭建。

1.4.2 仿真參數(shù)設(shè)置

1.4.3 仿真結(jié)果分析

為了驗證差速系統(tǒng)模型的差速效果，本文設(shè)定兩種工況：①固定加速踏板信號，改變方向盤轉(zhuǎn)角。②固定方向盤輸入轉(zhuǎn)角，改變加速踏板信號。第一種工況如圖14，15所示，電機(jī)輸入動力不變的情況下隨著方向盤轉(zhuǎn)角的不斷增大，整車為了保持穩(wěn)定狀態(tài)，兩側(cè)車輪都需要更多的附著力，且外側(cè)車輪附著力需求大于內(nèi)側(cè)，圖示波形也論證了這一結(jié)論，與

實際情況大致相符合。根據(jù)仿真波形，第二種工況時如圖16，17所示，速度差值穩(wěn)定在一個值，速度加快時輪胎的側(cè)向附著力也隨之增加以克服速度增加引起的離心力，輪胎處于一個正常的工作狀態(tài)，整車處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2 總結(jié)

根據(jù)以上的建模仿真分析，在差速的時候輪胎仍能保持足夠的附著力，根據(jù)理想阿克曼轉(zhuǎn)向和過彎橫向載荷轉(zhuǎn)移自由度模型以及允許一定范圍滑移率進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配的電子差速系統(tǒng)，在多種駕駛動作下都可以滿足車輛過彎時的工況要求，保證內(nèi)外側(cè)的輪胎附著要求，仿真結(jié)果與本文設(shè)定的工況相符，因此電子差速系統(tǒng)中輪胎的附著特性是一個必須重視的因素。

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