基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車力矩分配控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車的力矩分配控制系統(tǒng)，其包括ECU、車輪轉(zhuǎn)速傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車身速度傳感器、液壓控制式制動(dòng)器、橫擺角速度傳感器、軸間電控限滑差速器，其中：車輪轉(zhuǎn)速傳感器、車身速度傳感器、橫擺角速度傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器均與ECU的輸入端連接，軸間電控限滑差速器和液壓控制式制動(dòng)器均與ECU輸出端連接。本發(fā)明對(duì)汽車施加力矩分配綜合控制和施加軸間扭矩分配控制之后，車輛表現(xiàn)出良好的動(dòng)力性能和操縱穩(wěn)定性能，因而在改善汽車的牽引通過(guò)性、方向穩(wěn)定性或轉(zhuǎn)向操縱性中應(yīng)用時(shí)具有較好的實(shí)用性。
【專利說(shuō)明】
基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車力矩分配控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于四輪驅(qū)動(dòng)汽車操縱穩(wěn)定性控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車 轉(zhuǎn)向工況下的軸間驅(qū)動(dòng)力矩控制和車輪制動(dòng)力矩控制的綜合性力矩分配控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)汽車動(dòng)力性、操縱穩(wěn)定性和安全性等各種性能的要 求越來(lái)越高。四輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)由于能充分利用車輪的附著力，獲得盡可能大的驅(qū)動(dòng)力，因此越 來(lái)越多的高檔轎車和運(yùn)動(dòng)型汽車都開始應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)。
[0003] 四輪驅(qū)動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，軸間扭矩分配控制技術(shù)是四輪驅(qū)動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò) 控制前后軸間和左右輪間的扭矩分配以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)車輪的最佳牽引性能，使車輛充分利用地 面附著力，從而使汽車在行駛中適應(yīng)不斷變化的行駛狀態(tài)和路面情況，把驅(qū)動(dòng)力矩合理地 分配給各驅(qū)動(dòng)輪，充分發(fā)揮各輪胎的驅(qū)動(dòng)力，使被控制的車輪獲得較大的縱向和側(cè)向附著 力，但是必須要保證扭矩再分配后各驅(qū)動(dòng)輪路面附著條件良好。以達(dá)到改善汽車的牽引通 過(guò)性、方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱性的目的。
[0004] 例如，當(dāng)汽車表征為不足轉(zhuǎn)向時(shí)，牽引力控制系統(tǒng)會(huì)將前軸的驅(qū)動(dòng)力矩更多的分 配給外前輪來(lái)抑制不足轉(zhuǎn)向，此時(shí)外前輪的驅(qū)動(dòng)力變大。若突破路面附著極限，將會(huì)出現(xiàn)滑 轉(zhuǎn)現(xiàn)象，則外前輪的側(cè)向力將會(huì)急劇下降，顯然這對(duì)于轉(zhuǎn)向中的汽車來(lái)說(shuō)是極為不安全的 工況?？梢?jiàn)，無(wú)論是差動(dòng)制動(dòng)控制還是牽引力控制都有缺陷。目前來(lái)看，在轉(zhuǎn)向工況下汽車 的操縱穩(wěn)定性和動(dòng)力性處于一種魚與熊掌不可兼得關(guān)系下，所以，為了兼顧汽車的動(dòng)力性 和操縱穩(wěn)定性，對(duì)軸間驅(qū)動(dòng)力矩分配控制和車輪制動(dòng)力矩分配控制的綜合性研究是很有必 要的。
[0005] 本發(fā)明提出了一種軸間驅(qū)動(dòng)力矩控制和車輪制動(dòng)力矩控制的綜合性力矩分配控 制系統(tǒng)，以四輪驅(qū)動(dòng)汽車為研究對(duì)象，將電子控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)機(jī)械控制系統(tǒng)相結(jié)合。根據(jù)當(dāng) 前車輛行駛工況，通過(guò)各傳感器采集的信息輸入到ECU，利用其內(nèi)部存儲(chǔ)的控制程序，對(duì)傳 感器采集的各種信號(hào)進(jìn)行分析、判斷、計(jì)算和處理，產(chǎn)生信號(hào)控制電控限滑差速器和液壓控 制式制動(dòng)器的執(zhí)行系統(tǒng)的動(dòng)作，主動(dòng)進(jìn)行前后驅(qū)動(dòng)軸間驅(qū)動(dòng)力矩的調(diào)配和改變相應(yīng)車輪的 制動(dòng)壓力，將前后軸轉(zhuǎn)速差和車輛橫擺角速度控制在理想范圍內(nèi)，來(lái)保證汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的安 全性和穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車的力矩分配控制系 統(tǒng)，以便將前后軸轉(zhuǎn)速差和車輛橫擺角速度控制在理想范圍內(nèi)，來(lái)保證汽車轉(zhuǎn)向時(shí)的安全 性和穩(wěn)定性。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用以下的技術(shù)方案：
[0008] 本發(fā)明提供的基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車的力矩分配控制系統(tǒng)，包括ECU、車輪轉(zhuǎn)速傳感 器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車身速度傳感器、液壓控制式制動(dòng)器、橫擺角速度傳感器、軸間電控 限滑差速器，其中：車輪轉(zhuǎn)速傳感器、車身速度傳感器、橫擺角速度傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感 器均與ECU的輸入端連接，軸間電控限滑差速器和液壓控制式制動(dòng)器均與ECU輸出端連接。
[0009] 該基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車的力矩分配控制系統(tǒng)還設(shè)有液壓控制式制動(dòng)器，在汽車轉(zhuǎn)向 時(shí)當(dāng)ECU判斷為實(shí)際橫擺角速度與理想橫擺角速度之間的差值超過(guò)上下門限值的非穩(wěn)定狀 態(tài)，需要對(duì)指定車輪進(jìn)行制動(dòng)以產(chǎn)生附加橫擺力矩將橫擺角速度控制在穩(wěn)定范圍。
[0010] 所述的液壓控制式制動(dòng)器，采用盤式制動(dòng)器，裝在各個(gè)車輪輪轂處。
[0011] 所述的車輪轉(zhuǎn)速傳感器，采用電磁感應(yīng)式車輪轉(zhuǎn)速傳感器，裝在各個(gè)車輪輪轂上， 用于計(jì)算前后軸實(shí)際轉(zhuǎn)速差和監(jiān)測(cè)車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)。
[0012] 所述的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，采用數(shù)字式方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，裝在方向盤下方的方 向柱內(nèi)，用于采集汽車轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)；當(dāng)ECU判定出汽車轉(zhuǎn)向時(shí)需要對(duì)液壓控制式 制動(dòng)器施加附加橫擺力矩時(shí)，決策出該附加力矩施加的車輪位置。
[0013] 所述的車身速度傳感器，采用磁電式車速成傳感器，裝在變速器殼體內(nèi)，用于采集 車輛質(zhì)心縱向速度，計(jì)算汽車轉(zhuǎn)向時(shí)前后軸理想轉(zhuǎn)速差和極限橫擺角速度，以及用于監(jiān)測(cè) 車身質(zhì)心縱向速度信號(hào)。
[0014] 所述的橫擺角速度傳感器，裝在扶手箱下面，用于測(cè)量車身實(shí)際橫擺角速度，具體 是用于計(jì)算汽車轉(zhuǎn)向時(shí)實(shí)際橫擺角速度與理想橫擺角速度之間的差值，以及用于監(jiān)測(cè)車身 橫擺角速度信號(hào);利用ECU內(nèi)存儲(chǔ)的程序進(jìn)行相應(yīng)的控制。
[0015] 所述的軸間電控限滑差速器，采用由行星齒輪差速器和電控離合器兩部分組成的 主動(dòng)電控式軸間差速器，裝在前后驅(qū)動(dòng)橋之間；在轉(zhuǎn)向時(shí)當(dāng)ECU判斷為有車輪過(guò)度滑轉(zhuǎn)時(shí)， 用于產(chǎn)生摩擦力矩以對(duì)前后軸的驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行再分配。
[0016] 本發(fā)明提供的上述的基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車的力矩分配控制系統(tǒng)，其用途是:在改善 汽車的牽引通過(guò)性、方向穩(wěn)定性或轉(zhuǎn)向操縱性中的應(yīng)用。
[0017] 該基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車的力矩分配控制系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，其在車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中，通過(guò)各 車輪的轉(zhuǎn)速傳感器及其它傳感器將采集到的包括車輪轉(zhuǎn)速行駛狀態(tài)信息傳遞給裝在發(fā)動(dòng) 機(jī)附近的ECU，經(jīng)ECU對(duì)傳感器采集的各種信號(hào)進(jìn)行分析、判斷、計(jì)算和處理后，發(fā)出指令控 制電控限滑差速器和液壓控制式制動(dòng)器的執(zhí)行系統(tǒng)的動(dòng)作，以達(dá)到控制作用來(lái)保證車輛轉(zhuǎn) 向安全性和操縱穩(wěn)定性。
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的主要優(yōu)點(diǎn)：
[0019] 轉(zhuǎn)向工況下，傳統(tǒng)四輪驅(qū)動(dòng)汽車除了差動(dòng)制動(dòng)控制外，還用到了牽引力控制系統(tǒng)， 通過(guò)控制扭矩分配裝置調(diào)整輪間的驅(qū)動(dòng)力矩或者軸間的驅(qū)動(dòng)力矩，產(chǎn)生附加橫擺力矩來(lái)調(diào) 整汽車的轉(zhuǎn)向特性，但是必須要保證驅(qū)動(dòng)力矩再分配后各驅(qū)動(dòng)輪路面附著狀態(tài)良好。例如， 當(dāng)汽車表征為不足轉(zhuǎn)向時(shí)，牽引力控制系統(tǒng)可以將左前輪的驅(qū)動(dòng)力矩更多的分配給右前輪 來(lái)抑制不足轉(zhuǎn)向，此時(shí)右前輪的驅(qū)動(dòng)力變大，若突破路面附著極限，將會(huì)出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，則 右前輪的側(cè)向力將會(huì)急劇下降，顯然這對(duì)于轉(zhuǎn)向中的汽車來(lái)說(shuō)是極為不安全的工況?？梢?jiàn)， 無(wú)論是差動(dòng)制動(dòng)控制還是牽引力控制都有缺陷。目前來(lái)看，轉(zhuǎn)向工況下無(wú)法同時(shí)保證汽車 的操縱穩(wěn)定性和動(dòng)力性。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種四輪驅(qū)動(dòng)汽車力矩分配控制 系統(tǒng)。
[0020] 本發(fā)明分析了目前車輛轉(zhuǎn)向時(shí)的所采用的控制策略的缺陷，針對(duì)以往轉(zhuǎn)向工況下 單一的進(jìn)行制動(dòng)力矩控制或者扭矩分配控制來(lái)調(diào)整汽車的轉(zhuǎn)向特性，制定驅(qū)動(dòng)力分配與制 動(dòng)力分配的綜合控制策略，并對(duì)制定的控制策略提出性能要求以提高轉(zhuǎn)向工況下的操縱穩(wěn) 定性能和動(dòng)力性能。具體的分析了軸間扭矩分配及制動(dòng)力矩分配的控制原理，確定基于前 后軸轉(zhuǎn)速差的軸間扭矩分配控制策略，提高轉(zhuǎn)向時(shí)車輛的動(dòng)力性能，并分析了軸間扭矩分 配對(duì)車輛轉(zhuǎn)向特性的影響。確定了制動(dòng)力矩分配控制策略，提高轉(zhuǎn)向時(shí)車輛的操縱穩(wěn)定性。 綜合各種控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)，為軸間扭矩分配控制策略選擇PID控制，為制動(dòng)力矩分配控制 策略選擇增量式ro控制，最終完成對(duì)力矩分配綜合控制策略的建模。相關(guān)仿真對(duì)比數(shù)據(jù)請(qǐng) 參考說(shuō)明書附圖模塊中各數(shù)據(jù)曲線圖。
[0021] 本發(fā)明分別從單移線工況和角階躍工況下，提供了無(wú)控制系統(tǒng)、軸間扭矩分配控 制系統(tǒng)和本發(fā)明的力矩分配綜合控制系統(tǒng)三種條件下的轉(zhuǎn)向仿真分析數(shù)據(jù)，由表1和表2所 列的對(duì)比數(shù)據(jù)可知本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)之處。
[0022] 由表1可知：只進(jìn)行軸間扭矩分配控制與沒(méi)有控制時(shí)候的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析： 可以看到車輛在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的車速更加穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率峰值由也基本保持在〇. 1以 下，車輛的動(dòng)力性得到顯著的改善。在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，扭矩大多數(shù)時(shí)間是向前軸轉(zhuǎn)移，使車輛 的過(guò)多轉(zhuǎn)向得到一定的抑制，結(jié)果是車輛在方向盤右轉(zhuǎn)的過(guò)程中橫擺角速度的絕對(duì)值的最 大值由未經(jīng)控制時(shí)的〇. 38rad/s降低到0.32rad/s;但是在轉(zhuǎn)向過(guò)程快結(jié)束時(shí)，軸間扭矩分 配裝置開始向后軸轉(zhuǎn)移扭矩，增大了車輛的過(guò)多轉(zhuǎn)向趨勢(shì)，導(dǎo)致的直接結(jié)果為汽車最終的 跑偏程度相比較無(wú)控制的情況略微偏大，由-12.5m增至-20m;橫擺角由-0.2以(1增至-0.28rad。此外，驅(qū)動(dòng)輪的過(guò)度滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象得到改善，使得方向盤右轉(zhuǎn)時(shí)的質(zhì)心側(cè)偏角峰值由 0 · 41rad 降低到 0 · 25rad。
[0023] 力矩分配綜合控制與只進(jìn)行軸間扭矩分配控制條件下的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析： 車輛行駛速度在轉(zhuǎn)向過(guò)程中依然能保持穩(wěn)定，波動(dòng)幅度非常?。卉囕v的質(zhì)心側(cè)偏角變化幅 度小，方向盤右轉(zhuǎn)時(shí)峰值由〇 . 25rad降至0.034rad，符合單移線工況下的變化趨勢(shì);橫擺角 速度極值有所減小，方向盤右轉(zhuǎn)時(shí)峰值由〇. 32rad/s降至0.22rad/s，變化趨勢(shì)較好的跟隨 理想橫擺角速度;汽車最終的跑偏程度相比較明顯偏小，由_20m減小至8.6m;車輛橫擺角在 轉(zhuǎn)向結(jié)束后歸零，車輛行駛軌跡滿足駕駛員的操作意圖。車輛在單移線轉(zhuǎn)向工況下表現(xiàn)出 良好的動(dòng)力性能和操縱穩(wěn)定性能。
[0024] 綜上所述，由表1所列的對(duì)比數(shù)據(jù)可知：在施加軸間扭矩分配控制之后，車輛轉(zhuǎn)向 時(shí)的動(dòng)力性能有所改善，但是操縱穩(wěn)定性能沒(méi)有得到明顯的提升，而施加力矩分配綜合控 制時(shí)車輛表現(xiàn)出良好的動(dòng)力性能和操縱穩(wěn)定性能。
[0025] 由表2可知：只進(jìn)行軸間扭矩分配控制與沒(méi)有控制時(shí)候的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析： 各車輪的滑轉(zhuǎn)率穩(wěn)定在很小的范圍內(nèi)峰值由〇 . 75減小至0.4,質(zhì)心側(cè)偏角峰值由0.0 Olrad 增至0.003rad，橫擺角由0.11^(1增至0.42以(1，橫擺角速度峰值由0.025^(1/8增至 0.1 lrad/s。由于滑轉(zhuǎn)率較低，質(zhì)心側(cè)偏角、橫擺角、橫擺角速度峰值等都有所提高，車輛前 軸的車輪相對(duì)工作狀態(tài)有所改善，側(cè)向附著力也隨之提高，轉(zhuǎn)向性能增強(qiáng)。整車縱向速度由 無(wú)控制情況下的45km/h增至60km/h，軸間扭矩分配控制時(shí)縱向位移由3. lm增至16.5m，明顯 提高了車輛動(dòng)力性。
[0026] 力矩分配綜合控制與只進(jìn)行軸間扭矩分配控制條件下的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析： 縱向位移由16.5m增至19.5m，質(zhì)心側(cè)偏角峰值變化不大，橫擺角由0.42rad增至0.48rad，橫 擺角速度峰值由〇. 1 lrad/s增至0.14rad/s，且符合理想變化趨勢(shì)。由于制動(dòng)力矩分配裝置 對(duì)左后輪進(jìn)行了制動(dòng)，導(dǎo)致左后輪的輪速和滑轉(zhuǎn)率在制動(dòng)過(guò)程中有所下降。
[0027] 綜上所述，由表2所列的對(duì)比數(shù)據(jù)可知：在施加軸間扭矩分配控制之后，車輛轉(zhuǎn)向 時(shí)的動(dòng)力性和操縱穩(wěn)定性能有一定改善，但是沒(méi)有得到明顯的提升，而施加力矩分配綜合 控制時(shí)車輛表現(xiàn)出良好的動(dòng)力性能和操縱穩(wěn)定性能。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的整體分布結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2是力矩分配控制系統(tǒng)的控制流程圖；
[0030]圖3是軸間力矩分配策略圖。
[0031 ]圖4是軸間扭矩分配控制器模型圖。
[0032]圖5是軸間分配扭矩限值模塊圖。
[0033]圖6是制動(dòng)力矩分配控制策略圖。
[0034]圖7是制動(dòng)力矩分配控制器模型圖。
[0035]圖8-15是無(wú)控制情況下階躍轉(zhuǎn)向仿真分析曲線圖。
[0036]圖8是車速-實(shí)際仿真時(shí)間關(guān)系曲線圖。
[0037]圖9是各車輪轉(zhuǎn)速-實(shí)際仿真時(shí)間關(guān)系曲線圖。
[0038]圖10是實(shí)際、理想前后軸轉(zhuǎn)速差-實(shí)際仿真時(shí)間關(guān)系曲線圖。
[0039]圖11是各車輪滑轉(zhuǎn)率-實(shí)際仿真時(shí)間關(guān)系曲線圖。
[0040]圖12是縱向位移-橫向位移關(guān)系曲線圖。
[0041]圖13是質(zhì)心側(cè)偏角-實(shí)際仿真時(shí)間關(guān)系曲線圖。
[0042]圖14是車身橫擺角-實(shí)際仿真時(shí)間關(guān)系曲線圖。
[0043]圖15是車身橫擺角速度-實(shí)際仿真時(shí)間關(guān)系曲線圖。
[0044]圖16-23是力矩分配綜合控制策略下階躍轉(zhuǎn)向仿真分析曲線圖。
[0045] 圖16是車速-實(shí)際仿真時(shí)間關(guān)系曲線圖。
[0046] 圖17是各車輪轉(zhuǎn)速-實(shí)際仿真時(shí)間關(guān)系曲線圖。
[0047]圖18是實(shí)際、理想前后軸轉(zhuǎn)速差-實(shí)際仿真時(shí)間關(guān)系曲線圖。
[0048]圖19是各車輪滑轉(zhuǎn)率-實(shí)際仿真時(shí)間關(guān)系曲線圖。
[0049]圖20是縱向位移-橫向位移關(guān)系曲線圖。
[0050] 圖21是質(zhì)心側(cè)偏角-實(shí)際仿真時(shí)間關(guān)系曲線圖。
[0051] 圖22是車身橫擺角-實(shí)際仿真時(shí)間關(guān)系曲線圖。
[0052]圖23是車身橫擺角速度-實(shí)際仿真時(shí)間關(guān)系曲線圖。
[0053]圖中：1. E⑶，2 .車輪轉(zhuǎn)速傳感器，3.方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，4.車身速度傳感器，5.液 壓控制式制動(dòng)器，6.橫擺角速度傳感器，7.軸間電控限滑差速器。
【具體實(shí)施方式】
[0054]本發(fā)明提供的是一種基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向工況下的軸間驅(qū)動(dòng)力矩控制和車輪 制動(dòng)力矩控制的綜合性力矩分配控制系統(tǒng)。它可以根據(jù)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，通過(guò)傳感器對(duì)應(yīng)采集 各車輪轉(zhuǎn)速、車身質(zhì)心縱向速度、橫擺角速度和方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)等信息，并傳遞給ECU利用 其內(nèi)部存儲(chǔ)的程序自動(dòng)計(jì)算前后軸實(shí)際、理想轉(zhuǎn)速差和極限、理想橫擺角速度，對(duì)傳感器采 集的各種信號(hào)進(jìn)行分析、判斷、計(jì)算和處理，產(chǎn)生信號(hào)控制電控限滑差速器和液壓控制式制 動(dòng)器的執(zhí)行系統(tǒng)的動(dòng)作，以保證車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性。
[0055] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不限定本發(fā)明。
[0056] 本發(fā)明提供的基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車的力矩分配控制系統(tǒng)，如結(jié)構(gòu)如圖1-圖7所示，包 括ECU 1、車輪轉(zhuǎn)速傳感器2、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器3、車身速度傳感器4、液壓控制式制動(dòng)器5、 橫擺角速度傳感器6、軸間電控限滑差速器7。其中，車輪轉(zhuǎn)速傳感器、車身速度傳感器、橫擺 角速度傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器均與ECU的輸入端連接，軸間電控限滑差速器和液壓控制 式制動(dòng)器均與ECU輸出端連接。
[0057] 所述的EQJ l(Electronic Control Unit)，裝在發(fā)動(dòng)機(jī)附近，其是電子控制單元， 又稱"行車電腦"、"車載電腦"等，用于對(duì)傳感器采集的各種信號(hào)進(jìn)行分析、判斷、計(jì)算和處 理，產(chǎn)生信號(hào)控制軸間電控限滑差速器和液壓控制式制動(dòng)器的執(zhí)行系統(tǒng)的動(dòng)作，以達(dá)到控 制作用來(lái)保證車輛轉(zhuǎn)向安全性和操縱穩(wěn)定性。
[0058]所述的車輪轉(zhuǎn)速傳感器2,裝在各個(gè)車輪輪轂上，用于監(jiān)測(cè)車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)，可以采 用電磁感應(yīng)式車輪轉(zhuǎn)速傳感器。
[0059] 所述的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器3,裝在方向盤下方的方向柱內(nèi)，用于監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)向角信號(hào)， 可以采用數(shù)字式方向盤轉(zhuǎn)角傳感器。
[0060] 所述的車身速度傳感器4,裝在變速器殼體內(nèi)，用于監(jiān)測(cè)車身質(zhì)心縱向速度信號(hào)， 可以采用磁電式車速成傳感器。
[0061] 所述的橫擺角速度傳感器6,裝在扶手箱下面，用于監(jiān)測(cè)車身橫擺角速度信號(hào)，可 以采用日本日產(chǎn)公司旗下的橫擺角速度傳感器。
[0062] 所述的軸間電控限滑差速器7,裝在前后驅(qū)動(dòng)橋之間，用于對(duì)前后驅(qū)動(dòng)橋之間的驅(qū) 動(dòng)力矩進(jìn)行再分配，可以采用由行星齒輪差速器和電控離合器兩部分組成的主動(dòng)電控式軸 間差速器。
[0063] 本發(fā)明還包括液壓控制式制動(dòng)器5,采用盤式制動(dòng)器，用于在工作需要時(shí)對(duì)外前輪 或者內(nèi)后輪進(jìn)行制動(dòng)以產(chǎn)生一個(gè)附加橫擺力矩來(lái)保證車輛轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。該液壓控制式制動(dòng) 器裝在各個(gè)車輪輪轂處。
[0064] 本發(fā)明提供的基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車的力矩分配控制系統(tǒng)，其工作過(guò)程如下：
[0065] 1.軸間電控限滑差速器的執(zhí)行系統(tǒng)的具體工作過(guò)程：
[0066] 目前對(duì)于車輪滑轉(zhuǎn)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方法之一是通過(guò)比較左右車輪間或前后差速器殼 體間的轉(zhuǎn)速差來(lái)判斷車輪的滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，相應(yīng)的控制對(duì)象為轉(zhuǎn)速差的范圍。設(shè)定前軸差速器 殼體的回轉(zhuǎn)速度為前軸轉(zhuǎn)速，后軸差速器殼體的回轉(zhuǎn)速度為后軸轉(zhuǎn)速。當(dāng)車輛在良好的路 面直行時(shí)，若前后車輪均無(wú)滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，則前后軸的轉(zhuǎn)速差為0。但是，在轉(zhuǎn)向工況下，傳感器 傳回的前后軸轉(zhuǎn)速差信號(hào)中，不僅包括了由于車輪滑轉(zhuǎn)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速差，也包含了前后車輪 轉(zhuǎn)彎半徑不同而出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速差。此時(shí)，若以前后軸轉(zhuǎn)速差為0作為目標(biāo)的話，則前后驅(qū)動(dòng)軸 之間會(huì)出現(xiàn)干涉，不可避免的會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向過(guò)程產(chǎn)生影響。為此，提出一種轉(zhuǎn)向工況下的理想前 后軸轉(zhuǎn)速差作為控制目標(biāo)。
[0067]
[0068]
[0069] 式中:WU表示前軸轉(zhuǎn)速，Wd表示后軸轉(zhuǎn)速，Wfl表示左前輪轉(zhuǎn)速;Wfr表示右前輪轉(zhuǎn)速； Wrl表示左后輪轉(zhuǎn)速;Wrr表示右后輪轉(zhuǎn)速。
[0070] 安裝在四個(gè)車輪處的輪速傳感器和車身傳感器分別將監(jiān)測(cè)的車輪轉(zhuǎn)速和車身質(zhì) 心縱向速度等信號(hào)傳遞給ECU，利用其內(nèi)部存儲(chǔ)的控制程序，對(duì)傳感器采集的各種信號(hào)進(jìn)行 分析、判斷、計(jì)算和處理。其中實(shí)際前后軸轉(zhuǎn)速差計(jì)算公式如下：
[0071] Δ wm= | wu-wd
[0072] 式中：Δ Wm表示實(shí)際前后軸轉(zhuǎn)速差。
[0073] 本發(fā)明考慮前后驅(qū)動(dòng)軸之間的扭矩分配，為此建立線性二自由模型，該模型僅保 留車輛繞Z軸的橫擺運(yùn)動(dòng)以及在y方向上的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，即認(rèn)為車廂只進(jìn)行平行于水平面的運(yùn) 動(dòng)。忽略載荷在軸間及輪間的轉(zhuǎn)移而導(dǎo)致的輪胎性能變化以及輪胎的產(chǎn)生的回正力矩的的 作用，將汽車簡(jiǎn)化為一個(gè)兩輪摩托車模型。轉(zhuǎn)向工況下線性二自由度汽車模型的運(yùn)動(dòng)方程 如下所示：
[0074]
[0075] 當(dāng)汽車行駛速度保持不變時(shí)，車輛進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后將做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，即 = 0，冷=0。代入上式得穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向靈敏度為：
[0076]
[0077] 其中:K表示汽車的穩(wěn)定性因素，其表達(dá)式為
[0078]
[0079] 式中：1^、1?分別表示汽車的前后輪的側(cè)偏剛度，β表示質(zhì)心側(cè)偏角，u表示車輛質(zhì)心 的縱向速度;lf、lr分別表示質(zhì)心到前后軸的距離;Woz為傳感器監(jiān)測(cè)到的實(shí)際橫擺角速度而 表示汽車的前輪轉(zhuǎn)角；Iz表示汽車?yán)@Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;L表示軸距。
[0080] 由上式可得汽車轉(zhuǎn)向半徑表達(dá)式為：
[0081]
[0082] 式中：R表示汽車轉(zhuǎn)向半徑;K表示汽車的穩(wěn)定性因素;u表示車輛質(zhì)心的縱向速度； L表示軸距;3￡表示汽車的前輪轉(zhuǎn)角。
[0083] 假設(shè)轉(zhuǎn)向過(guò)程中前后車輪均未出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，對(duì)線性二自由度模型進(jìn)行數(shù)學(xué)分析 可知：
[0084]
[0085] 式中：Rf、Rr分別為前后軸的轉(zhuǎn)彎半徑;R表示汽車轉(zhuǎn)向半徑；lf、lr分別表示質(zhì)心到 前后軸的距離;β表示質(zhì)心側(cè)偏角。
[0086] 因此理想前后軸轉(zhuǎn)速差計(jì)算公式如下：
[0087]
[0088] 式中：Vf、Vr及υ分別表示前后輪以及汽車質(zhì)心的實(shí)際速度;Rf、R r分別為前后軸的 轉(zhuǎn)彎半徑;rwf、rwr分別表示前后輪的滾動(dòng)半徑;R表示車輛的轉(zhuǎn)彎半徑。
[0089] 由以上公式可知，只要知道車輛的轉(zhuǎn)彎半徑R和質(zhì)心側(cè)偏角β即可求出汽車轉(zhuǎn)向時(shí) 前后軸的理想轉(zhuǎn)速差。本發(fā)明中R可由上述公式計(jì)算出來(lái)，而β可由整車模型中直接讀取。
[0090] 在角階躍轉(zhuǎn)向工況中，設(shè)定車輛在良好的路面起步加速，其前后軸的扭矩分配比 固定為0.36:0.64,為了避免加速過(guò)程中換擋對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生不必要的影響，設(shè)定車輛以1 檔起步，在仿真時(shí)間Is之后，油門開度達(dá)到20°，并保持不變。仿真開始3s后，駕駛員向轉(zhuǎn)向 盤輸入一個(gè)〇°到120°的階躍信號(hào)，階躍時(shí)間為ls，隨后保持方向盤轉(zhuǎn)角不變。油門開度信號(hào) 和方向盤呢輸入信號(hào)如圖所示。設(shè)定仿真時(shí)間為8s。路面行駛條件為:在0~2s時(shí)，前后輪的 附著系數(shù)均為0.6，在2s到8s時(shí)，前輪附著系數(shù)為0.1，后輪附著系數(shù)為0.6。
[0091] 利用初始設(shè)置及通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)得到的參數(shù)代入以上公式計(jì)算出實(shí)際、理想前后 軸轉(zhuǎn)速差。
[0092] 該控制系統(tǒng)選擇位置式PID控制，控制器的輸入為：
[0093] e = Δ wideai- A wm
[0094] 式中：e表示控制器的輸入；Λ Wideal表示理想前后軸轉(zhuǎn)速差；Δ Wm表示實(shí)際前后軸 轉(zhuǎn)速差。
[0095] 輸出量為軸間電控限滑差速器中電機(jī)的電流大小，控制方程為：
[0096]
[0097] 式中：匕表示比例系數(shù)，ki表示積分系數(shù)，kd表示微分系數(shù)，e表示控制器的輸入；i (t)表示軸間電控限滑差速器中電機(jī)的電流大小。
[0098] 軸間扭矩分配的控制邏輯較為簡(jiǎn)單，當(dāng)前軸轉(zhuǎn)速與后軸轉(zhuǎn)速的差值大于理想的前 后軸轉(zhuǎn)速差時(shí)，判定前軸出現(xiàn)過(guò)度滑轉(zhuǎn)，此時(shí)控制執(zhí)行器將更多的扭矩輸送到后軸。反之， 則判定后軸出現(xiàn)過(guò)度滑轉(zhuǎn)，此時(shí)控制執(zhí)行器將更大的扭矩輸送到前軸。
[0099] 若車輛前后軸轉(zhuǎn)速差值較大，則計(jì)算出的軸間轉(zhuǎn)移扭矩會(huì)超過(guò)所能轉(zhuǎn)移的扭矩的 最大值，因此，建立了軸間轉(zhuǎn)移扭矩的限值模塊，如圖4所示，保證前后軸扭矩輸入保持正 常。
[0100] 2.液壓控制式制動(dòng)器的執(zhí)行系統(tǒng)的具體工作過(guò)程：
[0101]安裝在扶手箱下面橫擺角速度傳感器將監(jiān)測(cè)到的車身橫擺角速度、安裝在方向盤 下方的方向柱內(nèi)的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器將監(jiān)測(cè)到的轉(zhuǎn)向角和安裝在變速器殼體內(nèi)的車身速 度傳感器將監(jiān)測(cè)到車身質(zhì)心縱向速度等信號(hào)傳遞給ECU，利用其內(nèi)部存儲(chǔ)的控制程序，對(duì)傳 感器采集的各種信號(hào)進(jìn)行分析、判斷、計(jì)算和處理。其中穩(wěn)態(tài)橫擺角速度計(jì)算公式如下：
[0102]
[0103] 式中:Wc>z)s表示穩(wěn)態(tài)橫擺角速度;u表示車輛質(zhì)心的縱向速度;L表示軸距;K表示汽 車的穩(wěn)定性因素;δ?表示汽車的前輪轉(zhuǎn)角。
[0104] 車輛在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的極限橫擺角速度為：
[0105]
[0106] 式中:Wciz)max表示極限橫擺角速度;ymax表示地面最大附著系數(shù);g表示重力加速度； u表示車輛質(zhì)心的縱向速度。
[0107] 汽車在轉(zhuǎn)向工況下時(shí)的理想橫擺角速度：
[01 08] Wideal - Π??π{ |w〇z)s| , | Woz )max | } S ? gll (Woz ) s )
[0109] 式中:Wid(3ai表示理想橫擺角速度;W〇z) s表示穩(wěn)態(tài)橫擺角速度;W〇z)max表示極限橫擺 角速度。
[0110] 定義橫擺角速度的偏差為：
[0111]
[0112]當(dāng)h>0時(shí)，車輛為過(guò)多轉(zhuǎn)向，當(dāng)h〈0時(shí)，車輛為不足轉(zhuǎn)向。
[0113]式中：《。2為傳感器監(jiān)測(cè)到的實(shí)際橫擺角速度，wldeal為計(jì)算出來(lái)的理想橫擺角速 度。
[0114] 對(duì)于PD控制器，有：
[0115] Mb(k) =kPh(k)+kd[h(k)-h(k-l)]
[0116]式中，Mb (k)表不系統(tǒng)的第k次米樣輸出值，h (k)表不系統(tǒng)的第k次米樣輸入值，kP表 示比例系數(shù)，kd表示微分系數(shù)。
[0117] 由上式可知：
[0118] Mb(k~l) =kPh(k-l )+kd[h(k-l )-h(k~2)]
[0119] 產(chǎn)生的附加橫擺力矩為：
[0120] Δ Mb(k) =Mb(k)-Mb(k_l) = kP Δ h(k)+kd[ Ah(k)-Ah(k_l)]，
[0121] 式中：Ah(k)=h(k)-h(k_l)。AMb表示制動(dòng)力矩的增量，h表示橫擺角速度的偏 差。
[0122] 控制器首先接收整車傳回的信息，計(jì)算出實(shí)際橫擺角速度與理想橫擺角速度的 值，并在理想橫擺角速度上增加上下門限。若實(shí)際橫擺角速度處于門限值內(nèi)時(shí)，則認(rèn)為車輛 還保持在穩(wěn)定狀態(tài)。若實(shí)際橫擺加速度打破門限，則判定車輛處于非穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)增量式 ro算法將根據(jù)輸入偏差量計(jì)算出所需的附加橫擺力矩大小的增量，同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信 號(hào)和輸入偏差信號(hào)判斷此時(shí)的車輛轉(zhuǎn)向特性，決策出需要制動(dòng)的車輪位置。接著通過(guò)制動(dòng) 器與制動(dòng)管路模型換算出需要的制動(dòng)壓力，并將此變量送給制動(dòng)器模型。
[0123] 通過(guò)比較圖8-15無(wú)控制情況下角階躍轉(zhuǎn)向仿真分析各曲線圖和圖16-23是力矩分 配綜合控制策略下角階躍轉(zhuǎn)向仿真分析各曲線圖可知。
[0124] 前輪進(jìn)入低附著路面后，迅速出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，此時(shí)輪速傳感器檢測(cè)到前后軸的轉(zhuǎn) 速差偏離理想值，軸間扭矩分配裝置開始工作，動(dòng)態(tài)的分配前后軸的扭矩，前后軸轉(zhuǎn)速差很 快恢復(fù)至理想狀態(tài)，各輪的滑移率也穩(wěn)定在很小的范圍內(nèi)。
[0125] 由于各車輪的滑轉(zhuǎn)率較低，車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)側(cè)向力比較充足，且在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，軸間 扭矩分配裝置總是往后軸分配較多的扭矩，抑制了車輛的不足轉(zhuǎn)向。
[0126] 車輛在轉(zhuǎn)向過(guò)程中初期的不足轉(zhuǎn)向程度超過(guò)控制范圍，制動(dòng)力矩分配裝置開始對(duì) 內(nèi)后輪制動(dòng)，產(chǎn)生了附加橫擺力矩抑制了車輛的不足轉(zhuǎn)向趨勢(shì)。
[0127] 由于制動(dòng)力矩分配裝置對(duì)內(nèi)后輪進(jìn)行了制動(dòng)，導(dǎo)致內(nèi)后輪的輪速和滑轉(zhuǎn)率在制動(dòng) 過(guò)程中有所下降，提高了車輛轉(zhuǎn)向時(shí)的安全性和穩(wěn)定性。
[0128] 對(duì)于仿真分析曲線圖可知，整車縱向速度由無(wú)控制情況下的45km/h增至58km/h; 縱向位移由3.4111增至19.5111;質(zhì)心側(cè)偏角峰值由0.005瓜(1增至0.025抑(1;橫擺角由0.11瓜(1 增至0.48rad;橫擺角速度峰值由0.025rad/s增至0.14rad/s。
[0129] 應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換， 而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
[0130] 表1單移線轉(zhuǎn)向工況一仿真分析數(shù)據(jù)
[0131]
[0132] 表2角階躍轉(zhuǎn)向工況一仿真分析數(shù)據(jù)
[0133]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車的力矩分配控制系統(tǒng)，其特征是包括ECU、車輪轉(zhuǎn)速傳感器、 方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、車身速度傳感器、液壓控制式制動(dòng)器、橫擺角速度傳感器、軸間電控限 滑差速器，其中：車輪轉(zhuǎn)速傳感器、車身速度傳感器、橫擺角速度傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器 均與ECU的輸入端連接，軸間電控限滑差速器和液壓控制式制動(dòng)器均與ECU輸出端連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車的力矩分配控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng) 還設(shè)有液壓控制式制動(dòng)器，在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)當(dāng)ECU判斷為實(shí)際橫擺角速度與理想橫擺角速度 之間的差值超過(guò)上下門限值的非穩(wěn)定狀態(tài)，需要對(duì)制定車輪進(jìn)行制動(dòng)以產(chǎn)生附加橫擺力矩 將橫擺角速度控制在穩(wěn)定范圍。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車的力矩分配控制系統(tǒng)，其特征在于所述的 液壓控制式制動(dòng)器，采用盤式制動(dòng)器，裝在各個(gè)車輪輪轂處。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車的力矩分配控制系統(tǒng)，其特征在于所述的 車輪轉(zhuǎn)速傳感器，采用電磁感應(yīng)式車輪轉(zhuǎn)速傳感器，裝在各個(gè)車輪輪轂上，用于計(jì)算前后軸 實(shí)際轉(zhuǎn)速差和監(jiān)測(cè)車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車的力矩分配控制系統(tǒng)，其特征在于所述的 方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，采用數(shù)字式方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，裝在方向盤下方的方向柱內(nèi)，用于采集 汽車轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)；當(dāng)ECU判定出汽車轉(zhuǎn)向時(shí)需要對(duì)液壓控制式制動(dòng)器施加附加 橫擺力矩時(shí)，決策出該附加力矩施加的車輪位置。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車的力矩分配控制系統(tǒng)，其特征在于所述的 車身速度傳感器，采用磁電式車速成傳感器，裝在變速器殼體內(nèi)，用于采集車輛質(zhì)心縱向速 度，計(jì)算汽車轉(zhuǎn)向時(shí)前后軸理想轉(zhuǎn)速差和極限橫擺角速度，以及用于監(jiān)測(cè)車身質(zhì)心縱向速 度信號(hào)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車的力矩分配控制系統(tǒng)，其特征在于所述的 橫擺角速度傳感器，裝在扶手箱下面，用于測(cè)量車身實(shí)際橫擺角速度，具體是用于計(jì)算汽車 轉(zhuǎn)向時(shí)實(shí)際橫擺角速度與理想橫擺角速度之間的差值，以及用于監(jiān)測(cè)車身橫擺角速度信 號(hào);利用ECU內(nèi)存儲(chǔ)的程序進(jìn)行相應(yīng)的控制。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車的力矩分配控制系統(tǒng)，其特征在于所述的 軸間電控限滑差速器，采用由行星齒輪差速器和電控離合器兩部分組成的主動(dòng)電控式軸間 差速器，裝在前后驅(qū)動(dòng)橋之間；在轉(zhuǎn)向時(shí)當(dāng)ECU判斷為有車輪過(guò)度滑轉(zhuǎn)時(shí)，用于產(chǎn)生摩擦力 矩以對(duì)前后軸的驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行再分配。9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一所述基于四輪驅(qū)動(dòng)汽車的力矩分配控制系統(tǒng)的用途，其特 征是該系統(tǒng)在改善汽車的牽引通過(guò)性、方向穩(wěn)定性或轉(zhuǎn)向操縱性中的應(yīng)用。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的用途，其特征是在車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中，通過(guò)各車輪的轉(zhuǎn)速傳感 器及其它傳感器將采集到的包括車輪轉(zhuǎn)速行駛狀態(tài)信息傳遞給裝在發(fā)動(dòng)機(jī)附近的ECU，經(jīng) ECU對(duì)傳感器采集的各種信號(hào)進(jìn)行分析、判斷、計(jì)算和處理后，發(fā)出指令控制電控限滑差速 器和液壓控制式制動(dòng)器的執(zhí)行系統(tǒng)的動(dòng)作，以達(dá)到控制作用來(lái)保證車輛轉(zhuǎn)向安全性和操縱 穩(wěn)定性。
【文檔編號(hào)】B60W40/114GK105857304SQ201610345190
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月23日
【發(fā)明人】鄧亞?wèn)|, 舒紹文, 蘇楚奇, 管靈
【申請(qǐng)人】武漢理工大學(xué)