车辆转矩协调控制系统的仿真分析

2014-03-16 05:51德州学院汽车工程学院

电子世界 2014年7期

德州学院汽车工程学院张亮

1.引言

转向驱动力转矩分配系统是在分析了车辆转向时转矩协调对车辆纵向动力学和侧向动力学的基础上，使用一定的控制方法，实现驱动转矩协调策略，在车辆行驶时，根据不同的转向条件，重新分配左右轮之间的驱动力，同时使左右轮转速不一致，使车辆在转向行驶时，能够很好地控制其运动，使其沿预定轨迹稳定地转向，同时减少车辆转向时转向盘操作负荷，提高车辆的转向性能，从而提高车辆的转向稳定性。

2.转矩协调对车辆动力学的影响

2.1 转矩协调对车辆纵向动力学的影响

具有2个自由度的的车辆模型如图1所示，其动力学方程可描述为：

Fy1+Fy2=may

Fy1a-Fy2b=Izγ

式中Fy1、Fy2分别为前、后轮的侧偏力；m为汽车质量；ay为汽车质心侧向加速度；Iz为汽车绕质心的转动惯量；γ为汽车的横摆角速度。

由式(1)、(2)可以看出，Fy1、Fy2之和等于may，但二者数值大小的分配原则取决于Izγ的大小。稳态转向条件下，Fy1越大，Fy2越小。通过转矩协调策略，增加一横摆力矩，如图1(b)所示，增大后外轮作用力Fx21，减小后内轮作用力Fx22，则车辆力矩平衡方程为：

Fy1a+(Fx21-Fx22)B/2-Fy2b=0

图1 稳态转向行驶时汽车的力平衡图

显然，此时Fy1减小，Fy2增大，相应的前轮侧偏角α1减小，后轮侧偏角α2增大，则汽车的不足转向量减小，改变了车辆的稳态转向特性。当车辆在接近极限工况时，随着Fy1的减小，还给前轮创造了一个提供更大驱动力Fx的空间，使得汽车有更好的动力性，如图2所示。由于载荷转移的影响，前内轮首先达到附着极限，这时由于前内轮侧向力减小，则纵向力增大的空间变大。

图2 前轮受力变化比较

2.2 转矩协调对车辆侧向动力学的影响

在传统车辆中，通过方向盘转角的变化来改变车辆的方向。发动机的驱动转矩在左、右轮的分配相等，纵向力仅仅作为驱动力矩。转矩协调分配系统利用驱动转矩产生控制横摆力矩，可以提高车辆转弯加速的不足转向的极限，并且车辆的操纵性得到极大提高。

车辆在转向行驶工况下，由于垂直载荷的影响，在驱动力达到极限时，内侧驱动车轮的转向力为零，仅外侧车轮提供转向力。在独立驱动系统中，转矩协调系统可以减小内侧内轮转矩、增大外轮驱动转矩。由图3可以看出驱动力比例的范围和内外轮的转向力的变化趋势。在与传统车辆相同的总的纵向力情况下，转矩协调系统可以选择最优的转矩分配比例，使得转向力最大，保证车辆在转弯时具有更好的弯道动力性能，提高车辆的稳定性。

图3 内外轮的转向力的变化图

3.转矩协调控制仿真及结果分析

3.1 仿真模型的建立

整车模型的建立不考虑车辆坐标系的z轴的垂直运动，仅考虑车辆的x轴的纵向运动、y轴的侧向运动、绕z轴的横摆以及4个车轮的回转运动4个自由度，如图4所示。仿真参数如下：整车质量m为1200kg；整车绕z轴的转动惯量Iz为1546kg·m2；车轮转动惯量Iw为0.4892kg·m2；车宽B为1.36m；前轴到质心的距离a为1.016m；后轴到质心的距离b为1.436m；质心高度hg为0.57m；车轮半径Rtire为0.287m。