馮劍波， 齊志權, 尹天文, 吳 沄, 李朝兵, 蘇 強

(1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京100081；2. 重慶長安汽車有限公司 動力研究院, 重慶400023)

適時四驅控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)設計

馮劍波1， 齊志權1, 尹天文1, 吳 沄2, 李朝兵2, 蘇 強2

(1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京100081；2. 重慶長安汽車有限公司 動力研究院, 重慶400023)

電控適時四驅系統(tǒng)在城市型SUV上得到了越來越廣泛的應用.針對某款車輛的適時四驅系統(tǒng)的扭矩管理器及傳動系統(tǒng)進行建模，基于dSPACE+Carsim工具設計了硬件在環(huán)仿真平臺，并對典型工況下的適時四驅控制系統(tǒng)進行了仿真研究.結果表明，所設計的適時四驅控制硬件在環(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)設計奠定了基礎.

適時四驅；軸間扭矩分配；硬件在環(huán)仿真

相對于兩驅車，四驅汽車在控制前后軸動力分配以減小車輛滑轉率和提高車輛動力性等方面有很大的優(yōu)勢.四驅系統(tǒng)分為3種：分時四驅系統(tǒng)、適時四驅系統(tǒng)以及全時四驅系統(tǒng).分時四驅：駕駛者必須根據(jù)路面狀況和經(jīng)驗通過撥動分動器檔桿調節(jié)至4WD或2WD，是越野車最常見的四輪驅動形式[1-2]，顯然，分時四驅系統(tǒng)由于操作不方便及過分依賴駕駛者經(jīng)驗等缺點具有較強的局限性；全時四驅：即汽車行駛過程中，全程四輪驅動的系統(tǒng)形式，但是全路段的四驅增加了油耗，故而其燃油經(jīng)濟性較差[2-3]；適時四驅：正常工況下為兩輪驅動，僅在特殊時刻下自動切換為四驅模式，燃油經(jīng)濟性好，且結構簡單，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四驅系統(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的基本結構及其工作原理，并給出了諸如壽命曲線和階躍響應等的特性曲線，而Hiroyuki Ando和Tsuyoshi Murakami[5]則在其特性的基礎上提出了一定的控制策略，其它相關文獻[6]中也有提及電磁離合式差速器的控制原理.然而，對于基于NextracTM扭矩管理器的適時四驅系統(tǒng)深入研究依然較為缺乏.

本文首先針對某款車輛的適時四驅系統(tǒng)的扭矩管理器及傳動系統(tǒng)進行了建模，然后基于dSPACE+Carsim工具設計了硬件在環(huán)仿真平臺，最后通過仿真驗證了該硬件在環(huán)平臺的有效性和可行性.

1 適時四驅系統(tǒng)結構

適時四驅系統(tǒng)拓撲結構與全時四驅拓撲結構存在較大差異.適時四驅系統(tǒng)沒有裝備類似全時四驅系統(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.本文的研究對象是基于前置前驅車輛的適時四驅系統(tǒng).其拓撲結構如圖1所示.

圖1 適時四驅系統(tǒng)拓撲結構

典型適時四驅系統(tǒng)結構由主減速器1、前軸差速器總成2、取力器(PTU)3、傳動軸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節(jié)傳遞到后軸的扭矩.

2 NextracTM建模

NextracTM的特點在于其第一級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采用的是有機材料摩擦片，這種材料賦予其卓越的NVH性能和動力傳動系統(tǒng)整體的經(jīng)濟性.NextracTM中央差速器扭矩轉換部分的結構如圖2所示.其執(zhí)行機構主要由3部分構成：第一級離合器、凸板-鋼球機構、第二級離合器.其中第一級離合器的開合狀態(tài)及壓緊程度由一個電磁線圈和電樞組成的電磁閥驅動控制.

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

圖2 NextracTM扭矩管理器

2.1 NextracTM動力學模型

NextracTM扭矩管理器控制電流對應扭矩管理器能傳輸?shù)淖畲笈ぞ?，即扭矩容量Tcap，如圖3所示.當傳輸轉矩大于該容量時，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狀態(tài)，前后軸機械連接.

對離合器工作狀態(tài)判斷的依據(jù)為：

1)如果當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,

(1)

則中央差速器由滑摩狀態(tài)轉為鎖止狀態(tài).其中dωtrcase為當前仿真時刻前后傳動軸轉速差，dωtrcase_old表示前一仿真時刻前后軸轉速差，Tlock為在鎖定的離合器上加載力矩的理論計算值，其計算公式為

(2)

其中，

.

(3)

式中：I表示轉動慣量；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、前傳動軸以及后傳動軸；My_load為每個車輪上涉及到輪胎力及轉矩的負載力矩；N表示輪間差速器的傳動比.當離合器鎖止時，扭矩管理器的輸出轉矩即為Tlock.

2)如果當前離合器處于鎖止狀態(tài)，而仿真過程中出現(xiàn)如下情況時,

|Tcap|<|Ttrcase|,

(4)

則離合器轉為滑摩狀態(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的剛度和阻尼；dφtrcase表示前后傳動軸之間的轉角差.

圖3 NextracTM扭矩管理器扭矩容量

2.2 NextracTM動力學模型在Matlab/Simulink中的實現(xiàn)

NextracTM動力學模型的輸入為控制器向第一級離合器電磁線圈中輸入的控制電流、變速器的輸出轉矩、前后軸轉速、地面作用于4個車輪的切向反作用力及其各自受到的滾動阻力偶矩，輸出為傳輸?shù)胶筝喌尿寗优ぞ?，如圖4所示.

圖4 NextracTM扭矩管理器simulink模型

3 適時四驅控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺

基于DS1103 dSPACE系統(tǒng)和Carsim車輛動力學仿真軟件，在MATLAB/Simulink環(huán)境中搭建適時四驅控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺.整車模型在Carsim中搭建，扭矩管理器模型在Simulink環(huán)境下構建，適時四驅控制器通過CAN總線和接口電路與dSPACE進行信息交互，實現(xiàn)聯(lián)合仿真.具體結構如圖5所示，運行于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、方向盤轉角等車輛狀態(tài)信息，適時控制系統(tǒng)控制器(AWD控制器)實物基于該信息進行分析判斷，并輸出控制信號控制扭矩管理器實物；設計信號轉換電路，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和車輛狀態(tài)信息實時計算前后軸驅動轉矩，反饋到Carsim車輛模型中，實現(xiàn)適時四驅控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真.圖6為適時四驅控制系統(tǒng)硬件在環(huán)平臺實物.

圖5 適時四驅控制系統(tǒng)硬件在環(huán)平臺原理

圖6 適時四驅控制系統(tǒng)硬件在環(huán)平臺實物

4 適時四驅控制系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗

1)AWD控制直線加速行駛性能對比

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車輛對比結果如圖7所示.其中實線表示AWD控制結果，虛線表示FWD結果.可以看出，車速較低時，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，扭矩管理器解鎖進入滑磨狀態(tài)；當車速較高時，加速度較小，前后軸轉速差也較小，控制器不輸出電流，車輛變?yōu)榍膀屝旭?

與車輛前驅對比.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)間采用兩驅行駛.

圖7 AWD與FWD車輛控制直線加速度對比結果

2)AWD控制操縱穩(wěn)定性能對比

車輛沿目標雙移線行駛，并在彎道中加速.AWD控制結果和FWD車輛仿真結果如圖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控制結果和FWD仿真結果對比

5 結 論

基于dSPACE+Carsim工具設計的在環(huán)仿真平臺可以有效提高適時四驅控制系統(tǒng)研究的靈活性，在此平臺的基礎上對典型工況下的適時四驅控制系統(tǒng)進行了仿真研究.結果表明，AWD控制系統(tǒng)能夠較為明顯地提升車輛的動力性和操縱性，工作效果符合預期.

[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. 智能四驅與其他四驅系統(tǒng)仿真比較[J].科技經(jīng)濟市場 ,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. 某四驅汽車驅動扭矩分配特性與滑模變結構控制研究[D].吉林:吉林大學,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，研究方向為基于適時四驅系統(tǒng)的車輛動力學及其控制.

U461.1

A