汽车驱动桥系统模型的能量验证方法研究.pdf

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1、汽车驱动桥系统模型的能量验证方法研究 王宪彬1，赵华2，施树明1 1 吉林大学交通学院 长春市 130025 2 北京联合大学机械工程学院 北京 100020 摘要：汽车驱动桥系统模型的能量验证方法研究 王宪彬1，赵华2，施树明1 1 吉林大学交通学院 长春市 130025 2 北京联合大学机械工程学院 北京 100020 摘要：建立了汽车驱动桥模型，运用能量守恒与转化的原理对模型进行了仿真验证。仿真计算的结果验证了模型的正确性与有效性，同时，能量验证方法的建立也为汽车模型验证方法的研究提供了新的思路。关键词：关键词：汽车；驱动桥；仿真；能量守恒 1 引言引言 近年来汽车主动安全性问题日益受到

2、研究人员的重视，随着各种主动安全系统的出现，对汽车动力学和运动学模型的建立提出了更多更高的要求。汽车运行自组织仿真 VOSS(Vehicle Operation Self-organization Simulation)平台是吉林大学交通学院汽车运行仿真课题组自主开发的一个“人车路”闭环仿真平台。本文以汽车驱动桥模型的验证为例，着重介绍了用于验证 VOSS 仿真平台正确性的能量验证方法。2 VOSS 系统中驱动桥系统的建模仿真系统中驱动桥系统的建模仿真 2.1 驱动桥模型的建立驱动桥模型的建立 作为VOSS仿真平台汽车模块中汽车机械系统重要的组成部分，驱动桥模型描述了一个驱动力矩分配系统，通过

3、建立驱动桥模型可以得到每个驱动轮上的驱动力矩，从而计算出每个车轮的角速度。在 VOSS 平台中，汽车的驱动方式采用前置前驱。驱动桥模型由主减速器模型开始，其输入由变速箱模型提供扭矩及由差速器模型提供的主减速器的转动角加速度，输出驱动扭矩给差速器模型。差速器模型的另外两个输入为由半轴模型提供的两半轴的角加速度，输出左右半轴的驱动力矩给半轴模型，半轴模型的另外两个输入为由轮胎模型提供的负荷扭矩，其另外两个输出为两半轴的角速度。SIMULINK结构框图如图 1 所示。图 1 SIMULINK 结构框图 2.2 主减速器主减速器 由于主减速器只受到由变速箱和驱动半轴传来的反作用扭矩，并根据牛顿第三定律

4、，可 以得到经主减速器增扭后的扭矩fT和主减速器输出的用于驱动的扭矩dT，主减速器模型可按照下式建模1：fdoutfRTT=（1）fffdJTT=（2）式中：fT为经过主减速器增扭后的扭矩；outT为由传动系变速箱输出的扭矩；fdR为主减速器传动比；dT为主减速器输出的用来驱动驱动轮的扭矩；fJ为主减速器的转动惯量；f为主减速器角加速度。_http:/2.3 差速器差速器 在差速器模型中，驱动扭矩被分配到左右驱动半轴。差速器模型的受力分析主要是对每个行星齿轮，对于每个行星齿轮，其分别受到左右半轴齿轮传来的驱动力矩，而由于左右车轮的负荷扭矩不相等使分配到左右半轴的驱动力矩不等进而行星齿轮合外力矩

5、不为零，产生转动，使差速器差速。在差速器模型中为了衡量差速器内摩擦力矩的大小及转矩分配特性，定义：K1K1TTKL1dR1db+=（3）为锁紧系数 K。式中，L1dT，R1dT为左右半轴上的驱动力矩。在目前广泛使用的对称式锥齿轮差速器，其内摩擦力矩很小，锁紧系数 K 为 1.051.152 3（假设dLdRTT）。在本模型中我们规定 Kmax为 1.15。差速器模型可按照下式建模：ssL1dR1dJTT=（4）sdsgLRsrr2)(11=（5）L1dR1dndTTT+=_ （6）=+=2JTT2JTTssndL1dssndR1d_ （7）同时，根据差速器差速原理在差速器模型中也可以得到主减速

6、器输出齿轮的旋转角加速度，即左、右半轴角加速度的和的一半为主减速器的旋转角加速度。2L1R1f+=（8）式中：R1dT，L1dT为差速器分配到两驱动半轴的驱动力矩；sJ为行星齿轮的转动惯量；s为行星齿轮的角加速度；L1，R1，s分别为左右半轴和行星齿轮的角速度；sr，dsgr分别为行星齿轮和半轴齿轮的半径；Td_n为考虑差速器锁紧系数后的驱动力矩。2.4 驱动半轴驱动半轴 左右驱动半轴分别受到经过差速器分配到左右半轴的驱动力矩和地面作用给轮胎传给半轴的负荷扭矩，合力矩使半轴产生了转动加速度，对加速度积分就得到了半轴的角速度。由于半轴与车轮刚性连接，则车轮和半轴的角速度相等。故半轴模型可按照下式

7、建立模型：bR1wR1dRJTT=（9）dtRR=11 （10）bL1wL1dL1JTT=（11）dtLL=11 （12）式中：L1wT，R1wT分别为左、右轮胎负荷扭矩，由轮胎模型给出；bJ为半轴的转动惯量。2.5 从动半轴从动半轴 从动半轴模型与驱动半轴唯一不同之处在于从动轮的驱动力在模型中认为是单纯由轮胎的负荷扭矩提供的，故从动半轴模型可按照下式建立：bR2wR2JT0=（13）dtRR=22 （14）bL2wL2JT0=（15）dtLL=22 （16）式中：L2wT，R2wT分别为左、右轮胎负荷扭矩，由轮胎模型给出；bJ为半轴的转动惯量；中国科技论文在线_http:/3 模型正确性验证

8、与仿真试验模型正确性验证与仿真试验 3.1 能量分析能量分析 为了验证模型的正确性，根据能量守恒与转化的原则，并不考虑传递过程中的能量损失，则发动机所释放出的能量一定等于整车所消耗的能量总和。发动机所发出的能量由传动轴传递给主减速器，一部分被主减速器消耗产生其转动动能，其余部分传通过行星齿轮分别递给左、右驱动半轴及驱动轮，这部分能量中行星齿轮的转动动能被忽略。传递到左、右驱动半轴的能量，一部分转化为驱动半轴及车轮的转动动能，其余部分转化为整车的动能（整车平动、转动和从动轮转动）、被风阻消耗的能量和车轮滚动摩擦力所消耗的能量（Tw所消耗的能量）。故可按下列公式计算能量1：传动系输出的功dtNTo

9、utout95491000；主减速器转动动能221ffJ；整车的平动动能221vm；整车绕 Z 轴的转动动能221&ZJ；4 个车轮转动动能=RjiLjiijfJ;2;1221 克服风阻所做的功+latairlatlongairlongsfsf；4 个 车 轮 克 服 滚 动 摩 擦 消 耗 的 能 量 longrsF；单位均为焦耳（J）。3.2 仿真试验与结果分析仿真试验与结果分析 按照上述的能量分析，在 VOSS 仿真平台上进行了仿真试验。试验中，仿真时间为 300s，节气门开度由 25开始均匀增加到 100。图 2 为直线行驶工况下，在能量分析中提及的各部分能量图，图 3 为不含风阻各部

10、分能量图，图 4 为直线行驶工况下传动系输出能量、计算得到的消耗的能量及相减得到的能量差。由图示曲线我们可以看到，当车速提升以后，发动机所发出的大部分能量基本上被风阻所消耗，这与我们正常的理论与实验分析中得到的结果是一致的。图 5 和图 6 为在上述相同驾驶条件下，在 618s 时给方向盘一个周期为 12s，幅值为 0.1rad 正弦输入的车速曲线。在模型中假设方向盘左转输入为正。由图 5 我们可以看到在汽车的起步阶段，驱动轮为了获得较大的驱动力与地面存在这相对滑动，所以车轮速度较高，而从动轮则由于跟随车速而出现振荡，这完全符合实际情况。从第 6s 开始，汽车右侧车轮速度在差速器的作用下逐渐高

11、于左侧车轮，从第 12s 开始，则正好相反，从而说明驱动桥模型具有良好的驱动力矩分配效果。在图 6中，我们可以清楚的看到当汽车在响应方向盘转角时的车轮速度交替变化的情况。通过试验数据我们看到，在 300s 的仿真时间内，传动系输出能量、计算得到的消耗的能量吻合情况良好，传动系模型所传递的累计能量为 2.13453107J，而差速器模型所传递的最大累计能量偏差为-1.7482105J，仅为总能量的0.8。产生能量偏差的主要原因一方面是由于驱动桥模型的精度引起的，另一方面是由于在仿真中才用的变步长积分方法存在一定的累计误差。值得一提的是，在从动半轴模型的调试过程中，模拟车轮阻滞力模型构建有误，但车

12、轮速度等指标变化没有明显异常，通过能量法检验，输出能量大于输入能量，最大能量偏差达10以上，有效地发现了模型错误。图 2 各部分能量图 中国科技论文在线_http:/ 图 3 不含风阻各部分能量图 图 4 传动系输出能量、计算得到的消耗的能量及相减得到的能量差 图 5 起步时车轮度速 图 6 转 S 型弯时车轮速度交替变化 4 结论结论 本文提出的汽车动力学驱动桥模型，实现了驱动力矩在驱动轮之间的分配；同时从能量守恒与转化的角度提出了驱动桥模型验证的方法，对模型进行了仿真试验。仿真结果表明模型具有良好的驱动力矩分配效果，所采用的能量守恒与转化的模型验证方法简洁有效，从而为汽车驱动桥模型的建立与

13、汽车模型的验证提供了一种准确可行的方法和行之有效的研究思路。参考文献 1 余志生.汽车理论M 第 3 版.北京：机械工业出版社，2003 2 陈家瑞.汽车构造M 下册.长春：机械工业出版社，2000 3 王望予.汽车设计M 第 3 版.北京：机械工业出版社，2002 Research of Energy Verifying Method for Vehicle Driveaxle Model Wang Xianbin1,Zhao Hua2,Shi Shuming1 1 College of Transportation and Traffic,Jilin University,Changchu

14、n 130025 2 College of Mechanical Engineering,Beijing Union University,Beijing,100020 Abstract：This paper presents the design of a driveaxle model and the test method of simulation using Law of Conservation of Energy.The results of simulation have verified the accuracy and effectivity of this model.It also provides a new way for the research of vehicle model verifying.Key words：vehicle;driveaxle;simulation;conversation of energy.中国科技论文在线_http:/