半軸驅(qū)動(dòng)器與剎車牽引力控制系統(tǒng)的相互作用

1、半軸驅(qū)動(dòng)裝置和剎車牽引力控制系統(tǒng)的相互作用摘要：利用驅(qū)動(dòng)橋的車輪旋轉(zhuǎn)制動(dòng)的牽引力控制系統(tǒng)（TC），被廣泛應(yīng)用于乘用車和輕型卡車上，并且最近被應(yīng)用全輪驅(qū)動(dòng)的建筑設(shè)備上。這種機(jī)器采用不同類型的跨輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（如橋的開放式差速器，限滑差速器的驅(qū)動(dòng)器等）來(lái)控制驅(qū)動(dòng)輪間的扭矩分配，由此提高車輛的牽引性能。實(shí)驗(yàn)研究表明，牽引力控制系統(tǒng)和車軸的驅(qū)動(dòng)器之間的相互作用可以導(dǎo)致車輛性能的不確定性。這個(gè)領(lǐng)域的分析的缺乏激發(fā)了這兩個(gè)系統(tǒng)之間相互作用，影響以及驅(qū)動(dòng)橋動(dòng)力和性能的研究。本文分析了當(dāng)牽引力控制系統(tǒng)處于開啟狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)輪有相同/不同的條件時(shí)，帶有開放式差速器和不同的扭矩偏置限滑差速器的車橋的驅(qū)動(dòng)輪之間的扭矩/力的

2、分布。此外，由于車橋的橫向傾斜，正常的輪胎負(fù)載發(fā)生變化。本研究結(jié)果解釋了這種車輪額外負(fù)載轉(zhuǎn)矩的本質(zhì)，確定橫擺力矩，輪胎和車橋制動(dòng)器的能量耗散。這些結(jié)果決定了制動(dòng)力矩的要求和牽引力控制算法的開發(fā)，以使其同限滑差速器“合作”。簡(jiǎn)介：現(xiàn)代牽引力控制系統(tǒng)的技術(shù)思想，最有可能來(lái)自早期的坦克轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)制。二戰(zhàn)期間和之前使用的各種坦克使用開放式差速器和制動(dòng)器來(lái)轉(zhuǎn)彎。有一個(gè)制動(dòng)器是用來(lái)使轉(zhuǎn)彎時(shí)內(nèi)側(cè)車輪減速或停止，從而外側(cè)車輪獲得更大的速度。同時(shí)，外側(cè)產(chǎn)生了一個(gè)更大的牽引力，將坦克拉入彎道。然而，這種制動(dòng)機(jī)制對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成沉重的負(fù)荷，他們?cè)谪?fù)載增加時(shí)止步不前。出于這個(gè)原因，開式差速器不再適用于坦克。后來(lái)，在20世紀(jì)5

3、0年代，兩個(gè)獨(dú)立的踏板流行于擁有巨大的后輪胎的農(nóng)用拖拉機(jī)后橋上（通常情況下，這些農(nóng)用拖拉機(jī)前面沒有剎車，車輪較小）。這一創(chuàng)新大大提高拖拉機(jī)在斜坡上的牽引力。車輪制動(dòng)打滑導(dǎo)致下部和上部輪轂旋轉(zhuǎn)速度相等，此外，下輪開發(fā)產(chǎn)生的大范圍內(nèi)的牽引力產(chǎn)生偏航力矩，以防止拖拉機(jī)打滑。 如今，許多制造企業(yè)采用不同的限滑差速器和扭矩矢量分配系統(tǒng);車輪扭矩分配及其對(duì)車輛的偏航控制是研究的核心（見1,2,3,4,5,6等）。有些公司要求當(dāng)兩輪附著條件（即，輪胎的摩擦系數(shù)）不同時(shí)，限滑差速器和TC系統(tǒng)相容性好。然而，我們的分析表明，極少數(shù)的出版物討論軸差速器（開式或限滑）與TC系統(tǒng)的相互作用。列舉如下例子 一個(gè)整合了閉

4、式差速器和TC的公路運(yùn)輸卡車的系統(tǒng)在1中列舉。文獻(xiàn)7討論了不公開分析過(guò)程的兩個(gè)系統(tǒng)相互作用的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在文獻(xiàn)8中，將一個(gè)設(shè)計(jì)特色進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明；列舉了相對(duì)少的分析過(guò)程來(lái)理解限滑差速器和TC的相互作用。出版物沒有對(duì)能源技術(shù)效率/燃料消耗和偏航動(dòng)態(tài)給予足夠的重視。目前的研究是設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)4×4鉸接裝載機(jī)，智能化地集成了基于制動(dòng)的牽引力控制與傳動(dòng)系統(tǒng)控制。根據(jù)這項(xiàng)研究的數(shù)字和計(jì)算機(jī)模型包括各種確定性和隨機(jī)性的數(shù)據(jù)和車輛參數(shù)，非線性汽車動(dòng)力總成和底盤系統(tǒng)的特點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)的表面特性，材料等，當(dāng)包括了如此多的系統(tǒng)和參數(shù)時(shí)，很難理解和解釋計(jì)算機(jī)建模的結(jié)果，和計(jì)劃實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型和計(jì)算

5、機(jī)的仿真結(jié)果。出于這個(gè)原因，在這各個(gè)階段研究項(xiàng)目中，我們進(jìn)行補(bǔ)充分析研究，其目的是：第一，調(diào)查和解釋兩個(gè)車輛系統(tǒng)之間傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)牽引力控制系統(tǒng)的相互作用的物理因素；其次，協(xié)助了解和驗(yàn)證整個(gè)車輛的計(jì)算機(jī)模擬。接著，將這兩種車輛系統(tǒng)地控制將被開發(fā)，并且更好地了解該車輛的系統(tǒng)。 因此，本文的目的是介紹一個(gè)研究結(jié)果，這項(xiàng)研究分析了當(dāng)TC應(yīng)用時(shí)，裝有開式差速器或限滑差速器的車輛車輪之間轉(zhuǎn)矩/力的分配原理，然后提出了輪胎轉(zhuǎn)矩/力對(duì)輪胎打滑的功率損耗（即影響車輛能源效率）和偏航力矩/輪胎的側(cè)向力的影響（即，運(yùn)動(dòng)車輛穩(wěn)定性的影響）。 驅(qū)動(dòng)橋：開放式差速器和基于制動(dòng)器的TC系統(tǒng)互動(dòng) 力和扭矩分配驅(qū)動(dòng)輪之間設(shè)想

6、一個(gè)帶有開式差速器和TC系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)橋并且輪胎下路況相同（后者意味著制動(dòng)踏板抬起）。車輪扭矩彼此相等，總的轉(zhuǎn)矩為輸入轉(zhuǎn)矩（機(jī)械動(dòng)力的差動(dòng)的損失是可以忽略的）： （1）又有 （2）即，如果在從動(dòng)模式下的車輪的滾動(dòng)半徑由于不同的反應(yīng)（例如橋在斜坡上有一定的側(cè)傾）而不同，車輪周向力就不同。有時(shí)，不同氣壓值（例如，配備了中央壓力系統(tǒng)的車輛當(dāng)輪胎之一損壞時(shí)）。如果半徑之間的差異可以被忽略，那么圓周力是相同的。 （3）關(guān)系（3）適用于當(dāng)一個(gè)車輪進(jìn)入惡劣的道路條件下，示于圖 1。一側(cè)車輪進(jìn)入惡劣的道路條件下之前，在兩個(gè)輪子上的圓周力力仍然是相等的。惡劣的道路條件下的車輪將有較高的滑移，如在圖1中所示的車輪滑移

7、。在這里，輪胎滑移度被定義為輪胎打滑時(shí)輪胎線速度理論的Vt（在驅(qū)動(dòng)模式施加沒有轉(zhuǎn)矩）和實(shí)際Vx的之間的差（在驅(qū)動(dòng)模式，有一個(gè)施加到車輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩） （4）現(xiàn)在，在惡劣的附著條件下，車輪制動(dòng)器被牽引力控制系統(tǒng)帶動(dòng)（如圖2中所示）。制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tb可以被視為額外的阻力運(yùn)動(dòng)。因此，在一側(cè)車輪打滑的情況下，牽引車橋需要更大的輸入轉(zhuǎn)矩。這種本應(yīng)該當(dāng)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生時(shí)施加到較差的條件下的輸入轉(zhuǎn)矩如下所示： (5)圖1當(dāng)左右車輪附著情況不同時(shí)，裝有開式差速器的車橋的車輪圓周力圖2裝有開式差速器的驅(qū)動(dòng)橋右制動(dòng)器作用時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪之間新的扭矩T0n分布如下 (6)從這可以看出即使當(dāng)輪胎半徑是相同的，車輪圓周力是不同的 (7

8、)輪胎的滑轉(zhuǎn)功率損失輪胎打滑電源的功率損耗，即在偏轉(zhuǎn)的輪胎和土壤中的功率損失。輪胎打滑所定義的導(dǎo)致輪胎線速度的損失：（8）什么導(dǎo)致能量耗散（9）因此驅(qū)動(dòng)軸兩輪胎的總的滑動(dòng)能量耗散如下（10）從（11）可看出，功率損耗是由車輪圓周力決定的，（3）中開式差速器啟用，但制動(dòng)器不啟用，（7）中當(dāng)一側(cè)制動(dòng)器被牽引力控制系統(tǒng)啟用時(shí)，將（3）和（7）代到（10）中 TC關(guān)閉時(shí) （11）TC開啟時(shí)（12）TC使兩輪的回轉(zhuǎn)速度相等：再假設(shè)半徑相等將（12）式化簡(jiǎn)得 （13）接著分析等式（7）和（13）：通過(guò)增加制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tb，輪上的圓周力可以增到一個(gè)新值和，這將提供相同的輪胎滑移，表示在圖3中。由于這個(gè)原因，滑移

9、的差值變?yōu)?，（13）式變?yōu)槿缦滦问剑?（14）圖3 當(dāng)TC系統(tǒng)啟用，右輪附著條件不同時(shí)帶有開式差速器的車橋輪胎滑移 比較（11）和（14），很明顯TC系統(tǒng)可以減少左右輪下道路條件不同時(shí)輪胎的滑移能量耗散。（11）中，（14）中）但是，這意味著車橋線速度提高，而能量利用效率沒有。從（5）式看出能量效率降低：發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載增加，燃料消耗也增加。橫擺力矩和輪胎側(cè)偏力上述分析表明，輪胎周向力不可能相等，僅當(dāng)左右輪半徑不等，TC系統(tǒng)啟用時(shí)可以發(fā)生。由不等式，車輪所在的道路平面產(chǎn)生了一個(gè)橫擺力矩 （15）力矩Mb對(duì)車輛直線行駛的穩(wěn)定性的影響有好有壞。當(dāng)車輛曲線行駛，力矩Mb可以輔助轉(zhuǎn)向（）或干擾轉(zhuǎn)向（），按

10、照這個(gè)原理，力矩Mb被用來(lái)輔助或干擾橫擺力矩。 圖4 車橋右轉(zhuǎn)時(shí)由行駛的車輪與地面接觸產(chǎn)生的力矩Mb，被前后輪與地面接觸所產(chǎn)生的側(cè)向力所克服。這些側(cè)向力是由單后橋驅(qū)動(dòng)的車輛所確定的（注：這里介紹的是側(cè)向力的一般形態(tài)，通過(guò)引進(jìn)車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特征,這些數(shù)學(xué)表達(dá)式可以簡(jiǎn)寫成特殊的形式） (16) 這里L(fēng)2是車的軸距。當(dāng)TC關(guān)閉時(shí)，側(cè)向力由差值（）決定。這取決于輪胎直徑之比。對(duì)于單斗裝載機(jī)，10噸的質(zhì)量下5度的側(cè)斜坡，車軸的正常輪的比率可以達(dá)到40。這導(dǎo)致，表達(dá)式（17）是以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，用來(lái)深入分析側(cè)向力，輪胎側(cè)滑角，4×4裝載機(jī)穩(wěn)定性。（但是這超出了本文范圍）將（7）代入（15）式得出

11、TC啟用時(shí)，帶有開式差速器的車橋的橫擺力矩： （17）相應(yīng)的，輪胎側(cè)偏力如下： （18）等式（17）的右邊第二項(xiàng)表示對(duì)TC系統(tǒng)產(chǎn)生的橫擺力矩和側(cè)偏力的影響。這些項(xiàng)對(duì)車輛穩(wěn)定性某一影響（積極或消極）通過(guò)聯(lián)立以4X4的裝載機(jī)為模型所得的（15）（16）（17）（18）來(lái)計(jì)算（這超出本文范圍）。注意如果力Fx相等，（17）（18）式的第一項(xiàng)為零。 驅(qū)動(dòng)橋：限滑差速器和TC系統(tǒng)的相互作用 驅(qū)動(dòng)輪力和扭矩的分配現(xiàn)在，想象一個(gè)使用基于制動(dòng)的TC系統(tǒng)和限滑差速器的驅(qū)動(dòng)橋，它的轉(zhuǎn)矩偏差，。當(dāng)輪胎附著條件不同時(shí)，輪胎轉(zhuǎn)矩比達(dá)到轉(zhuǎn)矩偏差的值，輪胎轉(zhuǎn)矩1和圓周力由下式確定： （19） （20）如果輪胎半徑的差值可以

12、忽略，將相同的半徑值代入到式（20）中。當(dāng)TC啟動(dòng)加有轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)的車輪制動(dòng)器，一個(gè)更大的轉(zhuǎn)矩T0n會(huì)提供給限滑差速器，它在輪間分布為： （21） （22）輪胎的滑動(dòng)能量損失將（21）和（22）代入到表達(dá)式（10）中，兩輪總的能量損失就產(chǎn)生了（假設(shè)） *TC啟用時(shí) （23） *TC關(guān)閉時(shí) （24）比較（23）（24）和（11）（12），我們可以看到裝有限滑差速器的車橋的滑動(dòng)能量損失少于裝有開式差速器的車橋（因?yàn)橄藁钏倨鞯腒d）1）。（23）和（24）變成了（11）和（12）。如果Kd=1，那么就是使用的開式差速器。 橫擺力矩和輪胎側(cè)偏力當(dāng)外側(cè)車輪制動(dòng)時(shí)，裝有限滑差速器的車橋橫擺力矩的數(shù)學(xué)表達(dá)式

13、可以推出。利用（5），（15）和（22）我們得到 （25）從(25)式可看出，橫擺力矩是起5積極作用的，即它阻礙橫擺力矩。這意味著外側(cè)輪的制動(dòng)增加了轉(zhuǎn)向不足。同樣，如果Kd=1，表達(dá)式（25）變?yōu)椋?7），這證明了推導(dǎo)過(guò)程的有效性。 如果內(nèi)測(cè)車輪制動(dòng)，阻礙橫擺力矩變?yōu)槿缦滤?（26）式（26）中的抗橫擺力矩可以轉(zhuǎn)化為輔助橫擺力矩，僅當(dāng) （27）圖5圖解了（27）所表示的工況：用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)輔助橫擺力矩的內(nèi)側(cè)車輪制動(dòng)力矩的值是圖表上側(cè)的區(qū)域。否則，內(nèi)側(cè)的制動(dòng)不能克服限滑差速器的轉(zhuǎn)矩偏差對(duì)車輪圓周力的影響影響，然后輔助車輛轉(zhuǎn)向。從圖5看出，轉(zhuǎn)矩偏差越大，產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大。 圖5 不等式（27）的

14、圖示，從圖5可以看出，即使Kd=3（轉(zhuǎn)矩偏差的值通常應(yīng)用在越野車中），這個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tb比T0大，來(lái)提供車輛過(guò)度轉(zhuǎn)向特性。這帶來(lái)了產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)器尺寸大小的問題。如果我們考慮沿制動(dòng)器踏板分布的穩(wěn)定力，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)器參數(shù)如下 （28）在這里，u 是摩擦系數(shù)，b和認(rèn)識(shí)踏板寬度和制動(dòng)鼓半徑，p是在踏板和鼓中的壓強(qiáng)。是踏板和鼓的覆蓋角度。制動(dòng)力矩的最大值對(duì)應(yīng)于10噸負(fù)荷下制動(dòng)器的下列參數(shù) =0.3; b = 0.120m; r = 0.420m; pmax = 0.25MPa; = 120 deg.當(dāng)在沙石路面行駛時(shí)，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的值比加載器的差速器輸入轉(zhuǎn)矩要大(T0 = 0.65 kN m).所以，

15、制動(dòng)器有能力提供在沙石路面行駛的輔助橫擺力矩，就如（27）所示。但是，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩T0增加到14kN-m，而加載器在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，條件（27）需要制動(dòng)力矩更大于5.3kN-m的最大值。這只有在鼓半徑r達(dá)到輪胎半徑即r=0.683m時(shí)才行，而這由于設(shè)計(jì)的限制是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此，內(nèi)部剎車裝置與限滑差速器的兼容性是不確定的。所以，表達(dá)式（26）和（27）對(duì)于理解互相作用的物理原理和限滑差速器與TC系統(tǒng)的兼容性非常重要。這些結(jié)論就配備合適的制動(dòng)器以使過(guò)度轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)變?yōu)椴蛔戕D(zhuǎn)向而言，奠定了控制算法研發(fā)的基礎(chǔ)。同樣的，表達(dá)式（27）對(duì)設(shè)計(jì)制動(dòng)器非常有用。注意輪胎側(cè)向力可以用一般方程（16）來(lái)計(jì)算。結(jié)論這篇文章展現(xiàn)

16、了關(guān)于限滑差速器和TC系統(tǒng)兼容性及互相影響的研究結(jié)果。關(guān)于輪胎滑動(dòng)能量損失和車橋橫擺力矩的車輪力矩/力的分析是通過(guò)比較限滑差速器和TC開關(guān)情況下的開式差速器而得出的。這些分析解釋了當(dāng)限滑/開式差速器和TC系統(tǒng)相互影響時(shí)，輪胎轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)輪側(cè)向力分布，滑動(dòng)能量損失以及偏航動(dòng)力的本質(zhì)。先進(jìn)的數(shù)學(xué)工具正同4x4單斗裝載車的數(shù)學(xué)模型協(xié)調(diào)來(lái)更深層次評(píng)價(jià)輪胎能量損失和車輛側(cè)向動(dòng)力的控制。參考文獻(xiàn)1. Andreev, A. F., Kabanau, V. I., Vantsevich, V. V.,“Driveline of Ground Vehicles: Theory and Design” Vants

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