CN101898560A - 一种适用于全轮驱动车辆驱动防滑控制的新型调节参数 - Google Patents

Abstract

一种适用于全轮驱动车辆驱动防滑控制的新型调节参数本发明公开一种应用于全轮驱动车辆进行驱动防滑控制的调节参数——角加速度增益系数。发明源自对车辆驱动轮滑转过程中的参数分析，定义驱动轮角加速度与角速度的比值为角加速度增益系数，以表征单位角速度下的增速能力。该参数在驱动轮滑转过程中相对滑转率的变化规律与附着系数相对滑转率的变化一致，变化趋势相同且达到峰值时刻一致。角加速度增益系数的变化直接反映了车轮附着系数的变化，从而回避了全轮驱动车辆车身速度的计算难题，这为实现全轮驱动车辆的驱动滑转控制提供了新型、有效的调节控制参数。

Description

一种适用于全轮驱动车辆驱动防滑控制的新型调节参数

技术领域

本发明技术领域为车辆驱动防滑控制系统。全轮驱动车辆驱动防滑控制调节参数的选择和确定是实现车轮滑转控制的前提条件。

背景技术

车辆在冰雪等低附着路面上进行起步和加速行驶过程中，驱动轮极易出现过度滑转，从而降低车辆的通过性和安全性。全轮驱动车辆相比两驱车辆因其发动机输出功率的提升，车轮过度滑转仍难以避免。

传统的驱动防滑控制实现的关键是通过控制目标滑转率来辩识车轮与路面间的峰值附着系数。而实际车辆的目标滑转率会随路面、负荷、驾驶行为等工况的不同而不同，防滑控制系统不能实时有效地做出调整；且滑转率的计算依赖于车身速度的确定，对于全轮驱动车辆其车身速度的确定一直是个难题，故单一的目标滑转率的控制方法难以在全轮驱动车辆上得到应用。

发明内容

本发明基于车辆驱动轮滑转过程中的参数分析，提出了角加速度增益系数的概念，该参数的变化直接反馈车轮与路面间附着系数的变化。使用本发明直接回避车轮滑转率以及车身速度的计算，可以方便、有效地实时辨识路面以实现对车轮过度滑转的控制。

首先考察单轮车辆模型通过图1所示附着特性路面的滑转情形。图1中S为滑转率，μ为附着系数。假设在此加速过程中保持发动机恒转矩输出且作用在车轮上的驱动力大于地面所能提供的最大附着力，即车辆驱动轮能够经历从不滑转到完全滑转的全部过程。

在图1中，峰值点p对应附着系数为μ_max，最佳滑转率为S_T；Ap段代表附着系数由低逐渐增大直至μ_max的过程，相应的滑转率不断增大直至S_T，在此过程上车辆纵向速度随着纵向附着系数的逐渐增大而不断提高；Bp段代表附着系数从μ_max开始逐渐降低的过程，相应的滑转率仍不断增大直至达到完全滑转，在此过程中车辆纵向速度由于附着系数的不断降低而逐渐下降，直至车轮完全打滑，速度降为0。

忽略空气阻力，建立车辆运动能量守恒方程：

$E_{\mathrm{out}}=T_{\mathrm{et}}=\frac{1}{2}{\mathrm{mu}}^2+\frac{1}{2}{I}_w{\mathrm{\ω}}^2+{\mathrm{\ΔE}}_1+{\mathrm{\ΔE}}_2---\left(1\right)$

式中：E_out为车辆本身的输出能量，一般汽车按发动机输出的转矩T_et计；m为车身质量；u为车身速度；I_w为车轮转动惯量；ω为车轮角速度；ΔE₁为发动机曲轴、飞轮及传动系转动和摩擦耗用能量；ΔE₂为地面摩擦、车轮变形及生热所占用能量。

ΔE₁主要取决于发动机转速、变速器传动比、传动系效率及曲轴、飞轮、传动系的转动惯量等因素，在发动机节气门开度和转速一定前提下，ΔE₁可按定值处理。

ΔE₂主要取决于轮胎材料、结构以及胎压、使用工况等因素，其与车轮角速度的变化成正比变化关系，具体计算式为

ΔE₂＝F_fsωrΔt                      (2)

式中：F_fs为轮胎滚动阻力，它是关于轮胎负荷、轮胎结构参数、轮胎变形以及路面特性的函数；Δt为时间间隔。

车轮滑转率计算式为

$S=(1-\frac{u}{\mathrm{\ωr}})\×100\%---\left(3\right)$

①Ap段：dμ＞0，dS＞0。

dμ＞0，地面作用在车轮上的驱动力逐渐增大，车辆处于驱动加速状态，故du＞0。

对式(3)两边微分得

$\mathrm{dS}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^{2}r}(\mathrm{ud\ω}-\mathrm{\ωdu})---\left(4\right)$

结合的dS＞0→udω＞ωdu，即dω/ω＞du/u，表明车轮角速度的相对增长率要大于车辆纵向速度的相对增长率。

又由ω＞0，u＞0→dω＞0。因此，对应此过程段：dω/dS＞0，dμ/dω＞0，dω/ω＞0。

由式(1)得出，在此过程段上车辆纵向速度和车轮旋转速度所体现的动能逐渐增大，即有用功所占发动机输出功比例不断提高，而无用功项ΔE₁+ΔE₂之和所占比例逐渐降低。

②Bp段：dμ＜0，dS＞0。

dμ＜0，地面对车轮驱动力逐渐降低，车辆处于被动减速状态，du＜0。

根据式(1)，在发动机恒转矩输出条件下，ΔE₁基本保持不变，车辆纵向运动动能项mu²/2逐渐减小，车轮角速度必然增大；若角速度降低，将连带使I_wω²/2、ΔE₁和ΔE₂项减小，式(1)右边各项总和必然减小，这与恒转矩输出的前提矛盾。

因此，对应Bp段车轮角加速度不断增大，dω＞0，进而得到：dω/dS＞0，dμ/dω＜0。

对比Ap和Bp段，相同dS段内|dμ|_Ap＞|dμ|_Bp，可得(dω)_Ap＞(dω)_Bp，即有：(dω)_Ap/dS＞(dω)_Bp/dS。

完全滑转条件下，u＝0，式(1)形式为：

$T_{\mathrm{et}}=\frac{1}{2}{I}_w{\mathrm{\ω}}^2+{\mathrm{\ΔE}}_1+{\mathrm{\ΔE}}_2---\left(5\right)$

此时为车轮运动的极限工况，车轮角加速度增大到最大值，dω＝0；ΔE₁、ΔE₂均达到最大，车辆输出能量全部用于无效的转动、传动系和及车轮的磨损和生热，能量损失相比显著增大，轮胎磨损加剧。实际应用中应避免这种情况的发生，这也正体现出ASR控制的必要性。

③峰值点p：dμ/dS＝0

通过对Ap段和Bp段分析，在p点左右微小区间内dμ/dω异号。根据运动过程的连续性，在峰值点p处dμ/dω＝0，即存在μ_max对应的最佳角加速度，大小为dω_T/dt。

实际上，车辆在驱动加速过程中很难实现发动机恒转矩输出。在节气门开度一定的前提下，发动机输出转矩会随着滑转率的增大而增大，即发动机的转速会随之提高，车轮角加速度也相应增大。上述滑转过程参数变化趋势是基于驱动过程中角加速度的不断增大而得到的，因此说在车辆驱动滑转过程中即便发动机不是恒转矩输出，所得结论仍然成立。

在Ap段，dω＞0，dω/ω逐渐增大；在Bp段，由(dω)_Ap＞(dω)_Bp，dω/ω逐渐降低；过程拐点在峰值点p处。在此，定义dω/ω为驱动轮角加速度增益系数(以下简称增益系数)，表示单位角速度下的增速能力，用λ表示，单位为1/s。根据前面分析，角加速度增益系数λ随S的变化趋势如图2所示。

从中可以看出，在滑转率小于S_T时，增益系数随滑转率的增大而增大；当滑转率大于S_T时，增益系数随滑转率的增大而降低；对应峰值点上，增益系数达到最大值。对比图1和图2，可以发现这些变化与附着系数相对滑转率的变化趋势是一致的，这对进行实际的驱动滑转控制很有意义。图2中曲线仅反映一种趋势变化，而非呈线性变化和确定的变化率。图3为根据基于某型实验样车进行实验所得的具体变化曲线。

附图说明

图1为附着系数相对滑转率的变化关系。

图2为增益系数相对滑转率的变化趋势。

图3为实车在覆冰-干沥青路面驱动过度滑转过程中增益系数相对滑转率的变化。

具体实施方式

根据车辆数据采集系统所采集到的轮速和采集周期信息并进行相关数据过滤、平滑处理，便能得到驱动轮实时角加速度增益系数的具体数值，依据与附着系数相对滑转率的一致性变化趋势，直接控制角加速度增益系数的变化便可直接控制附着系数的变化。

实际应用中当角加速度增益系数快速增大至最大值进行数据记录存储，此后通过对发动机节气门或车轮制动力矩等方面的调节使得驱动轮增益系数在最大值附近区间门限内变化，从而间接实现车轮获得较大地面附着力来克服驱动轮过度滑转；当角加速度增益系数变化基本恒定时，表明车轮没有发生滑转，退出系统控制。

Claims (2)

1.依据角加速度增益系数或实时车轮角加速度与角速度比值作为车辆驱动轮过度滑转的判定参数。

2.依据角加速度增益系数实时变化并根据变化区间门限进行车轮过度滑转控制的实用转化。

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