【摘 要】本文概括了汽車常用防滑差速系統(tǒng)的主要形式，并在此基礎(chǔ)上分析了汽車差速器的結(jié)構(gòu)類型以及相應(yīng)的特點(diǎn)，并給出了衡量防滑差速器性能的技術(shù)指標(biāo)。最后以防滑差速器的數(shù)值模擬為背景，通過力學(xué)分析模型為基礎(chǔ)，通過簡化分析后利用MATLAB中的SIMULINK工具來進(jìn)行ＢＰ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和分析。

【關(guān)鍵詞】防滑差速系統(tǒng)；輪式機(jī)械；ＢＰ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

0.概述

汽車上使用的防滑差速系統(tǒng)主要有三種形式：主動控制式、轉(zhuǎn)矩感應(yīng)式和轉(zhuǎn)速感應(yīng)式。在實踐中防滑差速系統(tǒng)在提高汽車安全性能方面起到了很重要的作用，也逐漸成為一個重點(diǎn)研究的領(lǐng)域。國外汽車公司在防滑差速器方面的研究比較早，經(jīng)過幾十年的發(fā)展逐步形成了以TCS防滑差速系統(tǒng)為代表的電子控制系統(tǒng)，在多種高中檔轎車上都得到了普遍的應(yīng)用。相比之下國內(nèi)的防滑差速系統(tǒng)的研究起步晚，受到總體汽車發(fā)展水平的限制，在這個方面更多的研究注重于邏輯控制方面，但還缺乏比較成熟的市場化產(chǎn)品。要提高我國汽車設(shè)計生產(chǎn)的水平，提高汽車防滑差速系統(tǒng)設(shè)計水平是必由之路。

1.汽車差速器的結(jié)構(gòu)類型和特點(diǎn)

差速器的結(jié)構(gòu)類型取決于車輛的具體類型和工作條件。從功能上分，差速器可分為普通對稱式圓錐行星齒輪差速器和防滑差速器兩大類，其中防滑差速器又可以分為自鎖式差速器和強(qiáng)制鎖止式差速器兩類，如果要細(xì)分還可以劃分出更多的類型。在本文中針對輪式工程機(jī)械的防滑設(shè)計，因此在本節(jié)中對防滑差速器的設(shè)計來展開討論。這里對幾種常見的防滑差速器類型進(jìn)行概述，將其作為后續(xù)研究的重要參考。常用防滑差速器的類型和特點(diǎn)為：（1）強(qiáng)制鎖止式，強(qiáng)制鎖止式差速器的使用需要和差速鎖配合，結(jié)構(gòu)比較簡單，但操作不方便，有可能因為差速鎖摘鎖時間不當(dāng)而導(dǎo)致左右車輪剛性連接；（2）摩擦片式自鎖差速器摩擦片式自鎖差速器通過產(chǎn)生內(nèi)摩擦力矩來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的重新分配，從而能夠改善汽車在經(jīng)過惡劣路段時的平衡能力。這類差速器的缺點(diǎn)也比較明顯，主要表現(xiàn)在于其工作方式會增加摩擦片的磨損，油耗量也相對較大；（3）滑塊凸輪式差速器，滑塊凸輪式差速器是一種高摩擦自鎖差速器，其結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小。但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其零件材料、機(jī)械加工等方面均有較高的技術(shù)要求，摩擦件的磨損較大；（4）托森差速器，托森差速器又稱蝸輪-蝸桿式差速器，其結(jié)構(gòu)簡潔、性能優(yōu)異，在中央軸間差速器和后驅(qū)動橋的輪間差速器上應(yīng)用最為廣泛，但由于在轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩差較大時有自動鎖止作用，通常不用作轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋的輪間差速器。

2.防滑差速器的性能評價指標(biāo)

不同的場合使用場合對防滑差速器的要求不同，因此需要按照一定的標(biāo)準(zhǔn)來對防滑差速器的性能進(jìn)行評定。一般來說，有4類參數(shù)：①旋轉(zhuǎn)較快的半軸齒輪上的轉(zhuǎn)矩；②旋轉(zhuǎn)較慢的半軸齒輪上的轉(zhuǎn)矩；③差速器殼上的轉(zhuǎn)矩；④差速器元件在相對運(yùn)動時所產(chǎn)生的摩擦力矩。上述四類因素中，以旋轉(zhuǎn)較慢的半軸齒輪上的轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)較快的半軸齒輪上的轉(zhuǎn)矩的比值來衡量汽車兩側(cè)驅(qū)動輪之間的轉(zhuǎn)矩差異（鎖緊系數(shù)）。鎖緊系數(shù)是衡量防滑差速器性能的關(guān)鍵指標(biāo)，因此對輪式車輛防滑差速器的設(shè)計主要就是針對鎖緊系數(shù)的調(diào)整，從而達(dá)到操作性、穩(wěn)定性以及磨損等方面的平衡。本文中將采用優(yōu)化方法和智能控制理論來調(diào)整鎖緊系數(shù)來完成防滑差速系統(tǒng)的設(shè)計。

3.防滑差速系統(tǒng)的建模

3.1力學(xué)分析模型

輪式工程車輛一般都是四輪驅(qū)動，因此在建模時采用4輪車輛模型，并按動力的不同需求來分配兩軸的輸入功率，通過液壓調(diào)整驅(qū)動控制系統(tǒng)，從而可構(gòu)建基于試驗樣本訓(xùn)練的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)差速控制系統(tǒng)。建模時的基本規(guī)則如下：（1）打飛輪，當(dāng)有一個車抽上的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)速差很大時，應(yīng)讓模型輸出糾正控制參數(shù)，加大輪速差穩(wěn)定的輸入扭矩；（2）滑移率的控制，滑移率是制動過程中的控制問題，其目的是通過增加前后軸的驅(qū)動力矩，減少滑移的比例，這里選取20%滑移率作為閾值，當(dāng)滑移率超過20%時有控制系統(tǒng)輸出控制參數(shù)來進(jìn)行調(diào)整。建模方法采用圖形建模方法，利用MATLAB軟件仿真，主要是利用其中的系統(tǒng)動力學(xué)模擬工具箱SIMULINK來完成。

車輛動力學(xué)簡化模型為：

aφ-aβ-aλ+aδ=0

bψ+bξ+bλ-bδ+=0

車輛在制動情況下的縱向滑移率為：λ=，其中v，v分別為車輛的縱向速度和輪胎的圓周速度。車輛在制動情況下的橫向滑移率為λ=

tan，其中v為車輛的橫向速度。上述模型中的參數(shù)a，b是一組和車速有關(guān)的參數(shù)，在計算這些系數(shù)時分別建立一個子模型，將車速作為輸入，將這些系數(shù)作為模型的輸出。在設(shè)計時采用防滑差速器和整車系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置，只要考慮其模型參數(shù)即可實現(xiàn)對整車防滑性能的影響程度。

3.2基于MATLAB的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

MATLAB軟件包中已經(jīng)包含了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法，在對3.1中的力學(xué)模型進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時可以直接使用，只需要針對具體問題的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置即可。具體的MATLAB設(shè)置如下：

（1）首先設(shè)定網(wǎng)絡(luò)各層之間的鏈接權(quán)重和閾值，隨機(jī)項的數(shù)值區(qū)間為-1~+1之間的隨機(jī)值。

（2）設(shè)定初始隨機(jī)模式序列，該序列中包含了再一組車體試驗中的車體的知心轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角等運(yùn)行數(shù)據(jù)，用來描述汽車內(nèi)側(cè)車輪和外側(cè)車輪的數(shù)據(jù)。

（3）調(diào)用軟件自帶的輸入模式和連接權(quán)重以及閾值來計算ＢＰ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中間層各個神經(jīng)元的輸入和輸出，其中輸出采用Ｓ型傳遞函數(shù)計算。

（4）計算輸出層神經(jīng)元的輸入值，其計算數(shù)據(jù)來源于中間層的輸出、連接權(quán)重和閾值，進(jìn)而計算各輸出層神經(jīng)元的輸出。

（5）調(diào)用希望輸出模式和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所計算出的結(jié)果之間的一般化誤差。

（6）計算輸出層、中間層各個神經(jīng)元輸出的一般化誤差。

（7）修正鏈接權(quán)重，修正的依據(jù)為輸出層的一般化誤差以及中間層中神經(jīng)元的輸出值。

（8）利用中間層中的神經(jīng)元一般化誤差計算結(jié)果以及輸入來進(jìn)一步修正鏈接權(quán)重和閾值。

（9）隨機(jī)設(shè)定若干個學(xué)習(xí)模式讓BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，直到對所有設(shè)定的模式都訓(xùn)練完成并且滿足了給定的誤差要求后完成訓(xùn)練。

3.3結(jié)果分析

通過上節(jié)中的數(shù)值分析，得到的基本數(shù)據(jù)和結(jié)論如下。當(dāng)采用50公里每小時的速度值外加9度的前輪轉(zhuǎn)向角，得到橫擺角速度瞬態(tài)響應(yīng)峰值反映時間為0.621秒，給差速器的調(diào)整量為105.1%，角度值為31.3度。質(zhì)心側(cè)偏角瞬態(tài)響應(yīng)峰值反應(yīng)時間約為1秒，超調(diào)量約為90%，角度為4.32度。為了對比模擬的效果，當(dāng)采用普通差速器來進(jìn)行調(diào)整時的結(jié)果都比模擬結(jié)果中的峰值相應(yīng)時間、超調(diào)量以及角度要大，而二者的質(zhì)心側(cè)偏角瞬態(tài)響應(yīng)相比，裝有限滑差速器車輛的響應(yīng)峰值時間、超調(diào)量以及穩(wěn)態(tài)值都較裝有普通差速器車輛略有減小?？梢哉J(rèn)為限滑差速器加入車輛傳動系后，增加了系統(tǒng)的剛性，而相對降低了系統(tǒng)的阻尼。

傳統(tǒng)的數(shù)值分析方式都需要建立在精確數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，很多實際問題由于影響條件太多而使得建立精確的數(shù)學(xué)模型幾乎不可能。采用帶有容錯空間和模糊信息的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是分析這類問題的有效手段。為了提高模擬分析的精度，可進(jìn)一步采用更為精確的數(shù)學(xué)模型，配合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來進(jìn)行。

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