山西省中北大學機械與動力工程學院　朱亞偉　尉慶國　墨海波

基于Matlab/Simulink四輪驅動汽車動力性仿真

山西省中北大學機械與動力工程學院朱亞偉尉慶國墨海波

本文首先建立全時四輪驅動汽車的動力學數學模型，然后基于 Matlab/Simulink平臺建立全時四驅車輛的動力仿真模型，并對其不同動力分配的仿真結果做出分析。通過仿真得出結論：在汽車低速、爬坡以及附著條件不佳的路況下行駛時，四輪驅動系統(tǒng)對于汽車的動力性的改善具有重要影響；在高速行駛時，四輪驅動系統(tǒng)則對于汽車的最高車速影響很小。

全時四驅；動力分配；Matlab/Simulink；仿真

隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車機械設計與制造工藝的提高及其電子技術的發(fā)展，人們對汽車的動力性、操控性及行駛穩(wěn)定性的要求也越來越高，兩輪驅動的不足顯現出來。為了提高車輛的運動性能和穩(wěn)定性，汽車設計人員開發(fā)出了一套四輪驅動系統(tǒng)，車輛可以根據自身行駛狀況和道路條件，將發(fā)動機輸出的扭矩合理分配給前后輪，且對動力的分配能根據車輛行駛狀態(tài)、道路條件以及駕駛員意圖的變化而做出合理的分配，從而達到提升汽車各項性能的目的［1］。

1四輪驅動汽車最佳動力分配原則

汽車在行駛過程中，發(fā)動機的動力經離合器、變速器、傳動軸以及驅動軸傳遞至車輪，轉化為驅動汽車行駛的轉矩。汽車主要受到的阻力有摩擦阻力、空氣阻力、加速阻力和爬坡阻力。當汽車的驅動力等于所受到阻力之和時，汽車速度不再改變，保持勻速行駛。汽車前后軸最佳動力分配原則：

（1）行駛時各個輪胎的附著系數都相等，使得每一個車輪都得到充分利用。

（2）在平整路面上，動力大小要與輪胎承受重量相匹配，輪胎承受重量越大，摩擦力越大，所能提供的牽引力就越大。汽車在加速、上坡和轉彎過程中，重量都會發(fā)生轉移，所以應及時調整動力分配。

當前后輪的附著率相等時，前后輪轉矩分配最合理［2］。

2四輪驅動汽車matlab/Simulink模型建立

汽車的最高車速指在水平良好的路面（瀝青或混凝土）上汽車能達到的最高車速。汽車的加速時間表示汽車的加速能力，它對平均行駛車速有著很大的影響，特別是轎車對加速時間更為重視。常用原地起步加速時間與超車加速時間來表明汽車的加速能力［3］。

在進行一般的動力性分析而計算原地起步加速時間時，可以忽略原地起步時的離合器的打滑過程，即假設在最初時刻，汽車已具有起步擋位的最低車速來計算。加速過程中的換擋時刻可以根據各檔的a-u曲線去頂，在1擋和2擋曲線有交點，顯然，為了獲得最短加速時間，應在交點對應車速下進行換擋，若1擋與2擋加速度曲線不相交，則應在1擋位加速行駛至發(fā)動機轉速達到最高轉速時換入2擋。其余各擋間的換擋時刻亦按此原則來確定，至于換擋時間，則忽略不計［4］。

為了仿真不同動力分配比下的汽車動力性，建立不同動力分配比控制模塊，控制策略如下：當前后動力分配比和驅動力輸入模塊時，模塊內程序進行判斷。如果傳至前輪的驅動力大于前輪地面附著力，則驅動力等于地面附著力，而后輪的驅動力也不再增加，對于后輪也是如此。如果傳至前后輪的驅動力均小于前后輪對應的地面附著力，則實際的驅動力等于發(fā)動機發(fā)出的驅動力［5］。

不同動力分配比下汽車最高車速simulink模型如圖1所示。

圖1　不同動力分配比下simulink整車動力模型

3仿真結果及分析

不同驅動形式下的最大爬坡度仿真結果如圖2所示，從圖中可以看出，四輪轉向汽車的爬坡能力要遠遠大于單軸驅動汽車。而且，前后動力分配比可調的汽車的動力性要大于前后動力定比分配的汽車。因為如果前后驅動力的分配可以根據運動狀況自動調節(jié)，而使前后驅動力同時達到附著力的限制，則全部的驅動力均可轉化為驅動力，因此最大爬坡度等于地面的附著系數。而單軸轉向汽車，前后驅動輪的附著率一般是不相等的，如果前驅動輪附著率較大，即前輪要求的附著系數大于后輪，在一定附著系數的路面上，前輪首先驅動力達到飽和開始出現滑轉，因而前輪的驅動力不再增加，后輪的驅動力則保持在此時的值也不再增加，對于后輪驅動汽車亦是如此。這樣汽車的驅動能力并不能發(fā)揮到最佳，一部分驅動力閑置浪費，故其爬坡能力較全時四輪驅動汽車較差［6］。

圖2　不同驅動比下汽車最大爬坡度

當前后軸動力分配比設置分別為1、0和自適應變化的最佳分配比x，汽車最高車速仿真結果如圖3所示。

圖3　不同驅動比下汽車最高車速

從圖3可以看出，動力分配比自適應變化的四輪驅動汽車，在前20s加速能力明顯高于前輪驅動和后輪驅動汽車，在20～40s的時候依然加速能力略高于前輪驅動和后輪驅動。

對比前后動力分配比不同的三條曲線可知，在時間為100s時，三種不同驅動形式的汽車大概都達到最高車速，而最高的車速是一樣的，約為90km/h。

4結論

基于以上分析可知，四輪驅動能夠有效地提高汽車的動力性能，提高汽車的操縱穩(wěn)定性和通過性，有助于汽車在附著條件較差路面上的穩(wěn)定安全行駛。汽車在最高車速行駛時，由于動力經過變速器高速擋傳遞，增速減扭，傳遞給車輪的切向作用力較小，一般地面附著條件下均可以滿足汽車的附著需求，所以，此時采用四輪驅動和單軸驅動，對汽車的最高車速影響甚小。

［1］萬里翔，許明恒.汽車行駛平順性評價方法的研究 ［J］.西南交通大學學報，2001，36（1）：71-75.

［2］余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.3：120-154.

［3］吳煒.某特種越野車行駛穩(wěn)定性研究［D］.南京理工大學，2007

［4］趙秋芳.基于ADAMS的汽車操縱穩(wěn)定性仿真試驗初步研究［D］.大連理工大學，2006.

［5］周宇奎.側風影響下高速汽車響應特性的分析與控制研究 ［D］.湖南大學，2005.

［6］尹念東.模糊神經技術及其在汽車操縱穩(wěn)定性研究中的應用現狀［J］.湖北汽車工業(yè)學院學報，2003，02：1-5.

朱亞偉，1989年12月出生，河南周口人，在讀碩士，研究方向：汽車振動噪聲以及主動噪聲控制。