王敷玟,凌新新,張家彬,陳強(qiáng)

(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

橫擺運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性是決定高速汽車(chē)安全行駛的一個(gè)主要性能，被稱為“高速車(chē)輛的生命線”，四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)、主動(dòng)懸架技術(shù)、直接橫擺力矩控制技術(shù)是改善車(chē)輛穩(wěn)定性最主要的幾個(gè)方法。而直接橫擺力矩控制，通過(guò)改變輪胎縱向力，產(chǎn)生一橫擺力矩來(lái)改變車(chē)輛橫擺角速度，使車(chē)輛迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)是目前車(chē)輛穩(wěn)定性控制中是最有效、應(yīng)用最為廣泛的方法[1-4]。

適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)是一種主動(dòng)控制系統(tǒng)，它通過(guò)四驅(qū)控制器控制四驅(qū)后橋扭矩輸出。根據(jù)ECU判斷邏輯，可將車(chē)輛驅(qū)動(dòng)模式分為兩輪驅(qū)動(dòng)、適時(shí)四輪驅(qū)動(dòng)、全時(shí)四輪驅(qū)動(dòng)。目前國(guó)內(nèi)適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)的扭矩分配主要由車(chē)速、轉(zhuǎn)向角及車(chē)輪打滑程度來(lái)確定，而未考慮整車(chē)操縱穩(wěn)定性的需求，然而在低附路面，汽車(chē)在轉(zhuǎn)向和側(cè)向風(fēng)作用時(shí)，側(cè)向力常常接近附著極限或達(dá)到飽和狀態(tài)，車(chē)輛的轉(zhuǎn)向特性發(fā)生明顯改變，從而出現(xiàn)側(cè)滑、激轉(zhuǎn)、側(cè)翻或轉(zhuǎn)向遲鈍等喪失車(chē)輛動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的危險(xiǎn)局面。針對(duì)適時(shí)四驅(qū)扭矩分配考慮操縱穩(wěn)定性的問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]中日產(chǎn)公司研制了總是保持“中性轉(zhuǎn)向”特點(diǎn)的電子控制前、后驅(qū)動(dòng)力分配系統(tǒng)(ETS)，在固定方向盤(pán)轉(zhuǎn)角加速行駛時(shí)，有ETS的4WD具有接近中性轉(zhuǎn)向的特點(diǎn)，使駕駛者容易判斷其行駛路徑，具有較好的操縱穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[6]中基于一種智能扭矩控制耦合器(ITCC)，根據(jù)其扭矩傳遞特性，制定了同時(shí)考慮驅(qū)動(dòng)性能及操縱穩(wěn)定性能的多種MAP扭矩分配策略，并以全油門(mén)加速轉(zhuǎn)彎工況為例，實(shí)現(xiàn)將車(chē)輛的轉(zhuǎn)向特性由“過(guò)度轉(zhuǎn)向”向不足轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)變。文獻(xiàn)[7]中基于一種純電動(dòng)四驅(qū)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，設(shè)計(jì)了基于遺傳算法和PID控制的軸間扭矩分配控制系統(tǒng)，使車(chē)輛動(dòng)力性和行駛穩(wěn)定性得到提升。文獻(xiàn)[8]中采用軸載比例分配算法，設(shè)計(jì)了基于橫擺角速度與質(zhì)心側(cè)偏角的聯(lián)合滑模變結(jié)構(gòu)控制策略，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛的橫向穩(wěn)定性控制。

本文作者依據(jù)智能適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)車(chē)輛的特點(diǎn)，提出一種考慮車(chē)輛操縱穩(wěn)定性的四驅(qū)扭矩分配規(guī)則，充分利用后軸的附著條件，采用PID控制理論，對(duì)車(chē)輪打滑和橫擺角速度偏差進(jìn)行聯(lián)合控制，提升車(chē)輛的越野脫困能力及提升車(chē)輛在低附路面的操縱穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

如圖1所示，采用的四驅(qū)系統(tǒng)為一種主動(dòng)控制的智能適時(shí)四驅(qū)系統(tǒng)，它主要由取力器總成、中間傳動(dòng)軸、電控多片離合器、后差減速器總成等組成。

圖1 四驅(qū)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過(guò)變速箱再經(jīng)取力器總成增速降扭后將動(dòng)力傳至中間傳動(dòng)軸，再通過(guò)電控多片離合器片調(diào)節(jié)內(nèi)部電磁銜鐵控制中間傳動(dòng)軸輸出扭矩，最后通過(guò)后差減速器總成減速增扭后由后驅(qū)動(dòng)軸將動(dòng)力傳至車(chē)輪，從而輔助驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛。

根據(jù)圖1所示的四驅(qū)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，忽略差速器內(nèi)部阻力，忽略驅(qū)動(dòng)軸、差速器、傳動(dòng)軸等轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，力學(xué)關(guān)系為變速箱輸出端被動(dòng)齒輪輸出扭矩：

Ttran=η1KiioTeng

(1)

后橋總輸出扭矩：

Tr=ηrirTmm_act

(2)

后橋車(chē)輪輸出扭矩：

(3)

前橋輸出扭矩：

Tf=Ttran-Tr

(4)

前橋車(chē)輪輸出扭矩：

(5)

式中：Ttran為變速箱被動(dòng)齒輪總輸出扭矩，N·m；η1為變速箱傳動(dòng)效率；i為變速箱速比；io為變速箱主減速器速比；K為液力變矩器變矩比；Teng為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩，N·m；Tr為后橋總輸出扭矩，N·m；ηr為扭矩管理器和后差減速器綜合傳動(dòng)效率；Tmm_act為扭矩管理器實(shí)際扭矩,N·m；ir為后差減速器速比；Trl為左后輪輸出扭矩，N·m；Tφrl為左后輪附著扭矩，N·m；Trr為右后輪輸出扭矩，N·m；Tf為前橋總輸出扭矩，N·m；Tfl為左前輪輸出扭矩，N·m；Tφf(shuō)l為左前輪附著扭矩，N·m；Tfr為右前輪輸出扭矩，N·m；Tφf(shuō)r為右前輪附著扭矩，N·m。

2 適時(shí)四驅(qū)整車(chē)模型的建立

2.1 車(chē)輛模型

汽車(chē)是由駕駛員通過(guò)油門(mén)踏板、制動(dòng)踏板和轉(zhuǎn)向盤(pán)來(lái)控制的，其行駛狀態(tài)主要由汽車(chē)的縱向速度、側(cè)向速度和橫擺角速度決定。由于線性二自由度模型可以很好地反映駕駛員的轉(zhuǎn)向輸入與汽車(chē)橫擺角速度、側(cè)偏角、側(cè)向加速度之間的線性關(guān)系，被廣泛用來(lái)計(jì)算汽車(chē)的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角等控制變量名義值。線性二自由度模型[1]如圖2所示。

圖2 線性二自由度汽車(chē)模型

(6)

(7)

考慮路面附著系數(shù)的限制，其質(zhì)心側(cè)偏角與橫擺角速度需滿足如下約束條件：

(8)

式中：k1、k2分別為前、后輪輪胎側(cè)偏剛度；μ為路面附著系數(shù)；ωrd為名義橫擺角速度，rad/s;βd為名義質(zhì)心側(cè)偏角，(°)。

2.2 輪胎模型

由于文中分析主要涉及縱向和側(cè)向附著力,故采用Dugoff輪胎模型計(jì)算輪胎與地面的縱向、側(cè)向附著力[9]。

驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)率為

(9)

地面給車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力為

(10)

式中:ω為車(chē)輪輪速;r為輪胎動(dòng)態(tài)半徑;Fxxi、Fyyi分別為輪胎的縱向、側(cè)向附著力；Cxi、Cyi分別為輪胎縱向、側(cè)向剛度；φi、sxi分別為各驅(qū)動(dòng)輪輪胎側(cè)偏角及縱向滑移率；f(s)為與輪胎動(dòng)態(tài)參數(shù)有關(guān)的函數(shù)。

2.3 四驅(qū)扭矩控制模型

文中采用的四驅(qū)扭矩管理器為電磁多片式離合器結(jié)構(gòu)，在給扭矩管理器發(fā)出扭矩請(qǐng)求信號(hào)后，扭矩管理器不能馬上完成所需動(dòng)作，到達(dá)穩(wěn)態(tài)須經(jīng)歷一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，具有一定的延遲。根據(jù)臺(tái)架及整車(chē)測(cè)試結(jié)果，采用2階傳遞函數(shù)來(lái)模擬扭矩管理器實(shí)際的扭矩響應(yīng)，如下：

(11)

Tmm_Cac=KnI2

(12)

式中：Tmm_act為扭矩管理器實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；ξ為二階系統(tǒng)阻尼比；ωn為扭矩管理器固有頻率，rad/s；Tmm_Cac為扭矩管理器的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，N·m；Kn為由電磁線圈、凸輪盤(pán)、離合器片等決定的結(jié)構(gòu)特性參數(shù)，為扭矩系列扭矩管理器的固有特性；I為電磁線圈電流，A。

3 智能扭矩分配策略

在直線行駛中，車(chē)輛主要根據(jù)各車(chē)輪的滑轉(zhuǎn)情況實(shí)時(shí)調(diào)配驅(qū)動(dòng)力以最大化利用路面附著，在保證扭矩管理器結(jié)合平順、斷開(kāi)平穩(wěn)的前提下，以軸間轉(zhuǎn)速差為零作為期望控制目標(biāo)，對(duì)四驅(qū)扭矩進(jìn)行控制，從而提高整車(chē)的動(dòng)力性和通過(guò)性。

由扭矩管理器控制模型可知，扭矩管理器通過(guò)控制電磁線圈電流來(lái)控制目標(biāo)扭矩輸出，因此，整車(chē)扭矩管理器輸入、輸出端轉(zhuǎn)速差為

Δn=nf-nr

(13)

則有控制器輸出的電流變化量為

(14)

式中：Δn為前后軸軸速差，r/min；nf為前軸軸速，r/min；nr為后軸軸速，r/min；kp、ki、kd分別為比例、積分和微分增益系數(shù)。

在評(píng)價(jià)扭矩管理器是否結(jié)合平順、斷開(kāi)平穩(wěn)時(shí)，以沖擊度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，縱向加速度a的變化率即沖擊度：

(15)

在轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，既要考慮整車(chē)動(dòng)力性的需求，又要滿足車(chē)輛對(duì)于橫擺力矩的要求。以車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性作為首要考慮對(duì)象，正確合理的驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)移能夠使車(chē)輛更好地保持駕駛者的期望軌跡，約束如下：

Fxx1+Fxx2+Fxx3+Fxx4=maxc

(16)

(Fxx2-Fxx1)a+(Fxx4-Fxx3)b=Mz

(17)

(18)

上層控制器以理想的橫擺角速度跟隨為控制目標(biāo)，利用PID控制策略得出車(chē)輛所需的橫擺力矩，它通過(guò)期望橫擺角速度同實(shí)際橫擺角速度的偏差得到車(chē)輛的調(diào)整橫擺力矩。

以穩(wěn)態(tài)橫擺角速度值作為ωrd的控制目標(biāo)：

(19)

整車(chē)橫擺角速度偏差為

Δω=ω-ωrd

采用PID控制橫擺角速度跟隨控制，如下：

(20)

式中：kpω、kiω、kdω分別為比例、積分和微分增益系數(shù)；Kω為橫擺角速度-需求扭矩-目標(biāo)電流轉(zhuǎn)化因子。

此外，在考慮以上智能扭矩分配策略時(shí)，還需考慮策略與整車(chē)其他性能，如NVH性能、轉(zhuǎn)向干涉等的匹配等。

4 整車(chē)標(biāo)定測(cè)試

為了驗(yàn)證智能扭矩分配策略的有效性，同時(shí)對(duì)算法進(jìn)行標(biāo)定優(yōu)化，以某款中大型SUV為研究對(duì)象，將制定的智能扭矩分配策略移植到控制器中，在標(biāo)準(zhǔn)雪地廣場(chǎng)開(kāi)展動(dòng)力性及操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)，并以雪地直線加速、蛇行及轉(zhuǎn)彎加速工況為例驗(yàn)證考慮操縱穩(wěn)定性的適時(shí)四驅(qū)扭矩分配策略的有效性。圖3為裝有V-Box的汽車(chē)性能測(cè)試圖片。

圖3 整車(chē)標(biāo)定測(cè)試

4.1 直線行駛工況

首先在雪直道上進(jìn)行原地起步全油門(mén)加速試驗(yàn)，由于受前輪附著的影響，車(chē)輛在加速時(shí)，車(chē)輛前輪存在一定程度打滑，最大可達(dá)217 r/min。為了充分利用附著力，保證車(chē)輛保持最小滑移率，控制器通過(guò)控制扭矩管理器電流對(duì)后軸施加一定的后橋扭矩。施加扭矩控制后，如圖4所示，車(chē)輛百公里加速時(shí)間由17.63 s提升為15.4 s。如圖5所示，施加控制前后車(chē)輛前后軸最大轉(zhuǎn)速差由217 r/min減小為116 r/min，車(chē)輛的打滑率降低及動(dòng)力性明顯提升。文中車(chē)輛不能完全抑制打滑的主要原因?yàn)檐?chē)輛加速時(shí)軸荷轉(zhuǎn)移、后橋輸出四驅(qū)扭矩占比及整車(chē)NVH的限制。

圖4 施加控制前后百公里加速時(shí)間對(duì)比

圖5 施加控制前后前后軸速差對(duì)比

圖6所示結(jié)合圖4車(chē)速信號(hào)，可見(jiàn)施加控制后，四驅(qū)在車(chē)速小于70 km/h時(shí)均存在一定的四驅(qū)控制電流，以抑制車(chē)輪打滑，保證一定的動(dòng)力輸出，但在車(chē)速大于70 km/h時(shí)四驅(qū)電流較小，此時(shí)車(chē)輪打滑情況與施加控制前相當(dāng)，向無(wú)扭矩控制時(shí)靠攏，70 km/h以上，四驅(qū)電流較小主要是考慮整車(chē)NVH性能。

圖6 施加控制前后前四驅(qū)控制器電流對(duì)比

在車(chē)輛加速時(shí)，由于要抑制車(chē)輪打滑，扭矩管理器需要迅速結(jié)合，扭矩管理器的迅速動(dòng)作將給整車(chē)乘車(chē)舒適性產(chǎn)生不利影響，如圖7所示，施加控制后整車(chē)的沖擊度由施加控制前的峰值1.6 m/s3升為峰值5.1 m/s3(但仍然小于德國(guó)制定的沖擊度上限值10 m/s3)，沖擊度峰值雖然增加，但主客觀均表明，考慮沖擊度的智能扭矩分配策略不會(huì)對(duì)整車(chē)乘坐舒適性產(chǎn)生明顯不利影響。

圖7 施加控制前后整車(chē)沖擊度對(duì)比

4.2 雪地轉(zhuǎn)向行駛工況

雪地轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，兩輪驅(qū)動(dòng)汽車(chē)往往由于所需要的縱向動(dòng)力性較大，而導(dǎo)致前輪不能提供足夠的轉(zhuǎn)向力滿足轉(zhuǎn)向需求，使車(chē)輛表現(xiàn)為嚴(yán)重的不足轉(zhuǎn)向，而適時(shí)四輪汽車(chē)在考慮操縱穩(wěn)定時(shí)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到車(chē)輛不能按希望的軌跡行駛時(shí)，四驅(qū)控制器可以控制扭矩管理器以一定的后橋扭矩輸出來(lái)改善車(chē)輛前輪驅(qū)動(dòng)這種不足轉(zhuǎn)向現(xiàn)象，提升車(chē)輛操縱穩(wěn)定性。文中以車(chē)速穩(wěn)定的蛇行工況及車(chē)速劇烈增加的轉(zhuǎn)彎加速行駛工況為例進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試。

4.2.1 蛇行工況

在雪廣場(chǎng)上，以整車(chē)車(chē)速50 km/h的蛇形工況為例進(jìn)行操縱穩(wěn)定性標(biāo)定試驗(yàn)。

如圖8所示：考慮操縱穩(wěn)定性控制策略施加前，車(chē)輛在t=6.4 s左右最大橫擺加速度達(dá)到3.36 rad/s，與目標(biāo)橫擺加速度的最大差值為1.54 rad/s，車(chē)輛具有較為明顯的不轉(zhuǎn)向趨勢(shì)。如圖9所示：在施加操縱穩(wěn)定性策略后，車(chē)輛的最大橫擺角速度為2.72 rad/s，與目標(biāo)橫擺角速度的最大差值為0.96 rad/s?？梢?jiàn)施加考慮操縱穩(wěn)定性的智能扭矩分配策略后，四驅(qū)操縱穩(wěn)定性有一定提升。

圖8 考慮操穩(wěn)控制前橫擺角速度變化

圖9 考慮操穩(wěn)控制后橫擺角速度變化

如圖10所示：由于車(chē)輛以50 km/h車(chē)速穩(wěn)定行駛，并不涉及車(chē)輪打滑，故考慮操縱穩(wěn)定性策略施加前四驅(qū)控制器不施加目標(biāo)扭矩；但當(dāng)考慮操縱穩(wěn)定性控制策略后，四驅(qū)控制器根據(jù)操縱穩(wěn)定性需要，按需提供給扭矩管理器一定電流，保證車(chē)輛具有一定的后橋扭矩輸出，改變車(chē)輛操穩(wěn)特性。

圖10 考慮操穩(wěn)控制前后四驅(qū)控制器電流對(duì)比

4.2.2 轉(zhuǎn)彎加速工況

在雪廣場(chǎng)上，調(diào)整方向盤(pán)轉(zhuǎn)角至90°，穩(wěn)定車(chē)輛速度至30 km/h，然后全油門(mén)加速，直至車(chē)輛失穩(wěn)，主要評(píng)估車(chē)輛極限穩(wěn)定能力。

如圖11所示：在雪廣場(chǎng)急轉(zhuǎn)彎工況下，不考慮操縱穩(wěn)定性控制時(shí)，由于前輪需要足夠的縱向驅(qū)動(dòng)力保證車(chē)輛加速度，導(dǎo)致車(chē)輛側(cè)向動(dòng)力學(xué)較差，整車(chē)橫擺角速度明顯大于目標(biāo)橫擺角速度，最大橫擺角速度達(dá)7.8 rad/s，車(chē)輛呈現(xiàn)出明顯的不足轉(zhuǎn)向特性，此時(shí)的四驅(qū)扭矩輸出主要用來(lái)抑制車(chē)輪打滑。施加控制后，為了改善車(chē)輛失穩(wěn)的趨勢(shì)，四驅(qū)控制器根據(jù)車(chē)輛實(shí)際橫擺角速度與估算目標(biāo)橫擺角速度的差異，同時(shí)通過(guò)圖12所示的控制器電流，對(duì)預(yù)施加一定的目標(biāo)扭矩，最大限度、最迅速傳遞保證后橋扭矩輸出，此時(shí)最大橫擺角速度差值為1.3 rad/s，對(duì)操縱穩(wěn)定性有一定改善，但車(chē)輛仍然無(wú)法完全跟隨目標(biāo)橫擺角速度，表明通過(guò)橋間直接橫擺力矩控制可改善車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性，但與輪間直接橫擺力矩控制效果存在差距。

圖11 操穩(wěn)控制策略施加前后的橫擺角速度變化

圖12 操穩(wěn)控制策略施加前后電流變化

5 結(jié)論

利用PID控制，提出以橫擺角速度跟隨及最小滑移率為控制變量的適時(shí)四驅(qū)扭矩分配策略，通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)得到如下結(jié)論：

(1)該智能四驅(qū)控制策略在兼顧動(dòng)力性的同時(shí)，充分利用后軸富余的附著條件，通過(guò)前后軸產(chǎn)生的直接橫擺力矩控制可以提高彎道行駛能力，進(jìn)一步提高汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性；

(2)所設(shè)計(jì)的考慮操縱穩(wěn)定性的智能扭矩分配不會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生突然的縱向加速度而影響駕駛舒適性，同時(shí)兼顧整車(chē)NVH性能；

(3)相比于通過(guò)車(chē)輪制動(dòng)力改善四驅(qū)車(chē)輛操作穩(wěn)定性，通過(guò)四驅(qū)改善操縱穩(wěn)定性效果稍弱。但通過(guò)后橋輔助驅(qū)動(dòng)這種避免制動(dòng)的方式來(lái)提升整車(chē)操縱穩(wěn)定性，有利于整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性及避免整車(chē)因ESP過(guò)早介入導(dǎo)致的動(dòng)力丟失。