半軸驅(qū)動器與剎車牽引力控制系統(tǒng)的相互作用

1、半軸驅(qū)動裝置和剎車牽引力控制系統(tǒng)的相互作用摘要：利用驅(qū)動橋的車輪旋轉(zhuǎn)制動的牽引力控制系統(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)動的建筑設(shè)備上。這種機器采用不同類型的跨輪驅(qū)動系統(tǒng)（如橋的開放式差速器，限滑差速器的驅(qū)動器等）來控制驅(qū)動輪間的扭矩分配，由此提高車輛的牽引性能。實驗研究表明，牽引力控制系統(tǒng)和車軸的驅(qū)動器之間的相互作用可以導(dǎo)致車輛性能的不確定性。這個領(lǐng)域的分析的缺乏激發(fā)了這兩個系統(tǒng)之間相互作用，影響以及驅(qū)動橋動力和性能的研究。本文分析了當(dāng)牽引力控制系統(tǒng)處于開啟狀態(tài)，驅(qū)動輪有相同/不同的條件時，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，正常的輪胎負載發(fā)生變化。本研究結(jié)果解釋了這種車輪額外負載轉(zhuǎn)矩的本質(zhì)，確定橫擺力矩，輪胎和車橋制動器的能量耗散。這些結(jié)果決定了制動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”。簡介：現(xiàn)代牽引力控制系統(tǒng)的技術(shù)思想，最有可能來自早期的坦克轉(zhuǎn)彎機制。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器來轉(zhuǎn)彎。有一個制動器是用來使轉(zhuǎn)彎時內(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，外側(cè)產(chǎn)生了一個更大的牽引力，將坦克拉入彎道。然而，這種制動機制對發(fā)動機造成沉重的負荷，他們在負載增加時止步不前。出于這個原因，開式差速器不再適用于坦克。后來，在20世紀5

3、0年代，兩個獨立的踏板流行于擁有巨大的后輪胎的農(nóng)用拖拉機后橋上（通常情況下，這些農(nóng)用拖拉機前面沒有剎車，車輪較?。?。這一創(chuàng)新大大提高拖拉機在斜坡上的牽引力。車輪制動打滑導(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，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 一個整合了閉

4、式差速器和TC的公路運輸卡車的系統(tǒng)在1中列舉。文獻7討論了不公開分析過程的兩個系統(tǒng)相互作用的兩個實驗結(jié)果。在文獻8中，將一個設(shè)計特色進行了詳細的說明；列舉了相對少的分析過程來理解限滑差速器和TC的相互作用。出版物沒有對能源技術(shù)效率/燃料消耗和偏航動態(tài)給予足夠的重視。目前的研究是設(shè)計一個系統(tǒng)，一個4×4鉸接裝載機，智能化地集成了基于制動的牽引力控制與傳動系統(tǒng)控制。根據(jù)這項研究的數(shù)字和計算機模型包括各種確定性和隨機性的數(shù)據(jù)和車輛參數(shù)，非線性汽車動力總成和底盤系統(tǒng)的特點，運動的表面特性，材料等，當(dāng)包括了如此多的系統(tǒng)和參數(shù)時，很難理解和解釋計算機建模的結(jié)果，和計劃實驗研究，驗證數(shù)學(xué)模型和計算

5、機的仿真結(jié)果。出于這個原因，在這各個階段研究項目中，我們進行補充分析研究，其目的是：第一，調(diào)查和解釋兩個車輛系統(tǒng)之間傳動系統(tǒng)和制動牽引力控制系統(tǒng)的相互作用的物理因素；其次，協(xié)助了解和驗證整個車輛的計算機模擬。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研究結(jié)果，這項研究分析了當(dāng)TC應(yīng)用時，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，運動車輛穩(wěn)定性的影響）。 驅(qū)動橋：開放式差速器和基于制動器的TC系統(tǒng)互動 力和扭矩分配驅(qū)動輪之間設(shè)想

6、一個帶有開式差速器和TC系統(tǒng)的驅(qū)動橋并且輪胎下路況相同（后者意味著制動踏板抬起）。車輪扭矩彼此相等，總的轉(zhuǎn)矩為輸入轉(zhuǎn)矩（機械動力的差動的損失是可以忽略的）： （1）又有 （2）即，如果在從動模式下的車輪的滾動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，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）。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)一個車輪進入惡劣的道路條件下，示于圖 1。一側(cè)車輪進入惡劣的道路條件下之前，在兩個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輪胎線速度理論的Vt（在驅(qū)動模式施加沒有轉(zhuǎn)矩）和實際Vx的之間的差（在驅(qū)動模式，有一個施加到車輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩） （4）現(xiàn)在，在惡劣的附著條件下，車輪制動器被牽引力控制系統(tǒng)帶動（如圖2中所示）。制動轉(zhuǎn)矩Tb可以被視為額外的阻力運動。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)制動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生時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，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)動橋右制動器作用時，驅(qū)動輪之間新的扭矩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)動軸兩輪胎的總的滑動能量耗散如下（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，但制動器不啟用，（7）中當(dāng)一側(cè)制動器被牽引力控制系統(tǒng)啟用時，將（3）和（7）代到（10）中 TC關(guān)閉時 （11）TC開啟時（12）TC使兩輪的回轉(zhuǎn)速度相等：再假設(shè)半徑相等將（12）式化簡得 （13）接著分析等式（7）和（13）：通過增加制動轉(zhuǎn)矩Tb，輪上的圓周力可以增到一個新值和，這將提供相同的輪胎滑移，表示在圖3中。由于這個原因，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)動機負載增加，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)啟用時可以發(fā)生。由不等式，車輪所在的道路平面產(chǎn)生了一個橫擺力矩 （15）力矩Mb對車輛直線行駛的穩(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、照這個原理，力矩Mb被用來輔助或干擾橫擺力矩。 圖4 車橋右轉(zhuǎn)時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)，通過引進車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特征,這些數(shù)學(xué)表達式可以簡寫成特殊的形式） (16) 這里L(fēng)2是車的軸距。當(dāng)TC關(guān)閉時，側(cè)向力由差值（）決定。這取決于輪胎直徑之比。對于單斗裝載機，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到40。這導(dǎo)致，表達式（17）是以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，用來深入分析側(cè)向力，輪胎側(cè)滑角，4×4裝載機穩(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，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）的右邊第二項表示對TC系統(tǒng)產(chǎn)生的橫擺力矩和側(cè)偏力的影響。這些項對車輛穩(wěn)定性某一影響（積極或消極）通過聯(lián)立以4X4的裝載機為模型所得的（15）（16）（17）（18）來計算（這超出本文范圍）。注意如果力Fx相等，（17）（18）式的第一項為零。 驅(qū)動橋：限滑差速器和TC系統(tǒng)的相互作用 驅(qū)動輪力和扭矩的分配現(xiàn)在，想象一個使用基于制動的TC系統(tǒng)和限滑差速器的驅(qū)動橋，它的轉(zhuǎn)矩偏差，。當(dāng)輪胎附著條件不同時，輪胎轉(zhuǎn)矩比達到轉(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啟動加有轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)的車輪制動器，一個更大的轉(zhuǎn)矩T0n會提供給限滑差速器，它在輪間分布為： （21） （22）輪胎的滑動能量損失將（21）和（22）代入到表達式（10）中，兩輪總的能量損失就產(chǎn)生了（假設(shè)） *TC啟用時 （23） *TC關(guān)閉時 （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能量損失少于裝有開式差速器的車橋（因為限滑差速器的Kd）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)車輪制動時，裝有限滑差速器的車橋橫擺力矩的數(shù)學(xué)表達式

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)輪的制動增加了轉(zhuǎn)向不足。同樣，如果Kd=1，表達式（25）變?yōu)椋?7），這證明了推導(dǎo)過程的有效性。 如果內(nèi)測車輪制動，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：用來產(chǎn)生一個輔助橫擺力矩的內(nèi)側(cè)車輪制動力矩的值是圖表上側(cè)的區(qū)域。否則，內(nèi)側(cè)的制動不能克服限滑差速器的轉(zhuǎn)矩偏差對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），這個制動轉(zhuǎn)矩Tb比T0大，來提供車輛過度轉(zhuǎn)向特性。這帶來了產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩的制動器尺寸大小的問題。如果我們考慮沿制動器踏板分布的穩(wěn)定力，制動轉(zhuǎn)矩和制動器參數(shù)如下 （28）在這里，u 是摩擦系數(shù)，b和認識踏板寬度和制動鼓半徑，p是在踏板和鼓中的壓強。是踏板和鼓的覆蓋角度。制動力矩的最大值對應(yīng)于10噸負荷下制動器的下列參數(shù) =0.3; b = 0.120m; r = 0.420m; pmax = 0.25MPa; = 120 deg.當(dāng)在沙石路面行駛時，制動轉(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，而加載器在運轉(zhuǎn)狀態(tài)，條件（27）需要制動力矩更大于5.3kN-m的最大值。這只有在鼓半徑r達到輪胎半徑即r=0.683m時才行，而這由于設(shè)計的限制是不可能實現(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，表達式（26）和（27）對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器以使過度轉(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，表達式（27）對設(shè)計制動器非常有用。注意輪胎側(cè)向力可以用一般方程（16）來計算。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)于輪胎滑動能量損失和車橋橫擺力矩的車輪力矩/力的分析是通過比較限滑差速器和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，輪胎轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動輪側(cè)向力分布，滑動能量損失以及偏航動力的本質(zhì)。先進的數(shù)學(xué)工具正同4x4單斗裝載車的數(shù)學(xué)模型協(xié)調(diào)來更深層次評價輪胎能量損失和車輛側(cè)向動力的控制。參考文獻1. Andreev, A. F., Kabanau, V. I., Vantsevich, V. V.,“Driveline of Ground Vehicles: Theory and Design” Vants

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