（车辆工程专业论文）智能四驱系统的仿真研究.pdf

摘要 近年来，四轮驱动的使用越来越多，对四轮驱动的要求也越来越高。其中四驱车的驱动力应 随路况、汽车状态和驾驶员的意图变化而做出适当的变化以满足动力性和燃油经济性。这就对 汽车动力控制系统的智能化程度要求很高，也是将来四驱车的发展方向。 本文对当前四驱汽车的特点进行分析后，提出一种四驱汽车的动力一传动系的布置方案，包含 了当前四驱汽车的一些先进技术，然后分以下几步对其进行分析研究。 第一步，对四驱汽车进行动力性分析。通过四驱汽车的驱动力和行驶阻力的具体分析，得出 汽车的驱动力图、驱动力行驶阻力平衡图，为整车建模和动力控制系统提供理论支持。 第二步，在a d a m s v i e w 里进行整车建模。建立整车模型包括底盘模型、双横臂前独立悬 架模型、转向机构模型、斜置臂式后悬架模型、轮胎模型和路面谱、空气阻力模型。其中通过路 面谱对路面进行了符合仿真目的的设计。 第三步，通过使用a d a m s 里的c o n t r o l s 模块建立动力控制系统，与使用a d a m s 提供的 c o n t r o lt o o l k i t 设计动力控制系统两种方法的比较，最终选用适合本文的后者对四驱汽车进行动 力控制系统设计。 第四步，对建立的智能四驱车进行仿真，对其仿真结果进行系统的理论分析，与分时四驱、 全时四驱的仿真结果作比较，以此角度证明了智能四驱的优越性。 最后，对本文取得的研究成果和缺陷做了总结。 关键词：四轮驱动，仿真，智能，a d a m s a b s t r a c t a tp r e s e n t , 4 w di sm o r ea n dm o r eu s e d t h e r e f o r e ，t h ed e m a n df o r4 w di sm o r ga n dm o r es t r i c t t h a tt h et r a c t i o no f4 w d - e dv e h i c l ei sc h a n g e da c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo ft h er o a d 、t h es t a t eo ft h e v e h i c l ea n dt h ei n t e n t i o no ft h ed r i v e r , i no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n do ft r a c t i o na n df u e lc o n s u m p t i o n ， m a k e st h ev e h i c l et r a c t i o nc o n t r o ls y s t e mm u c hi n t e l l i g e n t i z e d ，a n di st h ed e v e l o p m e n to r i e n m t i o no f 4 w d - e dv e h i c l e t h ep a p e rp r o p o s e sad i s p o s a lm e t h o do ft h et r a c t i o n - t r a n s m i s s i o ns y s t e mi n c l u d e d 翻m n ea d v a n c e d t e c h n o l o g yu s e di nt h ep r e s e n t4 w d - e dv e h i c l e ，a n dt h e nt h ea n a l y s i sa n ds t u d yi sc a r r i e do u ti ns e v e r a l s t e p st h e r e i n a f t e r ： h r s t , t h ed y n a m i c a la n a l y s i so f4 w d - e dv e h i c l ei sc o m p l e t e d t h et r a c t i o nf i g u r ea n dt h ef i g u r eo f t h eb a l a n c eo ft h et r a c t i o na n dr e s i s t a n c ea r ee d u c e d , b a s e do nt h et h e o r ya n a l y s i so ft h et r a c t i o na n do f t h e4 w d - e dv e h i c l e ，w h i c hp r o v i d e st h e o r ys u p p o r tf o rt h ec r e a t i o no ft h ew h o l e - v e h i c l e - m o d e la n dt h e t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m b yc o m p a r i s o nw i t ht h er e s u l t so fs i m u l a t i o no fp a r tt i m e4 w da n df u l lt i m e 4 w d ，i n t e l l i g e n t4 w d i st h eb e s t s e c o n d t h em o d e lo ft h ew h o l ev e h i c l ei sc r e a t e di na d a m s ，v i ew t h em o d e li n e l o d e st h em o d e l o ft h ec h a s s i s 、t h em o d u l eo ft h ef r o n ti n d e p e n d e n ts u s p e n s i o n 、t h em o d e lo ft h es t e e r i n gs y s t e m 、t h e m o d e lo ft h er e a rs u s p e n s i o n 、t h em o d e lo ft h et i r e sa n dt h er o a d b yt h ew a y , t h em o d e lo ft h er o a di s d e s i g n e df o r t h ep u r p o s eo ft h es i m u l a t i o n t h i r d ，b yc o m p a r i s o nb e t w e e nt h et r a c t i o ns y s t e mb u i l tw i t hc o n t r o l sm o d u l ea n dt h a tb u i l tw i t h c o n t r o lt o o l k i to f a d a m s n i e w , t h el a t t e rs y s t e mi sc h o s e nf o rs i m u l a t i o ni nt h ep a p e r f o r t h ，s i m u l a t i o no fi n t e l l i g e n t4 w d e dv e h i c l ei sc a r r i e do u t ，a n dt h et h e o r ya n a l y s i so ft h er e s u l t i sp r o v e dt h a tt h ep r e v i o u sp u r p o s ei ss a t i s f i e d f i n a l l y , t h ec o n c l u s i o nf o rt h es t u d yp r o d u c t i o na n dt h el i m i t a t i o no ft h ep a p e ri sm a d e k e yw o r d ：4 w d ，i n t e h i g e n c e ，s i m u l a t i o n ，a d a m s i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名加灞让 帆沁f 年月，工日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：翻镛娃 时间：厂年办日 导师签名： 舒专 时间：跏名年月咱 中国农业大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 四轮驱动汽车的国内外现状 所谓四轮驱动汽车，顾名思义就是：“四轮驱动汽车具有将发动机的动力传递给四个车轮的 结构，并通过这些车轮驱动、行驶的汽车”。 四轮驱动汽车是将发动机产生的动力传递给变速器，然后利用分动器把动力分配给前后传动 轴，接着通过传动轴将动力传递给前后差速器，与各个差速器相连接的半轴使四个轮胎旋转。 许多时候不使用分动器，而在分动器的位置上布置中间差速器。中间差速器位于前轮和后轮 之间，具有差动功能，又名为轴间差速器“1 。 1 1 1 四驱汽车的分类 四驱汽车主要分成两大类：分时四驱( p a r t t i m e4 w d ) 和全时四驱( f u l lt i m e4 w d ) 。 分时四驱的特点是驾驶员操纵拉杆或开关等，根据需要进行二轮驱动和四轮驱动的切换操 作。可分两种使用状态：一种是两驱，汽车只有两个车轮得到动力，与普通汽车没有区别；另一 种则是四驱，此时汽车前后轴都分配动力。目前先进的分时四驱系统已经能够实现差速器锁止结 构由电脑控制，即二驱、四驱自动切换”。 全时四驱是使汽车四个车轮一直保持动力输出的四驱系统。若要细分全时四驱系统，可分成 固定扭矩分配( 前后多以5 0 ：5 0 比例分配) 和变扭矩分配( 前后动力分配比例可变) 两大类。全 时四驱有很长的历史，可靠性更大，但其油耗量也较大。全时四驱主要用于电子化程度很高的越 野车和轿车。其中较为有名的是奥迪的q u a t t x o 四驱系统。 1 1 2 两种四驱系统的优劣 1 ) 通过能力 分时四驱依靠操作分动器实现两驱与四驱的切换。没有装配中央差速器的分时四驱，在四 驱档上不能在铺装路面上使用，也不能顺利转弯：汽车转向时，前轮转弯半径比同侧的后轮要大， 因此前轮的转速要比后轮快，以至四个车轮的路线完全不一样，所以只可以在车轮能获得一定的 打滑时才挂上四驱，一回到摩擦力大的铺装路面应立即换到两驱，不然轮胎、差速器、传动轴、 分动器的磨损都相当大，甚至被损坏。但没有装配中央差速器，或装配中央差速器的分时四驱系 统但同时装配差速器锁，一旦锁止，四个车轮的转速将完全相同，拥有非常高的通过能力，是全 时四驱所不具备的。 全时四驱都有中央差速器。汽车在转向时，前后轮的转速著被中央差速器吸收。所以全时四 驱无须驾驶员根据铺装路面而手动变化，有些全时四驱的中央差速器比较先进，它会自动控制中 央差速器的锁止，所以全时四驱的越野性能已经得到较大提高，应付常见路面完全不成问题”1 ”1 。 1 2 ) 动力性 分时四驱在两轮驱动时，只是相当于二轮驱动。在需要的情况下切换到四轮驱动时，这时才 相当于常时四轮驱动的情况。 而常时四驱始终向前后轴提供动力，前后轴动力分配有固定和变化的两种。后一种随汽车状 态和路面情况调整汽车的前后轴动力分配，使汽车具有更好的动力性。 3 ) 经济性 分时四驱，在通常情况下是两轮驱动，与普通两轮驱动汽车的油耗相当。而四轮驱动时，油 耗比较高。 常时四驱，由于时刻有更多的传动部件在运转，运动惯量和摩擦造成了更多功率损失和油耗。 而前后轴动力分配能够根据具体情况调整前后轴动力分配的常时四驱，减轻了严重的油耗。 1 2 一种理想的四轮驱动汽车传动结构 通过以上分析，如果一种四轮驱动汽车，能同时具有分时四驱和常时四驱的优点，而又尽量 避免它们的缺点，是最理想的。 基于这种思想，提出了一种四轮驱动结构，传动系的结构如图1 - 1 ，包括发动机及变速器总 成、轮间差速器、液压多片离台器。其中液压多片离合器为前后轴扭距分配器。 图1 11 一轮间差速器；2 一液压多片离合器；3 一发动机及变速器总成 发动机产生的功率，通过离合器传给变速器经过减速增扭后传给传动轴，一路经过液压多 片离合器传给前桥，通过轮间差速器传给半轴，最后传给前轮；另一路是直接通过后桥，最后传 给后轮。 这种结构的四轮驱动汽车，在通常情况下，可以实现两轮驱动；在必要的情况下通过控制 液压多片离合器里的油压，实现四轮驱动并可以根据路面情况和汽车状态调整前后轴的动力分配 【m 【9 j 【】。】、 】 口 本文将对此种结构的汽车做仿真研究。 2 中国农业大学硕士论文 第一章绪论 1 3 汽车系统仿真的国内外现状 仿真是研究系统普遍采用的先进方法，以下是计算机仿真研究的关键步骤“4 “”3 “1 ： 1 建立系统的数学模型 对于一些系统可以通过基本定律，如牛顿定律来建立数学模型。而对很多系统，由于系统 的复杂性，难于写出数学表达式的数学模型，则必须利用实验方法获得数据，通过系统辨识技术 建立数学模型。数学模型是系统仿真的研究依据，所以数学模型的准确性是十分重要的。 2 建立仿真模型 一般的数学模型都不能直接编制程序并用计算机求解，通常必须把数学模型转换成适宜的程 序并能在计算机上运行的仿真模型。也就是需要通过一定算法对原系统的数学模型进行离散化处 理，就连续系统而言，就是建立相应的差分方程再由计算机进行求解。 3 仿真程序 仿真程序负责在计算机内建立、解算、显示仿真模型等工作，提供了仿真平台。一般采用高 级语言编写。目前有很多商业化的仿真软件，如m a t l a b 、d a d s 、a d a m s 等“”。 4 模型验证、试验结果分析 通过运行仿真程序，将仿真数据与实际系统运行数据比较，检验，确认模型是代表了实际系 统，反映了实际系统运行的特性，否则要通过结果分析对模型或程序进行修改，直到达到仿真要 求。 近年来，大学内有关学者对汽车系统的仿真比较多。大体分成以下几个方面： 1 结合某动力传动系统，建立了发动机、液力变矩器、离合器和负载的虚拟样机模型，解决 了动力传动系统在a d a m s 中的虚拟样机建模问题。进行了发动机与液力变矩器共同工作虚拟样 机仿真；采用了a d a m s l i n e a r 和a d a m s v i b r a t i o n 对发动机、齿轮传动系统及某动力传动系统 的扭振特性进行仿真；对发动机动态激励和多级齿轮传动动态特性进行了仿真“”“”3 l 。 基于某动力传动系统多种刚体模型，采用了a d a m s 仿真剧本进行了系统传动学仿真，起步 工况仿真；采用a d a m s 控制箱进行了简单的怠速度反馈的油门调节仿真。 2 以四轮驱动车辆为研究对象，利用a d a m s c a r 建立了一类四轮驱动车辆的多体系统模型， 利用柔度矩阵的方法对汽车性能有较大影响的各种定位参数在悬架行驶运动和侧倾运动时的变 化规律进行了仿真分析，并讨论了柔性元素对这些性能参数的影响。在此基础上，应用建立的开 环模型进行了稳态转向特性、瞬态转向特性、直线制动等方针研究。同时又优化了轿车稳态转向 特性3 。 3 在m a t l a b 里建立四轮驱动汽车的动力学模型。包括发动机模型、传动系模型、轮胎模型、 整车模型等，并分别建立模糊控制方法和p i d 控制方法，从而完成汽车的牵引力控制的仿真“。 为了避免工作的重复，本文对在a d a m s 里进行的四驱系统仿真将只是对汽车行驶系统建模， 对传动系统做理论分析，并结合两部分建立控制系统，对以上提出的四轮驱动汽车进行仿真。 3 ：璧查兰至翌圭塞耋，。，。，。，。，。，。，。二耋：誊竺 1 4 主要任务及意义 对智能四驱系统进行仿真，主要是为了在虚拟环境里，根据不同条件，实现汽车驱动力矩的 智能控制。具体如下： 1 通常情况下，汽车以后轮驱动； 2 车速小于设定值时，汽车以四轮驱动，大于设定值时，汽车以二轮驱动； 3 爬陡坡时，汽车以四轮驱动； 4 四轮驱动时，前后轴的驱动力之比可以根据具体条件而改变，使其满足各种要求。 5 无论在何种驱动模式下，驱动轮的滑转率都不能大于设定值。 在虚拟环境里得出仿真结果后进行分析，与控制目的进行比较，为实际的四驱汽车的动力智 能控制提供参考。 1 5 实现方法 本文对智能四驱系统进行仿真，分为以下几部分： 1 汽车动力性分析。 分析发动机输出的功率，经过离合器、变速器、传动轴、分动器、差速器，传递到驱动轮上， 与路面相互作用，产生驱动力，得出此驱动力随着发动机转速、变速器档位的变化规律。同时， 分析汽车的行驶阻力，与汽车的驱动力相比较，得出汽车通过油门、变速器档位以控制汽车驱动 力来克服行驶阻力的规律。通过分析液压多片离合器的工作特性，可以得出汽车前后轴的动力控 制规律。 2 建立整车模型。 这里的整车模型包括汽车底盘模型、双横臂式前独立悬架模型、转向机构模型、斜置臂式后 悬架模型、轮胎模型和路面谱，没有发动机和传动系统模型。因为通过上面的动力分析，可以得 出汽车施加到驱动轮上的驱动力，可以直接通过建立汽车底盘与车轮间的作用力，来表现汽车驱 动力。有些行驶阻力如空气阻力，可以根据上面的分析结果通过建立力的模型，直接施加到汽车 整车模型上。 有以下两种建模方法 2 6 1 1 2 7 1 ： 1 ) 在u g c a d 等软件里建立汽车的三维实体模型，然后导入到a d a m s ，添加各种约束，从 而完成整车的建模。这种方法的建模比较精确，但工作量比较大。导入到a d a m s 的实 体模型，可以应用a d a m s v i e w 进行仿真，也可以应用a d a m s c a r 进行仿真。后者为 进行汽车运动分析的专业模块，实现起来更方便。 2 ) 在a d a m s v i e w 里建立整车模型。a d a m s v i e w 具有简单的三维实体建模功能，可以满 足相对不复杂的建模。完成的模型，可以直接在a d a m s v i e w 里进行仿真，也可导入到 a d a m s c a r 模块里进行仿真。 本文利用a d a m s v i e w 建立整车模型，并在a d a m s v j e w 里进行仿真。 3 建立控制系统。有两种方法t 2 8 】： 4 1 ) 利用a d a m $ c o n t r o ! s 模块与其它控制软件联合仿真。利用其它控制软件建立汽车控制系 统。这种方法适用于建立复杂的控制系统。 2 ) 直接利用a d a m s n i e w 的控制工具箱，建立汽车的动力控制系统。由于此工具箱功能有 限。只能建立相对简单的控制系统。但与控制对象在一个软件里，可以提高仿真速度， 提高效率。 本文利用后者建立四驱汽车的控制系统。 5 中国农业大学硕上论文第二章四驱汽车动力性分析 第二章四驱汽车动力性分析 本章通过对四轮驱动汽车的动力性分析，画出四驱汽车的驱动力图和驱动力一行驶阻力平衡 图，从中可以得到施加到汽车驱动轮上的驱动力及汽车上的行驶阻力的变化规律，另外，通过对 四轮汽车上使用的差速器进行类型分析，并针对其中某一种进行工作原理分析。为后面章节对汽 车驱动力的控制提供理论支持。 2 1 四驱汽车的驱动力图 对于四轮驱动汽车，发动机发出的有效转矩正，经变速器( 传动比为l 。) 、分动器后，经分 动器传给前后桥的主减速器，再由半轴传给前后车轮。 若变速器的机械效率为及输出的转矩为弓，则巧。巩仉。分动器向前轮输出力矩占总 力矩口。从分动器到前轮的机械效率为及传动比为。到后轮的机械效率为协及传动比为“， 则前后轮上的驱动力矩： 写；a t g i q r g = a 正叩g 叩日 瓦一( 1 一口k 一m - ( 1 一口逑f 。“叩。，7 。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 假设汽车前后轮滚动半径相同，则如同以上推理，可得地面对前后轮的反作用力，即可得汽 车的驱动力为 el e + e 暑! 墨型趣+ 皇二! 堡叠垒塾坐( 2 3 ) r， 假设汽车前后轮都无滑动，则前后轮转速应相等( 在良好路面上直线行驶) ，即f 。“t l 。 又由于前后轮传动结构相差不大，可以认为它们的机械效率相等，即叩 一仇协；珊。所以， 四轮驱动汽车的驱动力可以表示为 只；逊( 2 4 ) r 下面将对式中发动机转矩五、传动系机械效率珩及车轮半径r 等作进一步讨论，并作出汽 车的驱动力图。 2 1 1 发动机的外特性 发动机的速度特性，为发动机的功率、转矩及燃油消耗率与发动机曲轴转速的变化关系。发 动机的外特性，为当发动机节气门全开，或高压油泵处于最大供油量位置时对应的速度特性，而 此时的关系曲线称为外特性曲线：如果节气门部分开启，此时的曲线为发动机部分负荷特性曲线。 图2 - 1 为某发动机的外特性曲线。随着发动机转速的增加，发动机的有效功率和有效转矩都 在增加，发动机转矩达到最大值t 。时，相应的发动机转速为n r ，再增大发动机转速时，有效 转矩瓦有所下降，但功率p 。继续增加，一直达到最大功率见。，此时发动机转速为n p ，继续提 高发动机转速，其功率反而下降。一般取n 。一【1 1 1 2 ) n p 。 如果转矩单位用n m 表示，功率p 。单位用k w 表示，转速n 。用r m i n 表示，他们之间有以 下关系： p 。土坠 ( 2 5 ) 发动机制造厂提供的发动机外特性曲线，一般是试验台架上不带空气滤清器、水泵、风扇、 消音器、发电机等附属设备条件下测试得到的。如果带上上述附属设备，测得的发动机外特性的 最大功率约减小1 5 ；转速为0 5 n 。时，功率约减小2 - 6 ；转速再低时，两者相差更小。此 外，由于在试验台架上所测的发动机工况相对稳定，而在实际使用中，发动机的工况通常是不稳 定的。但由于两者差别不显著，所以在进行动力估算时，仍可用稳态工况时发动机的试验数据。 如果找不到外特性曲线的数据，若已知发动机的仇。和h ，则可用下式估算发动机的外特 性仉一曲线： 忙+ c z 2 悄 ， 式中，c l 、c 2 为发动机类型系数，汽油机c 1 = c 2 = 1 ；直接喷射式柴油机c 1 = 0 5 ，c 2 = 1 5 ； 有预燃室式柴油机c l = 0 6 ，c 2 = 1 4 。 如果在已知见。；和咒，之外，还己知了e n r ，则可用下式估算发动机的外特性正一n 。曲 线： 正一疋。一；0 ，一) 2 ( 2 7 ) 式中，瓦为最大功率时对应的转矩p 。 7 2 1 2 传动系的机械效率 发动机发出的功率只，经传动系传到驱动车轮的过程中，要克服传动系各部件的摩擦而有一 定的损失，若损失的功率为p f ，则传到驱动轮的功率为p e p r ，传动系的机械效率珊为。” ”警小鲁 协s ， 传动系的功率损失有传动系中各部件一一变速器、万向节、主减速器等的功率损失所组成。 其中变速器和主减速器的功率损失所占比重最大，其余部件功率损失较小。 损耗的功率含机械损失功率和液力损失功率。机械损失功率是指齿轮传动副、轴承、油封等 处的摩擦损失的功率，其大小决定于啮合齿轮的对数、传递的转矩等因素。液力损失功率是指消 耗于润滑油的搅动、润滑油与旋转零件之间的表面摩擦功率。其大小决定于润滑油的品质、温度、 箱体内的油面高度，以及齿轮等旋转零件的转速。液力损失随传动零件转速提高、润滑油油面高 度及黏度增加而增大。 传动系的机械效率是在专门的试验装置上测试得到的。在动力性计算时，机械效率取为常数。 采用有级机械变速传动系的轿车取0 9 - 0 9 2 ，单级主传动货车取0 9 ，4 x 4 汽车取0 8 5 。 2 1 3 轮胎半径 轮胎的尺寸及结构直接影响汽车的动力性。车轮按规定气压充好气后，处于无载时。称为自 由半径。 在汽车重力作用下，轮胎发生变形。车轮中心与轮胎接地面的距离称为静力半径r 。静力半 径小于其自由半径，它取决于载荷、轮胎的径向刚度，以及支撑面的刚度。 作用于车轮上除径向载荷，还有转矩。车轮中心至轮胎与道路接触面切向反作用力之间的距 离为动力半径。此时轮胎不仅产生径向变形，同时还产生切向变形。其切向变形取决于轮胎的切 向刚度、轮胎承受的转矩及转动时的离心惯性力等。 以车轮转动圈数n 与车轮实际滚动距离s 之间关系得出的车轮半径，称为车轮的运动半径( 滚 动半径) t 3 0 j 即 一去 沼， 显然，对汽车作动力学分析时，应该用静力半径，而作运动学分析时应该用滚动半径r ，。 但在一般分析中常不计它们的差别，统称为车轮半径t ，即认为 2 1 4 四驱汽车的驱动力图 = = ， ( 2 1 0 ) 在各个排档上，汽车驱动力与车速之间的函数关系曲线，称为汽车驱动力图。它直观地显 8 ， 中国农业大学硕士论文第二章四驱汽车动力性分析 示变速器处于各排捎位时，驱动力随车速变化的规律。 当已知发动机外特性曲线、传动系的传动比及机械效率、车轮半径等参数时。即可作出汽车 驱动力图。具体方法如下： 1 从发动机外特性曲线上取若干点( n 。，t ) 。 2 根据选定的不同档位传动比，按式( 2 _ 4 ) 算出驱动力值。 3 根据转速，l 。、变速器传动比及主减速比，由下式计算与所求e ( n ) 对应的速度： 心；0 3 7 7 导( k m h ) ( 2 - 1 1 ) 山 4 建立鼻一心坐标，选好比例尺，对每个档位，将计算出的值( e 儿) 分别描点并连成曲 线，即得驱动力图。 图2 - 2 汽车驱动力图 图2 - 2 即为某五档变速器越野车的驱动力图。从驱动力图中可以看出驱动力与其行驶速度关 系及不同档位驱动力的变化。驱动力图可以作为工具用来分析汽车的动力性。 2 2 四驱汽车的驱动力一行驶阻力平衡图 上面一节对四驱汽车的驱动力进行了分析，下面将对四驱汽车的行驶阻力逐一分析，根据动 力平衡，进而得出四驱汽车的驱动力一行驶阻力平衡图。 汽车行驶的总阻力为 f 由+ r + e 十e ( 2 - 1 2 )j 。 j 1 。j 其中： f ，滚动阻力。 l 空气阻力； 9 只坡度阻力： _ 力口速阻力。 上述各种阻力中，滚动阻力和空气阻力是在任何行驶条件下均存在的。坡度阻力和加速阻力 仅在一定行驶条件下存在。水平道路等速行驶时就没有坡度阻力和加速阻力。 2 2 1 滚动阻力 汽车行驶时，车轮与地面在接触区域的径向、切向和侧向均产生相互作用力，轮胎与地面亦 存在相应的变形。无论是轮胎还是地面，其变形过程必然伴随着一定的能量损失。这些能量损失 是使车轮转动时产生滚动阻力的根本原因。 汽车在软路面上行驶，气压低，使轮胎与地面接触面积增大，单位面积压力下降，地面变形 小，使滚动阻力系数相应减小。 在汽车动力性分析中，一般取良好硬路面的滚动阻力系数值f 。轿车取f - 0 0 1 6 5 ，两当车速v 较高( 5 0 k m h 以上) 时，可按下式计算 f = 0 0 1 6 5 1 + 0 0 1 ( v - 5 0 ) j( 2 1 3 ) 货车轮胎压较高且变形较小，可取f - - - o 0 1 。较高车速时可按下式取值 f = o 0 0 7 6 + 0 0 0 0 0 5 6 v f 2 1 4 ) ， 2 2 2 空气阻力 汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向的分力，成为空气阻力。它分为压力阻力和摩 擦阻力两部分。作用在汽车外形表面上的法向压力的合力在行驶方向的分力称为压力阻力。摩擦 阻力是由于空气的粘性在车身表面产生的切向力的合力在行驶方向上的分力。 压力阻力又分为四部分：形状阻力、干扰阻力、内循环阻力、诱导阻力。形状阻力与车身主 体形状有关，流线型越好，形状阻力越小；干扰阻力是车身表面突出物，如后视镜、门把手、车 灯等引起的阻力；发动机冷却系、车内通风等空气流经车体内部时构成的阻力，为内循环阻力； 诱导阻力是空气升力在水平方向上的投影。对于一般轿车，这几部分阻力的比例大致为：形状阻 力占5 8 ，干扰阻力占1 4 ，内循环阻力占1 2 ，诱导阻力占7 ，摩擦阻力占9 。 空气阻力中，形状阻力占的比重最大，所以，改善车身流线形状，是减小空气阻力的关键。 空气阻力，0 的计算公式。“为 f w = 筹( n ) ( 2 - 1 5 ) 式中：v 。相对速度，在无风行驶时即为汽车的行驶速度( k m h ) ； a 迎风面积( m 2 ) ； c 。空气阻力系数。 由此可见，空气阻力与空气阻力系数c 。和迎面面积a 成止比，与车速的平方成正比。车速 1 0 中国农业大学硕士论文 第二章四驱汽车动力性分析 越高，空气阻力越大，相对空气阻力越显著。而现代汽车的行驶速度越来越高，故要降低空气阻 力所造成的功率损失，在汽车结构设计和使用中，应力争降低空气阻力系数c d 和迎面面积a 。 通过风洞试验和空气动力学分析得知，要使汽车的空气阻力系数达到较低值，应使汽车的外 型接近垂直光洁表面上向下流淌的水滴或海豚的形状，但这在实际结构上是难以实现的，因为受 车身造型和交通面积利用的限制。为了使汽车外型的流线型好，现代汽车在外形结构上考虑了如 f 方面： 较陡的挡风玻璃会使c 。显著增加，若使挡风玻璃的倾角小于4 5 。，发动机盖向前下倾，可有 效地降低c 。值；采用k 型车身( 卡姆k a m m ，建议的在适当长处把流线体截短的车身) 可较好 地减小c 。值；整车的俯视透影应为腰鼓形，前端呈半圆形；平滑的车身都可在车尾形成的漩涡 而使c 。下降：车身表面应圆滑，窗框凸出玻璃和车身表面的量应小减少棱角，并尽量减少车 灯、后视镜等突出物的尺寸，使其形状接近流线型，使雨刮、门把手等与车身组成圆滑的整体或 收入车体内；车内换气、发动机冷却的进出风口位置和风道应保持较高的通风效率等。 随着大功率的发展、各种车型行驶速度的提高，货车外形结构也日益受到重视，除其本身外 形外，导流板( 罩) 、侧裙、扰流器、连接软膜等附加装置也可使空气阻力系数c 。值大幅度减小。 在此需要说明，汽车的c o 值是随着车身的离地距离、车身的俯仰角及测向风的大小而变化 的。一般给出值是指在标定载荷下、无测向风时的空气阻力系数。随着汽车设计技术和制造工艺 水平的提高，汽车的空气阻力系数值在不断降低，轿车的c 。值已由2 0 世纪的0 9 1 0 ，降低到目 前的0 3 0 5 ，有的己达0 1 9 ；大客车的c 。值为0 5 0 9 ；货车的c 。值为0 6 - 0 8 5 t s j 。 迎面面积是汽车行驶时迎面空气流直接冲击的面积，即汽车行驶方向的投影面积。一般情况 下，迎面面积可以用以下近似公式估算： 货车 a ：b h ( m 2 ) 轿车a - 0 7 8 b 。h( m ) 式中b 货车轮距( m ) ； 艿轿车车宽( m ) ； 日汽车高度( m ) ； 在保证汽车乘用空间或装载量的情况下，应尽量减小汽车的外廓尺寸，这不仅有利于降低汽 车行驶的空气阻力，也有利于汽车行驶的机动性和安全性。 就一般车型而言，目前轿车的迎面面积为1 4 2 6 m 2 ；大客车的迎面面积为4 - 7 m 2 ；货车的 迎面面积为3 - 7 m 2 。 汽车的空气阻力系数可以通过风洞试验测得。 根据长期实践，目前已认识到模型试验中测得的空气阻力系数误差较大，一般为1 0 2 0 ， 最大时误差可达4 0 。因此，近年来为了满足节约燃油对汽车外形提出的严格要求，已建立批 大型风洞，对实际的汽车进行空气动力学的研究。 在整车建模过程中，可以赢接在车身上添加空气阻力的大小。 主苎耋些查兰要当耋銮 。，。，。，。，。，。，。，塞三茎竺翟：耋茎：! ：坌三 2 2 3 坡度阻力 当汽车上坡行驶时，其重力沿坡道斜面的分力e 表现为对汽车行驶的一种阻力 阻力。坡度阻力e 按下式1 计算： e = g s i n 0 式中，a 为道路坡度角( 。) 。 坡道的表示方法是用坡度i ，即用坡高h 与底长s 之比表示： 2 2 4 加速阻力 f ht a n a s 成为坡度 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 汽车加速行驶时，需克服其质量的惯性，这就是加速阻力e 。汽车质量分为平移质量和旋 转质量( 飞轮、车轮等) 两部分。加速时旋转质量要产生惯性力矩，为了便于计算。一般把旋转 质量的惯性力矩，转化为平移质量的惯性力，加上平移质量产生的惯性力，以系数6 作为换算系 数，则汽车加速时的加速阻力e 为； r ：翻立 出 ( 2 1 8 ) 式中；6 汽车旋转质量换算系数，( 6 1 ) ，主要与飞轮、车轮的旋转惯量，以及传动 系的传动比有关； m 汽车质量，( k g ) ； 孚汽车行驶加速度，( m s 2 ) 。 d f 具体转化过程如下： 一、平移质量的惯性力 汽车行驶的平移质量即汽车的总质量，加速时的惯性力为 fil=!j(2-19) g 式中o 汽车总重力( n ) ； r 重力加速度，取g = 9 8 1 m s 2 ； i 行驶的加速度( ，l s 2 ) 。 二、旋转质量的惯性力 汽车加速行驶时，汽车上旋转部件( 曲轴飞轮、离合器总称、变速器旋转件、传动轴装置( 四 驱车还有分动器旋转件) 、主减速器、卜轴及车轮) 都要相应地加速旋转。但由于变速器旋转件、 1 2 主垦童兰奎茎翌圭兰耋。l 。，。，。，。，。，。二耋三塞竺窒g 翟至! ：竺坌三 传动轴装置、主减速器齿轮等的转动惯量较小，其加速旋转的惯性力矩不大，故可将其忽略不计， 只需考虑发动机曲轴飞轮和离合器总成，以及车轮加速旋转的惯性力矩所换算成惯性力即可。 1 发动机飞轮带离合器旋转质量的惯性力 发动机飞轮带离合器旋转时的惯性力矩为： 巩= i e e 。( 2 - 2 0 ) 式中l 飞轮带离合器的转动惯量( 唔m 2 ) 占。飞轮的角加速度( 1 s 2 ) 。 飞轮角加速度与相应的车轮角加速的关系为 。= i g f o 。( 2 - 2 1 ) 式中i 。变速器传动比； f o 主减速器传动比； 。车轮的角加速度( 1 i s 2 ) 。 而车轮角加速度与相应的汽车加速度关系为 f 占。2一(2-22) r 式中 汽车的加速度( m s 2 ) ： r 车轮半径( m ) 。 换算到车轮上的等效力矩为 _ 。，一- 。f 。f 。叩r = ，。誓叩r 吾 ( 2 - 2 3 ) 换算成惯性力为 ，= 等吐f 勋r 专( 2 - 2 4 ) f m2 2j 。饼叩r j 对于四轮驱动汽车，设传动器的机械效率为仉，分动器到前轮的传动比为i q o ，机械效率为 ，7 。，分动器到后轮的传动比为i 。，机械效率为叩 。，分动器分配到前轮的转矩占总转矩口a 则换算到变速器输出轴上的等效力矩为 t 。= t j 。i g 叩g ( 2 - 2 5 ) 换算到前轮上的等效力矩为 l 。g = 口t 。i 口。叩口。( 2 - 2 6 ) 换算到后轮上的等效力矩为 t i 。 一( 1 一a ) t 。i h 。，7 。( 2 - 2 7 ) 为 设前后轮都无滑转，则前后轮的角加速度相等，即飞轮角加速度与前后车轮角加速度的关系 f f = i g i 覃o g 甜= l g l h o g h 甜言i g i o e ( 2 - 2 8 ) ( 可以得出f 。= 砒一i o ) 由于从分动器到前后轮的传动机构大体相同，可以认为即日。叩 d ，7 。 所以，换算到车轮上的总等效力矩为 t | n = t j m + t i 浦 = a t , 。i 和叩 。+ ( 1 一d ：。i d r l 幻 = 疋。i 。叩o = t j e i g 屯，7 。叼g( 这里，叩r = ，7 9 ，7 。) ( 2 2 9 ) = 巧砌r 吾 可以看出，惯性力表达式与上同。 所以，对于四轮驱动汽车与二轮驱动汽车，发动机飞轮带离合器旋转质量的惯性力基本上是 相同的。 2 车轮旋转质量的惯性力 车轮加速旋转时的惯性力矩为 i 矿l 一1 。 其中l 全部车轮的转动惯量( 培m 2 ) 。 车轮加速旋转的惯性力矩所换算成惯性力为 矿l 告 故，旋转质量的惯性力为 f i 2 = f i 试+ f i m 2 即 f 2m t 勃r 专= l 。专 三、加速阻力 加速阻力即平移质量惯性力和旋转质量惯性力之和，即 f i = f n + f i 2 1 4 ( 2 - 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) ( 2 - 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) ( 2 3 4 ) 中国农业大学硕士论文 第二章四驱汽车动力性分析 代入，得 叶警+ 哿) 詈， 叫， 令 则 卟警+ 浮) ， e。d里j(2-37) g 其中6 称为旋转质量换算系数。它是将旋转质量的惯性力矩等效地叠加到平移质量上来时， 平移质量惯性力扩大的倍数。 2 2 5 驱动力一行驶阻力平衡图 图2 - 3 汽车驱动力一行驶阻力平衡图 汽车行驶时，根据动力平衡，驱动力和各阻力之间必然保持平衡。当发动机转速特性、变速 器传动比、主见速比、机械效率、车轮半径、空气阻力系数、汽车迎风面积及汽车总质量等初步 确定后，便可分析汽车在良好路面( 沥青、混凝土路面) 上的行驶能力，即确定油门全开时，汽 车能达到的最高车速、加速能力和爬坡能力。 1 5 中国农业大学硕士论文 第二章四驱汽车动力性分析 汽车的驱动力行驶阻力平衡图就是将汽车行驶中经常遇到的滚动阻力和空气阻力叠加 后画在驱动力图上，并作出叠加量随车速的变化关系曲线。图2 2 即为一具有五挡变速器越野汽 车的驱动力_ 干i 驶阻力平衡图。 在无风下，在水平良好的路面上，油门全开，变速器置于最高档此时，e = o ，f ，一0 。即 驱动力行驶阻力平衡图上驱动力曲线( 此时为最高档驱动力曲线) 与行驶阻力f ，+ 凡曲线 的交点对应的车速，为汽车的最高车速。 从图中还可以看出，当车速低于最高车速时，驱动力大于行驶阻力，这样，汽车就可以利用 剩下来的驱动力加速或爬坡，或牵引挂车。当需要在低于最高车速的某一车速( 如1 2 0 k i n h ) 等 速行驶时，驾驶员可以关小节流阀开度( 图2 - 3 中虚线) ，此时发动机只用部分负荷特性工作，相 应地得到虚线所示驱动动力曲线，以使汽车达到新的平衡。 2 3 四驱汽车上的差速器 四轮驱动汽车的动力通过轴间差速器传给前后驱动桥，然后经过轮间差速器再把动力分配给 驱动轮。所以，汽车前后轴动力分配，轮间动力分配。取决于汽车差速器的工作方式。所以对差 速器的原理做一定的了解是必要的。 车轮对路面的相对运动有两种状态：滚动和滑动。其中滑动又分为滑转和滑移。 当汽车转弯时，内外两侧车轮绕同一中心旋转，故在同一时间内，外侧车轮行驶过的曲线距 离显然大于内侧车轮。若两侧车轮固定于同一刚性转轴上，以同角速度转动，则外轮必然会边 滚动边滑移，而内侧车轮却会边滚动边滑转。同样的情形也会发生在不平路面的直线行驶时，因 为此时两侧车轮实际运动的曲线距离仍然不相等。此外，由于轮胎承载不同，气压不同。磨损不 同也会导致各轮胎的滚动半径实际上不可能相等，因此，只要各轮角速度不相等，即使在非常平 直的路面上，车轮对路面的滑动也必然存在。 为此，汽车在结构上必须保证允许各个车论以不同角速度旋转。 为了保证驱动轮能在不中断动力传递的情况下，允许两车轮以不同角速度旋转，需要将连接 两车轮断开( 半轴) ，且在半轴和主减速器之间加入一个被称为轮问差速器的机构。 f 司上理，在多轴驱动的汽车上，各驱动桥间由传动轴连接，所有驱动轮在转速上也会出现运 动干涉现象，为消除这些不利影响，需要在各轴间加设轴间差速器。 汽车的差速器的传动机构多采用行星齿轮系统。其特点之是机构内部摩擦小，所以差速器 通过半轴输出转矩之比基本上是定值。 对称式锥齿轮差速器，由主减速器传来的主动转矩，经差速器壳、行星齿轮轴、行星齿轮和 半轴齿轮传给半轴。由于行星齿轮相当于一根等臂杠杆，且两个半轴齿轮半径相同，因此，当行 星齿轮无自转时，主动转矩总是平均分配给左右两个半轴齿轮。 由于普通的差速器中的内摩擦力很小，当行星齿轮自转时，也可以认为左右半轴的转矩是平 均分配的。 1 6 中国农业大学硕士论文 第二章四驱汽车动力性分析 2 3 1 各种差速器简介嘲 下面介绍几种四驱汽车上常用的限滑差速器。 全时四驱拥有三个差速器，分别控制前轮、后轮和前后轴的扭矩分配。然而传统差速器并不 能满足轿车在恶劣路面和极限状态下对操控性能的苛刻要求。于是l i m i t e ds l i pd i f f e r e n t i a l ( 限滑 差速器，简称l s d ) 便产生了。当轮胎打滑时，l s d 能锁住驱动轴，使差速器暂时失效。l s d 差速器作为全时四驱系统的技术核心，如t o r s e nl s d 、h a l d e xl s d 、v i s c i o u sc o u p l i n gl s d ( 粘 性耦合器) ，它们具有不同的特性。 1 ) t o r s e nl s d 奥迪q u a t t r o 是t o r s e nl s d 的代表，它为纯机械的l s d 差速器。t o r s e nl s d 将扭矩分配到 四个车轮上，如果遇到不良路面导致某一个车轮抓地力减少时，t b r s e nl s d 能作出快速反