基于Matlab/Simulink四輪驅(qū)動汽車動力性仿真

山西省中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院　朱亞偉　尉慶國　墨海波

基于Matlab/Simulink四輪驅(qū)動汽車動力性仿真

山西省中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院朱亞偉尉慶國墨海波

本文首先建立全時四輪驅(qū)動汽車的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，然后基于 Matlab/Simulink平臺建立全時四驅(qū)車輛的動力仿真模型，并對其不同動力分配的仿真結(jié)果做出分析。通過仿真得出結(jié)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(qū)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(qū)動系統(tǒng)則對于汽車的最高車速影響很小。

全時四驅(qū)；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(shè)計與制造工藝的提高及其電子技術(shù)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(qū)動的不足顯現(xiàn)出來。為了提高車輛的運動性能和穩(wěn)定性，汽車設(shè)計人員開發(fā)出了一套四輪驅(qū)動系統(tǒng)，車輛可以根據(jù)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(jù)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(qū)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(jīng)離合器、變速器、傳動軸以及驅(qū)動軸傳遞至車輪，轉(zhuǎn)化為驅(qū)動汽車行駛的轉(zhuǎn)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(dāng)汽車的驅(qū)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(shù)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(zhuǎn)彎過程中，重量都會發(fā)生轉(zhuǎn)移，所以應(yīng)及時調(diào)整動力分配。

當(dāng)前后輪的附著率相等時，前后輪轉(zhuǎn)矩分配最合理［2］。

2四輪驅(qū)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(shè)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(jù)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(yīng)在交點對應(yīng)車速下進行換擋，若1擋與2擋加速度曲線不相交，則應(yīng)在1擋位加速行駛至發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到最高轉(zhuǎn)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(dāng)前后動力分配比和驅(qū)動力輸入模塊時，模塊內(nèi)程序進行判斷。如果傳至前輪的驅(qū)動力大于前輪地面附著力，則驅(qū)動力等于地面附著力，而后輪的驅(qū)動力也不再增加，對于后輪也是如此。如果傳至前后輪的驅(qū)動力均小于前后輪對應(yīng)的地面附著力，則實際的驅(qū)動力等于發(fā)動機發(fā)出的驅(qū)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(jié)果及分析

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

圖2　不同驅(qū)動比下汽車最大爬坡度

當(dāng)前后軸動力分配比設(shè)置分別為1、0和自適應(yīng)變化的最佳分配比x，汽車最高車速仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3　不同驅(qū)動比下汽車最高車速

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

基于以上分析可知，四輪驅(qū)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(jīng)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(qū)動和單軸驅(qū)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(xué)學(xué)報，2001，36（1）：71-75.

［2］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.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(xué)，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(xué)，2006.

［5］周宇奎.側(cè)風(fēng)影響下高速汽車響應(yīng)特性的分析與控制研究 ［D］.湖南大學(xué)，2005.

［6］尹念東.模糊神經(jīng)技術(shù)及其在汽車操縱穩(wěn)定性研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)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。