CN102529970A - 一种车辆四轮驱动力分配控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四轮驱动车辆四轮驱动力分配控制方法，基于含有4个车身高度传感器的车辆，利用电子控制单元ecu，控制驱动力分配装置中的前电磁离合器、后电磁离合器的结合程度来进行驱动力分配控制；特征是当车辆的前轴轴荷f_zv和后轴轴荷f_zh发生变化时，按照公式

来确定驱动力分配比i，通过电流信号来控制驱动力分配装置中的前、后电磁离合器的结合程度，使分配到后轴的驱动力矩m_rh与发动机输出的转矩m_r的比为i，分配到前轴的驱动力矩m_rv与发动机输出的转矩m_r的比为1-i；使车辆前轮和后轮利用附着率相等，即能使前轮驱动力与后轮驱动力同时达到附着力的极限，避免了由某一车轮首先出现滑移而造成驱动力的损失，提高了车辆的动力性。

Description

一种车辆四轮驱动力分配控制方法

技术领域

本发明属于车辆自动控制方法技术领域，具体涉及四轮驱动车辆的驱动力分配控制方法。

背景技术

四轮驱动车辆驱动力的合理分配能使车辆的绝对爬坡度增大，大的爬坡度也对应着强的加速能力，即能提高车辆的动力性。现有四驱车辆有的采用分时四驱方式，利用中央差速器，当车辆的一个驱动桥空转时，能迅速锁死差速器，使两驱动桥变为刚性联接，这样就可以把大部分的扭矩甚至全部扭矩传给不滑转的驱动桥，充分利用它的附着力而产生足够牵引力。但这种分时四驱方式只适合使用在附着力小的路面，若使用在干燥路面上则会使车辆倾向于直行，当车速过快时易引起翻车。中国专利申请公开号CN1676974A中提出的一种通过调节车辆的横向加速度来控制左右车轮的驱动力分配方法，可以保证转弯的稳定加速。中国专利申请公开号CN101376385A中介绍的一种方法，根据车辆合成的加速度，并结合防滑刹车系统(ABS)，使得车辆的驱动力控制可以在低附着系数的路面到高附着系数的路面间进行精细的调节。虽然上述这些方法在一定程度上提高了车辆的动力性和操作稳定性，但是在驱动力分配上都没有考虑到车辆行驶过程中轴荷变化对四轮驱动力分配的影响。车辆行驶时，由于前轴的轴荷F_ZV和后轴的轴荷F_ZH的变化会导致前轮利用附着率μ_V和后轮利用附着率μ_H的变化，如果利用附着率μ_V≠μ_H，那么利用附着率大的车轮将先发生滑转，从而使前轮驱动力与后轮驱动力不能同时达到附着力的极限，车辆的爬坡度将无法达到最大，即动力性没有达到最大。

发明内容

本发明的目的是提出一种四轮驱动车辆驱动力分配控制方法，以根据车辆行驶中前轴和后轴的轴荷变化来调节前、后电磁离合器的结合程度，保证车辆行驶过程中前轮和后轮的利用附着率相同，从而克服现有技术的上述缺陷，充分提升汽车的动力性。

本发明四轮驱动车辆驱动力分配控制方法，基于含有4个车身高度传感器的车辆，利用电子控制单元ECU，控制驱动力分配装置中的前电磁离合器、后电磁离合器的结合程度来进行驱动力分配控制；其中4个车身高度传感器若采用霍尔式车身高度传感器，则分别安装在汽车4个车轮的挡泥板上，并通过推杆使悬架与霍尔式车身高度传感器相连；若采用光电式车身高度传感器，则分别安装在汽车的4个悬架处，光电式身高度传感器轴通过拉杆与拉紧螺栓的一端铰接，拉紧螺栓的另一端与后悬架臂相连；驱动力分配装置中的前电磁离合器与前传动轴相结合，后电磁离合器与后传动轴相结合；根据车轮上下试验：将车轮置于转动台上，车身用专用夹具固定，对车轮接地点施加上下的位移，测出上下载荷与车轮上下跳动量的关系数据；将其保存到单片机的存储空间中；4个车身高度传感器的信号线连接到ECU的4个输入接口，通过模拟输入电路将4个车身高度传感器测出来的模拟信号经过模/数转换(A/D转换)，转化成车身高度的数字信号h_前左、h_前右、h_后左和h_后右后传送给单片机；单片机根据已保存上下载荷与车轮上下跳动量的关系计算出对应的载荷F_前左、F_前右、F_后左和F_后右；并利用公式F_ZV＝F_前左+F_前右和F_ZH＝F_后左+F_后右得到前轴轴荷F_ZV和后轴轴荷F_ZH；

令i为分配到后轴的驱动力矩M_RH与发动机输出的转矩M_R之比，其中M_R为分配到前轴的驱动力矩M_RV与分配到后轴的驱动力矩M_RH的和；

其特征在于：

单片机根据已得到的前轴轴荷F_ZV和后轴轴荷F_ZH及驱动力分配比公式计算当前所需的驱动力分配比i；

由单片机判断驱动力分配比i的数值在1秒时间内的变动范围是否在i(1±5％)之内：若是，则单片机将驱动力分配比i的数值更新为当前计算出的驱动力分配比i数值，电磁离合器驱动电路通过数/模转换(D/A转换)，将驱动力分配比i的数字信号转换成相应的电流信号给电磁离合器励磁线圈通电，使驱动力分配装置中的后电磁离合器结合程度为驱动力分配比i，前电磁离合器结合程度为1-i；否则，单片机维持传给电磁离合器励磁线圈的电流信号不变。

与已有技术相比，本发明四轮驱动车辆驱动力分配控制方法根据轴荷的变化，按照公式来确定驱动力分配比i，通过电流信号来控制驱动力分配装置中的前、后电磁离合器的结合程度，使分配到后轴的驱动力矩M_RH与发动机输出的转矩M_R的比为i，分配到前轴的驱动力矩M_RV与发动机输出的转矩M_R的比为1-i；此时，车辆前轮和后轮利用附着率相等，即能使前轮驱动力与后轮驱动力同时达到附着力的极限，解决了因前轮和后轮利用附着率不同而引起的某一车轴首先滑移的问题，避免了由某一车轮首先出现滑移而造成驱动力的损失，提高了车辆的动力性；由于本发明四轮驱动车辆驱动力分配控制方法根据轴荷变化主动地通过调节前、后电磁离合器的结合程度，可实现前后轴100∶0～0∶100比例之间动力的分配。

附图说明

图1为车辆四轮驱动力分配控制系统控制原理框图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例为本发明四轮驱动车辆驱动力分配控制方法，根据车辆实时轴荷的变化实现前后驱动力动态分配控制的过程。该控制系统在发动机前置、装有4个车身高度传感器的四轮驱动车辆中进行。

1、车辆前后轴荷的确定

车辆在车速变化、载重量改变、上下坡、以及加速或制动过程中，都会造成轴荷的重新分配。同时，车辆的轴荷会随车速的提高而下降，其中前轴升力一般比后轴的大些。

本发明四轮驱动车辆驱动力分配控制方法，基于含有4个车身高度传感器的车辆，利用电子控制单元ECU，控制驱动力分配装置中的前电磁离合器、后电磁离合器的结合程度来进行驱动力分配控制；其中4个车身高度传感器若采用霍尔式车身高度传感器，则分别安装在汽车4个车轮的挡泥板上，并通过推杆使悬架与霍尔式车身高度传感器相连；若采用光电式车身高度传感器，则分别安装在汽车的4个悬架处，光电式身高度传感器轴通过拉杆与拉紧螺栓的一端铰接，拉紧螺栓的另一端与后悬架臂相连；驱动力分配装置中的前电磁离合器与前传动轴相结合，后电磁离合器与后传动轴相结合。

本实施例选用单片机LPC2292为电子控制单元ECU的核心。根据由日本自动车技术会编写、中国汽车工程学会组译、北京理工大学出版社出版的《汽车工程手册7》书中的第102页所示的车轮上下试验：将车轮置于转动台上，车身用专用夹具固定，对车轮接地点施加上下的位移，测出上下载荷与车轮上下跳动量的关系数据；并将其保存到单片机的存储空间中；采用4个光电式车身高度传感器来测量4个车轮悬架上止点的高度变化；当车身上下振动时，即悬架变形量发生变化时，传感器中的圆盘在传感器轴带动下转动，从而光电耦合件把旋转信号转换成车高信号输出。

图1给出了车辆四轮驱动力分配控制系统控制原理框图。下面结合图1来具体介绍本发明中所采用的车辆四轮驱动力分配控制系统控制原理。

4个车身高度传感器1的信号线连接到电子控制单元ECU的4个输入接口，通过模拟输入电路2将4个车身高度传感器测出来的模拟信号经过模/数转换(A/D转换)，转化成车身高度的数字信号h_前左、h_前右、h_后左和h_后右后传送给单片机3；单片机3根据已保存上下载荷与车轮上下跳动量的关系计算出对应的载荷F_前左、F_前右、F_后左和F_后右；并利用公式F_ZV＝F_前左+F_前右和F_ZH＝F_后左+F_后右得到前轴轴荷F_ZV和后轴轴荷F_ZH。

2、最佳驱动力分配比的确定

对于四轮驱动车辆，轴荷的变化会导致前后轴附着率的变化。如果某一轴的附着率比较高，那么该轴车轮将会先滑转，而另一轴上的车轮要克服的阻力就会过大，也随之滑转，结果车辆无法前进。

令后轴的转矩分配系数为

$i=\frac{M_{\mathrm{RH}}}{M_{\mathrm{RV}}+M_{\mathrm{RH}}},$

式中，M_RH为分配到后轴的驱动力矩，M_RV为分配到前轴的驱动力矩。

车轮的利用附着率μ就是指车轮受到的切向力与车轮受到的垂向力之比，反映的是驱动力作用时要求的最低附着系数。汽车的总驱动力F_X大小要克服滚动阻力F_f、风阻F_w、坡度阻力F_i及加速阻力F_j，即F_X＝F_f+F_w+F_i+F_j，其中坡度阻力F_i＝G sinα，式中，G为车辆的重力、α为坡度、m为车辆的重量，

为车辆的加速度；由此可以推出前轮利用附着率μ_V为前轮的驱动力与前轮的垂向力F_ZV之比，后轮利用附着率μ_H为后轮的驱动力与后轮的垂向力F_ZH之比，即：

${\mathrm{\μ}}_V=\frac{(1-i)(F_f+F_w+G\sin \mathrm{\α}+m\stackrel{\·\·}{x})-F_{\mathrm{fV}}}{F_{\mathrm{ZV}}},$

${\mathrm{\μ}}_H=\frac{i(F_f+F_w+G\sin \mathrm{\α}+m\stackrel{\·\·}{x})-F_{\mathrm{fH}}}{F_{\mathrm{ZH}}},$

式中F_fV为前轮的滚动阻力，F_fH为后轮的滚动阻力。

理想情况下应保证前轴附着率与后轴附着率相等，即前轮利用附着率μ_V等于后轮利用附着率μ_H：

μ_V＝μ_H；

可以求得理想的扭矩分配比

$i=\frac{F_{\mathrm{ZH}}}{F_{\mathrm{ZV}}+F_{\mathrm{ZH}}};$

即理想的扭矩分配比应该按前后轴荷来分配。这时能克服的坡度最大，既动力性最好。

单片机LPC2292根据已得到的前轮两个悬架的弹性力的矢量和F_ZV和后轮两个悬架的弹性力的矢量和F_ZH及驱动力分配比公式

计算当前所需的驱动力分配比i。此时能保证前后驱动力同时达到附着力的极限，车辆的全部附着力均可以转化为驱动力。

下面利用车辆上坡行驶和加速行驶工况，来验证在使用理想分配比后，车辆达到的动力性能。

(a)在上坡行驶时，前轴的轴荷F_ZV下降，后轴的轴荷F_ZH上升。此时，对应于变速器1挡时最大爬坡度，前驱动轮要求的最小附着系数(前轮利用附着率μ_V)往往会大于轮胎-路面最大附着系数那么车辆将无法到达最大的爬坡度。为避免这种情况的发生，四轮驱动力分配装置合理的分配驱动力，应该达到使前后轴附着率相等。

在忽略滚动阻力、空气阻力与旋转质量时，即可求得理想的扭矩比可以简化为

$i=\frac{F_{\mathrm{ZH}}}{F_{\mathrm{ZV}}+F_{\mathrm{ZH}}}=\frac{l_V}{l}+\frac{h}{l}p,$

式中，p为等效坡度、l_V为车辆重心到前轴的距离、l轴距、h为车辆重心高度；此时在一定附着系数的路面

上，车辆所能达到的最大爬坡度

爬坡能力最大。

(b)在平路加速工况下，前轴的轴荷F_ZV下降，后轴的轴荷F_ZH上升。假设速度很小，滚动阻力F_f忽略，可求得此时理想的扭矩比可以简化为

$i=\frac{F_{\mathrm{ZH}}}{F_{\mathrm{ZV}}+F_{\mathrm{ZH}}}=\frac{1}{\mathrm{\δ}}(\frac{l_V}{l}+\frac{h}{l}\frac{\stackrel{\·\·}{x}}{g}+\frac{J_{\mathrm{RH}}}{R_H\mathrm{rm}}),$

式中，δ为旋转惯性质量、J_RH为后轮转动惯量、R_H后轮动态半径、r车轮静态半径。

如果取旋转质量为0，即δ＝1，J_RH＝0，这时理想的扭矩比

$i=\frac{l_V}{l}+\frac{h}{l}\frac{\stackrel{\·\·}{x}}{g},$

此时在一定附着系数的路面

上，车辆所能达到的最大加速度

3、四轮驱动力分配控制方法

车辆在行驶过程中，轴荷会因为路面的不平度而不停的变化，但变化的幅度不会太大；由单片机判断驱动力分配比i的数值在1秒时间内的变动范围是否在i(1±5％)之内：若是，则单片机将驱动力分配比i的数值更新为当前计算出的驱动力分配比i数值，电磁离合器驱动电路通过数/模转换(D/A转换)，将驱动力分配比i的数字信号转换成相应的电流信号给电磁离合器励磁线圈通电，使驱动力分配装置中的后电磁离合器结合程度为驱动力分配比i，前电磁离合器结合程度为1-i；否则，单片机维持传给电磁离合器励磁线圈的电流信号不变。

本发明四轮驱动车辆驱动力分配控制方法的突出特点在于，参照图1中所示，利用单片机3通过电磁离合器驱动电路4将驱动力分配比i的数字信号转换成相应的电流信号，分别传给前电磁离合器励磁线圈5和后电磁离合器励磁线圈6，使前电磁离合器7结合程度为1-i，后电磁离合器8结合程度为i；驱动力分配装置中的前电磁离合器7与前传动轴相结合，后电磁离合器8与后传动轴相结合；从而通过后电磁离合器传递给后轴的驱动力矩M_RH与发动机输出的转矩M_R的比为i，前电磁离合器传递给前轴的驱动力矩M_RV与发动机输出的转矩M_R的比为1-i。这样，四轮驱动车辆可根据轴荷的变化，按照公式

来确定驱动力分配比i，通过电流信号来控制驱动力分配装

置中的前、后电磁离合器的结合程度，使分配到后轴的驱动力矩M_RH与发动机输出的转矩M_R的比为i，分配到前轴的驱动力矩M_RV与发动机输出的转矩M_R的比为1-i；此时，车辆前轮和后轮利用附着率相等，即能使前轮驱动力与后轮驱动力同时达到附着力的极限，解决了因前轮和后轮利用附着率不同而引起的某一车轴首先滑移的问题，避免了由某一车轮首先出现滑移而造成驱动力的损失，提高了车辆的动力性；由于本发明四轮驱动车辆驱动力分配控制方法根据轴荷变化主动地通过调节前、后电磁离合器的结合程度，可实现前后轴100∶0～0∶100比例之间动力的分配。

Claims (1)

1.一种四轮驱动车辆驱动力分配控制方法，基于含有4个车身高度传感器的车辆，利用电子控制单元ECU，控制驱动力分配装置中的前电磁离合器、后电磁离合器的结合程度来进行驱动力分配控制；其中4个车身高度传感器若采用霍尔式车身高度传感器，则分别安装在汽车4个车轮的挡泥板上，并通过推杆使悬架与霍尔式车身高度传感器相连；若采用光电式车身高度传感器，则分别安装在汽车的4个悬架处，光电式身高度传感器轴通过拉杆与拉紧螺栓的一端铰接，拉紧螺栓的另一端与后悬架臂相连；驱动力分配装置中的前电磁离合器与前传动轴相结合，后电磁离合器与后传动轴相结合；根据车轮上下试验：将车轮置于转动台上，车身用专用夹具固定，对车轮接地点施加上下的位移，测出上下载荷与车轮上下跳动量的关系数据；将其保存到单片机的存储空间中；4个车身高度传感器的信号线连接到ECU的4个输入接口，通过模拟输入电路将4个车身高度传感器测出来的模拟信号经过模/数转换，转化成车身高度的数字信号h_前左、h_前右、h_后左和h_后右后传送给单片机；单片机根据已保存上下载荷与车轮上下跳动量的关系计算出对应的载荷F_前左、F_前右、F_后左和F_后右；并利用公式F_ZV＝F_前左+F_前右和F_ZH＝F_后左+F_后右得到前轴轴荷F_ZV和后轴轴荷F_ZH；

令i为分配到后轴的驱动力矩M_RH与发动机输出的转矩M_R之比，其中M_R为分配到前轴的驱动力矩M_RV与分配到后轴的驱动力矩M_RH的和；

其特征在于：

单片机根据已得到的前轴轴荷F_ZV和后轴轴荷F_ZH及驱动力分配比公式

计算当前所需的驱动力分配比i；

由单片机判断驱动力分配比i的数值在1秒时间内的变动范围是否在i(1±5％)之内：若是，则单片机将驱动力分配比i的数值更新为当前计算出的驱动力分配比i数值，电磁离合器驱动电路通过数/模转换，将驱动力分配比i的数字信号转换成相应的电流信号给电磁离合器励磁线圈通电，使驱动力分配装置中的后电磁离合器结合程度为驱动力分配比i，前电磁离合器结合程度为1-i；否则，单片机维持传给电磁离合器励磁线圈的电流信号不变。

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