116_基于CRUISE的智能四驱控制系统设计仿真研究_奇瑞汽车_李敏等

1、基于 CRUISE 的智能四驱控制系统设计仿真研究李敏，牛大旭，饶奉锦，刘中拥（奇瑞汽车股份有限公司，安徽芜湖，241006）摘要 介绍了智能四驱系统基本概念、原理等，依据某款城市紧凑型SUV车型的物理结构及所采用的控制策略，在CRUISE平台中搭建整车模型、设计扭矩管理器，并进行常用工况下的性能仿真，对两驱与四驱的动力经济性计算结果进行对比。同时，提出了一种行之有效的整车爬坡分析方法，并重点对爬坡工况进行对比分析。与试验结果对比表明：该模型达到了预期的控制效果，爬坡分析方法具有可行性，智能四驱爬坡优势明显。关键词：智能四驱；AVL CRUISE；扭矩管理器；爬坡主要软件：AVL CRUISE

2、The Design And Simulation Study Of Intelligent 4WD Control System Based On CRUISELi Min, Niu Daxu, Rao Fengjin, Liu ZhongyongChery Automobile Co.,LTD. Wuhu, Anhui Province, P.R. China, 241006Abstract The basic concept, principle and so on about intelligent 4WD system is introduced, according to the

3、physical structure and control strategy of a certain city SUV models, using CRUISE software to build the vehicle model, design torque manager and simulate performance under the commonly used course, the P&E calculation results of 2WD and 4WD is compared. At the same time, an effective vehicle grade

4、analysis method is proposed, and especially the gradeability course is analyzed. Compared with the test results, it is show that the model has reached the expected control effect, gradeability analysis method is feasible, gradeability of intelligent 4WD has obvious advantage.Keywords: Intelligent 4W

5、D; AVL CRUISE; Torque Manager; GradeabilitySoftware: AVL CRUISE1. 前言当今世界随着汽车工业的发展，人们对汽车性能的追求越来越高，随着科学技术的迅猛发展，四驱技术应运而生。所谓的四驱技术，即为车辆的四个车轮均为驱动轮，主要应用于越野车，SUV 和一些轿车上。不同车型之间四轮驱动系统结构不同，各有各的优缺点，从而导致行驶性能大相径庭。依据某款智能四驱车型结构原理，在 CRUISE 中建立仿真模型，研究了四驱与两驱的动力性经济性差异，重点对爬坡工况进行了详细分析。2. 智能四驱系统简介目前四驱的分类方法很多，按照结构形式分类，四驱系统

6、可以分为基于前驱的四驱和基于后驱的四驱；按照操作模式分类，四驱系统可以分为分时、适时和全时四驱。适时四驱系统，即为智能四驱，即只有在特定情况下车辆才具有四轮驱动功能，而正常情况下则仅是靠前轮或者后轮驱动。基于前驱的智能四驱系统，正常行驶时后轮仅有极小驱动力或者无驱动力，整车与前驱车辆无异，只有在前轮附着力不足而出现滑转时，通过取力器（PTU，Power transmit unit）将一部分动力传递给后桥，传递扭矩的大小由扭矩管理器（ITM， Intelligent torque management）来控制。基于前驱的适时四驱系统，燃油经济性较好，越野性能有限，适用于中小型四驱轿车和城市 SU

7、V，动力传动路线如图 1 所示。发动机 变速箱 前桥主减速器 差速器 前轮取力器后传动轴 扭矩管理器 后轮图 1 基于前驱的智能四驱动力传动路线图3. 智能四驱 CRUISE 模型基于前驱的智能四驱整车的结构原理如图 2 所示，其核心部件为 PTU 和 ITM。利用 CRUISE 软件模块化建模理念，使用整车、发动机、离合器、机械变速器、主减速器、PTU、差速器，制动器、车轮、传动轴、驾驶室、ITM 等搭建起智能四驱整车模型1。发动机 PTU ITM 主减 离合器变速器+主减前桥后桥差速差速器器图 2 智能四驱整车的结构原理图仿真中，PTU 使用单速比模块代替，与后主减模块的速比互为倒数。PT

8、U 的数值1，主要起到减扭增速作用，而后主减则起减速增扭作用。ITM 种类很多，文中使用的为多片离合器。仿真中，ITM 简化为四驱控制模块、扭矩分配控制器、中央差速器模块及四驱离合器模块。 即为扭矩管理器的离合器接通时，为智能四驱；离合器断开，为前驱2。ITM 为前后轴扭矩分配部件，在各个工况中起至关重要的作用，如当车辆转弯，使前后传动轴转速比保持在一定范围内，为了减小前轮的滑移和后轮的滑转3 4，保障转向性能。3.1 建立智能四驱动力控制系统依据某款 SUV 车型智能四驱结构，进行四驱动力控制系统设计，要实现的目标为5：（1） 通常情况下，汽车以前轮驱动；（2） 起步时，车速10km/h，缓

9、坡或平路时，前驱；（4） 爬陡坡时，车速10km/h，四驱；根据控制目的，智能四驱 ITM 控制策略设计如图 3 所示：油门开度80%,车速10km/h& 加速度10km/h 扭矩因子分配 中央差速器离合器接通图 3 智能四驱 ITM 控制策略3.2CRUISE 仿真模型图依据上述各模块功能及控制系统要实现的目标，在 CRUISE 中建立仿真模型，如图 4 所示。为了更好的对比智能四驱与两驱之间的差异，本文的两驱模型，仿真中质量较四驱车辆重量轻 70kg（质量差异主要为四驱相关附件产生），同时考虑了轮胎滑移情况。驱动车轮离合器发动机驱动车轮扭矩分配四驱控半轴变速箱主减控制器制器半轴差速器中央差

10、速器PTU离合器后主减差速器半轴半轴驱动车轮驱动车轮图 4 智能四驱整车模型图4. 仿真及结果解析4.1 仿真工况加速工况，在特定典型平直路面进行仿真分析（干燥水泥路面、冰雪路面的附着系数分别为 1.0、0.4）。CRUISE 软件中爬坡工况，为稳态爬坡工况，即为爬长坡能力，与试验场整车性能试验的动态爬坡差异较大。在现实爬坡过程中，可能会出现打滑的情况，相比稳态爬坡，动态爬坡与试验方法一致，更能真实的分析对比两驱与四驱在爬坡性能方面的差异。模拟试验场40%坡道如图 5 所示。垂直距离（m）020406080水平距离（m）图 5 坡道工况爬陡坡的最大爬坡度，用加载质量方式换算所得，如式（1）。若

11、发生较小滑移或不发生滑移时：以发动机终了转速 2000rpm 时车辆不熄火为评判标准；若发生较大滑移时，以整车终了车速 10km/h、加速度小于 1m/s2 为评判标准进行分析。仿真时，未考虑车辆起步时离合器动态特性，从车辆在坡前已经稳定起步后开始模拟。a0 = arc sin(G a ig1 /Gigasinaa )（1）6其中，0 为换算得到的最大坡度（）；a 为试验时的实际坡度（）；G 为汽车最大总质量的重力（N）；Ga 为试验时的汽车重力（N）；ig1 为变速器 1 档传动比；iga 为试验时变速器所用档位的传动比。4.2 仿真结果对比分析依据图 4 中建立的整车模型及图 3 中制定的

12、 ITM 控制策略，分别进行智能四驱、两驱仿真，结果如表 1 所示。表 1四驱与两驱整车性能对比油门路面摩擦系数2WD4WD提升比例0100km/h 加速时间（s）100%1.013.7414.827.86%0100km/h 加速时间（s）100%0.424.0323.571.91%060km/h 加速时间（s）50%1.014.0314.886.06%060km/h 加速时间（s）50%0.416.5816.871.75%4th60100km/h 加速时间（s）100%1.010.8411.818.95%5th60100km/h 加速时间（s）100%1.015.9717.48.95%最大爬

13、坡度爬长坡（%）100%1.047.642.510.71%最大爬坡度爬陡坡（%）100%1.048.853.59.63%ECE（L/100km）/1.09.779.951.84%EUDC（L/100km）/1.07.357.633.81%NEDC（L/100km）/1.08.248.482.91%结果解析：（1）原地起步加速：智能四驱与两驱在干燥水泥路面，无论是全负荷还是部分负荷，四驱加速性能均差于两驱；但是在冰雪路面四驱与两驱之间加速性能差异，较水泥路面差异变小，四驱在冰雪路面的优势有所发挥；（2）超车加速：智能四驱的 4 档、5 档 60-100km/h 超车加速较两驱落后，分别为 0.9

14、7s、1.43s。超车工况中智能四驱为前驱，加速差异为智能四驱车重高于两驱所致；（3）综合油耗：智能四驱 NEDC 较两驱高约 3%，一方面质量较两驱重，一方面是四驱按照控制系统设计的扭矩分配所致。四驱主要发生在 ECE、EUDC 车速10km/h 工况中。（4）爬坡性能：四驱车子较两驱重，稳态爬坡结果差于两驱 10.71%；但爬陡坡结果却好于两驱约 10%。图 6、7 为智能四驱爬坡时参数变化情况：爬坡过程中，两驱与四驱按照 ITM 的控制策略转换，有效地进行了扭矩分配。爬陡坡段为四驱模式，前轮有较小打滑现象，以发动机终了转速 2000rpm 不熄火来判断爬坡能力。图 8、9 为两驱爬坡过程

15、：爬坡过程中，前轮打滑现象较为严重，发动机转速呈增大趋势（此现象仅对仿真而言），以终了车速 10km/h、加速度1m/s2 判断爬坡能力。两驱的驱动力，小于四驱的前轮与后轮驱动力总和。转速（rpm）60005050004040003030002000202WD10004WD10000481216时间（s）发动机转速车速驱动形式车速（km/h）图 6 4WD 爬坡过程中车速、转速、驱动形式驱动力（N）60006500054000430003200021000100-1000 0481216 -1-2000时间（s）-2左前轮驱动力 左后轮驱动力左前轮滑移率 左后轮滑移率图 7 4WD 爬坡过程中

16、轮胎驱动力及打滑情况轮胎滑移率（%）6040）km/h20车速（00-20-40510时间（s）车速加速度图 8 2WD 爬坡过程车速、加速度64m/s2）2加速度（015-2-4400030002000N）1000驱动力（048120-1000时间（s）-20002WD左前轮驱动力4WD左前轮驱动力4WD左后轮驱动力2WD左前轮滑移率4WD左前轮滑移率-3000图 9 2WD 与 4WD 爬坡过程驱动力与滑移率对比201510%）5轮胎滑移率（016-5-10-15某智能四驱车型在不同路面的最大爬坡试验结果，如图 10 所示。由试验结果可知，四驱爬坡在易发生打滑的路面占优势。路面附着系数越低

17、，四驱爬坡优势相比两驱越显著。最大爬坡度（%） 四驱 两驱图 10 某四驱车型不同路面最大爬坡试验结果文章的不足之处，在扭矩因子分配过程中，控制系统设计的较为简单，四驱扭矩分配为固定比例因子，然而实车上扭矩分配因子依据工况实时分配，通过扭矩管理器可向后轮传递0100%的扭矩。5. 结论介绍了智能四驱系统的结构原理，并结合某款车型，在 CRUISE 中对整车仿真建模及扭矩管理器设计进行了探讨，并分析计算了动力经济性相关性能，提出了模拟整车爬坡的一种分析方法。整车爬坡的仿真结果，与相关车型不同路面爬坡试验结果趋势一致，表明：与两驱相比，四驱爬坡占有优势。对于工程应用来说，仿真结果表明，该模型已实现了对四驱车重要参数进行实时控制，达到了预期控制目的，尤其是文中提出的车辆爬坡分析，对四驱及两驱车仿真爬坡性能有一定的参考价值。参考文献1 AVLCRUISE User guide2 业德明等，一种智能四驱控制的 CRUISE 仿真及应用，汽车工程师J，2012(04):52-553