自卸车轴间功率分配及差速控制的仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自卸车研究领域，具体涉及一种自卸车轴间功率分配及差速控制的仿 真方法。
【背景技术】
[0002] 传统的机械传动车辆靠差速器来实现各轮转速与相应轮心速度的协调。对电动轮 驱动的自卸车，各车轮之间没有机械连接，运动状态相互独立，为了保证转向或在不平路面 上行驶时驱动轮之间不产生拖滑而使车辆失去地面牵引力及轮胎的过度磨损，需采用精确 的模型或者有效的策略进行差速控制，差速控制是轮边电驱动车辆设计的关键技术之一， 也是电动轮驱动汽车的整车控制系统必须解决的问题。
[0003] 等转矩控制是以电机的驱动转矩为控制参数，而不对各个车轮的转速进行控制， 使各轮转速随各轮的受力状态自由转动。电动轮的运动学方程可由下式表示：
[0004]
[0005] 式中，Iw表示车轮转动惯量，w表示车轮转速，Tm表示电机输出转矩，i肩示电动 轮传动比，Fd表示车轮与路面间的路面摩擦力，rw表示车轮滚动半径，Tb表示制动力矩。只 要电动轮输出驱动转矩Τ"^没有超过车轮与路面之间的附着力极限时，路面摩擦力必定与 车轮驱动转矩平衡，而电动轮系统的转速则由该受力平衡点决定，自动适应转向时的行驶 工况。由于每个电动轮运动学状态相互独立，均可以自由转动，各轮转速均自动适应转向时 的路面情况，因此，不存在各车轮间转速不协调而引起的差速问题，故等转矩控制策略能满 足差速控制的要求，实现自适应差速。由于该等转矩控制的理论已经得到成熟应用，本说明 书不对该控制理论进行深入说明。
[0006] 另外，采用等转矩控制作为整车差速控制策略，整车控制系统不必再针对差速问 题设计电子差速控制器。
[0007] 全轮驱动的电动轮自卸车与后轮电驱动或者前轮电驱动的车辆不同（本发明适 用于全轮驱动的电动轮车辆，该说明书以已经应用该发明的中国中车广州电力机车有限公 司的六轮全驱动的SCT-A261型铰接式电动轮自卸车为例进行说明（该自卸车的结构如说 明书附图1所示）），没有分动器对功率或者转矩进行轴间分配，而采用等转矩控制策略进 行控制时，可以是同轴的两车轮采用等转矩控制，也可以是所有驱动轮或者各轴间全部为 等转矩进行控制，因此，整车控制中出现了新的问题，即该车是不是应该该对总功率或者总 转矩在轴间按照某个比例进行分配，该问题实际上属于牵引力控制的范畴，但也是全轮驱 动的车辆采用等转矩控制作为差速控制策略时必须考虑的问题。实际上，四轮、六轮甚至 八轮等全轮驱动的整车差速控制与牵引力控制、制动控制是息息相关的。例如，转向时，电 动轮输出的驱动力超出路面附着极限而出现打滑时，此时便不是差速控制可以解决的问题 了，属于牵引力控制的范畴。
[0008] 总功率在轴间按照轴重比例进行分配的必要性及好处：
[0009] 第一，若将可利用的轮轴实时总功率先在轴间进行分配，然后，再进行等转矩控 制，则可以防止打滑或者空转发生时功率的大幅度流失。自卸车在进行等转矩控制前若不 进行功率分配，则各驱动轮的转矩值计算可表示，
?.&表示可利用的轮轴实时总功率（发电机输出的功率折算到六个电机的输入总功率）； &表示各驱动电机的转速；Ti表示各电机的输入转矩值。当某个驱动轮发生打滑或者空 转时，该轮的转速将急剧上升，而采用等转矩控制时，各驱动电机的输出转矩值相等，由式
Γ知，则发生打滑或者空转的电机的功率将急剧上升，远大 于其他各轮的输出功率。此过程可以视为，打滑或者空转发生时，功率将从其它驱动轮大幅 度地流向打滑轮或者空转车轮，造成功率大幅度地流失并且丧失动力。若转向轮打滑或者 空转，则易丧失转向能力；若中后轮打滑或者空转，则易失去侧向稳定性，出现"甩尾"等现 象，危及车辆的行驶安全性。
[0010] 而若将可利用的轮轴实时总功率首先在轴间进行分配，相当于将各轴的可利用功 率进行了相互隔离，防止功率循环。当某轴的驱动轮打滑或者空转发生时，功率的流失也只 限制在该轴，对其他轴输入功率以及动力输出没有影响。
[0011] 另外，传统意义上机械传动的全轮驱动车辆亦将转矩或者功率在轴间按比例进行 实时分配，除实现牵引力控制的目的外，亦是防止轴间功率循环。
[0012] 因此，综述所述，将轮轴可利用的实时总功率在全轮驱动的自卸车的各个轴间进 行分配是有利的且必要的。
[0013] 第二，若将轮轴可利用的总功率根据轴重比例的不同在自卸车的各个轴间进行分 配，则各车轮可以更好地利用路面提供的附着力极限值，减小打滑的可能，提高整车的动力 性、制动性。由轮胎的动力学原理可以知道，车轮输出的驱动力或者制动力大于路面提供的 附着力极限值时，车轮则出现打滑现象。而车辆不同装载情况下（比如满载与空载），自卸 车各个轴的轴重不同（轴重定义为同轴车轮所受垂直载荷之和），根据式FX__=FZ· μ， (式中，Fxnax表示车轮附着力的极限值，？2表示车轮的垂直载荷，μ表示路面附着系数）可 知，各轮附着力的极限值与各轮的垂直载荷成正比，因此，轴重越大，路面可提供给各个轴 的路面附着力极限值越大，即各轮可输出更大的驱动力或者制动力而不出现打滑。铰接车 在不同的运载工况下（比如满载与空载），各轴的轴荷发生很大改变，因此，各轴驱动轮的 附着力极限值是不同的。例如，经实验测试，铰接车满载时，货箱的重量几乎全部由后面四 轮承担，大大增大了中后轴各轮的垂直载荷，而前轴两轮的垂直载荷变动不大。因此，自卸 车装载后中后轴各驱动轮相对前轴各轮或者空载时各轮将有更高附着力极限值。而空载时 前轴相对中轴和后轴的具有更大的轴重，因此，空载时前轴相对中轴和后轴具有更大的附 着力极限值。因此，在自卸车重载时，将功率更多地分配给中后轴更为合理，以更好地利用 路面提供的更大的驱动力或者制动力极限值，提高自卸车的运载能力。综上分析可以得知， 不同装载工况下，各轴轴重比例不同，各轴的附着力极限力也不同，若能根据轴重比例分配 轮轴可利用的轴间总功率，则可在不同工况下更好地利用路面附着力极限值，更好地输出 功率，在输出大的驱动力或者制动力时可减少打滑发生的可能，动力性或者制动性能更好。
[0014] 第三，在装载工况下，若能提高中后轴的实时功率分配比例，则可减小自卸车的侧 滑，提高整车的侧向稳定性。根据轮胎力学中的摩擦圆理论，驱动轮的纵向力与附着力极限 值的比值越大，车轮的实时侧向力将减小。侧向力与纵向力的关系如说明书附图2所示。垂 直载荷越大，附着力极限值则越高，车辆输出同样的纵向力（驱动力或者制动力），驱动轮 的纵向力与附着力极限值的比值则相对越小，路面可提供的实时侧向力比例将增大，因此， 车辆在转向时，车轮路面可以提供足够的侧向力以满足车辆的转向需要，减小侧滑，提高侧 向稳定性；否则，车辆容易产生侧滑。
【发明内容】
[0015] 本发明要解决的技术问题是提供一种能够方便的对自卸车轴间功率分配及差速 控制进行精确与方便的仿真研究的自卸车轴间功率分配及差速控制的仿真方法。
[0016] 为了解决上述技术问题，本发明包括下列几个步骤：
[0017] A、在第一仿真分析软件中建立铰接式电动轮自卸车模型，所述铰接式电动轮自卸 车模型包括铰接体、前后车架、平衡梁、前悬挂系统、车轮、转向油缸、货箱等子系统；
[0018] B、在第二仿真分析软件中建立电机系统模型、控制器模型和轮边减速器模型：对 电机系统的建模分为电机物理模型的数学建模以及电机驱动控制系统的建模；
[0019] C、将第一仿真分析软件的接口模块与第二仿真分析软件的接口模块连接进行联 合仿真：
[0020] (1)、将模拟的自卸车的转向控制信号以及