四轮轮边驱动电动客车电子差速影响因素分析

刘 平，陈晓菲，杨明亮，姚 宇

(1.西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031；2.西南交通大学 先进驱动节能技术教育部工程研究中心，四川 成都 610031)

0 引 言

分布式驱动电动汽车每个车轮由单独的电机直接驱动，替代了传统的发动机、变速器、差速器、传动轴等机械传动结构。由于每个车轮由单独的电机直接连接车轮，这样的驱动结构更加便于车辆的控制[1,2]。由于取消了机械差速器，对于分布式驱动汽车而言，电子差速研究具有很重要的意义。目前国内外对于电子差速控制策略进行了较多研究，从控制方法上主要分为转速控制和转矩控制[3,4]。高时芳[5]、孙明江[6]、唐文武等[7]以转速为控制目标对电子差速进行了研究，但转速控制具有其局限性[8]；F.CASTELLI-DEZZA等[9]、靳立强等[10]、唐自强等[11]对分布式驱动汽车进行深入研究，提出对于分布式驱动汽车电子差速应当采用转矩控制；吴浩[12]、臧怀泉等[13]以内外侧车轮滑转率相等作为控制目标对驱动轮转矩进行控制；卢山峰等[14]、李帅等[15]则从转向稳定性出发，以实际横摆角速度跟随理想横摆角速度为目标对驱动轮转矩进行控制。

目前，进行电子差速的研究较多，但是大多数的研究针对电子差速策略的改进，忽略了车辆的结构和车辆的运行工况对电子差速的影响。车辆在实际的运行过程中，车辆结构和不同的运行工况往往对电子差速的控制有一定的影响。严运兵等[16]进行了部分研究，利用汽车动力学理论建立了9 自由度电动轮汽车动力学模型，理论分析了电子差速的影响因素及影响效果。但该种方法对于模型进行了简化和线性化处理，得到的结果并不精确。因此笔者从整车动力学性能出发，建立基于trucksim和simulink的四轮轮边驱动电动客车联合仿真平台。在不同的工况条件下和整车结构参数下进行转向仿真，得到工况条件和整车结构参数对电子差速的影响，为高效地设计和分析电子差速控制策略设计建立坚实的基础。

1 四轮轮边驱动电动汽车仿真平台

以某四轮轮边驱动电动客车为研究对象，采用trucksim建立整车动力学模型，但trucksim中无电机模型，因此需要结合simulink建立电机模型以构成联合仿真分析平台[17,18]。联合仿真结构如图1，其中车辆基本参数如表1。

表1 电动汽车基本参数

为了研究影响因素对电子差速的影响，提出以滑转率作为电子差速的评价指标。评价指标参考机械差速器的工作原理，即保证汽车转向过程中两侧车轮以不同转速旋转使其不出现滑转或滑移，因此电子差速的控制目标同样要使汽车在转向过程中车轮不发生滑转或滑移。笔者对车辆在驱动过程中的差速性能进行研究，提出车辆滑移率作为电子差速的评价指标。

2 工况对电子差速的影响

主要研究工况条件中车速和方向盘转角对电子差速的影响。

2.1 车速对电子差速的影响

仿真条件为方向盘角200°，改变车速条件，通过仿真实验观察车速对4个车轮滑转率的影响，结果如图2。

由图2可以看出，当车速低于30 km/h时，车速对4个车轮滑转率的影响均较小，各车轮滑转率均小于1%，车轮接近纯滚动；当车速逐渐增大，各车轮滑转率都增大，其中左前、左后侧车轮滑转率增大明显，左前车轮在41 km/h时滑转率达到15.2%，左后车轮滑转率达到4.2%，而右前、右后侧车轮滑转率最大值分别为0.81%和0.46%，且在最大车速时右侧车轮仍未出现滑转，因此可以得出，车速对左侧车轮滑转率影响大于右侧车轮。

仿真过程中车速最大值仅增大至41 km/h，当车速继续增大时整车会出现失稳状态，发生甩尾、侧翻等情况，说明随着车速增大电子差速问题会上升为整车稳定性问题。

2.2 方向盘转角对电子差速的影响

仿真条件为车速30 km/h，改变方向盘转角大小，通过仿真实验观察方向盘转角对4个车轮滑转率的影响，结果如图3。

由图3可得，当方向盘转角低于200° 时，方向盘转角对各个车轮滑转率的影响均较小，此时4个车轮滑转率都低于1%，可以近似看做纯滚动；当方向盘转角逐渐增大，各个车轮滑转率均增大，其中左前、左后侧车轮滑转率增大较为明显，左前车轮在转角370度时滑转率达到14.8%，左后车轮滑转率达到5.2%，而右前、右后侧车轮滑转率最大值分别为0.96%和0.52%，在最大转角时右侧车轮仍未出现滑转。因此可以得出，方向盘转角对左侧车轮滑转率影响大于右侧车轮。

仿真过程中方向盘转角最大增大到370°，当转角继续增大时整车会出现失稳状态，发生甩尾、侧翻等情况，说明随着转角增大电子差速问题会上升为整车稳定性问题。

3 整车结构参数对电子差速的影响

研究汽车的基本结构参数对电子差速产生的影响，其基本结构参数一般包括轴距、轮距、质心高度、质心到前轴距离、簧上质量和簧下质量等。车辆在运行过程中，车辆的轴距、轮距和簧下质量的参数一般不会发生变化。但是，质心高度、质心到前轴距离和簧上质量的参数会随着车辆的载重情况和加速、减速情况发生变化。因此笔者主要研究簧上质量、质心到前轴距离、质心高度这3个结构参数对电子差速的影响。

3.1 质心高度对电子差速的影响

仿真条件为左转向，车速30 km/h，在不同方向盘转角下改变质心高度，质心高度变化范围由660 mm到1 360 mm。通过仿真实验观察不同转角下质心高度对4个车轮滑转率的影响，结果如图4。

由图4可以看出，在不同的方向盘转向角度下，左前车轮滑转率和左后车轮滑转率随着质心高度的增加而增加，其中左前车轮滑转率变化最大值由1%增大至5.6%，左后车轮滑转率变化最大值由0.55%增大至1.6%；右前车轮滑转率和右后车轮滑转率随着质心高度的增加而略微减少，其中右前车轮滑转率变化最大值由0.35%减小至0.32%，右后车轮滑转率变化最大值由0.21%减小至0.17%。

不同的方向盘转向角度下，质心高度的变化对车轮的滑转率具有相同的影响规律。随着转向角度的增加，其影响规律的变化趋势越明显。当质心高度不变时，车轮的滑转率随着转向角度的增加而增大。

方向盘转角为200°，在不同车速下改变质心高度，通过仿真实验观察不同车速下质心高度对4个车轮滑转率的影响，结果如图5。

由图5可以看出，在不同车速下，左前车轮滑转率和左后车轮滑转率随着质心高度的增加而增加，其中左前车轮滑转率变化最大值由0.84%增大至7.4%，左后车轮滑转率变化最大值由0.55%增大至1.6%；右前车轮滑转率和右后车轮滑转率随着质心高度的增加变化不明显，其中右前车轮滑转率变化最大值由0.44%减小至1.4%，右后车轮滑转率变化最大值由0.21%减小至0.17%。

不同的车速下，质心高度的变化对车轮滑转率任然具有相同的影响规律。随着车速的增加，左前车轮滑转率和左后车轮滑转率随着质心高度的增加而增大的影响规律越明显。并且，当质心高度一定时，车轮滑转率也随着车速的增加而增大。

可以得出，转向时质心高度的变化对左前车轮滑转率和左后车轮滑转率影响较大，而对转向外侧的右前车轮滑转率和右后车轮滑转率影响非常小，右前和右后车轮的滑转率始终保持在1%以下，几乎接近纯滚动状态。

3.2 质心到前轴距离对电子差速的影响

仿真条件为左转向，车速25 km/h，在不同方向盘转角下改变质心到前轴的距离，质心到前轴的距离变化范围由1 615 mm到2 315 mm，通过仿真实验观察质心到前轴的距离对4个车轮滑转率的影响，结果如图6。

由图6可得，在不同的方向盘转向角度下，左前车轮滑转率和右前车轮滑转率随着质心到前轴的距离增加而增大，其中左前车轮滑转率变化最大值由0.7%增大至2.6%，右前车轮滑转率变化最大值由0.18%增大至0.27%；左后车轮滑转率和右后车轮滑转率随着质心到前轴的距离增加而减小，其中左后车轮滑转率变化最大值由4%减小至1%，右后车轮滑转率变化最大值由0.14%减小至0.1%。质心到前轴距离不断增加，前轴两车轮滑转率随之增加，而后轴两车轮滑转率随之减小。说明，质心越靠前，前轴两车轮滑移率越低而后轴两车轮滑转率越高；质心越靠后，前轴两车轮滑转率越高而后轴两车轮滑转率越低。

不同的方向盘转向角度下，质心到前轴的距离对车轮的滑转率具有相同的影响规律。随着方向盘转角的增加，左前车轮滑转率和右前车轮滑转率随着质心到前轴距离变化趋势越来越明显。当质心到前轴距离不变时，车轮的滑转率随着方向盘转向角度的增加而增大。

方向盘转角为250°，在不同车速下改变质心到前轴距离，通过仿真实验观察不同车速下质心到前轴距离对4个车轮滑转率的影响，结果如图7。

由图7可得，在不同车速下，左前车轮滑转率和右前车轮滑转率随着质心到前轴的距离的增加而增加，其中左前车轮滑转率变化最大值由0.6%增大至2.8%，右前车轮滑转率变化最大值由0.15%增大至0.27%；左后车轮滑转率和右后车轮滑转率随着质心到前轴的距离的增加而减小，其中左后车轮滑转率变化最大值由2.9%减小至1.0%，右后车轮滑转率变化最大值由0.18%减小至0.14%；

不同车速下，质心到前轴的变化对车轮滑转率任然具有相同的影响规律。随着车速的增加，左前车轮滑转率和左后车轮滑转率随着质心到前轴距离的增加而变化的影响规律越明显。并且，当质心到前轴距离一定时，车轮滑转率也随着车速的增加而增大。

可以得出，转向时质心到前轴距离的变化对左前车轮滑转率和左后车轮滑转率影响较大，而对转向外侧的右前车轮滑转率和右后车轮滑转率影响非常小，右前和右后车轮的滑转率始终保持在1%以下，几乎接近纯滚动状态。

3.3 簧上质量对电子差速的影响

仿真条件为左转向，车速30 km/h，在不同方向盘转角下改变簧上质量大小，簧上质量变化范围由4 000 kg到7 000 kg，通过仿真实验观察簧上质量对4个车轮滑转率的影响，结果如图8。

由图8可得，在不同的方向盘转向角度下，左前、右前、左后和右后车轮滑转率随着簧上质量的增加而增大，其中左前车轮滑转率变化最大值由2.0%增大至2.7%，右前车轮滑转率变化最大值由0.41%增大至0.5%，左后车轮滑转率变化最大值由1.25%增大至1.5%，右后车轮滑转率变化最大值由0.25%增大至0.28%。4个车轮的滑转率随着簧上质量的增加而增大，但是增大量不明显，相较而言，内测左前、左后车轮滑转率的增大量明显大于外侧右前、右后车轮的滑转率的增大量。

不同的方向盘转向角度下，簧上质量的增加对车轮的滑转率具有相同的影响规律。随着方向盘转角的增加，4个车轮的滑转率随着簧上质量增加的变化趋势越来越明显。当簧上质量不变时，车轮的滑转率随着方向盘转向角度的增加而增大。

方向盘转角为250°，在不同车速下改变簧上质量，通过仿真实验观察不同车速下簧上质量对4个车轮滑转率的影响，结果如图9。

由图9可得，在不同车速下，左前、右前、左后和右后车轮滑转率随着簧上质量的增加而增加，其中左前车轮滑转率变化最大值由4.4%增大至7.7%，右前车轮滑转率变化最大值由0.56%增大至0.76%，左后车轮滑转率变化最大值由2.3%增大至3%，右后车轮滑转率变化最大值由0.34%增大至0.4%。

不同车速下，簧上质量的变化对车轮滑转率任然具有相同的影响规律。随着车速的增加，4个车轮的滑转率随着簧上质量的增加而增加的变化规律越明显。并且，当簧上质量一定时，车轮滑转率也随着车速的增加而增大。

可以得出，转向时簧上质量的变化对左前车轮滑转率和左后车轮滑转率影响较大，而对转向外侧的右前车轮滑转率和右后车轮滑转率影响非常小，右前和右后车轮的滑转率始终保持在1%以下，几乎接近纯滚动状态。

3.4 仿真工况结果

将仿真得出工况条件与结构参数对各个驱动轮滑转率的影响整理如表2。

表2 工况和结构参数对滑转率影响

4 结 论

1)通过多工况的仿真实验，研究工况条件和结构参数对电子差速的影响。在车速和方向盘转角较小时，各个车轮滑转率均很小，接近纯滚动；随着车速、方向盘转角不断增大，4个车轮滑转率不断增大。

2)质心高度增大，转向左侧车轮的滑转率增大，转向右侧车轮的滑转率减小；质心到前轴距离的增大，前轴量车轮滑转率增大，后轴量车轮滑转率减小；随着簧上质量的增大，4个车轮的滑转率均增大；随着车速和方向盘转角的增大，车轮滑移率的增加量越大。

3)不同的行车工况和整车参数，对滑转率影响最大的车轮为左前侧车轮，其次为左后侧车轮，对右侧两车轮的滑移率影响较小，并且右侧两车轮的滑转率始终保持在1%以下，几乎接近纯滚动状态。

4)当车速和转角较大时车轮滑转率较大，对于电子差速控制策略研究应当主要考虑转角和车速较大的工况。并且当转角、车速达到一定条件时整车会出现失稳，差速问题上升为稳定性问题，则应当考虑驱动防滑、稳定性控制等的介入。工况条件和结构参数变化对转向内侧轮影响较大，对于电子差速控制策略的研究应当主要考虑转向内侧车轮的变化。此外，研究的结构参数对于电子差速的影响可以进一步作为电子差速控制策略鲁棒性的评价因素。