Int. J. Heavy Vehicle Systems, Vol. 15, Nos. 2/3/4, 2008
利用粘锁装置优化AWD越野车辆性能
A.M. Sharaf*
拉夫堡大学机械和制造工程学院，拉夫堡，
莱斯特郡，英国LE113TU
E-mail:A.M.Sharaf@lboro.ac.uk
*对应作者
- Mavros
拉夫堡拉夫堡大学航空和汽车工系
英国莱斯特郡LE113TU
电子邮件：G.Mavros@lboro.ac.uk
- Rahnejat and P.D. King
拉夫堡大学机械和制造工程学院，拉夫堡，
英国莱斯特郡LE113TU
电子邮件：P.D.King@lboro.ac.uk
S.K. Mohan
麦格纳动力总成，6600新创业齿轮传动，东锡拉丘兹，
纽约13057-1209，美国
电子邮件：sankar.mohan@magapowertra.com
摘要：建立了一种用于AWD越野车辆动力学仿真的综合计算机模型.我们特别注意各种粘滞锁装置的建模，包括th。粘滞联轴器和粘滞锁有限滑移差.这些装置由完全参数化的物理模型来表示，这些物理模型捕捉了所表示的扭矩传递机制。美国热力学，水动力，结构和机械模块。这些设备的特性可以很容易地被改变，以便能够在不同类型之间进行比较。此外，在各种变形土上，也可以考虑多种工况、车辆设计参数和轮胎特性的影响。
关键词:4times;4越野车;土力学；AWD车辆性能；车辆建模。
参考本文件需要写成如下：Sharaf, A.M., Mavros, G., Rahnejat, H., King, P.D. and Mohan, S.K. (2008) lsquo;Optimisation of AWD off-road vehicle performance using visco-lock devicesrsquo;, Int. J. Heavy Vehicle Systems, Vol. 15, Nos. 2/3/4, pp.188–207.
简历：沙拉夫是英国拉夫堡大学沃尔夫森机械制造学院动力研究小组的博士生。他是由埃及国防部赞助的。
乔治·马夫罗斯(George Mavros)于2000年获得雅典国立技术大学机械工程学士学位，2005年在拉夫堡大学获得博士学位。从2005年开始，他就有了蜜蜂英国拉夫堡大学航空和汽车工程系汽车系统动力学与控制讲师。他在五年级发表了研究论文车辆动力学和轮胎模型的LDS，并参与了各种工业赞助的项目。
H.Rahnejat是英国拉夫堡大学沃尔夫森机械和制造工程学院动力学教授。他在大学帝国学院获得了博士学位、博士学位和博士学位。Ty来自伦敦，在工业界工作了七年，在大学部门工作了17年。他是“机械工程师学会学报”总编辑。身体动力学。他在学术期刊和重大国际会议上发表了约150篇研究论文，并主持了许多动态和领域的重大国际活动。由IMechE、SAE、ASME、JSAE、InstMC等赞助。
P.D. King是拉夫堡大学机械工程（车辆动力学）的讲师，在汽车行业有七年的工业经验，在大学17年。r.他与汽车制造商及其供应商有广泛的合作，是许多汽车运动活动的积极组织者。
Sankar K.Mohan是高级工程主任。麦格纳动力总成；新工艺齿轮，6600新创业齿轮传动，东锡拉丘兹，纽约13057-1209美国.他曾在车辆动力学领域工作。和牵引控制近20年,并具有超过30个美国专利。
他还在ASME、SAE、FISITA和其他论坛上发表了许多技术论文。
1.介绍
直到上世纪80年代，4WD几乎完全用于越野车。今天，几乎所有的美国，欧洲和日本的汽车制造商都为AWD汽车运行一个特别的项目。系统使用范围从手动第二轴到计算机控制的牵引系统(Mohan和Williams，1995年)。AWD的应用日益增多，特别是在客车行业，这就对AWD的应用提出了要求车辆的发展，不仅具有较高的牵引和加速能力，而且在可变形土壤上具有更好的操纵性。虽然提高牵引性能是一项主要工作对于越野车应用来说，操纵行为是现代车辆的一个重要方面，它要求能够承受较高的横向加速度，同时保持良好的行驶速度。方向稳定性的。期望增加在机动性方面，必须在安全、操作方便或驾驶舒适性方面不作任何妥协。因此，牵引性能和横向稳定性之间的优化是一项复杂的任务。
AWD越野车辆的一个特点是其操纵性能不仅取决于总牵引力，而且取决于驱动轮之间的扭矩分配。多年来一家公司我们已经进行了大量的研究，以研究4times;4车辆的性能，这些车辆采用不同的传动系结构(Maretzke和Richter，1986；Tani等人，1987年；Danesin等人 2004).
然而轮胎力产生机理用经验轮胎模型表示，并将路面条件简化为粘着系数表示。这种方法不应扩展到越野车辆，因为充气轮胎和变形土之间的相互作用是复杂的，包括许多影响，如下沉，多通和滑移下沉。
在永久AWD领域的一项创新是使用粘滞锁装置(粘滞联轴器和粘滞锁有限滑差)不仅实现扭矩拆分和传递函数，而且还使用LSO作为自动控制装置工作.为了研究粘滞装置对4times;4汽车性能的贡献，人们报道了一些研究工作，例如Hall(1986)，Lugner等人。(1987年)和Hoeck和Gasch(1999年)。
然而，通过简单的经验公式或查表，包括实验数据，介绍了传递的粘性剪切力矩。另一方面，一些数学CAL对旋转粘性联轴器中剪切产生的研究揭示了导致驼峰或自诱导转矩放大的复杂事件序列(Mohan和Ramarao，2003)。到目前为止，在整车仿真环境中，特别是在越野汽车应用中，还缺乏实现粘滞锁装置的集成方法。
本文研究了使用粘锁装置的永久AWD越野车辆的动态性能.在Sharaf等人中报道了车辆动力学基本方法。(2006、2007、2008)，包括一些重要参数(如各种土壤的力学性能、加载条件和轮胎充气压力)对牵引和操纵性能的影响。在这里，再移植的初始方法是通过包含一个详细的摩擦学动态模块来扩展的.此外，在模拟环境b中还建立了这些单元的调谐过程。Y改变硅酮流体的流变性以达到所需的车辆性能。
2.理论公式
2.1轮胎模型
如果没有轮胎-土壤相互作用的同样精细的描述，任何驱动系统的详细模型的使用都将是毫无意义的。因此，新开发的AS2TM S采用OFT土轮胎模型。该模型考虑了垂直方向的压力-下沉和水平方向的剪切-张-位移.这两种现象对越野轮胎都有其独特的影响。再力产生的过程，以至于不能用典型的刚性道路轮胎模型来模拟轮胎与软土之间的相互作用。在许多参考文献中，例如HARNISCH等，可以找到越野轮胎模型的主要特征、局限性和数学表示。（2005）。
2.2车辆模型
这辆车被分成五批。 表示总成：车轮、车轴和吊杆。假设车身是刚性的，具有质量(Ms)、力矩和惯性乘积。刚体有六个自由度。 (U，V，W，x，y，z)和三次旋转(p，q，r，phi;，theta;，psi;)。轮子连接到汽车车身通过弹簧和减震器。假定每个车轮有两个。自由度，一个用于垂直位移(ZWI)，另一个用于车轮旋转(omega;I)。因此，总自由度为14。根据SAE推荐的参考框架，这些运动是被观察到的。
相对于车辆固定的局部参照系，如图1所示。车辆操纵过程中的姿态和弹道是根据右手正交法确定的。l固定在地面上的参考框架，称为全球参考框架。这个位置就在车辆的固定坐标系下，就在操纵的地方。已经开始了。另外增加了四个车轮坐标系，以独立地表示每个车轮的运动。使用相对变换来表示不同帧中的各种状态。参考标准。
车辆簧上质量的非线性、非定常运动的运动方程是基于平移和旋转运动的牛顿-欧拉公式。这些都是源自于不适用于当地的参考框架。简化可通过假定局部参考框架位于车辆弹簧质量C.g处进行。为进一步简化计算，Symme尝试假设在X-Y和Y-Z平面中。因此，可以忽略惯性的X-Y和Y-Z乘积。然而，在X-Z平面中没有对称性，因此，（IXZ）包含在Mo的角方程中。支票电托收，象征式互动.
因此，弹簧质量的运动方程如下：
纵向动力学: (1)
横向动力学: (2)
垂直动力学: (3)
轧辊动力学: (4)
螺距动力学: (5)
偏航动力学: (6)
(Sigma;FX) 是在纵向作用于车身的净力。这是由于牵引/制动和转弯造成的轮胎 (Sigma;Fxi) 从车轮坐标系转换为车身固定系统，使用转向角。还考虑了由于不均匀的道路引起的气动阻力和阻力阻力。(Sigma;FY) 是使用转向角表示的净侧向力，表示为车辆y轴上轮胎网力的投影。(Sigma;FZ) 是在垂直方向上影响车身的净力，作为车辆重量和悬架力的差计算。倾斜路面的影响也被考虑在内。
图1车辆模型的自由车身图(请参阅在线版本的颜色)
考虑每个车轮有一个质量，就包含了未伸缩的质量动力学。
(M wi) , 通过弹簧阻尼器系统连接到车身。 所有悬挂力
假设是垂直定向的。非弹性质量的运动方程
如下所示，考虑到车辆在四个弯角的车身位移。
簧下质量 (1):
(7)
簧下质量 (2):
(8)
簧下质量(3):
(9)
簧下质量 (4)：
(10)
三上车轮旋转速度(omega;I)的计算需要车轮旋转加速度(omega;·i)，由驱动扭矩(M)产生，我制动力矩(M)我还有轮胎丙周期矩(M)，我参见图1。从车轮扭矩平衡中，自旋自由度的微分方程可以写成如下，其中(I)代表车轮号码(1-4)。
车轮动力学: (11)
2.3传动系模型
传动系模型体现了典型的4times;4汽车的动力特性，包括发动机、离合器、手动变速箱和三个差速器，即中央(开或锁)、前((开)和后(开)差，以及传动螺旋桨轴和轴等元件。
驱动系模型是使用一个名为SimDriveline的新工具箱(MathWorks公司，2004-2006年)实现的，这是Simulink物理模型的一部分。有了SimDriveline，就有可能重新部署使用一个简单的框图来实现驱动系统。旋转运动可以在带有执行器的传动系统中启动，同时通过传感器测量驱动元件和力矩的运动。为他们行动。SimDriveline库提供块来表示旋转物体、机构间的传动约束、特殊的动力元件，如弹簧阻尼力、离合器、透射器等。传感器和执行器。驱动系统模型的细节在Sharaf等人中得到了充分的解释。(2006年)。
为了本研究的目的，创建了一个专门的库，包括表示不同机械和粘滞锁扭矩分配装置的定制块。除了打开和机械锁定普通差速器，机械变速箱被建模为静态分离从前和后轴之间的齿轮箱的驱动扭矩。转账案件系一组行星齿轮(单齿轮)。不像普通的开式差速器一样，通过改变Th，传递箱可以在不同的固定比下静态地分割扭矩。行星太阳直径与环形齿轮直径之比。
2.4粘锁装置模型
粘滞耦合单元构成了整个粘滞锁装置系列的核心，图2。一般来说，它可以串联在前后车轴之间，作为粘滞传动装置(V)。(T)单元，或者它可以与一个常微分并行连接，作为粘性控制(VC)单元。在并行连接中，有两种常见的安装粘滞单元的方法。t.这些是：轴到载体和轴到轴的布局。在轴对载体布局中，一组板被花键到差动载体上，而另一组板被花键到。在一边的差速器，反过来，当然是花键在它的轴上。另一方面，用轴到轴的排列方式，板是交替连接的，每一组都与差速器。
图2各种类型的粘锁装置的结构
粘性联轴器由一组内板和一组外板组成，其中一组内板被花键到一个传动轴上，另一组外板则被花在外滚筒上，而外滚筒又是刚性的。与传动轴相连。板被一层硅酮流体隔开。扭矩传递的主要机理是基于这种流体膜的剪切。因此，生成的粘性联轴器的静力矩取决于旋转接触元件的相对速度、板的尺寸和硅流体的流变性。应该注意的是，将军粘性耦合有两种模式，一种是通过通常的粘性剪切作用，另一种是自转矩放大(驼峰)模式。
粘性剪切模式
假定流体为牛顿流体，在等温条件下，由内板一侧贡献的总粘性剪切力矩(Tv)可由基本原理积分而得。从内板半径(R2)到外板半径(R1)的活动区域上的剪应力如下：
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