两轴四轮驱动电动汽车动力总成研究
摘要
本文着重于双轴四轮驱动（4WD）电动车（EV）动力传动系的设计。其目的是提高原装配500cc内燃机的多功能车（UV）的能源效率和行驶稳定性。设计的动力传动系由两个带有相关电机驱动器，自动手动变速器（AMT），AMT控制器和288V16AH锂离子电池组的5kw无刷直流电机（BLDC）组成。作品包括动力传动系规格设计，无离合AMT机构与控制器设计，优化变速器换档策略设计，最后针对四轮驱动在车轮滑转率控制方面的动力分配策略设计。为了保证AMT换挡质量，换挡图应用于换挡过程。 4WD EV的功率分配策略设计基于滑模算法，通过数值模拟表明，ECE40驱动模式下，每个车轮的滑移率可以控制在最佳值。
关键词：电动车，自动手动变速器。
介绍
为了减少污染及其对环境的影响，大力致力于环保电动车的研发。由于电力电子技术和电子元件的发展，纯电动汽车已经引起了全世界的关注，各种类型的电动汽车已经被开发出来[1] - [3]。这些EV驱动系统可以根据由电动机驱动的轮子，即仅由一个电动机驱动的前轮或后轮，由两个电动机驱动的前轮或后轮以及由轮内电机驱动的四个轮子来分类。
为了提高电力驱动系统的效率，同时满足车辆驾驶性能的要求，纯电动汽车的驱动电机通常设置有减速器或传动装置。在构建电动汽车时，使用AT或无级变速器（CVT）是不合理的，因为AT具有相当大的功率损失，目前，CVT只能用于小型客车[4]。使用传统的多速手动变速箱和气动/液压或电动执行机构来操作换档杆可以很容易地实现AMT。因此，EV可能会采用AMT。
由内燃机（ICE）驱动的车辆的传统AMT需要电子控制的离合器来平稳地分离和接合发动机动力以平稳地换档，这是因为高惯性的ICE。这使系统复杂化并且因此成本高。在这项研究中，设计了一个不使用电动汽车离合器（EV）的AMT设计。
在变速器控制中，换档质量是最重要的考虑因素之一[5]。扭矩孔和换档时间决定了换档质量。当驱动轴齿轮向目标齿轮移动并且传动齿轮未啮合时发生扭矩孔。扭矩孔在换档期间恶化了车辆的驾驶舒适性。因此，前后轴独立驱动型EV的双AMT被设计为依次完成换档以提高换档质量。基于电动机驱动系统的特点和车辆的总体要求，提出了将无离合器AMT应用于电动汽车传动系的可行性，优化以及控制策略。
在拥有多个电源的电动汽车中，主要挑战是高效地控制多电源。目前正在进行多功率控制算法的研究。在文献中提出的这些控制算法可以根据用作基于规则的控制，全局最优控制和局部优化方法的控制方法来分为三类[6]。功率控制应用中的主要问题是要在多个功率源之间找到足够的扭矩分配，以便在车辆要求具有不同速度特性的功率时将能量使用或排放降到最低。在这项研究中，基于滑模算法的功率分配策略被提出用于双轴4WD EV。通过MATLAB仿真评估了控制策略的性能，证明了控制方法的结构可以防止低摩擦系数道路上的车轮打滑。
WD EV驱动系统配置
前后轴独立驱动的4WD型车辆在前后轴采用独立电机，具有许多优点。首先，即使前驱或后驱系统发生故障，EV也具有更安全的结构以避免突然停车。其次，电动汽车具有良好的驾驶性能，即使在交通繁忙的情况下也能有效地驱动前轮和后轮，并且允许电动汽车快速加速并在换档时避免动力中断。第三，电动汽车有能力改善恶劣道路上的转向能力和稳定性，如湿路面，冻路面和雪路面。所提出的混合动力概念是一种双轴四轮驱动电动汽车，其前后轴由电动机独立激励，如图1所示。无刷直流（BLDC）电动机的转子轴与自动手动变速器（AMT ），电机产生的驱动扭矩通过MT齿轮箱传递到车轮侧。车辆控制单元（VCU）可独立操作前桥和后桥驱动系统。
动力传动系统的硬件主要由一个5KW的BLDC，变速机构，MT变速箱和AMT控制器组成，如图1所示。无刷直流电机是驱动车辆的主要动力源。 AMT控制器由电控单元（ECU），传感器和自动换档执行器组成。换档机构由两个直流电机驱动。 AMT电气控制的参数主要包括BLDC电机的转速和MT变速箱的输入和输出轴，驾驶员的油门开度以及换档杆信号和换档电机的位置。通过响应和准确地控制电机转速和转矩，驱动电机和齿轮系输出轴之间的速度将同步，以实现平稳的齿轮啮合。因此离合器装置不再需要。
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Chih‐Hsien Yu et al.\lEnergy Procedia 14 (2012) 1528minus;1535
Fig. 1 Two‐axle 4WD EV 动力总成结构
车辆建模
必须使用数学模型来描述车辆动力学，以针对所提出的EV驱动系统开发高效的动力分配控制策略系统。 因此，整个机械系统的建模推导如下所示。
轮胎动态
作为纵向滑移率函数的纵向轮胎力F_Xl由下式给出：
(1)
下标i表示与前轮或后轮相关联的变量，F_Z是垂直轮胎负载，并且mu;是作为轮胎滑移率lambda;的函数的道路摩擦系数，并且被建模为查找表。 滑移率lambda;可以表示为：
(2)
其中r_w是车轮半径，v是纵向车辆速度，omega;是转速。
纵向动态
沿纵向作用在车辆上的外力是纵向轮胎，空气动力学，滚动阻力。 这些力在图2中以图形方式显示。所提出的驱动系统是双轴4WD电动车，其中前轴和后轴独立地由电动机激励，使得纵向动态可以简化为双轴车辆模型。 重要的考虑车辆动态参数包括前轮和后轮的垂直轮胎负载变化以及由加速或减速引起的纵向重量传递。
纵向车辆运动可表示如下：
(3)
(4)
(5)
a和b分别为重心到前后轴的距离，分别为前后轮的惯性矩，和为滚动阻力系数，为车辆总质量， 是气动力，rho;是空气的质量密度，是气动阻力系数系数，A是车辆的特征区域，是应用气动阻力时点的高度。
图2的车辆自由体受力图
扭矩分配控制
通常，车辆的前轮和后轮的道路条件彼此不同。 为了将施加到前后端的各车轮的驱动力精确地转换为推进力（纵向力），需要确保前后马达产生与轮胎路面摩擦系数相对应的转矩。 为了实现这个目标，使用以下程序将控制前后马达扭矩分配比以防止车轮打滑的滑模控制定理应用于4WD EV。 由于加速期间车轮的滑移率X被定义为公式 （2），前后轴之间的速度差作为滑移率函数计算：
(6)
所提出的转矩分配控制基于滑模控制，并且在当前时刻将转矩分配比定义为s_0，并且在下一个时间段中定义s = s_0 △s。
当等式 （4）忽略了粘滞摩擦项并假设了相同的参数，方程可以重新表示为：
(7)
为了满足全局滑动模态的条件，我们将滑动面定义为，然后：
滑移模型控制规则可以设计为：
(9)
其中必须满足条件和
当扭矩分配比率s由公式（9）式可以满足滑动条件eėlt;0，滑动面e = 0可以是一个稳定的不变集。
换挡策略
对于各种负载条件和车辆速度，换档策略确定换档点，以便传动系可以以更高的效率（电动机的高效区域）运行。
提出了一种AMT换档策略，该策略用于考虑电动机速度和扭矩需求要求来提取升档和降档图。这种策略避免了AMT换档过频和电机低速运行，并且还考虑到驾驶员的转矩要求不会过度加重电机负担。如图3所示，开发了根据驾驶员的油门与车速描述档位的换档图。驾驶模式的换档图存储在主控制器存储器中。
图3换档图（a）升档和（b）降档图
通过模拟验证车辆性能
图4示出了用于所提出的EV驱动系统的基于滑动模式控制方法的转矩分配控制的框图。考虑到前后轴之间的速度差异，该控制策略具有车轮防滑控制。在图4中，ECE40驾驶模式被用作模拟期间要遵循的车辆速度曲线。驾驶模式，即PID控制器，模仿专业驾驶员的踏板加速器和制动器操作，用于跟随ECE40驾驶模式。在踏板评估器中，根据驾驶员的踏板负载来估计所需的扭矩T_req。根据前桥和后桥所需扭矩以及当前车速，AMT控制器可以为独立车桥分配所需的档位。在滑差率计算器中，根据前后轴之间的速度差计算扭矩分配比（s）。最后，转矩分配器将分配前桥的参考转矩命令和后桥的参考转矩命令。
图4所提出的EV驱动系统的控制策略框图
在此，当所提出的控制策略应用于两个车轴4WD EV时，评估车辆的ECE40性能。为了比较所提出的扭矩分配控制方法的有效性，图5-7示出了两个车轴4WD EV的模拟结果，而扭矩分配比固定为50％。图5（a）和5（b）分别显示了前后轮滑移的分布位置，标记为绿色星号，同时运行ECE40驾驶模式。结果，前轮发生滑动现象。
图6和图7分别显示了前轮和后轮的显着响应。在附图中，如图6（b）和6（c）所示，由于加速期间的重量转移，前轮 - 路面摩擦减小导致发生滑移现象。在图7中，由于加速时后轮增加的法向载荷，后轮打滑保持在0.1以下，小于前轮打滑。为了评估所提出的扭矩分配控制方法的有效性，图8-10在相同的驾驶条件下用所提出的控制策略显示车辆的动态响应。图9和图10分别显示了前后轮转矩分配控制的性能，并且每个车轮的滑移率被有效地抑制到低于0.1的最佳值。因此，证实了所提出的控制策略允许四轮驱动电动车稳定运行并具有车轮滑转控制。
结论
设计了独立驱动前后轮的EV，可同时提高驾驶性能和安全性。 EV驱动系统的构成使得这些要求更有效地实现。此外，还开发了一种基于4WD滑模控制方法的转矩分配控制器。车轮打滑控制是在前后扭矩分配之间协调执行的。通过模拟低摩擦系数路况，验证了所提出的控制策略的有效性。
基于载荷谱的矿用自卸车驱动桥壳体失效分析
摘要
采矿翻斗车的关键部件之一是驱动桥壳体。在正常使用期间该组件失效是不可接受的。最近，在这些机器的正常工作过程中，早期疲劳断裂成为问题。然而，由于实际道路状况（如坡度和粗糙度）与简化的边界条件之间的差异，很难准确计算驱动桥壳体的疲劳失效寿命，这是基于台架测试或纯计算机模拟。为提高分析结果的可靠性，本文提出了一种基于实际矿山路面状况的动态应变测量与有限元分析相结合的新分析方法。驱动桥壳体上的动态应变和应力是在卡车在正常矿山路面条件下行驶时通过应变测量获得的。使用雨流计数法分析动态应力，可以确定计数周期的振幅和平均值。 Morrow模型考虑了应力平均值的影响。根据线性PalmgrenMiner损伤累积假设和使用材料典型疲劳特性的假设，计算疲劳失效寿命。对这些测量结果的分析表明，轴箱所承受的动态应力远远大于预期。为了找出影响驱动桥壳动应力的因素，采用有限元方法分析了路面的坡度，任何不均匀的载荷和偏心率。本文表明，所描述的新分析方法是分析这些卡车轴箱失效原因的有用工具。
关键词：矿用自卸车，驱动桥壳，故障分析，加载频谱。
介绍
驱动桥壳是车辆的主要承载部件。 因此，由路面粗糙度引起的动力会产生动态应力，这些力可能导致车辆在使用寿命期间疲劳失效[1]。 尽管驱动桥壳通常设计有高安全系数（安全系数），以便不超过材料的疲劳强度，但大数量和高振幅的循环荷载和局部应力集中允许裂纹在疲劳强度 超过平均负载值。
关于轴箱疲劳失效的分析和预测已经发表了大量的研究成果[17]。 布拉德利和布拉德利[2]使用断裂力学和三种典型服务条件下的实验测试分析了起重车后桥壳体的失效。 他们使用宏观断层扫描检查发现失败是疲劳。他们将理论断裂力学与实验数据结合起来计算裂纹扩展寿命和尺寸。 Baggerly [3]用扫描电子显微镜分析了焊接在重型卡车车轴上的铸钢件的失效情况。发现在铸件的HAZ中形成了欠缺的裂纹。这些裂纹随后通过疲劳机制传播并导致铸件从桥壳脱离。 Topac等人[1]使用有限元分析和台架试验预测了后桥壳体原型的疲劳失效。他们根据结果提出了一些设计增强解决方案。 Wu等人[4]开发了一种基于大直径滚轮的多功能室内驱动桥道路模拟系统。该方法使用滚轮表面上的一系列凸块来模拟裂纹路面的冲击振动。 Jing et al。 [5,6]基于有限元分析和测试预测了车桥轴承在随机载荷下的疲劳寿命。但是，台架测试和有限元分析都是静态分析。虽然他们完成了动态分析，但是使用SIMPACK进行多体仿真获得了加载条件。 Nan等人[7]提出了一种新的方法来获取减小的载荷谱，他们用它来对驱动桥壳进行加速疲劳试验。他们通过有限元法完成了静力强度分析后的疲劳寿命预测，应变历史采集和时间相关损伤分析。使用有限元模拟获得了轴箱加速疲劳试验台的减载图谱。
大多数关于驱动轴壳体疲劳失效的研究仅限于台式测试[47]，静态强度分析[57]，扫描电子显微镜图像分析[3]或基于仿真的动态分析[1,5,6]。尽管一些研究考虑了典型服务条件的影响[2]，但这些并不是典型的正常服务条件。因此有必要考虑驱动桥壳体疲劳失效分析的实际使用条件。
本文重点研究了一种基于实际矿山路面状况的动态应变测量与有限元分析相结合的矿用自卸车驱动桥壳故障分析方法。故障类型是通过断面分析确定的。在这种情况下使用的驱动桥壳体的疲劳寿命是基于通过对实际矿山路面轮廓的测试测量的动态应力并且使用线性PalmgrenMiner损伤累积假设的假设来预测的。使用材料的正常疲劳特性。使用基于有限元的方法研究了壳体
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