论文总字数：28898字

摘 要

随着我国社会经济的不断发展，我国的汽车保有量不断上升，人们开始更多的关注汽车的舒适性和安全性，而限滑差速器作为汽车驱动桥上的动力分配装置，对汽车的驱动性能、操纵稳定性及行驶安全性等有着重要作用。

本文首先针对目前限滑差速器的研究现状，以电液限滑差速器为例，对比分析了普通差速器和限滑差速器结构特点和扭矩分配的不同。

其次针对目前限滑差速器防滑控制所建立的Simulink整车模型自由度较低的问题，本文采用基于参数化建模的Carsim软件建立某款SUV型车辆的整车动力学仿真模型，并在Simulink中搭建PID控制器和理想化的限滑差速器模型。

最后通过Carsim与Simulink的联合仿真，对比了车辆分别装备普通差速器和限滑差速器在均一高附着路面、分离路面、棋盘路面三种不同工况下直线加速行驶的整车性能。由仿真结果分析表明，车辆采用限滑差速器能很好的提高汽车的牵引性能和稳定性能，同时也验证了PID控制算法的合理性。

关键词：限滑差速器；防滑控制；联合仿真

Abstract

With the development of social economy in our country, the number of cars keeps rising. People begin to pay more attention to the comfort and safety of cars. As a power distribution device on the drive axle, limited slip differential (LSD) plays an important role in the driving performance, handling stability and driving safety of cars.

Firstly, according to the current research of the LSD, this paper takes electro-hydraulic limited slip differential as an example, and analyzes and compares the structural characteristics and torque distribution of ordinary differentials and LSD.

Secondly, aiming at the defect that the Simulink vehicle model used in the slip control based on the LSD is relatively simple, this paper uses Carsim based on parametric modeling to establish the vehicle dynamics simulation model of an SUV vehicle, and builds PID controller and idealized LSD model in Simulink.

Finally, through the joint simulation of Carsim and Simulink, the performance of the vehicle with straight acceleration under three different conditions of high-μ road, split-μ road, and checkerboard-μ road was compared with the vehicle equipped with ordinary differential and LSD respectively. The simulation experiment shows that the LSD can improve the traction performance and stability of the vehicle, and also validates the rationality of the PID control algorithm.

Keywords: Limited slip differential; anti-skid control; joint simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1论文背景 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 2

1.3论文研究的目的和意义 3

1.4论文主要研究内容 3

第2章 限滑差速器的原理及模型 5

2.1普通差速器 5

2.1.1结构分析 5

2.1.2传动过程分析 5

2.2限滑差速器 7

2.2.1结构分析 7

2.2.2传动过程分析 8

2.2.3限滑差速器工作特性 10

2.3限滑差速器Simulink模型 11

第3章 基于Carsim的整车动力学建模 13

3.1 Carsim软件的简介 13

3.2车体建模 14

3.3空气动力学建模 15

3.4传动系统建模 16

3.4.1发动机模型 17

3.4.2离合器模型 17

3.4.3变速器模型 18

3.4.4差速器模型 19

3.5制动系统建模 19

3.6转向系统建模 20

3.7悬架系统建模 21

3.8轮胎模型 22

第4章 车辆防滑控制策略设计 24

4.1驱动防滑控制原理 24

4.2限滑差速器防滑控制算法及特点 25

4.2.1PID控制 25

4.2.2逻辑门限值控制 26

4.2.3模糊控制 26

4.2.4最优控制 26

4.2.5神经网络控制 26

4.3 PID控制器的设计 26

4.3.1基于驱动轮理想滑转率PID控制器设计 27

4.3.2基于驱动轮轮速差PID控制器设计 27

4.3.3 PID控制器Simulink模型 28

第5章 联合仿真结果与分析 31

5.1联合仿真模型搭建 31

5.2仿真工况设置 32

5.3仿真结果分析 34

5.3.1工况一 35

5.3.2工况二 37

5.3.3工况三 40

第6章 总结与展望 44

6.1论文总结 44

6.2未来展望 44

参考文献 46

致谢 47

第1章 绪论

1.1论文背景

进入21世纪以来，随着社会的不断发展，我国国民经济的不断高速增长，已经有着越来越多的家庭步入了小康水平，人均一辆车从我们的梦想变成了现实。根据国家公安部交通管理局发布的统计，近十年来我国机动车保有量呈稳定增长状态（如下图1.1所示）。截至2019年底，我国汽车保有量已达2.6亿辆，其中私家车的保有量占比超过80%，比2018年同比增长了8.83%^[1]。如今汽车的价格已经不再是人们选择的决定因素，汽车的安全、节能、环保、性能等方面越来越受到社会的关注。

图1.1 近十年我国汽车保有量

我国的国土地域辽阔，各地气候差异巨大，特别是在冬天，南方和北方的温差会达到四十度以上，北方大部分地方地面都会结冰。当车辆在各种泥泞、冰雪等特殊路面上行驶时，由于左右驱动轮所处路面附着系数有较大差异，而普通差速器只能对扭矩进行平均分配，因此，此时汽车可能会发生一侧车轮飞转，而另一侧车轮转速较低甚至停转的现象，从而导致车辆出现打滑、失控等危险现象。为了解决普通差速器的缺陷，工程师设计了限滑差速器。限滑差速器可以依据其自身的结构特点和主动控制方式，重新改善普通差速器的扭矩分配特点，依据不同的工况条件更加合理的分配车辆左、右驱动轮的驱动力，减小车轮打滑趋势，避免危险事故的发生，是汽车动力传动系统中的重要的传动装置^[2]。

由于越野车等经常需要在各种山坡、沙漠、盆地等复杂多样的地形上行驶，而家用汽车一般行驶在路面良好的平直公路上，因此最初限滑差速器只在越野车和军用车上装备，很少用于家庭汽车，然而，随着人们对汽车的安全性要求更高，人们发现限滑差速器不仅能增强汽车在不良路面上的牵引性，而且大大提高了汽车的转向安全性和操纵稳定性。因此，研究限滑差速器的车辆防滑作用有重要的理论意义和实用价值。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

汽车防滑控制技术是20世纪中叶国外发展起来的一种新型汽车主动安全技术。在最开始时，这种防滑技术主要通过控制发动机节气门开度来改变发动机的输出扭矩，从而改变驱动轮的输入转矩来防止汽车滑动。随着现代控制技术的发展，限滑差速器开始运用于各类车辆中进行防滑控制。例如，早在1932年，Z公司为保时捷赛车定制了限滑差速器，避免了赛车在100km/h以上速度行驶时车轮的打滑空转现象，提高赛车动力输出性能。时隔21年，瑞典的Haldex公司，英国的Ricardo公司和德国的GKN公司等采用了限滑差速器和电子节气门来控制驱动力矩，改善了车辆的动态性能。自此，限滑差速器正式进入汽车市场。进入二十世纪八十年代中期之后，限滑差速器在汽车上得到了更加广泛的应用。1985年德国VOLKSWAGEN公司制造出能实现前后桥驱动扭矩合理分配的粘性差速器，增强了汽车的操纵稳定性。1987年，日本富士重工和本田汽车有限公司相继推出了一款同时具备轴间限滑和轮间限滑的限滑差速器，限滑差速器在汽车工业上的应用更加广泛^[3]。

同时，国外对限滑差速器防滑控制算法的研究更加成熟，并且正在朝着主动控制的方向发展。Markdahl J等人采用定量反馈理论对防滑控制系统进行了压力控制，得到了很好的控制效果。Bortolin和Andersson等人针对PID控制在非线性系统中的不足，分别采用模糊控制等非线性方法设计防滑控制系统，并证明了其控制效果要优于传统线性方法。Krisher等人对防滑控制系统采用了神经网络算法控制，有效克服了防滑控制系统的非线性误差等不利因素，使得防滑控制系统的控制精度有较大提升^[4]。

1.2.2国内研究现状

车辆防滑控制系统是根据车辆防抱死制动系统演变而来的，和国外相比，国内的驱动防滑控制起步较晚，还处于探索阶段，经过查阅相关文献，我国目前在驱动防滑控制系统的常用的控制方式，主要为发动机输出转矩与驱动轮制动联合控制或发动机输出转矩和差速器锁止联合控制。但在基于限滑差速器的防滑控制的研发上还处于理论研究，目前还没有完全成熟的驱动防滑技术用在车辆上。

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