汽车车桥模拟加载系统特性分析

汽车车桥模拟加载系统特性分析

薛华1，王慧2

1 辽宁工程技术大学职业技术学院，辽宁阜新（123000）

2 辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新（123000）

E-mail：xuehua601229@

摘要：本文建立了摸拟汽车发动机驱动二次元件的转速控制系统和车桥轮边加载二次元件的转矩控制系统的数学模型。在此基础上，对校正前后的转速和转矩控制系统进行了开环频域特性分析。并利用MATLAB软件，对该系统进行了输出响应特性仿真，依此对系统的控制精度和响应特性进行了较为详细的分析。所得有关结论，为汽车车桥二次调节模拟加载系统的设计提供了依据。

关键词：车桥，模拟加载，二次调节，转速转矩控制

1. 引言

随着汽车行业的不断发展，对各种汽车车辆的工作性能和可靠性等方面的要求也越来越高，尤其是在特殊路况和工作条件下运行的越野，大型重载等汽车，这方面的要求就更高。对于这种汽车来说，其总体工作性能和可靠性等，很大程度上取决于它的发动机和车桥。发动机为成型产品，其工作性能和可靠性等指标均已通过严格检测，汽车设计时按要求选择即可。而车桥是另行设计的，因此为了提高汽车的工作性能和可靠性，应将重点放在车桥上。对于新设计制造的车桥，需要利用专门的高动态性能固定试验台对其进行模拟加载试验，检测各项工作性能和可靠性指标是否满足要求。由于车桥的工作参数变化范围大，工况复杂多变，要对其进行接近实际条件下的全面试验，在普通试验台上是很难完成的。本文采用一种新型的二次调节液压伺服模拟加载试验台，这种试验台利用了近年来发展起来的二次调节技术[1]。二次调节是一种带压力耦联的新型液压传动系统，它类似于电力传动，多个负载可并联工作于一个恒压网络，各负载之间彼此互不干扰。它不仅具有良好的动静态特性，而且还可以实现能量的回收和重新利用，并在控制上提供新的控制规律和控制结构。因此将这种二次调节液压伺服试验台用于汽车车桥的模拟加载试验是理想的。

2. 模拟加载系统的组成与原理

二次调节液压伺服试验台由恒压油源及管路系统（一次单元）、模拟加载系统（二次单元）、控制系统、机械支架及试验平台四部分组成。其中模拟加载系统为整个试验台的核心

U

S

U

S

S

图1 二次调节模拟加载系统的原理图

Fig. 1 Principle diagram of the load simulation system with secondary regulation

部分，其组成与原理如图1所示。该加载系统是将多个二次元件以压力耦合方式并联于恒压 网络上，各二次元件同电液伺服阀和变量油缸组成二次调节基本单元，通过调节二次元件的排量参数来适应外负载转矩和转速的变化。二次元件1用来模拟发动机驱动轴动力，为转速控制方式；二次元件2、3分别用来模拟输出轴左、右两轮边负载，为转矩控制方式。

3. 模拟加载系统的数学模型

该系统包括多个电液伺服阀、变量油缸、二次元件、转矩转速传感器、变速器和加载对象传动桥，分别列写出它们的有关力学物理方程，将有关参数值代入并进行拉氏变换，经简化整理，最后得到以方块图形式表示的系统数学模型，如图2所示[3]。由图可见，该系统为

12

图2 二次调节模拟加载系统的方块图

Fig. 2 Block diagram of the load simulation system with secondary regulation

三输入三输出系统，V r1∼N 1部分对应于二次元件1，用来模拟发动机驱动，为转速控制子系统； V r2∼M 2、V r3∼M 3部分对应于二次元件2、3，用来模拟左、右轮边负载，为转矩控制子系统。

4. 模拟加载系统的频域特性分析

当系统未加PID 控制器校正时，转速和转矩控制子系统的开环传递函数分别为：

)117444.02174

)(133.35)(112.0(11

.37)(22+×+++=

S S S S S G nk (1)

)117444.02174

)(133.35(22

.0)(22

+×++=S S S S G mk (2) 由式（1）、（2）可知，转速和转矩控制子系统均为0型有差系统，为了提高系统的控制精度，需对其进行校正。

利用如上两式画出系统开环伯德图，如图3所示。其中，图（a ）为转速控制子系统校正前的开环伯德图，图（b ）为转矩控制子系统校正前的开环伯德图。由图（a ）可查得转速控制子系统的幅值裕量为37.3dB ，相角裕量为83.5°，穿越频率为4.2 rad/s 。由此可见，转速控制子系统为稳定系统，且稳定裕量较大。但穿越频率较低，为了提高系统响应速度，也需对系统进行校正。由图（b ）可见，转矩控制子系统的幅频特性曲线在0dB 线以下，转矩控制子系统不能工作，因此需调整控制器参数，提高系统开环增益，并对系统进行校正。

Frequency (rad/sec)P h a s e (d e g )

M a g n i t u d e (d B )

10

101010

1010Frequency (rad/sec)

P h a s e (d e g )

M a g n i t u d e (d B

)

10101010

(a) (b)

图3 校正前转速和转矩控制子系统的开环伯德图

Fig.3 Open-loop bode diagrams of the rotational speed and torque control systems without compensator

当系统加PID 控制器校正后[2]，转速和转矩控制子系统的开环传递函数分别为：

)117444.02174)(133.35)(112.0()145.0(

32.78)(2

2

+×++++=S S S S S S

S G nk (3)