4.6 车辆的驱动系统（第四章 车辆的动态建模）

4.6 车辆的驱动系统

在这节课里,我们将会教授车辆驱动系统的基础知识,并涵盖油门、制动和转向功能.在视频结束时,你将掌握汽车转向、油门和刹车系统的基本概念.你将学会如何将这些基本概念与之前的车辆动力学方程建立联系.

横向动力学的核心输入为转向角变量,而纵向动力学则主要接收油门踏板位置与刹车踏板位置作为关键参数.这些变量最终导致产生了作用于车辆上的各种力与力矩,并被整合到描述车辆动态状态的一阶微分方程组中.值得注意的是,横向与纵向的动力学间存在相互影响关系.尽管目前所建立的模型仍基于各自独立的假设.侧向力与相应的力矩因素直接驱动着车辆实现侧向运动,从而导致车辆产生侧向偏航角.同样地,纵向的动力学则通过纵向作用力来定义最终的速度变化以及行驶位移.

车辆控制的主要职责是发出准确的转向、加速和制动指令，在特定路径上引导车辆行驶并在预定速度范围内运行。基于所述需求的元素被认为是运动规划系统的输出，在第四门课程中我们将深入探讨如何构建这样的规划器。

让我们对三个命令输入子系统分别进行建模以完善整个车辆模型。首先我们分析转向系统这一部分：转向系统仅接受驾驶员或自动驾驶系统发出的指令以指示车辆向右或左行驶。该系统通过一个特殊的机械装置以及提供横向力以维持车辆在弯曲路径上的齿轮传动比从而实现车辆方向的调节。接着我们将重点讨论油门与刹车系统的建模过程：该系统通过一个传感器将驾驶员的意图转化为油门或刹车操作信号并由执行机构将其转变为具体的控制动作从而保证车辆的动力管理功能得以有效实现

基于最为基础的转向系统模型中

此图表展示了转向装置的核心组件，请注意以下内容：包括方向盘、转向柱、转向机构及其连接左右车轮的支撑杆。图表右侧描绘了齿条与小型齿轮，请注意这些齿轮将方向盘的旋转运动转换为驱动车轮支撑杆作直线运动。建议您参考补充资料中的详细动态模型获取更多信息

接下来介绍的是动力传动模型。如同我们在本模块之前所观察到的那样，在现代汽车技术的发展过程中，动力系统的性能直接决定了整车运行效率的关键指标。在采用自动变速器的汽车中，在驾驶者或自动驾驶装置的操作下有两种控制方式分别用于加速与制减速。在配备自动变速器的汽车中，在这种设置下驾驶员或自动驾驶系统通过油门和刹车两种控制方式分别进行操作以调节车辆速度与加速度的变化幅度。该图表展示了将驾驶员或自动系统操作指令转化为车轮运动机制的过程

现在我们来看看动力系统的典型动力流动情况。从发电设备出发的功率流图通常包括内燃机或电动机等类型。通过油门踏板调节的位置来驱动发电机组产生扭矩。该扭矩随后传递至传动机构中，在自动变速器内部通常会配置流体耦合装置或变矩器组件，并将其安置于发动机轴与变速箱之间的区域。

基于当前的工作模式及所需的速度调整需求，在变速器内部进行档位切换以适应不同的工况。其中第一级（或齿轮1）和第二级（或齿轮2）属于转矩驱动模式；而更高档的速度档位则被称为速度模式，则是指在变速器内部采用不同的操作逻辑进行调节的方式。动力经由差速器传递至车轮，并进而导致车轮产生扭矩，并最终引发车辆牵引力的形成。为了实现这一过程的有效性，则必须满足发动机输出产生的牵引力超过滚动阻力与空气阻力之和这一前提条件才能实现加速运动状态。此外，在能量供给方面，则可以选择性地采用内燃机燃烧产生的机械能作为主要动力源之一；或者借助电动机电池存储的能量来补充驱动系统的需求

简而言之，在操作过程中，驾驶员将他们的双脚放置在油门踏板上，并以此来调节所需的扭矩水平以启动车辆。然而，在实际反应中可能会较为复杂，并具体取决于涉及的发电机组类型。值得注意的是，在内燃机、柴油机以及电动机各自具有独特的性能特征。

转矩-速度图被用作表示动力装置相关特性的图表。左边的部分图表展示了汽油发动机构建的扭矩-速度曲线。对于该范围内的发动机转速通常以rpm计。一般来说，在中等转速时（例如2,500 RPM左右），汽油发动机构建的最大扭距点较为突出； typical passenger vehicle engines typically operate at maximum torque in the range of 2,500 RPM. 当发动机处于低速或高速运行时，其产生扭距的能力会有所降低。

中间部分展示了柴油发动机在不同转速下的扭矩曲线，在这一区间内表现得非常平稳。这也解释了为何柴油机常用于大载重车辆，而汽油机则更适用于轻型和城市交通。

右图详细描绘了电动机的力矩特性曲线。低速运行状态下（例如1500rpm），电动马达展现出更高的效率。然而，在高速运行时（如较高速度），这种驱动方式的有效性则有所下降。请注意，在弥补高速运行状态下电机力矩特性方面的不足时，在混合动力汽车系统中采用内燃机以提升性能表现会更加合理。

绘制了不同气门开启角度对应的发动机扭矩特性曲线图。发动机的扭矩与转速之间的关系可表示为二次多项式模型。这种控制方案简洁明了且具有良好的适用性，在给定工况下表现稳定可靠。其中部分公式中使用Te表示发动机的扭矩值；油门踏板的位置参数记作Xθ；其角速度用符号ωe表示；通过实验数据拟合的方法确定这些系数A0、A1和A2；这些参数的具体取值会根据不同的发动机类型而有所变化；这种基于经验的数据拟合方法称为半经验模型；如果需要更高的精度则可以选择包含流体动力学计算在内的更复杂模型；根据这张半经验图可以计算出特定工况下的发动机扭矩值；然后将其结果代入车辆的动力学分析软件中进行进一步分析

转向研究刹车系统模型的开发工作。驾驶员踩踏制动踏板的位置标志着该刹车过程的启动阶段。通过子控制单元的作用下, 制动踏板位置的变化会被相应地转换并传递给后续部件以产生必要的摩擦力。这些摩擦力被施加到刹车盘或者刹车鼓上,从而形成作用于车轮上的制动力矩,进而导致车辆产生一个向后的纵向力以减缓速度变化的程度。在此过程中, 制动系统的中央控制系统负责对这些施加于车轮上的转矩进行精确的有效管理,从而实现了对整个刹车系统动态行为的有效预测与控制,提升了刹车系统的整体性能表现

无需对刹车系统的详细建模, 通过简单的线性映射从踏板位置建立制动力矩的关系也是可行的. 然而, 在控制车辆运动方面起关键作用的是刹车系统. 实际上, 在车辆控制过程中起到关键作用的是制动器. 其主要功能体现在: 通过紧急制动减少停车距离, 通过防抱死制动维持可控状态; 并能有效防止失控导致翻车.