专利名称：使用电子控制止滑差动机构的稳定性增强牵引与横摆控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用电子控制止滑差动机构在保持纵向运动的同时增强车 辆横向动态的有效(active)车辆稳定性控制系统以及方法。
背景技术：
防抱死系统(ABS)已经成为现代客车的组成部分，并可用于提高车 辆牵引(traction)和稳定性。基于制动干预的典型牵引控制系统具有这样 的缺点消耗了与对高摩擦轮进行偏置(bias)所花费能量的大致相等的 量的能量。例如，当车辆试图在拼合摩擦(split-/*)、低-高摩擦表面上爬 坡或加速时，其常常通#散与其偏置到高摩擦轮的相等量的能量来将其 能量损耗到制动系统。因此，制动转矩限制了高摩擦轮上的驱动转矩，且 经常不足以移动车辆，例如在上坡驱动情况下。
为了克服这种限制，可在被驱动轮上应用使用电子控制止滑差动机构 (ELSD)的牵引控制，使得车辆可通过向较高摩擦车轮发送较大牵引转 矩来保持纵向运动。完全锁定差动机构实现优良的纵向牵引，但在光滑或 split卞表面上，车辆的^黄向动态可能降低并偏离驾驶者期望的方向。事实 上，偏置牵引转矩必须受到适当的控制，以便防止不希望的横摆运动以及
车辆4黄向动态的最终降低。
在相对较高的速度下，可应用横摆稳定性控制系统，以便防止车辆失 去控制。市场上的大多数车辆稳定性控制系统是基于制动器的。基于制动
器的稳定性控制系统使用ABS硬件来施加单独的车轮制动力，以便校正车 辆牙黄摆动态。然而，基于制动器的系统受到以下限制所苦车辆速度性能 劣化并与驾驶者的动作矛盾。为了克服基于制动器的稳定性控制的限制， 有效转矩分配稳定性控制的使用将在接近于车辆稳定性限制的加速下更为 有利。
最后的两种降级在将四轮驱动(4WD)系统应用到客车时显著增大。 止滑差动机构(LSD)技术已经用于多种生产模型。ELSD在汽车市场中 广泛使用，并已知道，除其优良的牵引性能外，ELSD具有将横摆阻尼加 到车辆的能力。
发明内容
具有第一与第二车轮的车辆的控制系统,皮设置为具有差动i殳备，该 设备适用于在第一与第二车轮之间分配转矩；牵引控制器，其用于从车辆 发动直到预定车速对差动设备的运行进行控制。牵引控制器被配置为根据 表示低牵引运行条件的至少一个车辆运行参数接合(engage)第一车辆运 行状态中的差动i殳备，并进一步根据实际车辆横摆率与预定目标车辆横摆 率之间的差在低牵31运行条件期间控制第二车辆运行状态中的差动设备的 接合。控制系统还包含稳定性控制器，其用于在预定车速或预定车速之上 控制差动设备的备^。
本发明一实施例包含有效稳定性控制方法，其使用ELSD在保持纵向 运动的同时增强车辆横向动态。本发明另一实施例包含一种控制系统，其 提供牵引控制的稳定性增强。在splits冰/柏油表面上，在直线全节流阀发 动的情况下，对稳定性增强牵引控制进行评估。实验数据显示出牵引控制 运行才莫式下的显著的稳定性提高。
图1为示例性车辆驱动线(drivdine)构造，其包含电子控制止滑差 动机构；
图2为示例性电子控制止滑差动机构的截面图3为图2所示示例性电子控制止滑差动机构的离合器响应时间的图
表；
图4为包含电子控制止滑差动机构的车轴的动态模型； 图5为电子控制止滑差动机构离合器的动态模型； 图6为根据本发明一实施例的控制系统的原理图； 图7为一图表，其示出了在车轴后轮上锁定电子控制止滑差动机构的 效果；
图8为在包含根据本发明一实施例的控制系统的车辆中的双车道 (lane)改变操纵的车辆横摆率的图表；
图9为对应于图8的图表的电子控制止滑差动机构的离合器转矩的图
表；
图10为对应于图8的图表的车辆动画行驶(animation run)的合成
快照；
图11-13以图表的形式示出了使用根据本发明一实施例的控制系统在 发动过程中的车辆性能的测试结果；
图14-22以图表的形式示出了使用根据本发明一实施例的控制系统在 相对高速回旋(slalom)操纵过程中的车辆性能的测试结果；
图23与24以图表的形式示出了使用根据本发明一实施例的控制系统 在积雪路面上在开环(open-loop)、正弦-转向(sine-steer)操纵过程中 的车辆性能的测试结果。
具体实施例方式
下面将介绍本发明。首先将介绍使用电子控制止滑差动机构的示例性 车辆驱动线构造。其次，将分析止滑差动机构的建模。第三，对于牵引控
制和横摆控制介绍稳定性控制系统。最后，仿真和实验结果将说明控制系 统在发动与相对较高速度运行过程中对车辆稳定性进行控制的有效性。
参照图1，示出了所建议的驱动线构造20，其不是为了进行限制。驱 动线20包含安装在前轴24和后轴26中的至少一个中的电子控制止滑差动 机构(ELSD) 22a、 22b。 ELSD 22可用于对左右轮28、 30之间的转矩进 行偏置。在一个实施例中，由ELSD 22在左右轮28、 30之间分配的转矩 量由离合器(未示出)的接合决定，如现有技术中所了解的那样，该离合 器可通过例如液压或电磁系统实现。用于驱动线20的示例性ELSD在待 准美国专利申请11/167,474以及已发布的美国专利No.7，051，857中有介绍， 其被转让为本发明的受让人，并且整体引入此处作为参考。
如图2所示，并参照前面提到的参考文献，前后轴24、 26中使用的 ELSD通过布置在笫一锥形侧齿轮32与差动机构外壳34之间的有效控制 湿型多盘型摩擦离合器30实现其止滑功能。离合器30的M限制了侧齿 轮32与差动机构外壳34之间的滑动，通过这样做，限制了连接到各车轮 28、 30的一对输出半轴(未示出)之间的滑动。这种滑动限制功能带来了 这样的能力在输出半轴之间产生转矩偏置，其大小将小于或等于离合器 转矩。例如相对较高的锁定转矩水平、热容量、持久性以及无噪音运行等 示例性特征概括了这种离合器设计。差动机构外壳34与二级外壳38之间 的旋转运动操作摆线泵40,其将油从轴槽移动到与离合器致动活塞42以 及螺线管操作压力调节阀44直接连通的释放通道。当阀44被解除激励时， 油自由地流过阀44，导致离合器致动活塞42上的小液压或没有液压。当 阀44被/激励时，油流动受到在致动活塞42上产生液压的阀44的限制，以 便根据与';^水平成比例的水平"^离合器30。
液压系统最优化是ELSD的基本设计部分，这种最优化的核心是适当 的泵设计与进出口 (porting)控制。图2所示示例性ELSD设计中的摆线 泵40以优良的低速(例如小于每小时32公里(kph))牵引所需的高水 平液压效率受到操作，同时，不对较高车速(例如大于大约113kph)的机 械效率过度造成不利。由装有上述ELSD设计的测试车辆获得的公路速度燃料经济性测量没有显示出燃料经济性的可测量的降低。类似地，由于泵
40的机械损耗，图2所示示例性差动才几构的实验室台架试验在大约113kph 下显示出大于O.llkW的功率损耗。
无论ELSD32的机械构造如何，离合器响应时间需要足够保证稳定性 控制系统的有效性。对于迅速的峰值转矩建立，图2所示ELSD设计需要 最小电流吸取，例如使用2.67安(32W)电流的2000Nm转矩，特别是在 与使用电磁或基于电动机的致动器的其他系统相比时。对于基于驱动线转 矩控制的车辆动态运行(如这里所介绍)以及与许多基于电流值动器的车
辆动态干预系统的兼容性，都需要相对较快的差动转矩偏置施加与移除。 图3示出了使用这里介绍的示例性ELSD进行的阶跃转矩偏置施加与移除 的图表。如所示出的那样，对于以大约64kph行驶的车辆，离合器接合与 解除接合时间均小于50ms。
参照图4与5,将对于车辆控制系统评估介绍ELSD的动态模型。模 型基于离合器的动态特性，并集中在锁定和解锁(或滑动)离合器条件， 包括在解锁/滑动状态与锁定状态之间转换离合器接合的条件。
ELSD通常具有与开路(叩en)差动机构相同的部件，除了提供转矩 传送的附加路径的离合器以外。参照图4， Tin为传送到后传动轴(rear prop-shaft)的转矩，T础为通过差动齿轮传送的转矩，TcT为通过离合器 传送的转矩。TCT不必与依赖于锁定、解锁或滑动状态受到车辆电子控制 单元(ECU)或其他控制器控制的所施加的离合器转矩水平相同。假设转 矩传送的效率为100%，从传动轴到差动机构的差动齿轮比为1,差动W^ 有着很小的质量惯性或没有质量惯性，贝，J:
<formula>formula see original document page 7</formula>由于通过差动齿轮传送的转矩Tdiff被相等地分配到左右轴，到左后惯性 (rear-left inertia)与右后惯性的净转矩可表达为
<formula>formula see original document page 8</formula>参照图5，离合器可根据下面的公式被建模为弹簧阻尼器扭转元件
= c'厶 +' 《4》 其中，c为离合器阻尼系数，k为离合器弹簧系数，^"=么《础-^,其表示
差动机构与左轴之间的速度差。
离合器可进一步在锁定状态中被建模。TCT—max表示施加到离合器盘并 受到车辆控制器控制的离合器转矩。然而，依赖于锁定状态，实际传送的 离合器转矩不必与所施加的离合器转矩水平相同。事实上，所传送的离合 器转矩可如下所示受到TCT咖x的限制
f AlS7 + J炎-A战^jf (5》
对于止滑差动机构的锁定条件如下所示地建模。从锁定状态到解锁/ 滑动状态的转换在此时发生
c、 A + A ^ = rcr raat
对于此条件的建模可由公式(2)与(3)如下所示地得出
々=_i_^^^^^^彻
2
s 2
从解锁/滑动状态到锁定状态的转换在此时发生
C ' ZV惚十j"籴'厶0必《^CT—w .
这一模型表示出所施加的离合器转矩大于离合器盘之间的转矩差的情 况，并相应地描述了离合器的锁定动态。
由公式(1)和(4) ， T础被计算为
- — rCT = 4 —(c' a + j>.厶o刮 (a)
于是
『,了。
2 2
7V4-(。紐+ p'Afi;^)
2 2
对上面的公式求导数得到
=4(4 A冶十森-A③)
=丄(4柳e'Ai.— 2
-d嫂-
间
(10》
《1"
彻
其中，
如下所示地得出左后与右后轴的动态公式:
必及=Ji丽
(13)
另外，根据差动机构的物理原理，差动机构速度被如下所示地确定:
,、 必e
^,(^份細)^—丄一
级離—
2
;或
(1S)
将公式(13)与(14)代入(15)，得到
A-V巧.i rs-
(16)
幼A = 2 , — = < — f
注意，
采用上面的转换条件，转矩偏置装置的动态可在例如Matlab/Simulink 等仿真软件中实现。两装置的离散时间建模如下概括。 当从锁定状态改变到解锁/滑动状态时，于是
当从解锁/滑动状态改变到锁定状态时，于是:
<formula>formula see original document page 10</formula>
尽管通过ELSD的转矩分配可用于改变车轮上的车辆牵引力，结果， 车辆的动态横摆响应发生变化。离合器30的施加或M可被调节，以便对 于具体驱动条件调整所希望的车辆横摆动态特性。
参照图6，将介绍车辆控制系统50,其包括根据本发明一实施例使用 转矩偏置提高车辆稳定性的方法。在一实施例中，控制系统50包含两个主 要控制器稳定性增强牵引控制器52和横摆阻尼控制器54。监督控制器 56可用于才艮据通过接收自一个或一个以上的车辆传感器58的车辆传感器 信息确定的一个或一个以上的车辆运行参数——例如车辆速度——选择控 制动作。在相对较低的车辆速度下，在牵引控制有效的同时，稳定增强牵 引控制算法净皮施加以提高车辆稳定性。在相对较高的车辆速度下，稳定性 增强牵引控制被关闭，^f5l横摆阻尼控制是有效的。牵引控制器52和横摆阻 尼控制器54可被设置为与单独的控制单元通信或包含在单独的控制单元 中，该控制单元例如为车辆电子控制单元(ECU)，其集成在车辆ECU 之内或与M此成为一体，或者，构成车辆ECU或其他车辆控制器的非 硬件部件(例如软件)。
使用有效控制、可全锁定差动机构的牵引控制系统通常实现了优良的 纵向车辆加速，但在split卞条件下使得车辆的横向动态降级。具体而言， 尽管传统的差动才几构控制牵引控制系统可以基于车轮滑动信息的反馈实时 控制差动机构离合器，由于离合器的过度应用，系统可产生横摆不稳定性。
通过除通常的有效牵引控制器外提供增强稳定性牵引控制控制器，根 据本发明 一 实施例的车辆稳定性控制系统克服了这种限制。在稳定性增强
牵引控制器52中，判断实际车辆横摆率是否超过预定的希望横摆率，如下 所示
^""-l (21)
其中，r为实际横摆率，r^为希望横摆率。
(22》
乙
扭_j
其中，Vx为车辆纵向速度，6为转向角度，L为车辆轴距，Kus为不足转向 梯度。
每当实际车辆横摆率超过预定的希望横摆率时，与实际以及希望横摆 率之间的差成比例地解除接合差动机构离合器，允许车辆驾驶者将车辆转 回到路线上。通过根据下面的公式改变原始或通常的差动施加转矩来实现 稳定性增强牵引控制
湖
其中，u为差动施加转矩，utrac麵为原始牵引控制信号，deadband为可基 于驾驶者控制车辆的技能进行调节的对于横摆率差的阈值函数，sat为设置 在[-a, +&]的饱和函数，a为作为设计参数的误差范围值。
除了提高低牵引直线车辆运行的稳定性以外，车辆稳定性控制系统也 可有助于在车辆转弯时增大稳定性。当稳定性增强牵引控制功能完成时， ELSD仍可用于对左右车轮之间的传动轴转矩进行偏置。如果差动机构离 合器转矩在车辆转弯的同时被施加，装置仅从外侧车轮向内侧车轮传送驱 动转矩，由此，产生与转弯方向相反的横摆力矩，增大了车辆的不足转向 趋势。这种现象可通过考虑公式(19)与(20)来解释。在转弯时，外侧 车轮的速度通常大于内侧车轮的速度。差动机构离合器的应用将试图将外 侧车轮与内侧车轮的速度引至同样的值。外侧车M度和加速将会与驱动
转矩一起减小，反之亦然，而内侧车轮的驱动转矩将会增大。因此，控制 策略基于这样的原理锁定ELSD导致更大的转向不足行为。
当实际横摆率大于预定的希望横摆率时，横摆阻尼控制器54锁定差动 机构，以便增大横摆阻尼。如上所述，希望横摆率可基于车辆速度以及转 向轮角来确定。于是，可实时地将实际横摆率与希望横摆率相比。如果实 际横摆率小于希望4黄摆率，由于增大前后差动机构的锁定转矩增大了横摆 阻尼，差动W^不再进一步接合，由此减小了横摆率。当横向加速低于0.03g 且实际与希望横摆率之间的横摆率变化小于3%时，横摆率比较可以不是
有效的。将由横摆阻尼控制器54施加的差动施加转矩可根据下面的公式确 定
其中，u为差动施加转矩，deadband为可基于控制系统灵敏度进行调节的 对于横摆率差的阈值函数，Kp与Ki分别为比例增益与积分增益，pos为正 值函数。每当在恒定^条件下存在太大的横摆率过冲时，横摆阻尼控制器 54接合ELSD。横摆阻尼控制器54的运行在申请人的并行待准美国专利
申请"Minimizing Dynamic Rollover Propensity with Electronic Limited
Slip Differentials"中有更详细的介绍，其整体并入此处作为参考。
在Matlab/Simulink环境中产生控制系统50的动态模型。使用了 CarSim所开发的全车辆模型并对之进行修改，以便包含上面所介绍的示例 性ELSD，使得可进行共同仿真。图7示出了所开发的模型的g。当对 于转弯操纵施加高离合器转矩时，左轮与右轮的速度在接合时间内变得基 本类似。
为了对在横摆阻尼控制器54控制下运行的所提出的控制系统50的性 能进行评估，对标准化的双车道改变操纵进行仿真，以便發汪所提出的横 摆控制在车辆动态上的效果。进行这种操纵以评估后轮驱动模式中的横摆 阻尼性能。所有糸4H皮设置为相对较滑的道路(p=0.6)上的100km/h的 相同速度。
图8示出了在有和没有横摆阻尼控制的情况下的车辆比较。与没有横 摆阻尼控制的车辆一一其最终变得不稳定一一相比，有横摆阻尼控制的车
辆具有优越的性能和稳定性。图9示出了用于控制转矩偏置装置的对应的 离合器转矩水平。ELSD离合器仅仅在车辆过度转向时被致动。最后，图 10示出了 CarSim中的动画行驶的快照。
在前轴与后轴均装有Eaton Corporation的EGerodiscTM差动机构的改 装Ford F-150以及后轴上装有Eaton Corporation的EGerodisc IFM差动 机构的改装Chevrolet Silverado上进行车辆测试。为了获得客观的测试结 果，为车辆设置仪器，以便记录相关的运行参数。来自dSPACE的 MicroAutoBox用于建立用于车辆的实时控制器，提供了 Matlab/Simulink 中的迅速的才羊机创建环境。类似于车辆ECU，控制器净皮设计为车内单元， 采样时间械j殳置在lOms。来自dSPACE的ControlDesk实验软件^t用于 通过图形用户界面模式(GUI)管理、监视和记录实验数据。
来自Oxford Technical Solution的实时车辆导航系统RT3000也用于 试验。RT3000是具有所结合的GPS的完全六轴惯性导航系统。GPS输出 经由车辆CAN通信以0.5Mbits/sec的波特率4皮连接到MicroAutoBox。稳 定性测试中使用的传感器信息包括车轮速度传感器、转向角传感器、 RT3000信号(例如车辆速度、全球X、全球Y、横向加速、纵向加速、车 身滑动角与横摆率)。
稳定性增强牵引控制测试^f吏用split-/*干与冰表面上的直线全节流阀车 辆发动进行。为了得到客观验证，转向轮角度在测试过程中(例如开环) 被设置为零。公式(23)中的deadband函数中的横摆误差被设置为 士0.5deg/sec。误差范围值a对于本测试被设置为0.5deg/sec。如图11-13所 示，实验数据示出了稳定性增强牵引控制模式中在车辆发动过程中车辆稳 定性的显著提高。当仅仅使用通常的牵引控制模式运行时，车辆迅速向着 路面的有水部分绕转(spin out)。在采用稳定性增强牵引控制的情况下， 车辆横摆动态是稳定的，且车辆保持在基本直线前进方向。使用低的 deadband阔值，实现了最小的不希望的横摆，但车辆发动较慢。然而， deadband可基于驾驶者技能进行调节。
如车轮速度传感器等车辆传感器所确定地高于预定车辆速度时，横摆
阻尼控制器变得有效。特别地，回旋操纵可创建不稳定的车辆情况。可在 低^表面回旋操纵下观察到过度转向行为，因此，可选择回旋操纵来对有
效横摆控制进行评估。跑道使用积雪表面上具有大约IOO英尺间距的直线 七车道。于是，在进入回旋跑道之前，驾驶者驱动车辆直到大约50km/h 的速度。
参照图14-24，实验结果显示，车辆差动机构的有效控制提高了回旋操 纵过程中的车辆动态。然而，如果车辆没有被驱动到操作限制，难以分辨 具有以及不具有横摆控制的系统之间的差别，如图14所示。注意，当车辆 没有在操作限制下被驱动时，驾驶者技能对性能有着显著影响。
图14-22示出了在有和没有使用横摆阻尼控制器54的恒定速度控制的
情况下当达到^Mt限制时的回旋操纵的测试结果。具有横摆阻尼控制器54 的车辆保持其方向以跟随希望横摆率，而没有横摆阻尼控制器54的车辆丧
失其稳定性并旋离路线。车辆纵向速度的比较也在图16与20中示出。没 有横摆阻尼控制器54的控制的车辆由于车辆绕转而显示出不利的速度性 能。使用横摆阻尼控制器54，当过度转向行为被检测到时，差动机构被接 合，以便增加横摆阻尼，这使得驾驶者更容易保持所希望的车辆路线。
参照图23与24，进行积雪路面上的开环正弦转向操纵，以便评估具 有横摆阻尼控制器54的操作特性。驾驶者用恒定速度控制以大约0.5Hz 的正弦形转向角驱动车辆。图23与24所示的实验结果显示，车辆在大多 数时间转向不足，除了横摆阻尼控制器54对过度转向行为进行校正的从后 弯心(late mid-corner )到弯道出口 ( corner exit)以外。
在上面的说明书中详细介绍了本发明，相信本领域技术人员由对说明 书的阅读与理解可以想到本发明的多种改变和修改。在所有这些修改与改 变属于所附4又利要求书的范围的情况下，它们包含在本发明中。
权利要求
1. 一种用于具有第一与第二轮(28，30)的车辆的控制系统(50)，其包含差动设备(22)，其适用于在所述第一与第二轮(28，30)之间分配转矩；稳定性增强牵引控制器(52)，其用于从车辆发动直到预定车辆速度对所述差动设备(22)的运行进行控制；所述牵引控制器(52)被配置为根据表示低牵引运行条件的至少一个车辆运行参数接合第一车辆运行状态中的差动设备(22)，并进一步根据实际车辆横摆率与预定目标车辆横摆率之间的差在低牵引运行条件期间控制第二车辆运行状态中的所述差动设备(22)的接合；以及稳定性控制器(54)，其用于在所述预定车辆速度时或高于所述预定车辆速度时控制所述差动设备(22)的接合。
2. 根据权利要求l的控制系统，其中，所述牵引控制器(52)被配置 为根据实际车辆横摆率与预定目标车辆横摆率之间的差在低牵引运行M 过程中调制所述差动设备(22)的*。
3. 根据权利要求l的控制系统，其中，所述牵引控制器(52)被配置为根据基于修改后的原始差动施加转矩信号的希望差动施加转矩信号来接 合所述差动设备(22 )。
4. 根据权利要求3的控制系统，其中，希望差动施加转矩信号等于原 始差动施加转矩信号乘以修改量，所述修改量在其分子中包含误差范围值 和饱和函数、deadband以及实际车辆横摆率与预定目标车辆横摆率之间差 的乘积的差，且所述修改量在其分母中包含误差范围值。
5. 根据权利要求l的控制系统，其中，在所述第一车辆运行状态下， 所述实际车辆横摆率小于或基本等于所述预定目标车辆横摆率，在所述第 二车辆运行状态下，所述实际车辆横摆率大于所述预定目标车辆横摆率。
全文摘要
提供了一种用于具有第一与第二轮(28，30)的车辆的控制系统(50)，其包含差动设备(22)，其适用于在所述第一与第二轮(28，30)之间分配转矩；牵引控制器(52)，其用于从车辆发动控制直到预定车辆速度对差动设备(22)的运行进行控制。牵引控制器(52)被配置为根据表示低牵引运行条件的至少一个车辆运行参数接合第一运行状态中的差动设备(22)，并进一步根据实际车辆横摆率与预定目标车辆横摆率之间的差在低牵引运行条件期间控制第二车辆运行状态中的差动设备(22)的接合。控制系统(50)还包含稳定性控制器(54)，其用于在所述预定车辆速度时或高于所述预定车辆速度时对所述差动设备(22)的接合进行控制。
文档编号B60K23/04GK101395025SQ200780007748
公开日2009年3月25日 申请日期2007年2月2日 优先权日2006年2月3日
发明者D·皮亚博格卡恩, J·A·格罗格, J·Y·卢, R·J·凯尔 申请人:伊顿公司