CN113895445B - 一种车辆的寄生功分类及非必要寄生功计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种车辆的寄生功分类及非必要寄生功计算方法，通过分析车辆行驶时滑转和滑移产生的原因，对寄生功进行研究，将寄生功分为必要和非必要，对可避免的非必要寄生功计算。一般双桥或多桥驱动车辆产生非必要寄生功，造成车辆功率损失和轮胎非必要磨损，因此分析和计算这部分非必要寄生功很有意义。

Description

一种车辆的寄生功分类及非必要寄生功计算方法

技术领域

本发明涉及车辆能源效率研究领域，具体涉及由于车辆滑转或滑移产生的寄生功的分类及计算方法。

背景技术

车辆行驶过程中，车轮不可避免地会产生滑转和滑移，造成功率的损失，行业内将车辆在行驶过程中由于车轮滑转或滑移所做的功称为寄生功。而车辆行驶时前后轮不可避免的会产生滑移和滑转，寄生功就是避免不了的。双桥和多桥驱动车辆以及铰接车辆由于其结构的特殊性，相比于单桥驱动车辆产生滑转和滑移的因素更多，损失的功率更多。

但是对于寄生功和寄生功率产生的原因(即滑转和滑移产生的原因)，目前在本领域内还未见有公认正确研究成果，也没有一种正确、可行的方式来直接求得寄生功的大小，并能用于实际工程案例中，仅限于寄生功率初步的计算推理。本领域现有研究方案中，一般都是通过构造非线性高次方程来表示寄生功率，无法通过直接计算得到寄生功率的值，并且目前也并没有相应的实验来验证该方案的正确性和可行性。

发明内容

对此，本发明基于现有技术不足，给出了寄生功的全新分析，并提出了一种车辆的寄生功分类及非必要寄生功计算方法。通过分析车辆行驶时滑转和滑移产生的原因，将寄生功进行分类，分为必要寄生功和非必要寄生功，并将非必要寄生功进行计算。通过非必要寄生功的分析和计算，可获知车辆的功率损失，以及对车辆的行驶影响。

本发明提出一种车辆寄生功的分类方法，是根据车轮滑转或滑移产生的原因，将滑转和滑移所做的寄生功分为必要寄生功和非必要寄生功，车辆因正常驱动行驶车轮转动而引起的滑转和滑移产生的寄生功为必要寄生功，双桥以上驱动时因车轮角速度相同而线速度不同造成车轮滑转或滑移产生的寄生功为非必要寄生功。

所述非必要寄生功，产生于双桥以上驱动时不同车桥上的车轮动力半径不同时，和/或转向半径不同时。

本发明还提出一种车辆非必要寄生功的计算方法，对于双桥及以上驱动车辆，车轮所做的非必要寄生功包括两方面，其大小分别为：

W＝2π·f_x|r₁-r₂|和

其中，

f_x＝min(f₁,f₂)

f₁：前轮滑动摩擦力

f₂：后轮滑动摩擦力

r₁：前轮动力半径

r₂：后轮动力半径

R₁：前桥转向半径

R₂：后桥转向半径

R_x、r_x与f_x相对应，若f_x＝f₁，则R_x＝R₂、r_x＝r₂；若f_x＝f₂，则R_x＝R₁、r_x＝r₁。

对于铰接车辆，设L₁：前桥到铰接点距离，L₂：后桥到铰接点距离，则：

(1)当r₁＝r₂，L₁＝L₂时，非必要寄生功为0；

(2)当r₁＝r₂，L₁≠L₂时，

1)如果R₁＝R₂＝0，非必要寄生功为0；

2)如果R₁≠R₂，非必要寄生功为：

(3)当r₁≠r₂，L₁＝L₂时，非必要寄生功为：

W＝2π·f_x|r₁-r₂|

(4)当r₁≠r₂，L₁≠L₂时，

1)如果R₁＝R₂＝0，非必要寄生功为：W＝f_x·2π·|r₁-r₂|

2)如果R₁≠R₂，非必要寄生功为：W+W’。

进一步地，在实际工程中，直接计算如下：

a)f₁>f₂且R₁>R₂且r₁>r₂时，非必要寄生功为：

b)f₁>f₂且R₁>R₂且r₁<r₂时，非必要寄生功为：

c)f₁>f₂且R₁<R₂且r₁>r₂时，非必要寄生功为：

d)f₁>f₂且R₁<R₂且r₁<r₂时，非必要寄生功为：

e)f₁<f₂且R₁>R₂且r₁>r₂时，非必要寄生功为：

f)f₁<f₂且R₁>R₂且r₁<r₂时，非必要寄生功为：

g)f₁<f₂且R₁<R₂且r₁>r₂时，非必要寄生功为：

h)f₁<f₂且R₁<R₂且r₁<r₂时，非必要寄生功为：

式中：l＝2π|R₁-R₂|、d＝2π·|r₁-r₂|。

发明从车轮滑移和滑转的产生原因出发，首次将寄生功区分为必要寄生功和非必要寄生功，给出了寄生功的全新解释，指出必要寄生功在车辆行驶过程中不可避免，非必要寄生功会造成车辆的功率损失，造成轮胎不必要磨损且浪费能量。再者，为明确这部分功对车辆行驶的影响，本发明还提出了非必要寄生功的计算方法，以便知道寄生功对车辆带来的影响，提高整车的驱动力和燃油效率。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为前轮滑转率δ₁与后轮滑转率δ₂关系线图；

图2为铰接车辆运动示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明。但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。

本发明基于现有技术不足，分析了寄生功产生的原因，并将寄生功进行分类，并提出了一种非必要寄生功的计算方法。

1、本发明中的几个相关术语解释

寄生功：车辆行驶过程中由于车轮的滑转和滑移所做的功；

寄生功率：单位时间内车辆行驶过程中由于车轮的滑移和滑转所做的功；

车轮滑转率：车辆的理论速度与实际速度的差与理论速度的比值，滑转率为正时称为滑转，滑转率为负时称为滑移；

必要滑移和必要滑转：为正常驱动车辆行驶由车轮转动引起的滑移和滑转，称为必要滑移和必要滑转；

非必要滑移和非必要滑转：对于双桥及多桥驱动的车辆，由于不同驱动桥上车轮的动力半径不同和/或不同驱动桥上车轮的转向半径不同引起的车轮线速度不同而产生的滑移和滑转，称为非必要滑移和非必要滑转；

必要寄生功：车辆行驶过程中由必要滑移和必要滑转所做的功；

非必要寄生功：车辆行驶过程中由非必要滑移或非必要滑转所做的功。

2、寄生功产生的情况分析

通过车轮滑转和滑移产生的原因，来分析寄生功。车轮的滑转和滑移产生于以下方面：

(1)一方面，车辆行驶过程中，轮胎会产生一定的变形，且与地面之间不可避免的产生微量的滑动摩擦，由于轮胎的变形，理论速度与实际速度发生偏差由此产生滑转或滑移。对于单桥驱动车辆，只有一个桥提供驱动力，在车辆行驶过程中，为驱动车辆行驶，驱动轮必然产生一定滑转，从动轮产生一定滑移；对于多桥(包含双桥)驱动车辆，在车辆行驶过程中，为驱动车辆行驶，产生驱动力的轮同样产生滑转，其余轮产生滑移。因此无论单桥驱动车辆还是多桥驱动车辆，只要车辆行驶，轮胎变形，就一定会有车轮产生滑转和滑移，滑转是驱动轮转动的必要条件，滑移是从动轮转动的必要条件。这种情况下的滑移和滑转不可避免，由此所做的功也是不可避免的，因此本发明将这部分功称为必要寄生功。

(2)另一方面，对于双桥及以上驱动车辆，由于垂向载荷、轮胎气压及轮胎磨损程度的不同，使得前后轮的动力半径不同，而当前后驱动桥(或多个驱动桥)之间没有轴间差速器而为刚性连接时，由于前后轮的角速度相同，导致轮上线速度不同，而实际行车中车辆前后轮速度是必须相等的，为了车辆能够行驶，前后轮必须产生滑转或滑移，使其前后轮线速度取得一致，因此而产生的滑移或滑转为非必要的。分析如下：

以双桥驱动车辆为例，为了使车辆前后轮速度相等，在设计时前后轮的理论速度相等，公式为：

v_t1＝v_t2＝ω₁r_t1＝ω₂r_t2

式中：

v_t1是前轮理论速度；

v_t2是后轮理论速度；

ω₁为前轮角速度；

ω₂为后轮角速度；

r_t1为前轮静力半径平均值；

r_t2为后轮静力半径平均值；

因前桥和后桥采用刚性连接，故ω₁＝ω₂。

因前后轮的垂向载荷不同，胎压误差，磨损程度不同及制造误差等原因，使得实际前后轮的动力半径不同，r₁≠r₂，故v_t1≠v_t2；

但是车辆实际行驶时，不同桥上车轮的实际行驶速度应该相等，v＝v₁＝v₂，这就必然有车轮产生滑移或滑转，使得前后轮速度保持一致，通过引入滑转率表达如下：

v₁＝v_t1(1-δ₁)

v₂＝v_t2(1-δ₂)

式中：

δ₁为前轮滑转率；

δ₂为后轮滑转率；

得出：

代入公式(1)，得出：

推导出：

设定得出：

δ₁＝(1-k)+kδ₂

得出δ₁与δ₂关系线图如图1所示，分析如下：

1)当r₁＝r₂时，δ₁与δ₂的关系曲线为直线OA，此条件下δ₁与δ₂始终相等，车辆运动协调，没有非必要寄生功产生；

2)当r₁>r₂时，δ₁与δ₂的关系曲线为直线OA以A点为旋转中心，经过顺时针旋转得到的直线CA，当前轮垂向载荷大于后轮垂向载荷时，前轮附着力大于后轮附着力，此时由前后轮轮胎半径差异造成的运动不协调会使后轮滑移产生制动力，从而产生非必要寄生功，δ₁与δ₂的取值在直线与第二象限形成的可行域BOC内，δ₁与δ₂异号，δ₁为正，代表前轮滑转，δ₂为负，代表后轮滑移；当前轮垂向载荷小于后轮垂向载荷时，前轮附着力小于后轮附着力，此时由前后轮轮胎半径差异造成的运动不协调会使前轮过滑转，从而产生非必要寄生功，δ₁与δ₂的取值在直线与第一象限形成的可行域AOB内，δ₁与δ₂同号，δ₁>δ₂，代表前轮过滑转；

3)当r₁<r₂时，δ₁与δ₂的关系曲线为直线OA以A点为旋转中心，经过顺时针旋转得到的直线C’A。当前轮垂向载荷大于后轮垂向载荷时，前轮附着力大于后轮附着力，此时由前后轮轮胎半径差异造成的运动不协调会使后轮过滑转，从而产生非必要寄生功，δ₁与δ₂的取值在直线与第一象限形成的可行域AOB'内，δ₁与δ₂同号，δ₁<δ₂，代表后轮过滑转。当前轮垂向载荷小于后轮垂向载荷时，前轮附着力小于后轮附着力，此时由前后轮轮胎半径差异造成的运动不协调会使前轮滑移产生制动力，从而产生非必要寄生功，δ₁与δ₂的取值在直线与第四象限形成的可行域B'OC内，δ₁与δ₂异号，δ₁为负，代表前轮滑移，δ₂为正，代表后轮滑转。

综上，车辆的滑转率δ₁和δ₂与k值成线性关系，既与/>成线性关系，即车轮的滑移和滑转与r₁和r₂的关系有关。

从上分析可知，双桥及多桥驱动车辆由于前后轮角速度相同而因动力半径不同带来的线速度不同而导致车轮产生滑转或滑移，这部分滑移和滑转是非必要的，所做的功称为非必要寄生功。通过实际工况来解释，在不考虑地面附着系数差异的情况下，前后车轮会因垂向载荷不同而地面可以提供的附着力也不同，故在车辆行驶过程中，当运动不协调时会造成垂向载荷小的车轮先突破地面附着极限而产生非必要滑移或滑转，进而产生非必要寄生功。

(3)再一方面，对于双桥(或多桥)驱动的车辆，车辆转弯时，也可能因为前后轮角速度相同而转向半径不同(即行走距离不同)带来的线速度不同而导致车轮产生滑转或滑移。其中整体式车架(阿克曼转向)，在转向时由于前后轮转向半径不同走过的距离不同一定会导致前后轮产生滑移或滑转；对于铰接式车架(铰接转向)，由于铰接点距前后桥的距离不同而导致转向半径不同即行走距离不同，也一定会导致前后轮产生滑移或滑转(其中距离铰接点近的桥，转向半径大，走过的距离相对距铰接点远的桥要远)。由于车轮转向半径不同导致的线速度不同而带来的滑移或滑转所做的功，这部分功也不是必要的，也称为非必要寄生功。

综上分析，将寄生功区分为必要寄生功和非必要寄生功，必要寄生功在车辆行驶过程中不可避免，非必要寄生功会造成车辆的功率损失，造成轮胎不必要磨损且浪费能量。为明确这部分功对车辆行驶的影响，提高整车的驱动力和燃油效率，本发明提出非必要寄生功的计算方法。

3、非必要寄生功的计算方法

双桥铰接式车辆对于计算非必要寄生功具有代表性。

(1)双桥驱动车辆前后桥之间传动轴刚性连接，所以前后轮角速度相同，因动力半径变化造成前后轮线速度不同，相对地面产生滑动摩擦做功，车辆相对地面行驶的距离表述为：

L_car＝2πr₁-l₁

L_car＝2πr₂+l₂

式中：

L_car：整车相对地面行驶的距离

l₁：前轮相对地面滑动摩擦的距离

l₂：后轮相对地面滑动摩擦的距离

联立上式得出：

d＝l₁+l₂＝2π·△r＝2π·|r₁-r₂|

式中：

d：前轮相对地面滑动摩擦的距离与后轮相对地面滑动摩擦的距离之和；

在实际行驶工况中，在不考虑地面附着系数差异的情况下，前后桥的车轮会因前后垂向载荷不同造成前后桥车轮与地面摩擦力存在一定差异，垂向载荷小的车轮与地面之间的摩擦力相对另一车轮与地面摩擦力小，造成该车轮打滑，产生非必要滑转或滑移，进而会产生非必要寄生功，相关公式如下：

f₁＝μG₁

f₂＝μG₂

式中：

f₁：前轮滑动摩擦力

f₂：后轮滑动摩擦力

μ：车轮与地面的滑动摩擦系数

G₁：前桥垂向载荷

G₂：后轮垂向载荷

因此车轮与地面滑动摩擦力较小的车轮与地面摩擦所做的功就等于非必要寄生功。

f_x＝min(f₁,f₂)

式中：

f_x：由取小函数取得的前后桥相对地面滑动摩擦力的最小值；

得出非必要寄生功公式为：

W＝f_x·d

W＝f_x·2π·|r₁-r₂| (1)

式中：

W：为非必要寄生功；

(2)对任意的R₁、R₂存在不同情况下的非必要寄生功计算方法，即分别对铰接点距前后桥位置、转弯还是直行分情况讨论如下：

根据图2求出前后桥转向半径R₁、R₂分别为：

进一步，当L₁＝L₂时，即铰接点位于前后桥距离中点时，转向半径公式为：

式中：

R₁：前桥转向半径；

R₂：后桥转向半径；

L₁：前桥到铰接点距离；

L₂：后桥到铰接点距离；

γ：车辆转角；

L：前后桥距离；

(3.2.1)当L₁＝L₂时，

对于R₁＝R₂＝R(R为0是直行情况，R不为0是转弯情况)，不会存在因前后轮线速度不同走过的距离不同而导致前后轮产生滑移或滑转，因此没有这部分非必要功，只有因动力半径不同产生的非必要寄生功，见上述公式(1)。

(3.2.2)当L₁≠L₂时，(即铰接点不位于前后桥距离中点时)

(1)当R₁＝R₂＝0时，即车辆直行时，不会存在因前后轮线速度不同走过的距离不同而导致前后轮产生滑移或滑转，因此没有这部分非必要功，只有因动力半径不同产生的非必要寄生功，见上述公式(1)，与(3.2.1)中分析相同。

(2)当R₁≠R₂时，

对因前后桥转向半径不同产生的非必要寄生功，先计算车辆完成转弯一圈前后轮走过的距离之差，进一步求得车辆完成转弯一圈后产生的非必要寄生功；再进一步可求得车轮转过一圈的非必要寄生功。

根据：l＝2π|R₁-R₂|

式中：

l：车辆完成转弯一圈后相对地面滑动摩擦的距离；

那么车辆完成转弯一圈后产生的非必要寄生功的公式为：

W^*＝f_x·l

W^*＝f_x·2π|R₁-R₂|

式中：

W^*：车辆完成转弯一圈后产生的非必要寄生功；

设定车辆完成转弯一圈后产生的非必要寄生功需要车轮所转的圈数为n，公式为：

注：R_x、r_x与f_x相对应，若f_x＝f₁，则R_x＝R₂、r_x＝r₂；若f_x＝f₂，则R_x＝R₁、r_x＝r₁。则车轮滚动一圈产生的寄生功为：

所以，对于r₁≠r₂，R₁≠R₂工况，车轮转一圈的寄生功由两部分构成：

对非必要寄生功的产生机理进行分析后，从而得出实际工况下的寄生功计算公式为：

a)f₁>f₂且R₁>R₂且r₁>r₂时，转向半径不同造成后轮滑转产生非必要寄生功，轮胎半径不同造成后轮滑移产生非必要寄生功。综上，此工况下非必要寄生功的计算公式为：

b)f₁>f₂且R₁>R₂且r₁<r₂时，转向半径不同造成后轮滑转产生非必要寄生功，轮胎半径不同造成后轮滑转产生非必要寄生功。综上，此工况下非必要寄生功的计算公式为：

c)f₁>f₂且R₁<R₂且r₁>r₂时，转向半径不同造成后轮滑移产生非必要寄生功，轮胎半径不同造成后轮滑移产生非必要寄生功。综上，此工况下非必要寄生功的计算公式为：

d)f₁>f₂且R₁<R₂且r₁<r₂时，转向半径不同造成后轮滑移产生非必要寄生功，轮胎半径不同造成后轮滑转产生非必要寄生功。综上，此工况下非必要寄生功的计算公式为：

e)f₁<f₂且R₁>R₂且r₁>r₂时，转向半径不同造成前轮滑移产生非必要寄生功，轮胎半径不同造成前轮滑转产生非必要寄生功。综上，此工况下非必要寄生功的计算公式为：

f)f₁<f₂且R₁>R₂且r₁<r₂时，转向半径不同造成前轮滑移产生非必要寄生功，轮胎半径不同造成前轮滑移产生非必要寄生功。综上，此工况下非必要寄生功的计算公式为：

g)f₁<f₂且R₁<R₂且r₁>r₂时，转向半径不同造成前轮滑转产生非必要寄生功，轮胎半径不同造成前轮滑转产生非必要寄生功。综上，此工况下非必要寄生功的计算公式为：

h)f₁<f₂且R₁<R₂且r₁<r₂时，转向半径不同造成前轮滑转产生非必要寄生功，轮胎半径不同造成前轮滑移产生非必要寄生功。综上，此工况下非必要寄生功的计算公式为：

本发明从寄生功产生的机理出发，对寄生功进一步深刻剖析，得出不同的工况会产生不同的寄生功，有些寄生功是不可避免的，有些可避免，由此可以控制车辆尽量减少功率损失。

Claims (2)

1.一种车辆非必要寄生功的计算方法，其特征在于：将双桥及以上车桥驱动车辆因车轮角速度相同而线速度不同造成的车轮滑转或滑移而产生的寄生功作为非必要寄生功；

对于双桥及以上车桥驱动车辆，车轮所做的非必要寄生功包括两方面，其大小分别为：

W＝2π·f_x|r₁-r₂|和

其中，

f_x＝min(f₁,f₂)

f₁：前轮滑动摩擦力

f₂：后轮滑动摩擦力

r₁：前轮动力半径

r₂：后轮动力半径

R₁：前桥转向半径

R₂：后桥转向半径

R_x、r_x与f_x相对应，若f_x＝f₁，则R_x＝R₂、r_x＝r₂；若f_x＝f₂，则R_x＝R₁、r_x＝r₁

n：车辆完成转弯一圈后产生的非必要寄生功需要车轮所转的圈数

对于铰接车辆，设

L₁：前桥到铰接点距离

L₂：后桥到铰接点距离

(1)当r₁＝r₂，L₁＝L₂时，非必要寄生功为0；

(2)当r₁＝r₂，L₁≠L₂时，

1)如果R₁＝R₂＝0，非必要寄生功为0；

2)如果R₁≠R₂，非必要寄生功为：

(3)当r₁≠r₂，L₁＝L₂时，非必要寄生功为：

W＝2π·f_x|r₁-r₂|

(4)当r₁≠r₂，L₁≠L₂时，

1)如果R₁＝R₂＝0，非必要寄生功为：W＝f_x·2π·|r₁-r₂|

2)如果R₁≠R₂，非必要寄生功为：W+W’。

2.根据权利要求1所述的车辆非必要寄生功的计算方法，其特征在于：在实际工程中，直接计算如下：

a)f₁>f₂且R₁>R₂且r₁>r₂时，非必要寄生功为：

b)f₁>f₂且R₁>R₂且r₁<r₂时，非必要寄生功为：

c)f₁>f₂且R₁<R₂且r₁>r₂时，非必要寄生功为：

d)f₁>f₂且R₁<R₂且r₁<r₂时，非必要寄生功为：

e)f₁<f₂且R₁>R₂且r₁>r₂时，非必要寄生功为：

f)f₁<f₂且R₁>R₂且r₁<r₂时，非必要寄生功为：

g)f₁<f₂且R₁<R₂且r₁>r₂时，非必要寄生功为：

h)f₁＜f₂且R₁＜R₂且r₁＜r₂时，非必要寄生功为：

式中：l＝2π|R₁-R₂|、d＝2π·|r₁-r₂|。