詹雋青，黎云兵，朱先民

(1.軍事交通學(xué)院 國家應(yīng)急交通運(yùn)輸裝備工程技術(shù)研究中心，天津300161;2.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161)

動(dòng)力性是車輛最基本的性能，而起步加速過程中的加速時(shí)間，又是動(dòng)力性的重要指標(biāo)［1-2］。應(yīng)用Simulink 建立整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型，可以很好地對整車運(yùn)行進(jìn)行仿真。本文在試驗(yàn)基礎(chǔ)之上，以某液力傳動(dòng)車輛為研究對象，根據(jù)其整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中各個(gè)部件的工作原理和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立模塊化、參數(shù)化動(dòng)態(tài)仿真模型。使用該模型仿真車輛在限定油門開度起步加速過程中，車速、擋位隨加速時(shí)間變化情況。

1 模型的建立

1.1 假設(shè)條件

整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的建模及動(dòng)態(tài)仿真，是為了定性地了解換擋規(guī)律控制系統(tǒng)的有效性，故須將極其復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)簡化，同時(shí)又要保持其具有一般的動(dòng)態(tài)特性，故對傳動(dòng)系統(tǒng)作以下假設(shè)［3］:①不考慮傳動(dòng)系統(tǒng)部件的彈性阻尼;②忽略扭振、擺振等振動(dòng)的影響;③傳動(dòng)軸和半軸只起傳遞轉(zhuǎn)矩的作用;④只考慮直線行駛狀態(tài)下的車輛動(dòng)力學(xué)特性。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力傳遞給車輪，驅(qū)動(dòng)整車運(yùn)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程受諸多因素影響，很難建立精確的發(fā)動(dòng)機(jī)模型［4］。因此，在滿足仿真要求的條件下，建立發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型［5］，即

式中:Te為發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)工況下的轉(zhuǎn)矩，N·m;Ie為等效轉(zhuǎn)換到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2;Mb為液力變矩器泵輪轉(zhuǎn)矩，N·m;we為發(fā)動(dòng)機(jī)角速度，r/min。

發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型如圖1 所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型

1.3 液力自動(dòng)變速器模型

液力自動(dòng)變速器模型主要包括液力變矩器模型和機(jī)械變速器模型2 個(gè)部分。

(1)液力變矩器模型。液力變矩器主要用于緩沖來自發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，減小傳動(dòng)系的動(dòng)載荷［6］。其理論數(shù)學(xué)模型可以用公式在變矩器模型中表示，一般通過查表方式得到變矩器在不同速比系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)、變矩系數(shù)和效率。

①液力變矩器的輸入特性為

式中:ρ為工作液體積質(zhì)量，kg/m3;λb為泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)，m-1·(r/min)-2;Nb為泵輪轉(zhuǎn)速，r/min;D為變矩器有效直徑，m。

②液力變矩器的輸出特性為

式中:Mt為渦輪轉(zhuǎn)矩，N·m;λt為渦輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)，m-1·(r/min)-2。

液力變矩器3 條性能曲線方程［7］:

式中:i為液力變矩器的轉(zhuǎn)速比;k為液力變矩器變矩系數(shù);η為液力變矩器傳動(dòng)效率。

由式(2)、(3)、(4)可得

式中:Ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min;Cb為換算系數(shù)，kg·(r/min)-2。

(2)機(jī)械變速器模型。變速器系統(tǒng)的主要作用是通過改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)不同的外界行駛環(huán)境［7］。其特性方程［6］為

式中:Tout、Tin為變速器的輸入和輸出轉(zhuǎn)矩，N·m;nout、nin為變速器的輸入和輸出轉(zhuǎn)速，r/min;ηt為變速器傳動(dòng)效率;ig為變速器的傳動(dòng)比。

(3)液力自動(dòng)變速器仿真模型如圖2 所示。

圖2 液力自動(dòng)變速器仿真模型

1.4 整車行駛動(dòng)力學(xué)模型

在附著力得到保證的情況下，汽車的驅(qū)動(dòng)力越大，其動(dòng)力性能越好［1］。平直路面整車行駛動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型［8］為

其中

式中:Ft為行駛驅(qū)動(dòng)力，N;Ff為滾動(dòng)阻力，N;Fw為空氣阻力，N;Fi為坡度阻力，N;Fj為加速阻力，N;if為分動(dòng)器傳動(dòng)比;Te為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m;i0為主減速器傳動(dòng)比;ηT為傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率;r為車輪半徑，m;g為重力加速度，9.8 m/s2;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積，m2;ua為車速，km/h;m為整車質(zhì)量，kg;∑Iw為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2;δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);α為道路坡度;I0為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

整車行駛系統(tǒng)仿真主要參數(shù)見表1。整車行駛動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖3 所示。

2 整車傳動(dòng)系統(tǒng)模型仿真分析

根據(jù)上述分析，在Matlab 仿真環(huán)境下，將所建立的各部件仿真子系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)信號連接起來，加入輸入模塊(油門開度)、換擋控制模塊以及其他必要的顯示模塊，即可得到該高機(jī)動(dòng)越野車整車傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型(如圖4 所示)。

表1 整車行駛系統(tǒng)仿真主要參數(shù)

圖3 整車行駛動(dòng)力學(xué)仿真模型

圖4 整車傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型

由圖4 可知，換擋邏輯判斷模塊是一個(gè)以油門開度和車速為參數(shù)的2 個(gè)參數(shù)模糊控制換擋模塊［9-10］。為加強(qiáng)對比效果，根據(jù)所測數(shù)據(jù)，仿真選擇以90%油門開度為例，驗(yàn)證整車加速性能仿真模型的有效性。用所建模型對車輛限定油門從1擋起步加速過程進(jìn)行仿真，當(dāng)限定油門開度為90%時(shí)，行星齒輪變速箱擋位由1 擋逐步升至6擋，車輛行駛速度不斷增大，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由于外界阻力的變化而呈現(xiàn)不規(guī)律變化，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩因發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化。擋位和車速的變化如圖5 所示，整車試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

分析圖5、圖6 可知，在相同油門開度下，仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的整車車速變化趨勢基本一致，各擋位換擋點(diǎn)車速和整車試驗(yàn)所得換擋點(diǎn)車速基本一致?？梢姡苏噭?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型仿真結(jié)果基本符合車輛實(shí)際運(yùn)行情況，輸出量和輸入量整體趨勢基本相符合。

圖5 整車仿真結(jié)果

圖6 整車試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 語

本文建立了某液力傳動(dòng)系統(tǒng)車輛整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型，并對所建模型的整車加速性能進(jìn)行了仿真，通過仿真計(jì)算得出衡量整車起步加速性能指標(biāo)的變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明，輸出量和輸入量變化趨勢與整車實(shí)際運(yùn)行的情況基本一致，說明該整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型及其各模塊模型科學(xué)準(zhǔn)確，可為整車動(dòng)態(tài)建模提供參考。

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