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车辆换档规律特性仿真研究 |
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作者：尹华兵 范晶晶 程磊 |
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改善换挡操纵性能是提高车辆综合性能的一个重要方面。根据换挡规律我们可以看出，随着控制参数的变化，自动选择档位以及换档时刻是体现车辆操纵性能的关键性指标，而换挡规律无疑是自动变速系统的核心。换挡规律设计的好坏，在静态设计时难以表现出来，也无法对其进行优选。这里的问题集中体现在设计完换挡规律后，在台架试验或样车试验前，研发人员无法进行换挡规律的相关验证，只能等待物理试验验证结果后才能再次修改。很明显，此环节是影响车辆开发进度的瓶颈。
为了能够预测车辆在自动换挡规律下的动态性能，我们从换挡控制策略与多体动力学模型的集成仿真入手，开展自动换挡规律与换挡品质的相关建模与仿真。研发团队利用虚拟样机技术这一重要手段，将传动系统的虚拟样机模型与操纵控制系统的模型集成起来，实现了对包括发动机、液力变矩器及行动系统在内的动态换档特性的仿真,并分别建立了换档规律、液压控制系统、动力传动系以及行动系统等相应的集成化模型。进而，我们可以进行多学科、多软件模型的集成，对车辆的动力性能以及多种操纵性能进行系统化仿真，预测动力传动系统在多种操纵工况下相应动态特性，为设计评估提供分析仿真依据。而且，通过我们此次建立一套自动换挡规律与换挡品质的仿真原型与平台，将为今后解决换挡规律与换挡品质的仿真提供一个完整合理的解决方案。
首先，我们通过设计计算，把发动机的净外特性与液力变矩器的共同工作特性在编制的程序中进行了相关匹配计算。同时，我们考虑到升、降档前后的液力变矩器闭锁、解锁以及降挡速差等问题，利用CAD软件绘制了某车辆换挡规律的四象限图，最终得到了收敛型的换挡规律，相关过程可以参见图1至图4。 
图1 发动机与液力变矩器的共同工作特性图
图2 换挡规律设计可利用的区域图
图3 换挡规律图
图4 某车传动系统的换档规律表
 研发团队利用MATLAB的simulink模块开发出了自动换档控制系统仿真模型。在模型中，系统输入信号为车速和油门开度,输出信号是车辆的档位值。通过模拟，虚拟机将返回该速度值，进而再利用stateflow有限状态机进行档位的计算，框图如图5所示。模型的核心部分是实现换档规律所制定的换档模式,按照换档规律进行对档位的自动选择。将图4所示的换档规律表按照查表方式建立在换档逻辑表中，随车速与油门关系变化，从而实现了档位的自动选择。
图5 某车辆自动变速速度查表系统
由于系统挡位的变化还只是系统执行逻辑的变化。在与变速系统的联合仿真中，操纵系统的油压特性曲线还没有被送到各个操纵件中，因此，分析者必须解决在系统仿真过程中，随着时间变化的同时，将油压操纵信号送到变速机构中。从而使液压操纵系统实现对动力的切换，同时在变速箱模型中也实现动力的传递与分离。 
图 6 用于信号测试的操纵系统模型
图 7 一般的油压曲线
图 8 操纵件的油压建立以及延时控制
为了升档方便，换档时各个离合器的状态通过一个s函数来表示，可以很方便的修改参数配置；油压曲线控制，主要是产生充油和放油的曲线，曲线如图所示：
图 9 操纵件产生的油压特性及时序特征
框图如图11中是C1的曲线转化过程，输入是个触发器式的输出，当C1输出一个上升沿，该模块就输出充油曲线，并保持压力值，当C1输出一个下降沿，该模块输出放油曲线，并保持。系统未连接变速箱模型之前，经过简单信号测试，各个操纵件的油压特性以及时序特征大致如下。
图 10 某车动力传动系统模型
传动系统是一个十分复杂的非线性系统，由于结构和运动学关系十分复杂，仿真计算时，分析者需要充分考虑系统全方位的特点进行建模，才能反映车辆换档过程的动态特性。如本模型采用easy5模型库中具有齿轮模型，建立了能够表达动力传动系统每一个元件特性的复杂动力学模型。对行星变速系统，在初步建立其模型后，经过运动学的检查后，就可以进行动力学的仿真计算。某型号的动力传动系统的模型如图 10、11所示。
图 11 动力传动系统与控制策略集成模型
为了简化发动机的模型，采用发动机稳态试验数据作为其输出转矩，用动力学方程描述其动态特性，即以油门开度α和发动机的转速ωe为输入，以发动机输出转矩Te为输出，在仿真模型中用来描述发动机的工作特性，动态输出转矩由下列方程描述：
式中: ωe，为发动机转速; Te为发动机净输出转矩; TL为负载转矩; J0为总惯量。
将发动机的外特性加入相应的参数化模型中，发动机将会用上述原理进行动力的输出。将发动机外特性扣除风扇、进排气、发电机、油泵等辅助设备的消耗功率后，我们就得到了发动机的净外特性，如表1。表1 发动机净外特性
 主离合器用来切断或传递发动机输出的转矩。它具有三种工作状态:分离、滑摩（滑动摩擦）、结合，如图12所示。当离合器处于分离状态时，离合器基本上不产生摩擦力矩，此时亦无转矩输出，离合器处于滑摩状态时的方程如下：
J1、J2分别为主被动端的转动惯量，Tt、Tf、T1分别为主动端的力矩、滑摩力矩以及被动端的力矩。
图12 离合器模型
在接口定义中，我们将虚拟样机在仿真运行中的速度、油门的信号引入到换档规律控制模块的入口，确定油门参数为90%。再以二档起步，经过仿真运算，我们可以得到车辆以32km/h加速时的加速时间14.5秒，这与物理样机的试验结果很接近。
经过仿真我们可以发现，在车辆在外特性曲线上工作时，如果以二档起步时，在达到一定的速度时（大约3－5公里每小时）才开始计时。随着油门逐渐提高，直至到90%以上时，加速换档时，其达到32km/h的时间就会减少。同理，开始计时时刻的速度越大，达到32km/h的时间就越短。
从仿真结果中，可以看出：在道路阻力较大消耗更多发动机功率的时候进行32km/h的加速试验时，随着车速的提高，输出的力矩越来越小，这时地面阻力平衡了更多的输出扭矩，从而使车辆在高油门时加速到32km/h时较困难。所以对作车辆加速性能试验时，要综合考虑几个因素，如开始计时的初速度，道路的阻力情况，要固定油门等。二档起步，作加速时，车辆挡位的工作情况见图13、图14。
图13 在车辆加速试验挡位工作图
图14 车辆加速到32km/h所用的时间
在此次车辆自动换挡规律动态特性研究中，将换档规律、控制策略、液压系统特性以及发动机、变矩器、变速箱、侧传动以至行动系统的主动轮等各个系统的模型集成在一起，形成一个系统模型。这样就事实上构成了一个多个学科综合性仿真课题。而此问题得以成功地解决为我们今后物理样机测试、校验仿真模型等提供了依据和经验基础。这也为解决换档过程动态特性及其控制研究提供了一个完整的方案途径。
通过此次仿真加速试验我们认识到，原先许多需要建立实体模型、用物理试验才能确定的性能参数，现在只要用较精确的虚拟模型仿真即可得出。这种方法为广大设计人员提供了快速、有效的设计参考依据，时间成本也得到了明显地节约。(end)
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(4/8/2007) |
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