摘要：利用AMESim 软件建立了装备双状态无级变速器的某四轮汽车的整车动力学模型; 针对电液控制系统的特殊要求, 利用MATLAB/Simulink 建立了电液控制系统模型, 并利用AMESim 和MATLAB/Simulink 的S 函数接口模块实现了二者的数据交换, 构建了联合仿真平台。通过3 种典型工况的离线仿真, 验证了该联合仿真平台对双状态无级变速器研究与开发的有效性和实用性。
主题词：无级变速器 液力变矩器 联合仿真
1 前言
无级变速器(CVT) 可以实现速比的连续调节,能够最大限度地利用发动机功率和提高燃油经济性, 消除换挡冲击, 使车辆加速平稳且可最大程度地提高驾驶舒适性。
液力变矩器可以使车辆平稳起步并能保持低速稳定行驶, 具有自动增矩变速、减振隔振、无机械磨损等优点, 被公认为最佳的车辆起步装置。
双状态CVT 是将液力变矩器和CVT 优化匹配组合而成, 并能够充分发挥二者优势的先进变速传动形式。在低速阶段, 利用液力变矩器的变矩作用扩大了动力传动系统的转矩变化范围, 使车辆具有良好的起步性能和低速爬行性能; 在高速阶段, 通过闭锁液力变矩器使CVT 独立实现变速功能, 可有效提高发动机的工作效率, 使整车的动力性和经济性得以最大限度的提升。双状态CVT 是轿车发展的一项先进技术[1]。
本文应用AMESim 软件构建了装备双状态CVT 的某四轮汽车整车动力学的系统可视化模型,利用MATLAB/Simulink 软件设计了电液控制系统;并通过设置AMESim 和MATLAB/Simulink 的S 函数接口模块搭建了联合仿真平台, 实现了两种软件的优势互补。通过选取典型工况进行离线仿真, 验证了联合仿真平台对双状态CVT 的研究和开发有着良好的实用性。
2 联合仿真平台的建立
2.1 联合仿真平台结构方案设计
目前对无级变速传动系统进行动力学建模仿真分析普遍利用MATLAB/Simulink 工具, 它的特点是基于数学方程级的建模方式有着很高的精度, 而且具有强大的控制系统设计功能, 但是对于复杂非线性系统的建模存在着模型简化和精度之间的矛盾。
AMESim 软件提供了定位于工程技术人员使用、基于图形化建模方式、可以实现多学科耦合特性分析的工程系统仿真平台, 而由于模型的扩充和改变都是通过图形用户界面来进行, 免去了繁琐的数学建模和代码编程[2] , 极大简化了复杂建模过程并确保了建模效率, 应用日益广泛, 但是其存在着控制系统建模功能较弱的问题。本文结合二者的各自特点和优势构建的联合仿真平台结构框图如图1 所示。
图1 联合仿真平台结构框图
从图1 中可以看出, 在AMESim 环境下建立了包括驾驶员意图、发动机、液力变矩器、CVT、主减速器和差速器以及轮胎等子模型在内的某四轮汽车的整车动力学模型, 省略了DNR 离合器控制油路和润滑油路部分; 在MATLAB/Simulink 环境下建立了包括液力变矩器闭锁/解锁控制模块、CVT 夹紧力控制模块和速比控制模块的电液控制系统部分。
2.2 AMESim 整车动力学模型
2.2.1 动力传动系统模型
图2 为试验得到的发动机输出转矩稳态数值模型, 将该数值模型导入AMESim 的发动机子模型即可得到发动机稳态数值模型。在建模过程中, 考虑到发动机实际工作时多数时间处于非稳态工况,因此将发动机的动态特性简化为具有滞后的一阶惯性环节[1] , 并通过经验系数对其数值进行修正, 作为发动机非稳态转矩模型。
表1 为试验得到的液力变矩器主要参数, 将其导入AMESim 的液力变矩器子模型即可得到液力变矩器子模型。
表1 中, ig1 为高效经济区对应的最低速比; ih 为耦合点对应速比; iη为最高效率点对应速比; ig2 为高效经济区对应的最高速比。
图2 发动机输出转矩稳态数值模型
表1 液力变矩器主要参数
 选取的AMESim CVT 子模型TRCV0A 为不考虑带、轮滑转和转矩损失的传动子模型。
差速器子模型选择的是普通开式差速器子模型TRDI0A; 轮胎子模型选择的是考虑轮胎转动惯量的Pacejka 固定垂直载荷的纵向力子模型TRTY1A;车辆载荷子模型选择的是不考虑质量转移的独立四轮子模型TRVEH03。
表2 为CVT 子模型TRCV0A 的主要参数。表3为整车模型主要参数。
2.2.2 液压驱动器模型
液压驱动器是按照控制系统要求实现液力变矩器闭锁/解锁、CVT 夹紧力控制和速比控制的执行机构, 主要由液压动力源[3] ( 内啮合齿轮泵) 子模型、液压执行元件( 液力变矩器闭锁离合器和主、从动液压缸) 子模型、控制元件[4] ( 电液比例溢流阀、电液比例减压阀、电液比例方向控制阀等) 子模型以及辅助元件子模型组成。
2.3 MATLAB/Simulink 电液控制系统
电液控制系统是双状态CVT 所有功能实现的关键, 由液力变矩器闭锁/解锁控制器、带轮夹紧力控制器和速比控制器组成。图3 为电液控制系统工作原理框图。
图3 电液控制系统工作原理框图
由于采用液力变矩器作为起步装置, 所以只需考虑液力变矩器的闭锁/解锁控制。为了兼顾闭锁时的传动效率和闭锁平顺性的要求, 避免过大的转矩冲击, 本文所设计的控制器选取液力变矩器的耦合点作为液力变矩器的闭锁控制点, 同时设置解锁车速阈值作为解锁控制点。
CVT 带轮的夹紧力控制是提高传动装置本身传动效率和关键部件使用寿命的保证, 夹紧力控制需同时考虑传递的发动机转矩和当前速比。本文所设计的夹紧力控制器属于压力调节控制, 控制器接收转速、转矩和压力传感器的信号实时计算出当前的发动机传递转矩大小以及当前速比值, 按照控制策略确定出目标夹紧力值, 再将其转换为控制信号, 由ECU 功率放大级向电液比例溢流阀施加控制电流, 从而达到控制从动液压缸压力, 进而实现所需从动带轮夹紧力的目的。
速比控制器根据选定的工作模式和驾驶员意图即节气门开度和制动踏板位置等参数来实时调节实际速比跟踪目标速比的变化[5]。本文所设计的速比控制器属于位置伺服控制, 图4 为主动带轮轴向位移与速比的关系曲线。根据该试验标定曲线,在速比控制中把主动带轮的位置变化作为速比的直接反馈, 构成闭环控制, 从而将对主动轮缸的压力控制转换为对主动带轮的位置控制, 来实现所期望的速比, 这样容易克服负载和扰动的影响。本文采用基于模糊控制的速比控制器, 具有对复杂工况适应性强、解耦特性较好等优点。
图4 主动带轮轴向位移与速比关系曲线
利用AMESim- Simulink 联合仿真平台建立的整车动力学模型如图5 所示。
图5 装备双状态CVT 的整车动力学模型
3 典型工况下的联合仿真分析
3.1 液力变矩器起步工况
起步时发动机节气门开度由10 %逐渐增加到20 %, 历时10 s, 液力变矩器泵轮、涡轮转矩变化曲线如图6 所示, 液力变矩器速比和效率的变化曲线如图7 所示。
图6 起步时液力变矩器泵轮和涡轮转矩曲线
由图6 和图7 可以看出, 在起步初始阶段, 液力变矩器为最大转矩比, 随着速比的逐渐增加, 转矩比下降, 效率逐渐增加。当液力变矩器达到耦合点时, 液压驱动器在闭锁控制器的指令作用下逐渐增大闭锁离合器油压, 使液力变矩器闭锁并有效降低了闭锁前、后传递转矩冲击, 完全闭锁后泵轮与涡轮成为刚性连接, 此后速比为1, 效率达到100 %。
图7 起步时液力变矩器速比和效率变化曲线
3.2 原地起步加速工况
汽车以50 %的节气门开度原地起步加速行驶,历时10 s, 速比跟踪曲线如图8 所示, 主、从动缸压力变化曲线如图9 所示。
从图8 可以看出, 由于起步时节气门开度较大, 发动机目标转速较高而车速较低, 使得目标速比和实际速比均为最大速比, 这样使车辆具有较高的起步加速度并使车速快速提升; 经过一段时间之后, 由于车速增加至较高值, 使得目标速比开始逐渐减小, 实际速比在控制器和执行器的作用下随目标速比也开始逐渐减小, 二者的趋势保持一致。
从图9 可以看出, 当目标速比发生变化时, 液压驱动器在夹紧力控制器和速比控制器的作用下,调节主、从动缸压力并使二者保持一定的比例关系并调节实际速比对目标速比进行跟踪, 直到驱动力与行驶阻力相平衡。
3.3 行驶阻力突变工况
汽车以30 %的节气门开度匀速行驶, 在10 s 时受到10°的坡度阻力, 历时20 s, 车速- 时间历程曲线如图10 所示, 速比变化曲线如图11 所示。
由图10 和图11 可以看出, 在行驶阻力突变之前, 车辆逐渐加速至与行驶阻力平衡时稳定; 第10 s时由于行驶阻力突然增加, 造成车速略有下降, 目标速比产生一定突变, 实际速比对目标速比的跟踪略有滞后, 但在速比控制器的作用下, 汽车的加速度继续增加, 车速继续上升, 直至与行驶阻力相平衡。
从上述仿真结果可以看出, 在夹紧力控制器和速比控制器的作用下, CVT 的速比调节平稳有效,跟踪精度较高, 控制效果与理论分析相一致。可见,所设计的夹紧力和速比控制器符合控制要求, 有效可行。
4 结束语
采用AMESim 软件建立了装备双状态CVT 的某四轮汽车的整车动力学模型; 利用MATLAB/Simulink 建立了满足电液控制系统特殊要求的控制器模型; 利用S 函数接口实现数据交换与融合, 构建了联合仿真平台。通过对液力变矩器起步、原地起步加速、行驶阻力突变等3 种典型工况进行的仿真研究表明: AMESim- Simulink 联合仿真平台可以很好地模拟基于双状态CVT 的整车动力学特性和电液控制系统的动态特性, 对于双状态CVT 的研究与开发具有较好的实用性。
同时也表明, 该平台有效地提高了建模效率,可以针对控制系统的特殊要求, 设计不同控制算法、满足不同精度要求的控制器模型。
参考文献
1 卢延辉.双状态CVT 综合控制策略研究: [ 学位论文] .长春: 吉林大学,2007.
2 付永领,祁晓野.AMESim 系统建模和仿真- 从入门到精通.北京: 北京航空航天大学出版社,2006.
3 程乃士.汽车金属带式CVT- CVT 原理和设计.北京: 机械工业出版社,2007.
4 祈雪乐,宋健,王会义,李亮.基于AMESim 的汽车ESP 液压控制系统建模与分析.机床与液压,2005( 8) .
5 Kim T,Kim H.Yi J,Cho H,Ratio Control of Metal Belt CVT. SAE paper,2000.(end)
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