基于車輛動力學(xué)模型的AMT在環(huán)仿真實驗系統(tǒng)

　　0 引言

　　重型車輛具有總質(zhì)量大、使用工況復(fù)雜、擋位多等特點，為減輕駕駛員的操縱難度和勞動強度，實現(xiàn)重型車輛的自動變速具有重大現(xiàn)實意義。電控機械式自動變速器 (AMT)因具有效率高、成本低、易于制造的優(yōu)點，并且操縱方便，能夠滿足重型汽車動力傳遞要求，因此在重型車輛上具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的AMT系統(tǒng)開發(fā)需要在實車上進行大量調(diào)試，造成了時間和資金的浪費。構(gòu)建AMT在環(huán)仿真實驗系統(tǒng)，不僅可以模擬車輛在正常工作條件下的性能，而且可以通過修改仿真條件，獲得在實驗中難以得到的車輛在極限工況、緊急工況條件下車輛響應(yīng)及評價相應(yīng)控制策略的優(yōu)劣，為AMT電控單元的開發(fā)提供方便，可顯著地提高AMT系統(tǒng)的開發(fā)效率和開發(fā)質(zhì)量。

　　AMT在環(huán)仿真實驗系統(tǒng)主要包括AMT電控單元、車輛動力學(xué)模擬模塊、機械仿真執(zhí)行機構(gòu)、信息輸入模塊等。本文主要針對車輛動力學(xué)模擬模塊進行設(shè)計，建立車輛動力學(xué)模型，包括發(fā)動機模型、離合器模型及車輛傳動系統(tǒng)的縱向動力學(xué)模型，并采用C語言進行程序設(shè)計，利用外界輸入信息，對車輛的直線行駛工況進行模擬仿真，模擬發(fā)動機轉(zhuǎn)速、變速器中間軸轉(zhuǎn)速、車速等參數(shù)，用以驗證AMT電控單元性能的可行性與可靠性。

　　1 AMT在環(huán)仿真實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

　　AMT在環(huán)仿真實驗系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主要由AMT電控單元。TCU車輛動力學(xué)模擬模塊、信息輸入模塊、離合器執(zhí)行機構(gòu)、變速箱選換擋執(zhí)行機構(gòu)、傳感器系統(tǒng)、儀表盤及液晶顯示模塊和信息實時檢測模塊等組成。其中，車輛動力學(xué)模擬模塊用于模擬整車運動學(xué);信息輸入模塊有電子油門踏板、制動踏板、車輛載荷旋鈕、道路坡度旋鈕、駐車制動開關(guān)等信息;離合器執(zhí)行機構(gòu)采用實車的離合器執(zhí)行機構(gòu)，用彈簧模擬離合器壓緊力;變速箱選換擋執(zhí)行機構(gòu)采用實車的選換擋執(zhí)行機構(gòu);傳感器采用實車的選換擋位置傳感器和離合器位移傳感器;儀表盤采用實車儀表，用于顯示車輛車速及發(fā)動機轉(zhuǎn)速等信息;液晶顯示模塊用于顯示油門踏板開度、制動踏板開度、車輛載荷、道路坡度、離合器行程、選換擋位置等信息。

　　當(dāng)實驗系統(tǒng)點火開關(guān)打開后，設(shè)置車輛載荷和道路坡度信息，通過油門踏板、制動踏板來模擬駕駛員駕駛意圖。將采集到的油門踏板開度、制動踏板開度、車輛載荷、道路坡度、離合器位移等信息及AMT電控單元TCU發(fā)送的擋位信息通過CAN總線發(fā)送給所建立的車輛動力學(xué)模型，進行整車運動學(xué)模擬。將模擬得到的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、變速器中間軸轉(zhuǎn)速、車速等信息發(fā)送給TCU，TCU根據(jù)內(nèi)置的控制規(guī)律(換選擋規(guī)律、離合器接合規(guī)律等)，控制離合器接合及變速箱選換擋，測試 AMT系統(tǒng)性能的可行性和可靠性。

　　2 車輛動力學(xué)系統(tǒng)仿真模型

　　2.1 車輛模型

　　車輛由發(fā)動機提供動力源，經(jīng)過傳動系傳遞到驅(qū)動車輪，并轉(zhuǎn)化為驅(qū)動力克服道路阻力，驅(qū)動車輛行駛。車輛的行駛方程為：

　　式中：Ft為驅(qū)動力;Ff為地面滾動阻力;Fi為路面坡度阻力;Fw為空氣阻力;Fj為加速阻力;Tc為離合器傳遞的摩擦力矩;ig和io分別為變速器傳動比和主減速比;ηT為傳動系的機械效率;r為車輪半徑;m為車輛總質(zhì)量;g為重力加速度;f為地面與輪胎的滾動阻力系數(shù);i為道路坡度;CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;u為汽車行駛速度;δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

　　圖2所示為車輛傳動的三質(zhì)量系統(tǒng)動力學(xué)模型，其各部分的動力學(xué)方程為：

　　式中：Tc為發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩;Tc為離合器傳遞的摩擦力矩;Ts為隨變速器擋位變化的同步轉(zhuǎn)矩;Tψ為車輪所受阻力轉(zhuǎn)矩，包括空氣阻力矩、道路阻力矩和制動力矩等;ωe為發(fā)動機曲軸角速度(也是離合器主動片角速度);ωc為變速器輸入軸角速度(也是離合器從動片角速度);ωv為變速器輸出軸角速度;Je 為發(fā)動機、離合器主動部分當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量;Jc為離合器從動部分、變速器部分當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量;Jv為與變速器輸出軸有固定關(guān)系的各總成部件在軸上的當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量;ign和io分別為變速器第n檔傳動比和主減速比。

　　2.2 發(fā)動機模型

　　發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩Te可通過發(fā)動機速度特性曲線求得。采用實車發(fā)動機速度特性曲線(即發(fā)動機在不同的油門開度和轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩特性)作為發(fā)動機模型，由發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油門踏板開度確定發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩Te。在AMT在環(huán)仿真實驗系統(tǒng)中，通過由車輛模型求得的發(fā)動機轉(zhuǎn)速及油門踏板的實際開度，根據(jù)已知的發(fā)動機速度特性曲線可以求得不同轉(zhuǎn)速和油門開度下發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩和油耗。

　　2.3 離合器模型

　　離合器傳遞轉(zhuǎn)矩Tc與離合器的工作狀態(tài)有關(guān)。離合器依靠主從動片之間的摩擦力矩來傳遞動力，并通過分離與接合來控制車輛動力傳動系統(tǒng)的工作狀態(tài)，離合器工作狀態(tài)可以分為完全接合、完全分離和滑磨三個狀態(tài)。

　　2.3.1 完全接合、完全分離狀態(tài)

　　這兩個狀態(tài)是穩(wěn)定的，離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩也是確定的，即：完全接合時，Tc=Te;完全分離時，Tc=0。

　　2.3.2 滑磨狀態(tài)

　　滑磨狀態(tài)是前兩個狀態(tài)間的過渡狀態(tài)，既可以是由接合到分離的過渡，也可以是分離到接合的過渡。從其傳遞的摩擦力矩來看，就是離合器傳遞的摩擦力矩從0按照一定規(guī)律變化到Te或者由Te變化到0的狀態(tài)。此狀態(tài)包括離合器起步接合過程、換擋結(jié)束后接合過程、換擋開始前分離過程。

　　(1)起步接合過程

　　圖3為起步過程中轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化示意圖。其中，Tm為換算到離合器從動部分上的車輪所受阻力轉(zhuǎn)矩;Tcs為離合器靜態(tài)摩擦力矩，△ω(△ω=ωe-ωc) 是離合器主動盤、從動盤的轉(zhuǎn)速差。0～t1階段，TcTe，Tc繼續(xù)增長到極大值，由式(3)可知ωe開始減小，ωc繼續(xù)增大，轉(zhuǎn)速差△ω開始變小;t3～t4階段，Tc持續(xù)降低，直到Tc=Te，轉(zhuǎn)速差△ω一直減小到0;t4～t5是離合器快速接合的階段，此時離合器已經(jīng)停止滑磨，開始正常傳遞發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，Tc=Te。

　　(2)換擋后接合過程

　　除了起步接合過程之外，離合器由分離向接合過渡的過程還包括換擋結(jié)束后由分離向接合過渡的過程。除與起步過程類似的情況外，這個過程可能出現(xiàn) ωe<ωc的情況(如降擋后離合器接合過程)。此時，油門踏板開度是保持定值或者按一定速度增大，使得Te>O，而由于△ω=ωe -ωc

　　(3)換擋前分離過程

　　該過程是換擋開始前分離離合器的過程，作用是切斷動力傳遞，保證換擋過程平順。離合器開始分離后，隨著離合器彈簧正壓力的減小，離合器靜態(tài)摩擦力矩Tc也在減小，在Tcs≥Te時，Tc=Te。當(dāng)TcsO。為了使車輛行駛的動力不至于中斷時間太長，應(yīng)該控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速使得ωe≥ωc，以保證Tc>O。

　　由上述三個過程可以得到滑模狀態(tài)時離合器傳遞力矩的表達式為：

　　式中：sign(·)為符號函數(shù);z為離合器摩擦面?zhèn)€數(shù);μs為離合器摩擦片靜態(tài)摩擦系數(shù);FN為離合器摩擦片上法向總壓力，取決于離合器分離軸承位置;Rc為離合器摩擦片當(dāng)量摩擦半徑。

　　3 車輛動力學(xué)仿真程序設(shè)計

　　在所建立的車輛動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上進行程序設(shè)計，主要任務(wù)是：接收來自AMT仿真實驗系統(tǒng)設(shè)置的車輛載荷、道路坡度、加速踏板開度、制動踏板開度信息，來自TCU的擋位信息，以及來自離合器位置傳感器的離合器位移信息，對發(fā)動機轉(zhuǎn)速、變速器中間軸轉(zhuǎn)速、車速等參數(shù)進行模擬。車輛動力學(xué)模擬模塊MCU采用飛思卡爾公司的16位單片機MC9S12DP512，利用C語言對所建立的車輛動力學(xué)仿真模塊在Code Warr-ior IDE開發(fā)環(huán)境下編程。程序主要包括：系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和程序主循環(huán)模塊，程序流程圖如圖4所示。

　　系統(tǒng)初始化主要包括MCU內(nèi)部時鐘設(shè)置、通信端口初始化、看門狗定時器設(shè)置等，以保證MCU正常運行。數(shù)據(jù)通信模塊用于接收來自AMT在環(huán)仿真實驗系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)。主程序根據(jù)由發(fā)動機模型、離合器模型模擬得到的傳動系統(tǒng)輸出扭矩及AMT在環(huán)仿真系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的阻力矩，計算車輛加速度，繼而可以求得下一時刻的車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速等，實現(xiàn)車輛動力學(xué)仿真模擬。

　　4 結(jié)語

　　研制了一種基于車輛動力學(xué)模型的AMT在環(huán)仿真實驗系統(tǒng)，通過建立車輛發(fā)動機及傳動系統(tǒng)的動力學(xué)仿真模型，并把駕駛員模型、外界阻力模型等都設(shè)計成變參數(shù)的模型，進行程序設(shè)計。在AMT在環(huán)仿真實驗臺上應(yīng)用表明，該模型所模擬的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速等參數(shù)符合實際車輛行駛工況，可以模擬在實驗中難以得到的極限工況、緊急工況等，為AMT系統(tǒng)的研究開發(fā)提供了基礎(chǔ)。