基于車輛動力學模型的AMT在環(huán)仿真實驗系統(tǒng)研究

摘要：為提高AMT系統(tǒng)的開發(fā)效率和開發(fā)質(zhì)量，研制了一種AMT在環(huán)仿真實驗系統(tǒng)，將真實的車輛AMT相關部件用仿真模型來代替，建立了車輛傳動系統(tǒng)及其部件的動力學模型，并進行相應的程序設計，模擬真實車輛的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速等信息，對AMT電控單元在實車實驗之前進行驗證，為AMT電控系統(tǒng)的開發(fā)提供了一個方便、可靠的實驗平臺。
關鍵詞：AMT；在環(huán)仿真；車輛動力學；仿真模型

0 引言
    重型車輛具有總質(zhì)量大、使用工況復雜、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及評價相應控制策略的優(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、車輛動力學模擬模塊、機械仿真執(zhí)行機構、信息輸入模塊等。本文主要針對車輛動力學模擬模塊進行設計，建立車輛動力學模型，包括發(fā)動機模型、離合器模型及車輛傳動系統(tǒng)的縱向動力學模型，并采用C語言進行程序設計，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)結構組成及工作原理
    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車輛動力學模擬模塊、信息輸入模塊、離合器執(zhí)行機構、變速箱選換擋執(zhí)行機構、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，車輛動力學模擬模塊用于模擬整車運動學；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、駐車制動開關等信息；離合器執(zhí)行機構采用實車的離合器執(zhí)行機構，用彈簧模擬離合器壓緊力；變速箱選換擋執(zhí)行機構采用實車的選換擋執(zhí)行機構；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。


    當實驗系統(tǒng)點火開關打開后，設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模型，進行整車運動學模擬。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)動力學模型，其各部分的動力學方程為：
  
    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、離合器主動部分當量轉(zhuǎn)動慣量；Jc為離合器從動部分、變速器部分當量轉(zhuǎn)動慣量；Jv為與變速器輸出軸有固定關系的各總成部件在軸上的當量轉(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。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，Tc<Tm，ωe增大，ωc=O；t1～t2階段，Tc≤Tm，由式(3)可知ωe一直增長到極大值，ωc也增長但是不及ωe增長速度快，故轉(zhuǎn)速差△ω亦增大；t2～t3階段，Tc>Te，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?。籺3～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<O，Tc<0，由式(3)、式(4)可知，Tc對離合器從動部分是阻力矩，而對發(fā)動機是動力矩(即發(fā)動機被倒拖)，故轉(zhuǎn)速差|△ω| 是一直減小的。隨著轉(zhuǎn)速差|△ω|的逐步縮小，Tc應該由負值過渡到Tc=Te，即Tc對離合器從動部分由阻力矩變?yōu)閯臃骄亍?br />     (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Tcs<Te時，離合器進入滑摩狀態(tài)，油門踏板開度開始按照某一控制規(guī)律減小到0，主從動片間的轉(zhuǎn)速差|△ω|也會慢慢增大。若ωe<ωc，則Tc<0；若ωe≥ωc，則Tc>O。為了使車輛行駛的動力不至于中斷時間太長，應該控制發(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為離合器摩擦片當量摩擦半徑。

3 車輛動力學仿真程序設計
    在所建立的車輛動力學模型的基礎上進行程序設計，主要任務是：接收來自AMT仿真實驗系統(tǒng)設置的車輛載荷、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)部時鐘設置、通信端口初始化、看門狗定時器設置等，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)預先設置的阻力矩，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)車輛動力學仿真模擬。

4 結語
    研制了一種基于車輛動力學模型的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)的動力學仿真模型，并把駕駛員模型、外界阻力模型等都設計成變參數(shù)的模型，進行程序設計。在AMT在環(huán)仿真實驗臺上應用表明，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。