基于Simulink 的某越野車整車起步加速性能仿真

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，天津300161)

動力性是車輛最基本的性能，而起步加速過程中的加速時間，又是動力性的重要指標［1-2］。應(yīng)用Simulink 建立整車動力傳動系統(tǒng)模型，可以很好地對整車運行進行仿真。本文在試驗基礎(chǔ)之上，以某液力傳動車輛為研究對象，根據(jù)其整車動力傳動系統(tǒng)中各個部件的工作原理和試驗數(shù)據(jù)，建立模塊化、參數(shù)化動態(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、擋位隨加速時間變化情況。

1 模型的建立

1.1 假設(shè)條件

整車動力傳動系統(tǒng)的建模及動態(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)雜的傳動系統(tǒng)簡化，同時又要保持其具有一般的動態(tài)特性，故對傳動系統(tǒng)作以下假設(shè)［3］:①不考慮傳動系統(tǒng)部件的彈性阻尼;②忽略扭振、擺振等振動的影響;③傳動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)下的車輛動力學(xué)特性。

1.2 發(fā)動機模型

汽車動力傳動系統(tǒng)的作用是將發(fā)動機輸出的動力傳遞給車輪，驅(qū)動整車運動。發(fā)動機的工作過程受諸多因素影響，很難建立精確的發(fā)動機模型［4］。因此，在滿足仿真要求的條件下，建立發(fā)動機動態(tài)轉(zhuǎn)矩數(shù)學(xué)模型［5］，即

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

發(fā)動機仿真模型如圖1 所示。

圖1 發(fā)動機仿真模型

1.3 液力自動變速器模型

液力自動變速器模型主要包括液力變矩器模型和機械變速器模型2 個部分。

(1)液力變矩器模型。液力變矩器主要用于緩沖來自發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩脈動，減小傳動系的動載荷［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為液力變矩器傳動效率。

由式(2)、(3)、(4)可得

式中:Ne為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min;Cb為換算系數(shù)，kg·(r/min)-2。

(2)機械變速器模型。變速器系統(tǒng)的主要作用是通過改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出的轉(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為變速器傳動效率;ig為變速器的傳動比。

(3)液力自動變速器仿真模型如圖2 所示。

圖2 液力自動變速器仿真模型

1.4 整車行駛動力學(xué)模型

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

其中

式中:Ft為行駛驅(qū)動力，N;Ff為滾動阻力，N;Fw為空氣阻力，N;Fi為坡度阻力，N;Fj為加速阻力，N;if為分動器傳動比;Te為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，N·m;i0為主減速器傳動比;ηT為傳動系統(tǒng)的機械效率;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。整車行駛動力學(xué)仿真模型如圖3 所示。

2 整車傳動系統(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，即可得到該高機動越野車整車傳動系統(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 整車行駛動力學(xué)仿真模型

圖4 整車傳動系統(tǒng)動態(tài)仿真模型

由圖4 可知，換擋邏輯判斷模塊是一個以油門開度和車速為參數(shù)的2 個參數(shù)模糊控制換擋模塊［9-10］。為加強對比效果，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擋起步加速過程進行仿真，當(dāng)限定油門開度為90%時，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)動機轉(zhuǎn)速由于外界阻力的變化而呈現(xiàn)不規(guī)律變化，發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩因發(fā)動機轉(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)果和試驗結(jié)果的整車車速變化趨勢基本一致，各擋位換擋點車速和整車試驗所得換擋點車速基本一致?？梢?，此整車動力傳動系統(tǒng)模型仿真結(jié)果基本符合車輛實際運行情況，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 整車試驗結(jié)果

3 結(jié) 語

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

［1］ 余志生.汽車理論［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009:1-2.

［2］ 駱清國，張永鋒.機械傳動車輛起步及連續(xù)加速過程性能仿真研究［J］.車用發(fā)動機，2004，150(2):28-31.

［3］ 張炳力，張友皇，趙韓. 基于Simulink 與Stateflow 的自動變速器性能仿真［J］. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，33(8):1125-1130.

［4］ 周云波，常思勤，魏巍. 基于MATLAB/SimDriveline 的某型軍用車輛起步過程仿真研究［J］. 南京理工大學(xué)學(xué)報，2011，35(4):507-512.

［5］ 魏勝鋒，王紹武，張云龍，等.發(fā)動機實時模擬系統(tǒng)中的發(fā)動機模型及其應(yīng)用［J］.內(nèi)燃機工程，2002，24(6):62-66.

［6］ 汪志遠，鄭培，孫肇花. 基于Matlab 的液力機械自動變速器性能仿真［J］.車輛與動力技術(shù)，2007，106(2):10-13.

［7］ 張勇，許純新，盧新田，等.車輛自動變速系統(tǒng)性能仿真研究［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2000，31(1):23-25.

［8］ 王望予.汽車設(shè)計［M］. 北京;機械工業(yè)出版社，2004:78-113.

［9］ 巫世晶，朱恩涌，李群力，等. 汽車模糊控制換擋策略仿真研究［J］. 西南交通大學(xué)學(xué)報，2012，43(6):756-761.

［10］ Guo Xuexun，F(xiàn)u Chang，Chen Fei，et al. Modeling and simulation research of dual clutch transmission based on fuzzy control［C］//SAE Paper.Ditroit，MI，USA，2007-01-3754.