基于AMESim的插電式并聯(lián)動(dòng)力系統(tǒng)換擋過(guò)程仿真

李志明　王玉林

摘要： 為了分析混合動(dòng)力系統(tǒng)的換擋過(guò)程，本文基于AMESim仿真軟件，建立了一種新型行星齒輪插電式并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)。利用模擬方法對(duì)換擋參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，分析了升、降換擋過(guò)程包含的高擋轉(zhuǎn)矩相、檔位切換階段、慣性相、低擋轉(zhuǎn)矩相4個(gè)階段，并借助AMESim軟件進(jìn)行仿真模擬。仿真結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化較為舒緩，發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器搭接過(guò)程平滑，最大換擋沖擊度在合理范圍內(nèi)，說(shuō)明該新型混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)換擋沖擊的控制效果良好，換擋品質(zhì)較好，同時(shí)整個(gè)換擋過(guò)程實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力無(wú)中斷，平滑換擋。該研究對(duì)節(jié)能環(huán)保具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞： 行星齒輪； 混合動(dòng)力； AMESim； 換擋品質(zhì)

中圖分類號(hào)： U463.5；TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

動(dòng)力耦合裝置是混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心，開(kāi)展混合動(dòng)力車輛動(dòng)力耦合裝置方面的研究，對(duì)節(jié)能環(huán)保具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。換擋規(guī)律是現(xiàn)代自動(dòng)變速器開(kāi)發(fā)過(guò)程中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，換擋過(guò)程的控制及換擋時(shí)機(jī)的好壞，直接影響車輛的平順性、安全性、動(dòng)力性以及經(jīng)濟(jì)性等性能[2]。換擋品質(zhì)是指換擋過(guò)程的平順性，即車輛能夠平穩(wěn)、無(wú)沖擊的進(jìn)行換擋[34]，而且在換擋過(guò)程中要迅速，不應(yīng)出現(xiàn)過(guò)高的瞬時(shí)減速或加速。張俊智等人[5]對(duì)混合動(dòng)力汽車沖擊度的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了分析和試驗(yàn)研究；柳士江等人[6]對(duì)純電動(dòng)工作模式切換到發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式的過(guò)程進(jìn)行力學(xué)特性研究，提高了工作模式切換的平順度；孔慧芳等人[7]根據(jù)動(dòng)力源響應(yīng)特性差異和離合器接合等原因造成的沖擊問(wèn)題，制定了相應(yīng)的扭矩協(xié)調(diào)控制策略?；诖耍疚奶岢隽艘环N新型行星齒輪插電式并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，利用AMESim軟件，建立新型混合動(dòng)力系統(tǒng)模型，并模擬了換擋過(guò)程，確定合適的換擋規(guī)律[8]，實(shí)現(xiàn)換擋過(guò)程中無(wú)動(dòng)力中斷，且將換擋沖擊控制在合理范圍內(nèi)，提升了混合動(dòng)力系統(tǒng)的換擋品質(zhì)。該研究對(duì)節(jié)能環(huán)保具有重要意義。

1新型混合動(dòng)力系統(tǒng)

新型并聯(lián)插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)原理圖如圖1所示。IN為輸入端；S1為第1太陽(yáng)輪；R1為第1齒圈；S2為第2太陽(yáng)輪；R2為第2齒圈；S3為第3太陽(yáng)輪；C1為第1結(jié)合套；C2為第2結(jié)合套；C3為第3結(jié)合套；C4為第4結(jié)合套；MOTOR為電機(jī)；OUT為輸出端。該系統(tǒng)采用前排拉維納式行星齒輪機(jī)構(gòu)[9]，后排雙行星排的構(gòu)型，發(fā)動(dòng)機(jī)與前排行星架相連，前排太陽(yáng)輪S3通過(guò)軸系與結(jié)合套C2、C3連接傳遞動(dòng)力，太陽(yáng)輪S2、齒圈R2分別與結(jié)合套C4、C1連接輸出動(dòng)力；后置電機(jī)直接與后排雙行星排太陽(yáng)輪S1相連接，后排行星排固定，由后排齒圈R1直接輸出動(dòng)力。4個(gè)結(jié)合套分為兩組實(shí)現(xiàn)4個(gè)檔位，倒擋通過(guò)電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，采用撥叉換擋實(shí)現(xiàn)檔位變化。

2混合動(dòng)力系統(tǒng)模型建立

新型混合動(dòng)力系統(tǒng)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、新型混合動(dòng)力裝置、拉維納式行星齒輪機(jī)構(gòu)、雙行星行星排、后置電機(jī)、傳動(dòng)軸、主減速器、差速器、車輪及車身部件等組成。根據(jù)混合動(dòng)力系統(tǒng)的原理，基于AMESim建立的混

合動(dòng)力系統(tǒng)模型如圖2所示。其中，Engine為發(fā)動(dòng)機(jī)；Ravigneaux set為拉維納行星排；tire為輪胎；differential為差速器；brake command為制動(dòng)信號(hào)。模型的輸入控制信號(hào)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、車輛制動(dòng)信號(hào)、離合器控制信號(hào)等。發(fā)動(dòng)機(jī)模塊將外部信號(hào)轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，由于AMESim中沒(méi)有本文使用的結(jié)合元件，故采用4個(gè)離合器模塊代替4個(gè)結(jié)合元件，4個(gè)信號(hào)模型分別控制各離合器的結(jié)合與分離。Powertrain庫(kù)提供了車輛傳動(dòng)系統(tǒng)模塊，車輛行駛動(dòng)力部分由車身模塊、輪胎及車輪模塊模擬，其他模塊均可在相應(yīng)模塊庫(kù)中找到。

該AMESim模型較為復(fù)雜，在仿真之前需驗(yàn)證其正確性。首先輸入已匹配的齒輪齒數(shù)和汽車相關(guān)的基本參數(shù)，然后計(jì)算相關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并輸入模型中，運(yùn)行仿真得到拉維納行星排和雙行星排中各齒輪的轉(zhuǎn)速，拉維納行星排中各構(gòu)件的運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所示，而拉維納行星排齒圈R2轉(zhuǎn)速為1 119 r/min，行星架CR3轉(zhuǎn)速為2 403 r/min。

由表1可得S2和R2及S3和R3的傳動(dòng)比分別為

I20=ZS2ZR2=（nS2-nCR）/（nR2-nCR）=-4 871-（-2 403）/1 119-2 403=192（1）

I30=ZS3ZR2=nCR-nR2+（nR2-nS3）/（nCR-nR2）=2 403-1 119+1 119--2 945/2 403-1 119=420 （2）

式中，nS2、nS3、nCR、nR2分別是S2、S3、行星架、R2的轉(zhuǎn)速；ZS2、ZS3、ZR2分別為S2、S3、R2的齒數(shù)。

雙行星輪行星排S1的轉(zhuǎn)速為2 229 r/min，R1的轉(zhuǎn)速為1 372 r/min，計(jì)算可得S1和R1的傳動(dòng)比為

I10=nS1/nR1=2 229/1 372=1625（3）

式中，nS1、nR1分別表示S1和R1的轉(zhuǎn)速。

模型計(jì)算得出的一組傳動(dòng)比與之前匹配的傳動(dòng)比相比，在誤差范圍內(nèi)近似相等，證明本次建立的模型中行星齒輪部分正確。

為驗(yàn)證各檔位的傳動(dòng)比是否正確，根據(jù)各檔位結(jié)合元件的結(jié)合狀態(tài)，模擬各結(jié)合元件的結(jié)合和脫離動(dòng)作，得到各檔位下對(duì)應(yīng)的一組發(fā)動(dòng)機(jī)和混合動(dòng)力系統(tǒng)輸出實(shí)際轉(zhuǎn)速，并由此計(jì)算出各檔位傳動(dòng)比，各檔位下一組對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速如表2所示，各檔位下匹配的傳動(dòng)比如表3所示。將表2中仿真得到的實(shí)際傳動(dòng)比與表3中已匹配的傳動(dòng)比進(jìn)行比較，在誤差范圍內(nèi)近似相等，說(shuō)明此模型可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)檔位的傳動(dòng)比，從而驗(yàn)證了建模的正確性。

3仿真與分析

AMESim可建立多學(xué)科的系統(tǒng)模型，并進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析，同時(shí)可研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性[9]。文中借助AMESim軟件模擬換擋過(guò)程，并分析了仿真結(jié)果。車輛的換擋過(guò)程十分復(fù)雜，不僅換擋情況多種多樣，而且影響換擋品質(zhì)的參數(shù)也很多，如發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)開(kāi)度和轉(zhuǎn)速，車速和坡道阻力等[1013]。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)開(kāi)度和車速是最主要的兩個(gè)參數(shù)，也是目前汽車確定檔位的兩個(gè)基本換擋參數(shù)[14]。本次仿真是在半油門(mén)開(kāi)度及中高車速情況下進(jìn)行，所采用的方法是混合動(dòng)力汽車換擋規(guī)律，換擋時(shí)刻，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速作為換擋初始時(shí)刻參數(shù)。

3.12擋升3擋

2擋換3擋過(guò)程中，C4脫離，C2結(jié)合，C1保持二擋時(shí)結(jié)合狀態(tài)不變。根據(jù)混合動(dòng)力汽車換擋規(guī)律，標(biāo)定2擋升3擋換擋時(shí)刻，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 046 r/min，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 739 r/min，車速為139 m/s。

將以上換擋時(shí)刻的數(shù)據(jù)輸入模型，2擋升3擋時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速如圖3所示。將整個(gè)換擋仿真過(guò)程分為4個(gè)階段，其中02～03 s為低擋轉(zhuǎn)矩相，發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器處于接合狀態(tài)；03～06 s為檔位切換階段，發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器處于分離狀態(tài)；06～11 s為慣性矩，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，離合器狀態(tài)受扭矩控制，且離合器轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)由從動(dòng)至與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速同步；11～12 s為高擋轉(zhuǎn)矩相。整個(gè)換擋過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化較為平緩，轉(zhuǎn)速最高約為2 070 r/min，而換擋結(jié)束時(shí)刻，轉(zhuǎn)速約為1 780 r/min，換擋過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化最大值為290 r/min。

2擋升3擋時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器搭接過(guò)程狀態(tài)如圖4所示。圖4中，虛線y_1表示離合器搭接的控制信號(hào)，實(shí)線y_2表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，點(diǎn)畫(huà)線y_3表示離合器端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)速。在03 s的點(diǎn)C處，發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器完全脫離，在11 s的D點(diǎn)處，完全同步，整個(gè)搭接過(guò)程無(wú)較大沖擊，表明對(duì)換擋過(guò)程的控制較好[1519]。

2擋升3擋時(shí)，車速、加速度曲線及系統(tǒng)輸出扭矩如圖5所示。圖5中，點(diǎn)畫(huà)線y_1為車速變化，虛線y_2為加速度變化，實(shí)線y_3為系統(tǒng)輸出扭矩變化。換擋過(guò)程中，輸出扭矩最低點(diǎn)H（07，1099），最高點(diǎn)J（10，1639），輸出扭矩變化最大值為54 N·m，2擋升3擋的沖擊度[10]如圖6所示，最大值點(diǎn)位于（105，768），最大沖擊度在合理范圍內(nèi)，說(shuō)明升擋過(guò)程中對(duì)沖擊的控制效果較好，換擋品質(zhì)較好。另外，由圖5可知，汽車全程一直在加速，說(shuō)明換擋全程實(shí)現(xiàn)了無(wú)動(dòng)力中斷。

3.24擋降3擋

4擋降3擋的過(guò)程中，C3脫離，C2結(jié)合，C1保持4擋時(shí)的結(jié)合狀態(tài)不變。根據(jù)換擋規(guī)律標(biāo)定，4擋降3擋換擋時(shí)刻，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 100 r/min，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4 250 r/min，車速為217 m/s。將數(shù)據(jù)輸入模型，運(yùn)行模型得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速如圖7所示。將整個(gè)換擋仿真過(guò)程分為4個(gè)階段。其中，02～03 s為高擋轉(zhuǎn)矩相，發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器處于接合狀態(tài)；03～06 s為檔位切換階段，發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器處于分離狀態(tài)；06～09 s為慣性相，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升

高，離合器狀態(tài)受扭矩控制，且離合器轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)由從動(dòng)至與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速同步；09～10 s為低擋轉(zhuǎn)矩相。由圖7可以看出，換擋過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化平緩，換擋過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速2 092 r/min，最高轉(zhuǎn)速為2 678 r/min，轉(zhuǎn)速變化最大值為586 r/min。

當(dāng)4擋降3擋時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器搭接狀態(tài)如圖8所示。圖中，虛線y_1為離合器搭接控制，實(shí)線y_2為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，點(diǎn)畫(huà)線y_3為離合器端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)速。由圖8可以看出，搭接過(guò)程平緩，無(wú)較大沖擊，表明降擋過(guò)程中通過(guò)離合器的控制、發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出扭矩的合理分配，實(shí)現(xiàn)了對(duì)換擋過(guò)程的控制，換擋品質(zhì)較好。

當(dāng)4擋降3擋時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的扭矩輸出如圖9所示。在換擋之前的0～02 s，汽車在4擋，即超速擋行駛，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)為主動(dòng)力源，電動(dòng)機(jī)為輔助動(dòng)力源；在02～03 s時(shí)，離合器開(kāi)始分離，發(fā)動(dòng)機(jī)在01 s內(nèi)輸出扭矩降為零，電動(dòng)機(jī)輸出扭矩迅速增大；在03～06 s內(nèi)，電動(dòng)機(jī)成為汽車唯一動(dòng)力源，這段時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器分離是為了保證換擋結(jié)合元件平順結(jié)合；在06 s之后，離合器開(kāi)始搭接，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升的同時(shí)輸出扭矩逐漸增大，成為汽車主動(dòng)力源，電動(dòng)機(jī)扭矩同步開(kāi)始變小到一定值并保持，成為汽車輔助驅(qū)動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)輸出扭矩的交替變化以及離合器搭接的控制，保證了降擋過(guò)程中動(dòng)力無(wú)中斷，且控制換擋沖擊在合理范圍內(nèi)，從而提升車輛的換擋品質(zhì)。

當(dāng)4擋降3擋時(shí)，車速、加速度及系統(tǒng)輸出扭矩如圖10所示。圖10中，點(diǎn)畫(huà)線y_1為車速，實(shí)線y_2為汽車加速度，虛線y_3為混合動(dòng)力系統(tǒng)輸出扭矩。降擋過(guò)程中，系統(tǒng)輸出扭矩最大值點(diǎn)為e（06，11561），最小值點(diǎn)為g（08，6153），可得4擋降3擋過(guò)程中系統(tǒng)輸出扭矩變化最大值為5408 N·m；由圖10還可以看出，車輛一直處于加速狀態(tài)，說(shuō)明混合動(dòng)力系統(tǒng)在本次降擋過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力無(wú)中斷。4擋降3擋的沖擊度如圖11所示，最大值點(diǎn)出現(xiàn)在（08，536），最大沖擊度也在合理范圍內(nèi)，說(shuō)明降擋過(guò)程中對(duì)沖擊的控制較好，換擋品質(zhì)較好。

4結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了新型行星齒輪插電式并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，并根據(jù)新型混合動(dòng)力系統(tǒng)的原理圖建立了AMESim仿真模型，并驗(yàn)證了所建模型的正確性。對(duì)1組升擋和1組降擋的換擋過(guò)程進(jìn)行仿真，主要分析了換擋過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器的搭接過(guò)程及輸出扭矩，并計(jì)算得到換擋沖擊度。換擋過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化較為平緩，發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器搭接過(guò)程平滑，最大換擋沖擊度在合理范圍內(nèi)，分析結(jié)果表明，該新型混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)換擋沖擊的控制取得良好效果，換擋品質(zhì)較好，同時(shí)整個(gè)換擋過(guò)程實(shí)現(xiàn)了無(wú)動(dòng)力中斷。

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