基于Simulink 的自動變速器仿真

鄒濤

摘要：本文主要介紹了采用Simulink工具搭建濕式雙離合變速器的仿真環(huán)境。自動變速器包含離合器和軸系以及撥叉執(zhí)行機構模型。利用離合器的拔叉原理，結合電磁閥臺架數(shù)據(jù)，采用定步長算法進行建模。模型能夠準確地根據(jù)電磁閥電流執(zhí)行相應的動作，仿真結果和標定數(shù)據(jù)一致。同時，此模型能夠在硬件在環(huán)模型上共用，保證了測試鏈中模型的統(tǒng)一。

關鍵詞：撥叉流量閥;撥叉壓力閥;拔叉位移;定排銷

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A

自動變速器的換擋執(zhí)行由軟件控制，然而軟件設計中會存在很多缺陷，所以在軟件發(fā)布之前需要進行大量的測試以減少軟件存在的缺陷，以提高軟件的可靠性。7速濕式雙離合變速器能提供平穩(wěn)的扭矩，可以實現(xiàn)更加平順的換擋，更小的體積，更低的生產(chǎn)成本。因此，7速濕式雙離合變速器有很廣闊的市場前景。

在7速濕式雙離合變速器軟件控制的研發(fā)過程中，需要進行大量的軟件測試和系統(tǒng)集成測試。因此，好的測試環(huán)境對軟件的開發(fā)起到至關重要的作用。測試軟件的方法有模型在環(huán)測試（MIL）和硬件在環(huán)測試（HIL）。軟件測試最重要的是提供整車仿真環(huán)境，整車仿真環(huán)境的精度越高，對軟件開發(fā)就越有利。模型在環(huán)測試環(huán)境可以用于軟件在環(huán)和硬件在環(huán)。硬件在環(huán)測試可以采用模型在環(huán)的整車環(huán)境，同時將ECU控制器、執(zhí)行器和傳感器集成到測試回路中，提高了測試的真實性。

在軟件測試環(huán)境開發(fā)過程中，開發(fā)出了和實車標定環(huán)境類似的軟件測試環(huán)境。此環(huán)境不但可以在軟件策略工程師的個人電腦上運行仿真模擬整車工況，同時還可以為硬件在環(huán)系統(tǒng)提供測試環(huán)境。本文主要介紹整車測試環(huán)境中離合器和撥叉執(zhí)行機構的建模，綜合考慮物理建模、數(shù)學建模和算法的實際應用。自動變速器的仿真能夠還原臺架變速器動作時序，能有效提高軟件開發(fā)質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，提高開發(fā)效率，降低實驗成本。

1撥叉建模需要考慮的因素

1.1撥叉執(zhí)行機構的液壓原理和機械結構

只有掌握了模型的機械結構和撥叉的動作原理才能進一步建立數(shù)學模型，通過Simulink工具建立仿真模型。自動變速器在需要換擋時，首先由變速器控制單元發(fā)出換擋指令，然后此換擋指令轉(zhuǎn)換成電磁閥的控制，電磁閥控制液壓系統(tǒng)的執(zhí)行，壓力系統(tǒng)提供動力完成撥叉的動作。因此建模之初，首先要明確電磁閥控制與撥叉動作的對應關系（液壓原理），其次要明確撥叉與擋位的對應關系。撥叉動作采用6個電磁閥實現(xiàn)4個撥叉的動作，其中2個壓力閥提供壓力給4個撥叉，每個撥叉配有1個流量閥控制撥叉的速度。壓力閥的特性仿真可以采用供應商提供的電流和壓力關系來進行。

1.2撥叉機構的速比關系

撥叉機構的速比關系即各個擋位的速比，撥叉機構不僅需要提供撥叉的位置，還需要提供撥叉在結合時的扭矩。撥叉機構在轉(zhuǎn)速同步前會產(chǎn)生同步力矩使轉(zhuǎn)速同步，而轉(zhuǎn)速何時同步需要考慮車輪轉(zhuǎn)速與離合器轉(zhuǎn)速的關系。速比主要有兩級傳遞，一級是離合器輸入軸與從動軸的速比關系，一級是從動軸和主減速器的傳遞關系。確定好速比關系，將速比以參數(shù)化的形式在MATLAB文件中進行定義。采用這種方式不但利于模型平臺化的應用，還有利于管理變速器參數(shù)，利于采用故障注入的方式驗證軟件邏輯。

1.3撥叉機構的電磁閥特性

撥叉機構的電磁閥有2種：一種是撥叉壓力電磁閥，主要提供撥叉動作過程中的壓力;另外一種是撥叉流量電磁閥，主要控制撥叉的移動速度。2個電磁閥的結合使撥叉控制簡單快捷，2個電磁閥的特性分別是：壓力閥為電流對應壓力的關系;流量閥為電流對應流量的關系。

2撥叉執(zhí)行機構建模

2.1壓力閥的仿真

壓力閥的仿真采用供應商提供的電磁閥特性，同時由于壓力閥的壓力來源為液壓系統(tǒng)的主油壓，所以根據(jù)電流得到壓力之后還需要和主油路油壓進行比較，二者取小為壓力閥的最終輸出。電磁閥中的線圈屬于電氣中的記憶原件，所以電流的響應有遲滯性，在電磁閥電流接入后需要加入1個Transfer模塊。

2.2流量閥的仿真

流量閥用來控制撥叉移動的快慢。流量閥的控制主要分為3種不同的狀態(tài)：第一，正常情況下，給出流量閥電流，得到流量，同時流量的大小會受到孔口兩端壓力差的影響;第二，當撥叉在終點位置時，認為孔口兩端壓力差為0，如果此時想退掉撥叉，那么模型會檢測流量的方向，同時給計算壓力1個周期的0值，這樣壓力差就不會為0，撥叉就可以動作;第三，流量閥有流量，但是壓力閥沒有壓力的情況，此種情況下?lián)懿鎽撝饕艿蕉ㄅ配N的阻力作用，其流量的大小取決于阻力的大小。

2.3撥叉位移的仿真

撥叉的位置可以根據(jù)油缸中的流量得到液壓油流動的速度，然后對速度進行積分得到。同時，撥叉的位置還會考慮到同步點的限制。當撥叉到達同步點，但轉(zhuǎn)速還沒有同步之前，撥叉位置會限制在同步點，只有轉(zhuǎn)速同步后，撥叉才可以繼續(xù)移動。撥叉的位置還有最終位置的限制。

2.4撥叉同步過程仿真

撥叉的同步過程分4個階段：第一個階段是從中位到同步位置的移動過程;第二個階段是同步階段，到達同步點后，進入同步位置，模型提供同步力矩;第三個階段是從同步階段到終點的移動過程;第四個階段是終點位置。第三個和第四個階段變速器輸出軸的轉(zhuǎn)速和當前撥叉所在的速比的乘積等于輸入軸的轉(zhuǎn)速。

2.5撥叉阻力仿真

撥叉阻力來源于2個方面：一個是變速器殼體上定排銷產(chǎn)生的力，它隨著撥叉的位置發(fā)生變化;另外一個是撥叉在運動過程中由于速度和加速度產(chǎn)生的阻力和慣性。這2個力是計算流量壓力差中活塞壓力的一項，而壓力差的入口壓力是電磁閥的特性值。

2.6撥叉同步力矩仿真

撥叉在同步點會產(chǎn)生同步力矩，同步力矩的計算根據(jù)下述公式（1）得到。

3變速器轉(zhuǎn)速仿真

3.1離合器轉(zhuǎn)速仿真

離合器轉(zhuǎn)速分為2部分，離合器主動盤的轉(zhuǎn)速和離合器從動盤的轉(zhuǎn)速。離合器的主動盤通過雙質(zhì)量飛輪和發(fā)動機相連接。由于雙質(zhì)量飛輪近似一個剛性連接，所以離合器主動盤的轉(zhuǎn)速可以近似為發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。發(fā)動機轉(zhuǎn)速根據(jù)離合器是否閉合分為3種情況。

3.2離合器扭矩計算

計算離合器轉(zhuǎn)速需要知道離合器傳遞的扭矩，根據(jù)離合器的物理模型進行數(shù)學建模。離合器的扭矩是離合器摩擦片的正壓力、摩擦系數(shù)、摩擦片個數(shù)與離合器摩擦片有效半徑的乘積。離合器是通過控制2個電磁閥來實現(xiàn)，1個電磁閥控制1個離合器，電磁閥的電流和壓力基本呈現(xiàn)線性關系。仿真過程中，同樣采用臺架參數(shù)表示離合器壓力和電流的關系。

3.3離合器狀態(tài)計算

離合器狀態(tài)有3種情況：奇數(shù)離合器閉合;偶數(shù)離合器閉合;奇數(shù)離合器和偶數(shù)離合器均不閉合。當離合器傳遞的扭矩大于發(fā)動機的扭矩，同時二者的轉(zhuǎn)速差小于30r/min時，認為離合器閉合，否則認為離合器打開。

3.3.1離合器轉(zhuǎn)速計算

在離合器閉合的情況下，離合器主動盤和所閉合的從動盤轉(zhuǎn)速相同。例如，奇數(shù)離合器結合，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速等于輪速和當前擋位速比的乘積。在離合器打開的情況下，離合器的轉(zhuǎn)速等于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速減去離合器1的扭矩，再減去離合器2的扭矩，然后除以離合器主動盤所在軸系的轉(zhuǎn)動慣量。公式（2）為其計算方式。

其中we為離合器角速度，Te為發(fā)動機扭矩，Tc1為離合器1的扭矩，Tc2為離合器2的扭矩，分母為離合器輸入端的轉(zhuǎn)動慣量。sgn（x）的含義為：若x中的數(shù)值為負值則取-1;若為正，則取1。

3.3.2輸入軸轉(zhuǎn)速計算

輸入軸的轉(zhuǎn)速計算分2種情況：一種是撥叉在位的情況;另外一種是撥叉不在位的情況。當撥叉在位時，輸入軸的轉(zhuǎn)速和輸出軸的轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)當前撥叉的速比關系。當撥叉不在位時，輸入軸的轉(zhuǎn)速受到離合器扭矩、撥叉同步力矩和運動阻力矩的影響。通過力矩除以轉(zhuǎn)動慣量得到轉(zhuǎn)動變化量，然后積分得到選中角速度。

3.3.3輸出軸轉(zhuǎn)速計算

輸出軸的轉(zhuǎn)速計算是將整個動力系統(tǒng)傳遞的扭矩和整車負載扭矩做差，然后除以整車轉(zhuǎn)動慣量。車輛的負載扭矩包含制動扭矩、風阻、坡道阻力和滾動阻力。

4自動變速器仿真結果

將撥叉執(zhí)行機構模型和轉(zhuǎn)速仿真模型放到測試環(huán)境中進行仿真，模型在環(huán)的仿真結果如圖1所示。圖中第1個信號是加速踏板信號，隨著駕駛員踩下加速踏板，車速不斷增加，變速器的撥叉動作依次執(zhí)行，發(fā)動機和變速器輸入軸的轉(zhuǎn)速都和現(xiàn)實工況基本一致。

如圖2所示為標定車采集到的數(shù)據(jù)，圖中綠色線框表示撥叉移動的結果。模型仿真的結果和標定車采集的數(shù)據(jù)對比顯示，模型可以很好體現(xiàn)撥叉執(zhí)行機構的運動過程和轉(zhuǎn)速的變化過程。

5結束語

本文主要介紹了如何利用Simulink工具搭建自動變速器仿真模型，此模型不但可以在模型在環(huán)中仿真撥叉的工作和離合器工作過程，還可以用于硬件在環(huán)測試。撥叉、離合器扭矩、離合器轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速，是自動變速器軟件控制的核心內(nèi)容，通過仿真環(huán)境開發(fā)工程師可以在開發(fā)階段驗證客戶需求是否能夠滿足，并實時發(fā)現(xiàn)軟件存在的缺陷。同時，自動變速器的仿真能縮短了軟件開發(fā)周期，提高了軟件開發(fā)效率，保證軟件開發(fā)質(zhì)量。