特種車輛傳動(dòng)產(chǎn)品系統(tǒng)建模與仿真分析

張 磊， 馬 濤， 楊羲昊， 班永華， 陳 瑋， 武榮國， 高培軍

（特種車輛及其傳動(dòng)系統(tǒng)智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引言

在制造業(yè)數(shù)字化及信息化發(fā)展過程中， 更多關(guān)注于以數(shù)據(jù)為核心的信息集成， 對于復(fù)雜產(chǎn)品制造過程協(xié)同仿真分析研究較少， 不能有效支撐復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)仿真過程中數(shù)據(jù)、模型、知識、資源及過程的統(tǒng)一管理[1]。 隨著當(dāng)前對復(fù)雜產(chǎn)品開展系統(tǒng)建模及仿真的需求越來越強(qiáng)烈，亟需圍繞復(fù)雜產(chǎn)品開展建模、多學(xué)科仿真、分析、優(yōu)化一體化研究[2]。

當(dāng)前， 特種車輛復(fù)雜傳動(dòng)產(chǎn)品制造過程通過仿真手段實(shí)現(xiàn)了參數(shù)優(yōu)化， 但是缺少基于系統(tǒng)工程的理論對產(chǎn)品性能進(jìn)行多學(xué)科仿真優(yōu)化， 通常需要進(jìn)行大量的物理試驗(yàn)驗(yàn)證，才能實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品性能優(yōu)化，導(dǎo)致產(chǎn)品制造成本高、周期長，究其原因是缺少系統(tǒng)建模與仿真分析數(shù)字孿生技術(shù)的支撐[2]。 數(shù)字孿生技術(shù)可以將工藝數(shù)據(jù)、產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)與產(chǎn)品模型集成在一起， 在統(tǒng)一平臺(tái)進(jìn)行仿真分析，不但可以提前預(yù)測故障并分析產(chǎn)品可靠性，而且能夠?qū)﹃P(guān)鍵零件尺寸、裝配工藝進(jìn)行優(yōu)化，將現(xiàn)實(shí)中的數(shù)據(jù)和結(jié)果與虛擬的產(chǎn)品系統(tǒng)模型進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)建模、仿真分析、優(yōu)化制造的閉環(huán)控制[3-7]。

本文以典型傳動(dòng)產(chǎn)品為對象， 開展傳動(dòng)系統(tǒng)建模仿真分析技術(shù)研究與應(yīng)用，通過研究表明，在制造環(huán)節(jié)以系統(tǒng)模型代替物理模型、 以虛擬試驗(yàn)部分代替物理試驗(yàn)進(jìn)行關(guān)鍵尺寸參數(shù)優(yōu)化具有可行性， 為基于數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行裝配工藝分析與優(yōu)化提供了方法。

1 系統(tǒng)模型構(gòu)建

1.1 變速器模型構(gòu)建

為了得到帶有扭振減振器和鎖止離合器的變矩器模型，進(jìn)行了一定的設(shè)定，便于得到與物理模型一致性較高的模型，具體如下：

通過扭矩比、容量系數(shù)/主扭矩系數(shù)的映射模型創(chuàng)建基于速比函數(shù)的扭矩轉(zhuǎn)換器， 忽略轉(zhuǎn)換器中的流體質(zhì)量動(dòng)態(tài)特性；鎖止離合器作為摩擦元件，只考慮驅(qū)動(dòng)力或等效量、速度，對滑移控制方法的影響；基于信號的制動(dòng)器特性模型進(jìn)行簡化，只考慮動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；擺式減振器等扭轉(zhuǎn)阻尼器包括彈性或摩擦力滯后特性[8-10]。

通過定義變矩器相關(guān)參數(shù)模擬實(shí)際變矩器的動(dòng)態(tài)特性，以及考慮離合器的相關(guān)特性，通過定義相關(guān)參數(shù)，創(chuàng)建了離合器模型， 并創(chuàng)建了帶有扭振減振器和鎖止離合器的變矩器模型。

1.2 變速器外部的傳動(dòng)系統(tǒng)模型構(gòu)建

為了得到變速器外部的傳動(dòng)系統(tǒng)模型，進(jìn)行了一定的設(shè)定，便于得到與物理模型一致性較高的模型，具體如下：

僅考慮慣量創(chuàng)建帶剛性曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)模型； 輸入了相關(guān)壓力激勵(lì)，壓力隨角度變化，取決于扭矩需求或等效控制參數(shù)；創(chuàng)建了動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型；假設(shè)為理想的表面接觸，即無滑動(dòng)；考慮車輛質(zhì)量、負(fù)載的驅(qū)動(dòng)阻力、由摩擦制動(dòng)器提供制動(dòng)扭矩。

創(chuàng)建了變速器外部傳動(dòng)系統(tǒng)模型， 考慮包括帶剛性曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)模型、相關(guān)激勵(lì)、軸、車質(zhì)量、負(fù)載驅(qū)動(dòng)阻力、摩擦制動(dòng)等，建立起帶有發(fā)動(dòng)機(jī)變速器、變矩器和車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)模型，見圖1。

圖1 包含變速器外部傳動(dòng)系統(tǒng)各部件模型

1.3 液壓系統(tǒng)模型構(gòu)建

建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的簡化執(zhí)行器模型， 實(shí)現(xiàn)將轉(zhuǎn)向指令轉(zhuǎn)換為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械動(dòng)作， 即在轉(zhuǎn)向執(zhí)行器上預(yù)設(shè)的扭矩或角度；創(chuàng)建基于MAP 圖的變速箱輸出端液力耦合器模型；建立的液壓系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了基于MAP 圖的變速箱輸出端液力耦合器模型。

1.4 控制系統(tǒng)模型構(gòu)建

為了得到控制系統(tǒng)模型，進(jìn)行了一定的設(shè)定，便于得到與物理模型一致性較高的模型。

變速箱控制器實(shí)現(xiàn)根據(jù)升檔和降檔圖在駕駛情況下?lián)Q擋； 根據(jù)鎖定標(biāo)準(zhǔn)或鎖定圖映射控制變矩器鎖止離合器；駕駛員模型能夠執(zhí)行指定的駕駛動(dòng)作輔助分析，車輛速度根據(jù)設(shè)定隨時(shí)間或位置變化； 駕駛員模型能夠通過改變扭矩來操縱發(fā)動(dòng)機(jī)和制動(dòng)器， 以實(shí)現(xiàn)特定的駕駛工況；通過扭矩需求定義，沒有專用的發(fā)動(dòng)機(jī)或制動(dòng)控制系統(tǒng)；通過建立控制系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)變速箱的升檔和降檔邏輯控制，可以模擬駕駛?cè)藛T的升降檔過程。根據(jù)鎖定標(biāo)準(zhǔn)或鎖定圖映射控制變矩器鎖止離合器； 能夠執(zhí)行指定的駕駛動(dòng)作輔助分析， 車輛速度根據(jù)設(shè)定隨時(shí)間或位置變化；模型能夠通過改變扭矩來操縱發(fā)動(dòng)機(jī)和制動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)特定的駕駛工況；通過扭矩需求定義，沒有專用的發(fā)動(dòng)機(jī)或制動(dòng)控制系統(tǒng)；組建了整個(gè)系統(tǒng)模型；建立了駕駛員模型、變速箱控制器模型和整體模型，見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)模型

2 系統(tǒng)可靠性分析

在建立系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上， 添加系統(tǒng)故障模型，并依靠系統(tǒng)模型、故障模型進(jìn)行相關(guān)分析。 利用建立的系統(tǒng)模型， 并應(yīng)用SimulationX的SRA 庫的組件， 將傳動(dòng)軸的幾何參數(shù)公差和機(jī)械連接中抽象的附加摩擦添加到標(biāo)準(zhǔn)模型，建立傳動(dòng)系統(tǒng)故障模型，模擬由于公差帶來的故障影響分析。 利用SRA 庫建立起的傳動(dòng)系統(tǒng)故障模型對幾何誤差及裝配誤差對系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了可靠性分析，見圖3 和圖4。

圖3 傳動(dòng)系統(tǒng)故障模型

圖4 傳動(dòng)系統(tǒng)故障模型分析

利用SRA 故障庫，在前面建立傳動(dòng)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行添加故障，構(gòu)建起傳動(dòng)系統(tǒng)故障模型，利用SRAAdd In 對相關(guān)故障進(jìn)行分析， 將傳動(dòng)軸的幾何參數(shù)公差和機(jī)械連接中抽象的附加摩擦注入標(biāo)準(zhǔn)模型， 模擬由于公差而產(chǎn)生的故障影響，從而實(shí)現(xiàn)基于系統(tǒng)模型、故障模型的系統(tǒng)可靠性分析。

3 基于模型的模擬及驗(yàn)證

對建立的傳動(dòng)系統(tǒng)模型，通過模擬系統(tǒng)的相關(guān)行為，進(jìn)行合理性模擬及驗(yàn)證，具體如下：

基于完整的加速和減速方案配置了整個(gè)系統(tǒng)模型，完成從靜止到最高速度到靜止的模擬驗(yàn)證； 模擬和驗(yàn)證傳動(dòng)系統(tǒng)模型的所有行為，并對結(jié)果進(jìn)行了記錄；在建立了所有模型基礎(chǔ)上形成了具有嵌入式仿真結(jié)果的驗(yàn)證模型，完成了合理性驗(yàn)證并記錄了驗(yàn)證結(jié)果。本文著重對空載試驗(yàn)和效率試驗(yàn)進(jìn)行了基于系統(tǒng)模型和故障模型的空載試驗(yàn)和效率試驗(yàn)，見圖5～圖7。

圖5 傳動(dòng)系統(tǒng)空載模型

圖6 傳動(dòng)系統(tǒng)空載試驗(yàn)

圖7 傳動(dòng)系統(tǒng)效率試驗(yàn)

基于完整的加速和減速方案配置了整個(gè)系統(tǒng)模型，完成從靜止—最高速度—靜止的模擬驗(yàn)證； 模擬和驗(yàn)證了傳動(dòng)系統(tǒng)模型的所有行為，并對結(jié)果進(jìn)行了記錄；在建立了所有模型的基礎(chǔ)上形成了具有嵌入式仿真結(jié)果的驗(yàn)證模型， 對空載工況及負(fù)載工況條件下完成了空載試驗(yàn)及負(fù)載效率試驗(yàn)， 對模型進(jìn)行了合理性驗(yàn)證并記錄了驗(yàn)證結(jié)果。

4 結(jié)束語

在制造環(huán)節(jié)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行故障及可靠性分析，實(shí)現(xiàn)裝配工藝優(yōu)化。 以系統(tǒng)模型代替物理模型，以虛擬試驗(yàn)部分代替物理試驗(yàn)，不但節(jié)省大量的制造成本，還可極大地縮短制造周期。 隨著物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的軟硬件的快速發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造中的常規(guī)手段，但就目前而言，在制造環(huán)節(jié)，利用系統(tǒng)模型進(jìn)行裝配工藝分析與優(yōu)化能夠滿足目前的需求，能夠解決工廠的實(shí)際問題，是一個(gè)很好的發(fā)展方向。