基于MATLAB車輛動力傳動系統(tǒng)建模與仿真研究

王 鐵 劉菲菲

(沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

0 引言

由于市場競爭激烈，在對車輛動力傳動系統(tǒng)的研究中，各廠商要在短時間內(nèi)開發(fā)出新的產(chǎn)品，就需要通過軟件建模仿真這樣的有效的途徑，既滿足用戶需求，同時可以給廠家贏得利益。車輛傳動系統(tǒng)的建模仿真對分析整個動力系統(tǒng)及相關(guān)子系統(tǒng)的行為非常有利，不僅能進(jìn)行不同設(shè)計方案的比較，還能夠更精確的理解各種換擋規(guī)律對車輛性能的影響[1]。

1 車輛動力傳動系動力學(xué)分析

動力傳動系統(tǒng)以變矩器為界可分為三個部分：發(fā)動機(jī)與變矩器泵輪固連的部分為前半部分；變矩器渦輪與變速器、傳動軸、主減速器、車輪共同組成后半部分；變矩器本身為一部分[2-4]。

1.1 傳動系前部分

對于由發(fā)動機(jī)與泵輪組成的前部分有式（1）、（2）的動力學(xué)方程，由于泵輪與發(fā)動機(jī)相連故發(fā)動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mi即為泵輪轉(zhuǎn)矩。

式中：ne——發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

Ieb——發(fā)動機(jī)和泵輪的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；

Ie——發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；Ib——泵輪轉(zhuǎn)動慣量；

Me——發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；Mi——發(fā)動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

1.2 傳動系后部分

對于動力傳動系后半部分，動力學(xué)方程如式(3)-(7)，由于渦輪與變速器相連，渦輪的輸出轉(zhuǎn)速nT為變速器的輸入轉(zhuǎn)速nin，渦輪的輸出轉(zhuǎn)矩MT為變速器的輸入轉(zhuǎn)矩Min。車輛的驅(qū)動力是由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系傳至車輪上得到的。車輪上的驅(qū)動力Ft和車速v由式 (3)-(4)得到。車輛動力學(xué)方程如式(7)，它反應(yīng)了車輛在行駛過程中所受到的各種阻力，并用來估算車輛的車速和加速度。這里，F(xiàn)f為滾動阻力，F(xiàn)w為空氣阻力，F(xiàn)i為坡度阻力，F(xiàn)j為加速阻力。本文設(shè)定的行駛條件是無風(fēng)天氣、正常道路。

式中：ig——變速箱傳動比；If——飛輪的轉(zhuǎn)動慣量；

Min、Mout——變速器輸入、輸出轉(zhuǎn)矩；

nin、nout——變速器輸入、輸出轉(zhuǎn)速。

Mr——作用于車輪上的轉(zhuǎn)矩；MT——渦輪轉(zhuǎn)矩；

ig——變速器傳動比；i0——主減速器傳動比；

ηT——傳動系效率；f——滾動阻力系數(shù)；

i——坡度的坡高與底的比值；G——作用于車上的重力，N；

CD——空氣阻力系數(shù)；A——迎風(fēng)面積，m2；

m——車輛質(zhì)量，kg；Iw——車輪的轉(zhuǎn)動慣量。

1.3 液力變矩器部分

根據(jù)公式(8)～(11)建立液力變矩器模型。由于發(fā)動機(jī)與液力變矩器共同工作時，發(fā)動機(jī)與泵輪相連，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速ne與泵輪的轉(zhuǎn)速nB相等，由上文所述nT與nin相等，所以確定轉(zhuǎn)速比i如式(8)。

式中：i——液力變矩器轉(zhuǎn)速比；nB——泵輪轉(zhuǎn)速；

nin——變速器輸入轉(zhuǎn)速；Mi——泵輪轉(zhuǎn)矩；

C——容量系數(shù)；K——變矩比。

2 車輛動力傳動系仿真模型及仿真結(jié)果

2.1 仿真模型

車輛動力傳動仿真系統(tǒng)如圖1，由駕駛員模型、發(fā)動機(jī)模型、液力變矩器模型、變速器模型、換擋規(guī)律模型、換擋邏輯模型和整車模型構(gòu)成。其中駕駛員模型是模仿駕駛員在行駛中，給定車輛行駛時的油門開度throttle和制動阻力矩Brake Torque。在模擬仿真時，以時間序列向量形式表示[6]。

圖1 車輛動力傳動系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

2.2 仿真結(jié)果

首先設(shè)置各模塊中的參數(shù)，以60%油門開度，零制動阻力距作為模型的輸出信號。在Simulink的Configuration Parameters中，設(shè)置的仿真時間為30s，采用變步長解法。為了驗證本文所制定的換擋規(guī)律是否合理以及建立的整車仿真模型是否正確，就所建立的整車模型在最佳動力性換擋規(guī)律下，檢驗車輛在平直路面上穩(wěn)定起步并連續(xù)換擋加速的性能。

圖2 仿真結(jié)果

由圖2(c)可以看出車輛以一擋起步，然后連續(xù)換擋直至最高擋。從圖2(b)、(c)可以看出車輛在最佳動力性換擋規(guī)律下行駛時，為了充分考慮車輛的加速性能，保證動力性，應(yīng)盡量保持在抵擋上行駛，當(dāng)車速相對較高時，再換入高擋。在換擋時發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速會發(fā)生突變，每個升擋點處，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速均下降，車速增加。

3 結(jié)論

從仿真結(jié)果來看，本文所建立的液力自動變速器整車動力傳動系統(tǒng)模型，在動力性換擋規(guī)律下，其換擋點與理論制定的動力性換擋規(guī)律中的換擋點基本一致，仿真結(jié)果符合實際情況，證明所建模型正確，可以達(dá)到仿真實驗?zāi)康摹?/p>

[1]朱耀文.選擇性輸出雙離合自動變速器傳動系統(tǒng)建模與換擋規(guī)律研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2012:24-26.

[2]張俊智，盧青春.AT汽車動力傳動系統(tǒng)動態(tài)工況模擬[J].汽車工程，2000,1(22):10-12.

[3]余志生.汽車?yán)碚揫M].5 版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[4]張友皇.4AT控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2009:9-10.

[5]梁艷紅.裝載機(jī)換擋規(guī)律研究及仿真[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2009:26-30.

[6]高佳明.電控機(jī)械式自動變速器換擋規(guī)律的研究與仿真[D].大連理工大學(xué)，2012:21-36.