基于ADAMS和MATLAB的電動汽車兩檔變速器的聯合仿真

孫 駿，張海寧

（合肥工業大學 機械工程學院，合肥 230009）

基于ADAMS和MATLAB的電動汽車兩檔變速器的聯合仿真

孫 駿，張海寧

（合肥工業大學 機械工程學院，合肥 230009）

本文通過對某電動汽車兩檔變速器的動力系統在ADAMS中建立虛擬樣機，將此模型導入MATLAB/Simulink模塊里進行聯合仿真，對汽車的加速性能進行了研究。仿真結果表明，ADAMS虛擬樣機模型基本與實際情況相符，可為變速器的設計提供依據。聯合仿真的方法也能大大縮短變速器設計周期和減低設計成本，提高產品的競爭力。

變速器；虛擬樣機模型；聯合仿真

1 前言

ADAMS，即機械系統動力學自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發的虛擬樣機分析軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析。在汽車變速器動力系統設計中，根據變速器的結構特性在ADAMS/View模塊中搭建三維模型，通過添加各種約束限制構建之間的相對運動，建立變速器的動力學虛擬樣機模型。

利用MATLAB/Simulink模塊組建電動汽車整車簡化模型，通過對該模型仿真，觀察變速器的運動規律及整車的動力性能，并結合繪制的速度曲線對仿真結果進行分析，進一步解決仿真過程中出現的問題。

2 ADAMS動力學虛擬樣機模型的建立

某電動汽車兩檔變速器示意圖如圖1所示。

根據上圖所示，利用UG進行三維建模，將三維模型導入ADAMS建立如圖2所示的變速器ADAMS動力學虛擬樣機模型，并添加約束，設置輸入輸出變量，再生成adams_sub。

3 簡化整車模型的建立

3.1 簡化電機模型

電機模型復雜，由于條件限制，本文對電機模型進行了適當簡化。由于電機的特性曲線是根據電機臺架試驗的試驗數據，經過適當處理所得，表征電機運行狀態及運行性能。電機的特性曲線是電機轉速和輸出轉矩的函數，本文采用電機特性曲線建立look—up圖，電機的模型如圖3。

3.2 車輛行駛動力學簡化模型

建立汽車的動力學簡化模型，就是確定汽車沿著行駛方向的運動狀況。為此需要掌握沿汽車行駛方向作用于汽車的各種外力，即驅動力與行駛阻力。根據這些力的平衡關系建立汽車行駛方程式，就可以估算汽車的速度和加速度。

汽車驅動力方程為：

式中：Ttq為電機輸出轉矩，N.m；ig為變速器的傳動比；iO為 主減速器的傳動比；ηT為傳動系的機械效率；R為車輪半徑，m。汽車在水平道路上行駛時，必須克服來自地面的滾動阻力和來自空氣的空氣阻力。當汽車在坡道上上坡行駛時，還必須克服重力沿坡道的分力，稱為坡道阻力。汽車加速行駛時還要克服加速阻力。因此汽車行駛總阻力為：

滾動阻力的計算公式為：

在良好的路面上轎車輪胎的滾動阻力系數可以用下面的經驗公式估算出來：

空氣阻力的計算公式為：

式中：CD為空氣阻力系數；A為汽車的迎風面積，m2。坡道阻力的計算公式為：

加速阻力的計算公式為：

式中：δ為旋轉質量慣性力偶矩后的汽車旋轉質量換算系數，主要與飛輪的轉動慣量、車輪的轉動慣量以及傳動系的傳動比有關系，考慮到由于旋轉組件角動量等效質量的增加，轎車可按照以下經驗公式計算δ：

本文建立的車輛行駛動力學簡化模型如圖4所示。

3.3 簡化整車模型

將上面所建立的電機模型、ADAMS動力學虛擬樣機生成的adams_sub模型、車輛行駛動力學模型連接起來，形成簡化整車模型如圖5所示。

4 聯合仿真及結果分析

利用上面建立的簡化整車模型，設置仿真參數對上述模型進行運動學仿真。在聯合仿真過程中，應該使Simulink的仿真步長一致，否則會導致仿真失敗，這里同時設為1 ms。

4.1 直線加速性能對比

加速性能仿真，仿真時間20 s，取加速踏板信號為1，仿真結果如圖6。

表1 不同檔位傳動比情況

如圖6所示，裝配兩檔變速器的汽車在加速踏板信號為1的情況下，汽車全力加速至60 km/ h用時9.8秒，而采用固定速比傳動系統整車0~60 km/h加速時間為12.2 s，可見采用兩檔變速器汽車加速性能有明顯提升；汽車在車速30 km/h由一檔換入二檔，換擋時間約為0.5 s，速度稍有降低是因為換擋過程中動力中斷的原因。根據圖7所示輸出軸轉速，以及輸入軸轉速可以計算出所建立的ADAMS變速器模型在兩個檔位下的傳動比，表1是ADAMS變速器模型的傳動比與實際檔位傳動比的對比。由表1中數值可看出差值很小，這說明ADAMS模型是比較準確的。

4.2 換擋時刻對加速性能的影響

車輛保持最佳動力性換擋原理如圖8所示。曲線BAB和CAC分別是變速器一檔和二檔的牽引力特性曲線，A點為兩檔牽引力曲線的交點，由圖可以看出在這點兩檔對應車速和牽引力都相等。由此可見，在A點出換擋牽引力波動最小，換擋沖擊最小，車輛加速波動最小，汽車的加速性能最好，A點為最佳換擋點。

分別設置換擋點為VA、VB、VC進行仿真，仿真結果如圖9所示。換擋點在VA時汽車加速至60 km/h用時9.8 s，換擋點在VB時汽車加速至60 km/h用時10.4 s，換擋點在Vc時汽車加速至60 km/h用時11.2 s。可見，在最佳換擋點VA換擋有利于提高汽車加速性能。

5 結論

采用兩檔變速器取代常用的固定速比傳動系統后，整車的動力性能以及整車的運行效率有明顯改善，并且降低了對電動機的要求。此外，本文利用ADAMS和MATLAB軟件成功地對某電動汽車兩檔變速器動力系統進行了聯合仿真分析，仿真結果表明，ADAMS虛擬樣機模型基本與實際情況相符，提供了一種綜合性的設計分析方法。對變速器虛擬樣機模型、電機模型和車輛行駛力學模型進行獨立的設計、調試和聯合仿真，如果發現問題回到各自的模型中修改，然后再聯合仿真，而且通過ADAMS軟件建立的虛擬樣機模型接近實際的物理模型，通過MATLAB軟件加以分析計算，這為以后的物理樣機試驗提供了非常可靠地依據，大大提高了設計效率，縮短了開發周期，降低了開發產品的成本，獲得了優化的系統整體性能。

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專家推薦

鄧祖國：

本文利用ADAMS和MATLAB軟件成功地對某電動汽車兩檔變速器動力系統進行了聯合仿真分析，仿真結果表明，ADAMS虛擬樣機模型基本與實際情況相符,提供了一種綜合性的設計分析方法。

Co-simulation of Two Speed Transmission Virtual Prototype Base on ADAMS and MATLAB

SUN Jun, ZHANG Hai-ning
（School of Mechanical and Vehicle Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China）

A virtual prototype model about one transmission dynamic system was established by using ADAMS/View, then the model was imported to MATLAB and co-simulation was completed in MATLAB/Simulink and the acceleration of vehicle performance is studied.The simulation results showed that the ADAMS virtual prototype model of transmission was in accord with real situation and provided the basis for the design of the transmission.And the co-simulation of transmission greatly shortened the product cycle and reduced the cost and improved the competitiveness of the product.

transmission; virtual prototype model; co-simulation

U461.2

A

1005-2550（2014）05-0012-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2014.05.003

2014-03-10

項目名稱：奇瑞A01純電驅動量產車型開發與產業化技術；國家863計劃資助項目（項目編號：2013BAG08B00）。