基于SimulationX的車輛傳動系虛擬試驗臺

周志立，張嘉貞，徐立友,，郭志強

(1.河南科技大學 車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003；2.中國一拖集團有限公司 河南 洛陽 471004)

基于SimulationX的車輛傳動系虛擬試驗臺

周志立1，張嘉貞1，徐立友1,2，郭志強2

(1.河南科技大學 車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003；2.中國一拖集團有限公司 河南 洛陽 471004)

針對傳統車輛傳動系試驗臺造價高、搭建過程復雜以及開發周期長等問題，基于SimulationX開發了車輛傳動系虛擬試驗臺。以拖拉機液壓機械無級變速器為被試對象，結合拖拉機工作特性，建立了發動機及液壓機械無級傳動系統模型，設計了試驗臺虛擬測控系統。以H1段連續換入HM3段為例，在試驗臺上進行了仿真。對比結果表明：仿真結果和試驗結果一致，所給出的傳動系虛擬試驗臺方案可行，可為車輛傳動系開發與改進提供虛擬試驗平臺。

SimulationX；車輛傳動系；虛擬試驗臺

0 引言

液壓機械傳動是一類由液壓傳動和機械傳動復合的車輛動力傳動形式，通過液壓傳動實現無級變速，通過機械傳動實現高效率大功率輸出，在大功率拖拉機、工程車輛及軍用裝甲車輛上有良好的應用前景[1-3]。通過搭建試驗臺對液壓機械傳動系進行相關試驗，是其性能測試和改進的有效途徑，不僅能夠有效縮減研發成本，還可以大幅縮短研發周期。

目前，國內外在傳動系試驗臺的驅動控制、負載模擬和測控系統等方面做了相關研究，并取得了一定的成果。文獻[4]對液壓機械雙流傳動系進行了分析和優化改進。文獻[5]提出了一種汽車傳動試驗臺驅動部分的控制方案，可為傳動試驗臺架驅動部分的控制開發提供參考。文獻[6]分析了車輛傳動系試驗臺的功能與系統構成，并對試驗臺的信號采集與控制系統組成方案進行了分析。文獻[7]開發了電動拖拉機試驗臺，并基于LabVIEW開發了虛擬測控系統。以上研究都是針對傳統臺架試驗臺，而傳統試驗臺存在搭建復雜、造價高、開發周期長以及可移植性差等問題。為了縮短研發周期并減少人力物力的消耗，有必要開發一套模塊化和集成化的車輛傳動系虛擬試驗平臺。

SimulationX是德國ITI公司研發的新一代多學科系統建模設計和仿真工程軟件，被廣泛用于工程設計及科學研究[8-9]。本文以液壓機械無級變速器(hydro-mechanical continuously variable transmission，HMCVT)為被試對象，通過分析HMCVT的構成和工作原理，結合拖拉機的工作特性，給出了拖拉機HMCVT傳動系試驗臺構成方案?；赟imulationX開發了車輛傳動系虛擬試驗臺，以期在獲得可信模擬度的同時，為HMCVT的性能測試和控制開發提供虛擬試驗平臺。

1 HMCVT試驗臺

1.1 HMCVT的結構及工作原理

圖1為HMCVT傳動方案。HMCVT由變量泵-定量馬達組成的液壓調速系統、多檔有級變速箱組成的機械調速機構和單行星排匯流機構組成。圖1中:C1、C2、…、C8為換擋離合器；s、c和r分別為太陽輪、行星架和齒圈；e為變量泵和定量馬達排量比；ne和nb分別為變速器輸入轉速和輸出轉速。由發動機輸入的功率經分流機構后分為兩路：一路為流經變量泵-定量馬達的液壓功率流；另一路為流經多檔有級變速箱的機械功率流，兩路功率在行星排處匯流后輸出。根據離合器不同的結合狀態和排量比e的變化，可以在變速器前進方向得到6個連續變速段，倒車方向得到3個連續變速段，HMCVT速比在一定范圍內連續變化實現無級變速。

圖1 HMCVT傳動方案

1.2 HMCVT試驗臺方案

圖2為HMCVT試驗臺方案示意圖。HMCVT試驗臺主要由機械系統和測控系統兩部分組成。機械系統為試驗臺提供必要的機械支撐，包括發動機、分流機構、被試變速器(HMCVT)、工況模擬系統以及試驗臺輔助支持系統等。測控系統完成對整個試驗臺信息的實時采集、處理及各子系統的協調控制工作。

圖2 HMCVT試驗臺方案示意圖

發動機作為試驗臺的動力源，為整個試驗系統提供動力。發動機產生的動力經主離合器、轉速轉矩傳感器和扭矩限制器后傳遞至HMCVT。HMCVT內部的分流機構將動力分為兩路：一路流經變量泵-定量馬達系統；另一路流經多檔有級變速箱，兩者在變速器輸出端匯合后經轉矩限制器、轉速轉矩傳感器傳遞至測功機(工況模擬裝置)。由計算機設定虛擬加速踏板信號，實現發動機油門開度的控制。變速器的自動變速由其獨立的控制系統完成，測功機用來模擬車輛行駛中的各種工況，同時吸收傳動系動力并轉換為電能反饋到電網。試驗臺測控系統通過傳感器實現對試驗數據的實時采集及處理，同時對試驗臺各子系統進行協調及控制。

2 傳動系虛擬試驗臺搭建

2.1 傳動系模型

2.1.1 發動機模型

試驗臺采用與裝機對象相同的LR6105ZT10型柴油發動機，其調速特性模型為[10]：

(1)

nemax=800+1 600χ,

(2)

其中：Me為發動機輸出轉矩，N·m；ne為發動機輸出轉速，r/min；nemax為發動機最高空載轉速，r/min；χ為發動機油門開度。

發動機動力學模型為：

(3)

(4)

2.1.2 液壓調速系統模型

液壓調速系統采用同類同規格的變量泵和定量馬達，建模時假設液壓元件內泄漏為層流，忽略回路低壓側的外泄露，泵和馬達高低壓側壓力分別相等，補油無滯后且補油壓力為常數，工作過程中油液密度和黏度不隨系統壓力和溫度變化，忽略定量馬達機械摩擦等非線性因素。根據以上假設建立變量泵流量方程、定量馬達高壓腔流量方程以及定量馬達輸出軸力矩平衡方程[11]，分別為：

(5)

(6)

(7)

其中：下標p和m分別為變量泵和定量馬達；V為液壓元件的排量，m3/rad；e為變量泵-定量馬達排量比；ω為軸轉速，rad/s；Cs為總泄露因數，取1.3×10-8；△p為高低壓油路壓力差，Pa；μ為油液動力黏度，Pa·s，取0.05 Pa·s；V0為油液工作容積，m3；βe為油液彈性模量，Pa，取800 MPa；J為軸的轉動慣量，kg·m2；f為黏性阻尼因數，取0.16；T為軸所承受的扭矩，N·m；cf為機械摩擦損失因數，取0.05。

2.1.3 機械調速機構模型

機械調速機構主要由行星排和換擋離合器組成，針對單個行星排，太陽輪s、齒圈r和行星架c這3個構件之間的轉速與轉矩有如下關系[3]：

(8)

其中：ns、nr和nc分別為太陽輪、齒圈和行星架轉速，r/min；Ts、Tr和Tc分別為太陽輪、齒圈和行星架轉矩，N·m；k為行星排特性參數。

2.1.4 負載阻力模型

拖拉機在工作過程中所受負載阻力比較復雜，其驅動力和行駛阻力平衡方程為[12]：

Fq=Ff+Fw+Fi+Fj+FT；

(9)

Ff=Gfcosα；

(10)

Fw=0.7BHv2；

(11)

Fi=Gsinα；

(12)

(13)

拖拉機田間犁耕作業時：

FT=Zb1hkk，

(14)

其中：Fq、Ff、Fw、Fi、Fj和FT分別為拖拉機驅動力、滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力、加速阻力和牽引阻力，N；G為拖拉機總重力，N；f為滾動阻力因數；α為拖拉機田間作業過程中經過田埂或者坑洼的坡度角，(°)；B為拖拉機驅動輪輪距，m；H為外廓高度，m；v為拖拉機速度，m/s；δ0為拖拉機旋轉質量換算因數；m為拖拉機整車質量，kg；m1為拖拉機配套機組質量，kg；Z為犁鏵數；b1為單體犁鏵寬度，cm；hk為耕深，cm；k為土壤比阻，N/cm2。

2.2 HMCVT試驗臺仿真模型的建立

圖3為HMCVT試驗臺仿真模型，主要由SimulationX模型庫中基本元件構成，各元件參數按理論計算及結構設計要求設定。圖3中：engine為發動機；VP為變量泵；FM為定量馬達；C1、C2、…、C8為換擋離合器；planetary為單行星排；i1、i2、…、i6、i7為固定齒輪副；J1、J2和J3分別為各連接軸轉動慣量，kg/m2；Jp、Jm、Jc、Js和Jr分別為變量泵、定量馬達、行星架、太陽輪和齒圈轉動慣量，kg/m2；模型將減速器、差速器和半軸進行了簡化，用一個固定傳動比齒輪(differential模塊)代替；wheels為簡單車輪模塊；VehicleMass為車身質量，kg；發動機油門開度、變量泵排量比、負載阻力和各離合器液壓操縱系統均用信號(Throttle、e、curve1、curve2、…、curve8模塊)控制；負載阻力由牽引阻力、車輛滾動阻力和加速阻力(Ft、Ff和Fj模塊)組成，忽略了空氣阻力和坡度阻力。

2.3 試驗臺測控系統

試驗臺測控系統主要由硬件部分和軟件部分構成，其中，硬件部分主要由工控機、數據采集卡和轉速轉矩傳感器等組成，實現試驗過程中的人機交互、數據采集、子系統管理及數據處理等功能；軟件部分主要包括輸入輸出接口軟件、人機交互前面板、儀器驅動程序和功能算法程序等，基于LabVIEW軟件開發平臺進行設計。

圖3 HMCVT試驗臺仿真模型

2.3.1 測控系統軟件構成

試驗臺測控系統軟件采用層次式軟件體系結構設計，同時采用人機信息交互界面，實現對試驗的過程控制，以及對試驗結果的實時顯示和分析處理。

試驗臺測控系統主要由3個模塊組成：參數設置模塊、性能試驗模塊和試驗數據處理模塊。每個模塊又由不同的子模塊組成。參數設置模塊主要完成試驗前的準備工作，實現傳動系各參數的設定以及聯合仿真數據通信接口設置。性能試驗模塊主要實現對要進行的試驗項目的選擇，進而根據不同試驗要求進行有針對性的試驗方法以及數據采集分析處理，從而完成對HMCVT無級調速特性、控制策略等的試驗驗證和優化，為HMCVT的裝車提供參考。試驗數據處理模塊主要實現試驗數據的實時顯示、保存以及打印功能。

2.3.2 測控系統前面板

測控系統前面板是試驗人員與試驗臺之間信息交流的橋梁，可以方便試驗人員通過面板上的調整旋鈕等輸入控件對系統進行調試和控制，而試驗臺顯示控件可以實時顯示所采集到的各種信息以及系統的工作情況。

HMCVT虛擬試驗臺測控系統前面板主要包括試驗系統參數設置、系統轉速、轉矩、速比、溫度和當前擋位等的實時顯示，以及試驗數據和曲線的存儲與繪制等。試驗開始前，需要對系統參數進行設置和標定，系統自檢完成后就可以進行試驗。試驗過程中，試驗人員可以通過控制旋鈕對試驗參數進行調試，然后通過顯示控件觀察試驗結果變化，并可以按下“STOP”按鈕中斷試驗。試驗完成后，可對當前試驗數據進行存儲，以便對試驗結果進行分析和處理。

3 仿真結果與臺架試驗結果對比

本文對仿真結果和HMCVT的實際臺架試驗結果進行了對比，驗證所搭建虛擬試驗臺的有效性。臺架試驗系統的動力源為6RZT8型柴油發動機，加載裝置由CW150型電渦流測功機和自制電液比例控制盤式制動器并聯構成。工況設定如下：發動機油門開度處于最大位置，HMCVT負載保持為500 N·m，在10 s內連續調整HMCVT速比ib，使變速器從H1段依次切換到HM3段，換段點在3 s和6 s 處。

圖4為仿真結果與臺架試驗結果對比圖。圖4中：ib為HMCVT速比變化曲線；nb為HMCVT輸出軸轉速的變化特性；Tp、nm分別為變量泵-定量馬達系統的轉矩、轉速在無級變速過程中隨變量泵排量比e正負交替變化的響應特性。仿真結果和臺架試驗結果基本一致，驗證了建模方法及車輛傳動系虛擬試驗臺的可行性。

圖4 仿真結果與臺架試驗結果對比

仿真結果和試驗結果對比表明：HMCVT在各段內運行平穩，但是在各換段點處各參數有波動。其中，HM2-HM3換段點比H1-HM2換段點波動更大，這是由于前者的變量泵馬達系統負載更大，導致換段時變量泵轉矩和馬達轉速波動明顯，進而引起HMCVT速比和輸出軸轉速的波動。因此，在HMCVT控制策略的研究及改進中，需考慮負載變化對換段點的影響。

4 結論

(1)以HMCVT為研究對象，通過對HMCVT傳動系試驗臺結構和原理的分析，結合拖拉機的工作特性，建立了發動機及HMCVT傳動系模型，設計了試驗臺虛擬測控系統，基于SimulationX建立了車輛傳動系試驗臺的物理仿真模型。

(2)以H1段連續換入HM3段為例，通過虛擬試驗臺進行了仿真，并與實際臺架試驗進行了對比。仿真結果和試驗結果契合度較好，建模方法及試驗臺的可行性得到驗證，可為HMCVT控制策略研究及其他同類傳動系改進提供虛擬試驗平臺。

[1] 王光明,朱思洪,史立新,等.拖拉機液壓機械無級變速箱換段控制優化與試驗[J].農業工程學報,2013,29(18):51-59.

[2] 張明柱,周志立,徐立友,等.農業拖拉機用多段液壓機械無級變速器的設計[J].農業工程學報,2003,19(6):118-121.

[3] 周志立，夏先文，徐立友.電動拖拉機驅動系統設計[J].河南科技大學學報(自然科學版)，2015，36(5)：78-81.

[4] ALARICO M,ANTONIO R.Optimization of hydro-mechanical power split transmissions[J].Mechanism and machine theory,2011,46:1901-1919.

[5] 劉力康,聞居博,董逾,等.汽車傳動系動態性能試驗臺驅動模擬方案的控制與仿真[J].傳動技術,2011,25(3):26-31,10.

[6] 王鵬,周志立,徐立友,等.拖拉機液壓機械無級變速器試驗臺設計[J].農機化研究,2015(3):95-98,102.

[7] 高松輝,朱思洪.電動拖拉機試驗臺開發[J].南京農業大學學報,2014,37(6):160-164.

[8] 王光明,朱思洪,史立新,等.拖拉機液壓機械無級變速箱效率特性的仿真與試驗[J].農業工程學報,2013,29(15):42-48.

[9] ITI G.ITI SimulationX help menue[M].Dresden:ITI GmbH Headquarters,2010.

[10] 張明柱,周志立,徐立友,等.柴油發動機調速特性時連續性數學模型研究[J].農業工程學報,2004,20(3):74-77.

[11] 郭占正,苑士華,荊崇波,等.基于AMESim的液壓機械無級傳動換段過程建模與仿真[J].農業工程學報,2009,25(10):86-91.

[12] 侯海源.混合動力拖拉機試驗臺設計研究[D].洛陽:河南科技大學,2014.

國家“十二五”科技支撐計劃基金項目(2014BAD08B04);河南省基礎與前沿技術研究基金項目(152300410080);中國博士后科學基金項目(2015M582212)

周志立(1957-),男,河南偃師人,教授,博士,博士生導師,主要從事車輛新型傳動理論與控制技術等方面的研究.

2016-03-11

1672-6871(2017)02-0069-05

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.02.013

S219.032.1

A