基于车辆动力学模型的AMT在环仿真实验系统研究

摘要：为提高AMT系统的开发效率和开发质量，研制了一种AMT在环仿真实验系统，将真实的车辆AMT相关部件用仿真模型来代替，建立了车辆传动系统及其部件的动力学模型，并进行相应的程序设计，模拟真实车辆的发动机转速、车速等信息，对AMT电控单元在实车实验之前进行验证，为AMT电控系统的开发提供了一个方便、可靠的实验平台。
关键词：AMT；在环仿真；车辆动力学；仿真模型

0 引言
    重型车辆具有总质量大、使用工况复杂、挡位多等特点，为减轻驾驶员的操纵难度和劳动强度，实现重型车辆的自动变速具有重大现实意义。电控机械式自动变速器 (AMT)因具有效率高、成本低、易于制造的优点，并且操纵方便，能够满足重型汽车动力传递要求，因此在重型车辆上具有广阔的应用前景。传统的AMT系统开发需要在实车上进行大量调试，造成了时间和资金的浪费。构建AMT在环仿真实验系统，不仅可以模拟车辆在正常工作条件下的性能，而且可以通过修改仿真条件，获得在实验中难以得到的车辆在极限工况、紧急工况条件下车辆响应及评价相应控制策略的优劣，为AMT电控单元的开发提供方便，可显著地提高AMT系统的开发效率和开发质量。
    AMT在环仿真实验系统主要包括AMT电控单元、车辆动力学模拟模块、机械仿真执行机构、信息输入模块等。本文主要针对车辆动力学模拟模块进行设计，建立车辆动力学模型，包括发动机模型、离合器模型及车辆传动系统的纵向动力学模型，并采用C语言进行程序设计，利用外界输入信息，对车辆的直线行驶工况进行模拟仿真，模拟发动机转速、变速器中间轴转速、车速等参数，用以验证AMT电控单元性能的可行性与可靠性。

1 AMT在环仿真实验系统结构组成及工作原理
    AMT在环仿真实验系统如图1所示，系统主要由AMT电控单元。TCU车辆动力学模拟模块、信息输入模块、离合器执行机构、变速箱选换挡执行机构、传感器系统、仪表盘及液晶显示模块和信息实时检测模块等组成。其中，车辆动力学模拟模块用于模拟整车运动学；信息输入模块有电子油门踏板、制动踏板、车辆载荷旋钮、道路坡度旋钮、驻车制动开关等信息；离合器执行机构采用实车的离合器执行机构，用弹簧模拟离合器压紧力；变速箱选换挡执行机构采用实车的选换挡执行机构；传感器采用实车的选换挡位置传感器和离合器位移传感器；仪表盘采用实车仪表，用于显示车辆车速及发动机转速等信息；液晶显示模块用于显示油门踏板开度、制动踏板开度、车辆载荷、道路坡度、离合器行程、选换挡位置等信息。


    当实验系统点火开关打开后，设置车辆载荷和道路坡度信息，通过油门踏板、制动踏板来模拟驾驶员驾驶意图。将采集到的油门踏板开度、制动踏板开度、车辆载荷、道路坡度、离合器位移等信息及AMT电控单元TCU发送的挡位信息通过CAN总线发送给所建立的车辆动力学模型，进行整车运动学模拟。将模拟得到的发动机转速、变速器中间轴转速、车速等信息发送给TCU，TCU根据内置的控制规律(换选挡规律、离合器接合规律等)，控制离合器接合及变速箱选换挡，测试 AMT系统性能的可行性和可靠性。

2 车辆动力学系统仿真模型
2．1 车辆模型
    车辆由发动机提供动力源，经过传动系传递到驱动车轮，并转化为驱动力克服道路阻力，驱动车辆行驶。车辆的行驶方程为：
  
    式中：Ft为驱动力；Ff为地面滚动阻力；Fi为路面坡度阻力；Fw为空气阻力；Fj为加速阻力；Tc为离合器传递的摩擦力矩；ig和io分别为变速器传动比和主减速比；ηT为传动系的机械效率；r为车轮半径；m为车辆总质量；g为重力加速度；f为地面与轮胎的滚动阻力系数；i为道路坡度；CD为空气阻力系数；A为迎风面积；u为汽车行驶速度；δ为汽车旋转质量换算系数。


    图2所示为车辆传动的三质量系统动力学模型，其各部分的动力学方程为：
  
    式中：Tc为发动机的输出转矩；Tc为离合器传递的摩擦力矩；Ts为随变速器挡位变化的同步转矩；Tψ为车轮所受阻力转矩，包括空气阻力矩、道路阻力矩和制动力矩等；ωe为发动机曲轴角速度(也是离合器主动片角速度)；ωc为变速器输入轴角速度(也是离合器从动片角速度)；ωv为变速器输出轴角速度；Je 为发动机、离合器主动部分当量转动惯量；Jc为离合器从动部分、变速器部分当量转动惯量；Jv为与变速器输出轴有固定关系的各总成部件在轴上的当量转动惯量；ign和io分别为变速器第n档传动比和主减速比。
2．2 发动机模型
    发动机输出转矩Te可通过发动机速度特性曲线求得。采用实车发动机速度特性曲线(即发动机在不同的油门开度和转速下的转矩特性)作为发动机模型，由发动机转速和油门踏板开度确定发动机输出转矩Te。在AMT在环仿真实验系统中，通过由车辆模型求得的发动机转速及油门踏板的实际开度，根据已知的发动机速度特性曲线可以求得不同转速和油门开度下发动机的输出转矩和油耗。
2．3 离合器模型
    离合器传递转矩Tc与离合器的工作状态有关。离合器依靠主从动片之间的摩擦力矩来传递动力，并通过分离与接合来控制车辆动力传动系统的工作状态，离合器工作状态可以分为完全接合、完全分离和滑磨三个状态。
2．3．1 完全接合、完全分离状态
    这两个状态是稳定的，离合器传递的转矩也是确定的，即：完全接合时，Tc=Te；完全分离时，Tc=0。
2．3．2 滑磨状态
    滑磨状态是前两个状态间的过渡状态，既可以是由接合到分离的过渡，也可以是分离到接合的过渡。从其传递的摩擦力矩来看，就是离合器传递的摩擦力矩从0按照一定规律变化到Te或者由Te变化到0的状态。此状态包括离合器起步接合过程、换挡结束后接合过程、换挡开始前分离过程。
    (1)起步接合过程
    图3为起步过程中转速、转矩变化示意图。其中，Tm为换算到离合器从动部分上的车轮所受阻力转矩；Tcs为离合器静态摩擦力矩，△ω(△ω=ωe-ωc) 是离合器主动盘、从动盘的转速差。0～t1阶段，Tc<Tm，ωe增大，ωc=O；t1～t2阶段，Tc≤Tm，由式(3)可知ωe一直增长到极大值，ωc也增长但是不及ωe增长速度快，故转速差△ω亦增大；t2～t3阶段，Tc>Te，Tc继续增长到极大值，由式(3)可知ωe开始减小，ωc继续增大，转速差△ω开始变小；t3～t4阶段，Tc持续降低，直到Tc=Te，转速差△ω一直减小到0；t4～t5是离合器快速接合的阶段，此时离合器已经停止滑磨，开始正常传递发动机转矩，Tc=Te。


    (2)换挡后接合过程
    除了起步接合过程之外，离合器由分离向接合过渡的过程还包括换挡结束后由分离向接合过渡的过程。除与起步过程类似的情况外，这个过程可能出现 ωe<ωc的情况(如降挡后离合器接合过程)。此时，油门踏板开度是保持定值或者按一定速度增大，使得Te>O，而由于△ω=ωe -ωc<O，Tc<0，由式(3)、式(4)可知，Tc对离合器从动部分是阻力矩，而对发动机是动力矩(即发动机被倒拖)，故转速差|△ω| 是一直减小的。随着转速差|△ω|的逐步缩小，Tc应该由负值过渡到Tc=Te，即Tc对离合器从动部分由阻力矩变为动方矩。
    (3)换挡前分离过程
    该过程是换挡开始前分离离合器的过程，作用是切断动力传递，保证换挡过程平顺。离合器开始分离后，随着离合器弹簧正压力的减小，离合器静态摩擦力矩Tc也在减小，在Tcs≥Te时，Tc=Te。当Tcs<Te时，离合器进入滑摩状态，油门踏板开度开始按照某一控制规律减小到0，主从动片间的转速差|△ω|也会慢慢增大。若ωe<ωc，则Tc<0；若ωe≥ωc，则Tc>O。为了使车辆行驶的动力不至于中断时间太长，应该控制发动机转速使得ωe≥ωc，以保证Tc>O。
    由上述三个过程可以得到滑模状态时离合器传递力矩的表达式为：
  
    式中：sign(·)为符号函数；z为离合器摩擦面个数；μs为离合器摩擦片静态摩擦系数；FN为离合器摩擦片上法向总压力，取决于离合器分离轴承位置；Rc为离合器摩擦片当量摩擦半径。

3 车辆动力学仿真程序设计
    在所建立的车辆动力学模型的基础上进行程序设计，主要任务是：接收来自AMT仿真实验系统设置的车辆载荷、道路坡度、加速踏板开度、制动踏板开度信息，来自TCU的挡位信息，以及来自离合器位置传感器的离合器位移信息，对发动机转速、变速器中间轴转速、车速等参数进行模拟。车辆动力学模拟模块MCU采用飞思卡尔公司的16位单片机MC9S12DP512，利用C语言对所建立的车辆动力学仿真模块在Code Warr-ior IDE开发环境下编程。程序主要包括：系统初始化模块、数据通信模块和程序主循环模块，程序流程图如图4所示。


    系统初始化主要包括MCU内部时钟设置、通信端口初始化、看门狗定时器设置等，以保证MCU正常运行。数据通信模块用于接收来自AMT在环仿真实验系统发送的数据。主程序根据由发动机模型、离合器模型模拟得到的传动系统输出扭矩及AMT在环仿真系统预先设置的阻力矩，计算车辆加速度，继而可以求得下一时刻的车速和发动机转速等，实现车辆动力学仿真模拟。

4 结语
    研制了一种基于车辆动力学模型的AMT在环仿真实验系统，通过建立车辆发动机及传动系统的动力学仿真模型，并把驾驶员模型、外界阻力模型等都设计成变参数的模型，进行程序设计。在AMT在环仿真实验台上应用表明，该模型所模拟的发动机转速、车速等参数符合实际车辆行驶工况，可以模拟在实验中难以得到的极限工况、紧急工况等，为AMT系统的研究开发提供了基础。