摘要：為提高AMT系統(tǒng)的開發(fā)效率和開發(fā)質(zhì)量，研制了一種AMT在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將真實(shí)的車輛AMT相關(guān)部件用仿真模型來代替，建立了車輛傳動(dòng)系統(tǒng)及其部件的動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)，模擬真實(shí)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速等信息，對(duì)AMT電控單元在實(shí)車實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行驗(yàn)證，為AMT電控系統(tǒng)的開發(fā)提供了一個(gè)方便、可靠的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
關(guān)鍵詞：AMT；在環(huán)仿真；車輛動(dòng)力學(xué)；仿真模型

0 引言
    重型車輛具有總質(zhì)量大、使用工況復(fù)雜、擋位多等特點(diǎn)，為減輕駕駛員的操縱難度和勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)重型車輛的自動(dòng)變速具有重大現(xiàn)實(shí)意義。電控機(jī)械式自動(dòng)變速器 (AMT)因具有效率高、成本低、易于制造的優(yōu)點(diǎn)，并且操縱方便，能夠滿足重型汽車動(dòng)力傳遞要求，因此在重型車輛上具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的AMT系統(tǒng)開發(fā)需要在實(shí)車上進(jìn)行大量調(diào)試，造成了時(shí)間和資金的浪費(fèi)。構(gòu)建AMT在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不僅可以模擬車輛在正常工作條件下的性能，而且可以通過修改仿真條件，獲得在實(shí)驗(yàn)中難以得到的車輛在極限工況、緊急工況條件下車輛響應(yīng)及評(píng)價(jià)相應(yīng)控制策略的優(yōu)劣，為AMT電控單元的開發(fā)提供方便，可顯著地提高AMT系統(tǒng)的開發(fā)效率和開發(fā)質(zhì)量。
    AMT在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括AMT電控單元、車輛動(dòng)力學(xué)模擬模塊、機(jī)械仿真執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信息輸入模塊等。本文主要針對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)模擬模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立車輛動(dòng)力學(xué)模型，包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型、離合器模型及車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的縱向動(dòng)力學(xué)模型，并采用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，利用外界輸入信息，對(duì)車輛的直線行駛工況進(jìn)行模擬仿真，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器中間軸轉(zhuǎn)速、車速等參數(shù)，用以驗(yàn)證AMT電控單元性能的可行性與可靠性。

1 AMT在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理
    AMT在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主要由AMT電控單元。TCU車輛動(dòng)力學(xué)模擬模塊、信息輸入模塊、離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變速箱選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器系統(tǒng)、儀表盤及液晶顯示模塊和信息實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊等組成。其中，車輛動(dòng)力學(xué)模擬模塊用于模擬整車運(yùn)動(dòng)學(xué)；信息輸入模塊有電子油門踏板、制動(dòng)踏板、車輛載荷旋鈕、道路坡度旋鈕、駐車制動(dòng)開關(guān)等信息；離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用實(shí)車的離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用彈簧模擬離合器壓緊力；變速箱選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用實(shí)車的選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)；傳感器采用實(shí)車的選換擋位置傳感器和離合器位移傳感器；儀表盤采用實(shí)車儀表，用于顯示車輛車速及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信息；液晶顯示模塊用于顯示油門踏板開度、制動(dòng)踏板開度、車輛載荷、道路坡度、離合器行程、選換擋位置等信息。


    當(dāng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)點(diǎn)火開關(guān)打開后，設(shè)置車輛載荷和道路坡度信息，通過油門踏板、制動(dòng)踏板來模擬駕駛員駕駛意圖。將采集到的油門踏板開度、制動(dòng)踏板開度、車輛載荷、道路坡度、離合器位移等信息及AMT電控單元TCU發(fā)送的擋位信息通過CAN總線發(fā)送給所建立的車輛動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行整車運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬。將模擬得到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器中間軸轉(zhuǎn)速、車速等信息發(fā)送給TCU，TCU根據(jù)內(nèi)置的控制規(guī)律(換選擋規(guī)律、離合器接合規(guī)律等)，控制離合器接合及變速箱選換擋，測(cè)試 AMT系統(tǒng)性能的可行性和可靠性。

2 車輛動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)仿真模型
2．1 車輛模型
    車輛由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力源，經(jīng)過傳動(dòng)系傳遞到驅(qū)動(dòng)車輪，并轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)力克服道路阻力，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。車輛的行駛方程為：
  
    式中：Ft為驅(qū)動(dòng)力；Ff為地面滾動(dòng)阻力；Fi為路面坡度阻力；Fw為空氣阻力；Fj為加速阻力；Tc為離合器傳遞的摩擦力矩；ig和io分別為變速器傳動(dòng)比和主減速比；ηT為傳動(dòng)系的機(jī)械效率；r為車輪半徑；m為車輛總質(zhì)量；g為重力加速度；f為地面與輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)；i為道路坡度；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；u為汽車行駛速度；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。


    圖2所示為車輛傳動(dòng)的三質(zhì)量系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，其各部分的動(dòng)力學(xué)方程為：
  
    式中：Tc為發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；Tc為離合器傳遞的摩擦力矩；Ts為隨變速器擋位變化的同步轉(zhuǎn)矩；Tψ為車輪所受阻力轉(zhuǎn)矩，包括空氣阻力矩、道路阻力矩和制動(dòng)力矩等；ωe為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角速度(也是離合器主動(dòng)片角速度)；ωc為變速器輸入軸角速度(也是離合器從動(dòng)片角速度)；ωv為變速器輸出軸角速度；Je 為發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器主動(dòng)部分當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jc為離合器從動(dòng)部分、變速器部分當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Jv為與變速器輸出軸有固定關(guān)系的各總成部件在軸上的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ign和io分別為變速器第n檔傳動(dòng)比和主減速比。
2．2 發(fā)動(dòng)機(jī)模型
    發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Te可通過發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性曲線求得。采用實(shí)車發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性曲線(即發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的油門開度和轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩特性)作為發(fā)動(dòng)機(jī)模型，由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油門踏板開度確定發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Te。在AMT在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，通過由車輛模型求得的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及油門踏板的實(shí)際開度，根據(jù)已知的發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性曲線可以求得不同轉(zhuǎn)速和油門開度下發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和油耗。
2．3 離合器模型
    離合器傳遞轉(zhuǎn)矩Tc與離合器的工作狀態(tài)有關(guān)。離合器依靠主從動(dòng)片之間的摩擦力矩來傳遞動(dòng)力，并通過分離與接合來控制車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，離合器工作狀態(tài)可以分為完全接合、完全分離和滑磨三個(gè)狀態(tài)。
2．3．1 完全接合、完全分離狀態(tài)
    這兩個(gè)狀態(tài)是穩(wěn)定的，離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩也是確定的，即：完全接合時(shí)，Tc=Te；完全分離時(shí)，Tc=0。
2．3．2 滑磨狀態(tài)
    滑磨狀態(tài)是前兩個(gè)狀態(tài)間的過渡狀態(tài)，既可以是由接合到分離的過渡，也可以是分離到接合的過渡。從其傳遞的摩擦力矩來看，就是離合器傳遞的摩擦力矩從0按照一定規(guī)律變化到Te或者由Te變化到0的狀態(tài)。此狀態(tài)包括離合器起步接合過程、換擋結(jié)束后接合過程、換擋開始前分離過程。
    (1)起步接合過程
    圖3為起步過程中轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化示意圖。其中，Tm為換算到離合器從動(dòng)部分上的車輪所受阻力轉(zhuǎn)矩；Tcs為離合器靜態(tài)摩擦力矩，△ω(△ω=ωe-ωc) 是離合器主動(dòng)盤、從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)速差。0～t1階段，Tc<Tm，ωe增大，ωc=O；t1～t2階段，Tc≤Tm，由式(3)可知ωe一直增長(zhǎng)到極大值，ωc也增長(zhǎng)但是不及ωe增長(zhǎng)速度快，故轉(zhuǎn)速差△ω亦增大；t2～t3階段，Tc>Te，Tc繼續(xù)增長(zhǎng)到極大值，由式(3)可知ωe開始減小，ωc繼續(xù)增大，轉(zhuǎn)速差△ω開始變小；t3～t4階段，Tc持續(xù)降低，直到Tc=Te，轉(zhuǎn)速差△ω一直減小到0；t4～t5是離合器快速接合的階段，此時(shí)離合器已經(jīng)停止滑磨，開始正常傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，Tc=Te。


    (2)換擋后接合過程
    除了起步接合過程之外，離合器由分離向接合過渡的過程還包括換擋結(jié)束后由分離向接合過渡的過程。除與起步過程類似的情況外，這個(gè)過程可能出現(xiàn) ωe<ωc的情況(如降擋后離合器接合過程)。此時(shí)，油門踏板開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對(duì)離合器從動(dòng)部分是阻力矩，而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)是動(dòng)力矩(即發(fā)動(dòng)機(jī)被倒拖)，故轉(zhuǎn)速差|△ω| 是一直減小的。隨著轉(zhuǎn)速差|△ω|的逐步縮小，Tc應(yīng)該由負(fù)值過渡到Tc=Te，即Tc對(duì)離合器從動(dòng)部分由阻力矩變?yōu)閯?dòng)方矩。
    (3)換擋前分離過程
    該過程是換擋開始前分離離合器的過程，作用是切斷動(dòng)力傳遞，保證換擋過程平順。離合器開始分離后，隨著離合器彈簧正壓力的減小，離合器靜態(tài)摩擦力矩Tc也在減小，在Tcs≥Te時(shí)，Tc=Te。當(dāng)Tcs<Te時(shí)，離合器進(jìn)入滑摩狀態(tài)，油門踏板開度開始按照某一控制規(guī)律減小到0，主從動(dòng)片間的轉(zhuǎn)速差|△ω|也會(huì)慢慢增大。若ωe<ωc，則Tc<0；若ωe≥ωc，則Tc>O。為了使車輛行駛的動(dòng)力不至于中斷時(shí)間太長(zhǎng)，應(yīng)該控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速使得ωe≥ωc，以保證Tc>O。
    由上述三個(gè)過程可以得到滑模狀態(tài)時(shí)離合器傳遞力矩的表達(dá)式為：
  
    式中：sign(·)為符號(hào)函數(shù)；z為離合器摩擦面?zhèn)€數(shù)；μs為離合器摩擦片靜態(tài)摩擦系數(shù)；FN為離合器摩擦片上法向總壓力，取決于離合器分離軸承位置；Rc為離合器摩擦片當(dāng)量摩擦半徑。

3 車輛動(dòng)力學(xué)仿真程序設(shè)計(jì)
    在所建立的車輛動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，主要任務(wù)是：接收來自AMT仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置的車輛載荷、道路坡度、加速踏板開度、制動(dòng)踏板開度信息，來自TCU的擋位信息，以及來自離合器位置傳感器的離合器位移信息，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器中間軸轉(zhuǎn)速、車速等參數(shù)進(jìn)行模擬。車輛動(dòng)力學(xué)模擬模塊MCU采用飛思卡爾公司的16位單片機(jī)MC9S12DP512，利用C語言對(duì)所建立的車輛動(dòng)力學(xué)仿真模塊在Code Warr-ior IDE開發(fā)環(huán)境下編程。程序主要包括：系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和程序主循環(huán)模塊，程序流程圖如圖4所示。


    系統(tǒng)初始化主要包括MCU內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)置、通信端口初始化、看門狗定時(shí)器設(shè)置等，以保證MCU正常運(yùn)行。數(shù)據(jù)通信模塊用于接收來自AMT在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)。主程序根據(jù)由發(fā)動(dòng)機(jī)模型、離合器模型模擬得到的傳動(dòng)系統(tǒng)輸出扭矩及AMT在環(huán)仿真系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的阻力矩，計(jì)算車輛加速度，繼而可以求得下一時(shí)刻的車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等，實(shí)現(xiàn)車輛動(dòng)力學(xué)仿真模擬。

4 結(jié)語
    研制了一種基于車輛動(dòng)力學(xué)模型的AMT在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過建立車輛發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，并把駕駛員模型、外界阻力模型等都設(shè)計(jì)成變參數(shù)的模型，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。在AMT在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)上應(yīng)用表明，該模型所模擬的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速等參數(shù)符合實(shí)際車輛行駛工況，可以模擬在實(shí)驗(yàn)中難以得到的極限工況、緊急工況等，為AMT系統(tǒng)的研究開發(fā)提供了基礎(chǔ)。