邸建國(guó)

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

加速性能是衡量履帶車(chē)輛作戰(zhàn)能力的重要指標(biāo)[1]。通常該指標(biāo)的好壞，需要在完成實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)之后才能評(píng)價(jià)。這樣，不但周期長(zhǎng)，成本高，而且容易在設(shè)計(jì)階段遺漏較好的方案，得不到車(chē)輛最優(yōu)性能。因此，在車(chē)輛設(shè)計(jì)階段，就有必要根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，采用計(jì)算機(jī)仿真方法，對(duì)其性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，這樣將大大提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，在性能方面也能得到最優(yōu)結(jié)果[2]。

本文以某輕型機(jī)械傳動(dòng)履帶車(chē)輛為研究對(duì)象，根據(jù)其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)（如圖1所示）組成部件的工作原理或試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了模塊化仿真模型，并利用該模型對(duì)履帶車(chē)輛起步加速過(guò)程進(jìn)行了仿真分析。

圖1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型

該履帶車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)，采用全程調(diào)速柴油機(jī)，其工作過(guò)程復(fù)雜，動(dòng)態(tài)過(guò)程難以用數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述，因此采用試驗(yàn)測(cè)試的方法，測(cè)得其穩(wěn)態(tài)特性，再利用試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果將發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化為具有延遲的一階慣量系統(tǒng)[3]。在穩(wěn)態(tài)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，是油門(mén)開(kāi)度和轉(zhuǎn)速的函數(shù)，即一個(gè)油門(mén)開(kāi)度值和一個(gè)轉(zhuǎn)速值，確定一個(gè)轉(zhuǎn)矩值，對(duì)于非測(cè)試點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩值，可通過(guò)線(xiàn)性插值的方法得到。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)部件模型

如圖1所示，履帶車(chē)輛機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)主要由傳動(dòng)箱、主離合器、變速箱、側(cè)減速器等部件構(gòu)成。對(duì)于傳動(dòng)箱和側(cè)減速器，本文只考慮傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率，在傳動(dòng)系模型中為一比例常數(shù)，可將其考慮到其他部件模型中，故在此不再單獨(dú)建立模型。

2.1 主離合器模型

主離合器主要在車(chē)輛起步和換擋過(guò)程中起作用，它依靠主動(dòng)、從動(dòng)片之間的摩擦力矩來(lái)傳遞動(dòng)力，并通過(guò)分離與接合，來(lái)控制車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)[4]。本文假設(shè)主離合器接合和分離是在瞬時(shí)完成的，且接合后滑摩過(guò)程中傳遞的摩擦力矩恒為主離合器最大摩擦力矩。主離合器滑摩過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程可表示為：

式中，

Ie為主離合器主動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

Ic為主離合器被動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

ωe為主離合器主動(dòng)部分角速度；

ωc為主離合器被動(dòng)部分角速度；

Te為輸入到主離合器主動(dòng)部分的轉(zhuǎn)矩；

Tc為換算到主離合器被動(dòng)部分的阻力矩；

Tm為主離合器最大摩擦力矩。

當(dāng)滑摩過(guò)程結(jié)束，即主離合器的主動(dòng)和被動(dòng)部分完全接合時(shí)，主離合器可被視為一傳動(dòng)軸，其傳遞轉(zhuǎn)矩為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

2.2 變速箱模型

變速箱采用六檔定軸式變速箱，假設(shè)變速箱內(nèi)部各構(gòu)件為剛性元件，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別等效到輸入、輸出端，故它可簡(jiǎn)化為由換檔機(jī)構(gòu)控制的可變轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變換器[5]。當(dāng)變速箱置于某一檔時(shí)，其動(dòng)力學(xué)方程可表示為

式中，

交互式教學(xué)法是在支架式教學(xué)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種教學(xué)模式。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，VR技術(shù)等已經(jīng)具備運(yùn)用到導(dǎo)游講解課堂上的條件。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主要特點(diǎn)是其超文本性和交互性，這就為交互式教學(xué)法拓寬了新的領(lǐng)域，使其得到進(jìn)一步的發(fā)展和創(chuàng)新。

Tg為變速箱輸出轉(zhuǎn)矩；

Tb為變速箱輸入轉(zhuǎn)矩；

igi為變速箱第i檔傳動(dòng)比；

ηgi為變速箱第i檔傳動(dòng)效率；

nb為變速箱輸入轉(zhuǎn)速；

ng為變速箱輸出轉(zhuǎn)速。

2.3 換擋控制模型

2.4 車(chē)輛—地面系統(tǒng)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到主動(dòng)輪上，并通過(guò)履帶與地面的相互作用形成車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力關(guān)系，其動(dòng)力學(xué)方程可表示為

式中，

Ft為車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力；

Ff為行駛總阻力；

δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量增加系數(shù)；

m為車(chē)輛總質(zhì)量；

v為行駛車(chē)速。

3 建模與仿真

根據(jù)以上分析，在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下，建立動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)各部件模塊化仿真模型，并依據(jù)車(chē)輛實(shí)際結(jié)構(gòu)搭建整車(chē)仿真模型，如圖2所示。

圖2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

3.1 仿真條件

已知履帶車(chē)輛總質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)不同油門(mén)開(kāi)度下的性能特性、變速箱各檔傳動(dòng)比及傳動(dòng)效率、主動(dòng)輪半徑、迎風(fēng)面積等參數(shù)；設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)初始轉(zhuǎn)速為1000 r/min，油門(mén)開(kāi)度為100%，車(chē)輛在水平路面上直駛時(shí)等效地面阻力系數(shù)為0.04，不考慮履帶滑轉(zhuǎn)。

3.2 仿真結(jié)果

用所建模型對(duì)車(chē)輛1檔起步加速過(guò)程進(jìn)行仿真，圖3～圖6是仿真得到的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、主離合器主動(dòng)和被動(dòng)部分轉(zhuǎn)速、車(chē)速及加速度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。由圖中曲線(xiàn)可知，車(chē)輛在起步時(shí)，由于負(fù)載作用，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有所下降，由1000 r/min降到750 r/min；在0.3 s時(shí)，主離合器主動(dòng)和被動(dòng)部分轉(zhuǎn)速達(dá)到一致，即主離合器完全接合，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始迅速增大；在1.6 s時(shí)，行駛車(chē)速達(dá)到換檔車(chē)速，在延遲0.5 s后，變速箱檔位由1檔換為2檔，由于換檔時(shí)動(dòng)力中斷，因此在換檔過(guò)程中車(chē)速有所下降，當(dāng)換檔完成后，車(chē)速逐漸增大；在3.9 s和6.4 s時(shí)，變速箱擋位分別換為3檔和4檔，車(chē)輛加速度值隨著檔位的升高而不斷下降；車(chē)輛由1檔起步加速到32 km/h的時(shí)間為8.9 s，與實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果比較接近。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)

圖4 主離合器主、被動(dòng)部分轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)

圖5 車(chē)速變化曲線(xiàn)

圖6 加速度變化曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

起步加速過(guò)程，是履帶車(chē)輛的一個(gè)典型加速過(guò)程，本文根據(jù)履帶車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)各部件工作原理或試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了某輕型機(jī)械傳動(dòng)履帶車(chē)輛起步加速過(guò)程性能仿真模型，通過(guò)仿真計(jì)算，得到了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車(chē)速、加速度等參數(shù)的變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明，該模型能夠準(zhǔn)確、有效地模擬履帶車(chē)輛起步加速過(guò)程，在一定程度上可代替或減少?gòu)?fù)雜、昂貴的實(shí)車(chē)道路試驗(yàn)。

[1]畢小平，韓 樹(shù)，馬志雄，等.履帶車(chē)輛加速性能和燃油消耗量的仿真模型[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2002，23(3)：1-4.

[2]駱清國(guó)，張永鋒.機(jī)械傳動(dòng)車(chē)輛起步及連續(xù)加速過(guò)程性能仿真研究[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2004，(2)：28-31.

[3]方志強(qiáng)，王紅巖，王良曦.基于MATLAB/Simulink的履帶車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模塊化建模與仿真[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，（18）：23-26.

[4]王玉海，宋 健，李興坤.離合器動(dòng)態(tài)過(guò)程建模與仿真[J].公路交通科技，2004，21(10)：121-125.

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