孫 駿，張海寧

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009）

基于ADAMS和MATLAB的電動(dòng)汽車(chē)兩檔變速器的聯(lián)合仿真

孫 駿，張海寧

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009）

本文通過(guò)對(duì)某電動(dòng)汽車(chē)兩檔變速器的動(dòng)力系統(tǒng)在ADAMS中建立虛擬樣機(jī)，將此模型導(dǎo)入MATLAB/Simulink模塊里進(jìn)行聯(lián)合仿真，對(duì)汽車(chē)的加速性能進(jìn)行了研究。仿真結(jié)果表明，ADAMS虛擬樣機(jī)模型基本與實(shí)際情況相符，可為變速器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。聯(lián)合仿真的方法也能大大縮短變速器設(shè)計(jì)周期和減低設(shè)計(jì)成本，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

變速器；虛擬樣機(jī)模型；聯(lián)合仿真

1 前言

ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國(guó)MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件，用戶(hù)可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。在汽車(chē)變速器動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)變速器的結(jié)構(gòu)特性在ADAMS/View模塊中搭建三維模型，通過(guò)添加各種約束限制構(gòu)建之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，建立變速器的動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)模型。

利用MATLAB/Simulink模塊組建電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)簡(jiǎn)化模型，通過(guò)對(duì)該模型仿真，觀察變速器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及整車(chē)的動(dòng)力性能，并結(jié)合繪制的速度曲線(xiàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)一步解決仿真過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。

2 ADAMS動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)模型的建立

某電動(dòng)汽車(chē)兩檔變速器示意圖如圖1所示。

根據(jù)上圖所示，利用UG進(jìn)行三維建模，將三維模型導(dǎo)入ADAMS建立如圖2所示的變速器ADAMS動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)模型，并添加約束，設(shè)置輸入輸出變量，再生成adams_sub。

3 簡(jiǎn)化整車(chē)模型的建立

3.1 簡(jiǎn)化電機(jī)模型

電機(jī)模型復(fù)雜，由于條件限制，本文對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。由于電機(jī)的特性曲線(xiàn)是根據(jù)電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理所得，表征電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行性能。電機(jī)的特性曲線(xiàn)是電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的函數(shù)，本文采用電機(jī)特性曲線(xiàn)建立look—up圖，電機(jī)的模型如圖3。

3.2 車(chē)輛行駛動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型

建立汽車(chē)的動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型，就是確定汽車(chē)沿著行駛方向的運(yùn)動(dòng)狀況。為此需要掌握沿汽車(chē)行駛方向作用于汽車(chē)的各種外力，即驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力。根據(jù)這些力的平衡關(guān)系建立汽車(chē)行駛方程式，就可以估算汽車(chē)的速度和加速度。

汽車(chē)驅(qū)動(dòng)力方程為：

式中：Ttq為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N.m；ig為變速器的傳動(dòng)比；iO為 主減速器的傳動(dòng)比；ηT為傳動(dòng)系的機(jī)械效率；R為車(chē)輪半徑，m。汽車(chē)在水平道路上行駛時(shí)，必須克服來(lái)自地面的滾動(dòng)阻力和來(lái)自空氣的空氣阻力。當(dāng)汽車(chē)在坡道上上坡行駛時(shí)，還必須克服重力沿坡道的分力，稱(chēng)為坡道阻力。汽車(chē)加速行駛時(shí)還要克服加速阻力。因此汽車(chē)行駛總阻力為：

滾動(dòng)阻力的計(jì)算公式為：

在良好的路面上轎車(chē)輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)可以用下面的經(jīng)驗(yàn)公式估算出來(lái)：

空氣阻力的計(jì)算公式為：

式中：CD為空氣阻力系數(shù)；A為汽車(chē)的迎風(fēng)面積，m2。坡道阻力的計(jì)算公式為：

加速阻力的計(jì)算公式為：

式中：δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力偶矩后的汽車(chē)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，主要與飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及傳動(dòng)系的傳動(dòng)比有關(guān)系，考慮到由于旋轉(zhuǎn)組件角動(dòng)量等效質(zhì)量的增加，轎車(chē)可按照以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算δ：

本文建立的車(chē)輛行駛動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型如圖4所示。

3.3 簡(jiǎn)化整車(chē)模型

將上面所建立的電機(jī)模型、ADAMS動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)生成的adams_sub模型、車(chē)輛行駛動(dòng)力學(xué)模型連接起來(lái)，形成簡(jiǎn)化整車(chē)模型如圖5所示。

4 聯(lián)合仿真及結(jié)果分析

利用上面建立的簡(jiǎn)化整車(chē)模型，設(shè)置仿真參數(shù)對(duì)上述模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。在聯(lián)合仿真過(guò)程中，應(yīng)該使Simulink的仿真步長(zhǎng)一致，否則會(huì)導(dǎo)致仿真失敗，這里同時(shí)設(shè)為1 ms。

4.1 直線(xiàn)加速性能對(duì)比

加速性能仿真，仿真時(shí)間20 s，取加速踏板信號(hào)為1，仿真結(jié)果如圖6。

表1 不同檔位傳動(dòng)比情況

如圖6所示，裝配兩檔變速器的汽車(chē)在加速踏板信號(hào)為1的情況下，汽車(chē)全力加速至60 km/ h用時(shí)9.8秒，而采用固定速比傳動(dòng)系統(tǒng)整車(chē)0~60 km/h加速時(shí)間為12.2 s，可見(jiàn)采用兩檔變速器汽車(chē)加速性能有明顯提升；汽車(chē)在車(chē)速30 km/h由一檔換入二檔，換擋時(shí)間約為0.5 s，速度稍有降低是因?yàn)閾Q擋過(guò)程中動(dòng)力中斷的原因。根據(jù)圖7所示輸出軸轉(zhuǎn)速，以及輸入軸轉(zhuǎn)速可以計(jì)算出所建立的ADAMS變速器模型在兩個(gè)檔位下的傳動(dòng)比，表1是ADAMS變速器模型的傳動(dòng)比與實(shí)際檔位傳動(dòng)比的對(duì)比。由表1中數(shù)值可看出差值很小，這說(shuō)明ADAMS模型是比較準(zhǔn)確的。

4.2 換擋時(shí)刻對(duì)加速性能的影響

車(chē)輛保持最佳動(dòng)力性換擋原理如圖8所示。曲線(xiàn)BAB和CAC分別是變速器一檔和二檔的牽引力特性曲線(xiàn)，A點(diǎn)為兩檔牽引力曲線(xiàn)的交點(diǎn)，由圖可以看出在這點(diǎn)兩檔對(duì)應(yīng)車(chē)速和牽引力都相等。由此可見(jiàn)，在A點(diǎn)出換擋牽引力波動(dòng)最小，換擋沖擊最小，車(chē)輛加速波動(dòng)最小，汽車(chē)的加速性能最好，A點(diǎn)為最佳換擋點(diǎn)。

分別設(shè)置換擋點(diǎn)為VA、VB、VC進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。換擋點(diǎn)在VA時(shí)汽車(chē)加速至60 km/h用時(shí)9.8 s，換擋點(diǎn)在VB時(shí)汽車(chē)加速至60 km/h用時(shí)10.4 s，換擋點(diǎn)在Vc時(shí)汽車(chē)加速至60 km/h用時(shí)11.2 s?？梢?jiàn)，在最佳換擋點(diǎn)VA換擋有利于提高汽車(chē)加速性能。

5 結(jié)論

采用兩檔變速器取代常用的固定速比傳動(dòng)系統(tǒng)后，整車(chē)的動(dòng)力性能以及整車(chē)的運(yùn)行效率有明顯改善，并且降低了對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求。此外，本文利用ADAMS和MATLAB軟件成功地對(duì)某電動(dòng)汽車(chē)兩檔變速器動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真分析，仿真結(jié)果表明，ADAMS虛擬樣機(jī)模型基本與實(shí)際情況相符，提供了一種綜合性的設(shè)計(jì)分析方法。對(duì)變速器虛擬樣機(jī)模型、電機(jī)模型和車(chē)輛行駛力學(xué)模型進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)、調(diào)試和聯(lián)合仿真，如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題回到各自的模型中修改，然后再聯(lián)合仿真，而且通過(guò)ADAMS軟件建立的虛擬樣機(jī)模型接近實(shí)際的物理模型，通過(guò)MATLAB軟件加以分析計(jì)算，這為以后的物理樣機(jī)試驗(yàn)提供了非?？煽康匾罁?jù)，大大提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的成本，獲得了優(yōu)化的系統(tǒng)整體性能。

[1]陳無(wú)畏,時(shí)陪成,高立新,等.ADAMS和MATLAB的EPS和整車(chē)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(2):21-25.

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專(zhuān)家推薦

鄧祖國(guó)：

本文利用ADAMS和MATLAB軟件成功地對(duì)某電動(dòng)汽車(chē)兩檔變速器動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真分析，仿真結(jié)果表明，ADAMS虛擬樣機(jī)模型基本與實(shí)際情況相符,提供了一種綜合性的設(shè)計(jì)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(xiàng)目名稱(chēng)：奇瑞A01純電驅(qū)動(dòng)量產(chǎn)車(chē)型開(kāi)發(fā)與產(chǎn)業(yè)化技術(shù)；國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2013BAG08B00）。