胡興奇，劉波瀾，蔡樹國，黃 英

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

燃油經(jīng)濟(jì)性好 ，可以減低車輛的使用成本、減少國家對進(jìn)口石油的依賴性、節(jié)省石油資源;同時(shí)也降低了發(fā)動機(jī)廢氣的排放.燃油經(jīng)濟(jì)性有兩種評價(jià)方法，一種是等速油耗，另一種是循環(huán)油耗.等速油耗是指車輛在一定載荷下，以最高檔在水平良好路面上等速行駛100 km的燃油消耗量［1］.但是，等速行駛工況并沒有全面反映車輛的實(shí)際運(yùn)行情況.因此，在對實(shí)際行駛車輛進(jìn)行跟蹤測試統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，各國都制定了一些典型的循環(huán)行駛實(shí)驗(yàn)工況來模擬實(shí)際車輛運(yùn)行狀況.然而，對于履帶車輛而言，由于行駛道路的多樣性和復(fù)雜性，對于履帶車輛循環(huán)工況研究很少，至今缺少履帶車輛循環(huán)工況標(biāo)準(zhǔn).參照陸宏澤等人設(shè)計(jì)的履帶車輛行駛循環(huán)的構(gòu)建方法，選用在履帶車輛行駛的一典型路面—砂石路循環(huán)工況下進(jìn)行研究［2］.

在乘用車領(lǐng)域，檢測車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性基本試驗(yàn)方法從場地上劃分為道路試驗(yàn)和臺架試驗(yàn).由于履帶車輛行動裝置的特殊性，整車燃油經(jīng)濟(jì)性不能使用臺架試驗(yàn)法而只能使用道路試驗(yàn)法，又因其實(shí)際運(yùn)行道路的多樣性和復(fù)雜性而沒有標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)工況，故整車燃油經(jīng)濟(jì)性很難測試準(zhǔn)確.這些給履帶車輛的經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律的標(biāo)定工作帶來了很大難度.在砂石路這一典型路面循環(huán)工況下，對履帶車輛的經(jīng)濟(jì)性換規(guī)律進(jìn)行了研究.

1 虛擬平臺的建立

dSPACE系統(tǒng)是一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及測試的工作平臺，實(shí)現(xiàn)了和MATLAB/Simulink的完全無縫連接.dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)擁有高速計(jì)算能力的硬件系統(tǒng) (包括處理器、I/O等)及方便易用的實(shí)時(shí)代碼生成/下載和實(shí)驗(yàn)/調(diào)試的軟件環(huán)境［3］.選擇基于dSPACE的Autobox硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)來開發(fā)所需要的虛擬標(biāo)定平臺，它不僅能夠提供一個(gè)實(shí)時(shí)的對動力傳動裝置電控系統(tǒng)進(jìn)行軟、硬件測試的仿真環(huán)境，還可以真實(shí)地模擬車輛的各種運(yùn)行工況，對研究的控制策略所涉及的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的虛擬標(biāo)定.

動力傳動裝置虛擬標(biāo)定平臺的硬件配置包括:基于LabVIEW的虛擬標(biāo)定內(nèi)核及上位機(jī)界面、基于CAN總線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的內(nèi)核及上位機(jī)界面、執(zhí)行控制策略功能的動力傳動裝置電控單元和基于dSPACE/Autobox的被控對象實(shí)時(shí)仿真模型及其上位機(jī).動力傳動裝置虛擬標(biāo)定平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 虛擬標(biāo)定平臺

虛擬標(biāo)定的內(nèi)核是基于RS232串口傳輸標(biāo)準(zhǔn)在LabVIEW軟件平臺上開發(fā)的一套系統(tǒng)，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)某些控制參數(shù)和控制MAP的標(biāo)定使能，例如發(fā)動機(jī)調(diào)速特性、發(fā)動機(jī)外特性油量、變速箱換擋規(guī)律、液力變矩器解閉鎖規(guī)律等參數(shù)，需要對底層軟件代碼進(jìn)行編寫，使其能夠傳輸?shù)缴衔粰C(jī)界面從而實(shí)現(xiàn)需求.

動力傳動裝置的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的內(nèi)核及上位機(jī)界面是基于J1939通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)在LabVIEW軟件平臺上開發(fā)的程序，可以實(shí)現(xiàn)與動力傳動裝置電控單元的實(shí)時(shí)通訊及數(shù)據(jù)記錄等功能.

動力傳動裝置虛擬標(biāo)定平臺的電控單元是真實(shí)的控制系統(tǒng)，在一個(gè)單元上集成了對發(fā)動機(jī)和變速箱的一體化控制.動力傳動裝置控制單元具有以下特性:①高速度和高精度地監(jiān)測和采集多路動力傳動裝置的狀態(tài)參數(shù);②根據(jù)所設(shè)計(jì)的動力傳動裝置集成控制策略，合理而準(zhǔn)確的對發(fā)動機(jī)供油量、變速箱擋位切換、液力變矩器閉鎖等參數(shù)進(jìn)行控制;③基于CAN總線協(xié)議與整車實(shí)現(xiàn)綜合電子信息的交互，保障駕駛員的需求得到響應(yīng);④具有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及在線標(biāo)定系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)監(jiān)控并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過在線標(biāo)定功能實(shí)現(xiàn)整車性能的優(yōu)化.

動力傳動裝置虛擬標(biāo)定平臺的核心是Autobox工具箱，其中運(yùn)行著動力傳動裝置的實(shí)時(shí)仿真模型.Autobox是德國 dSPACE公司出品的基于MATLAB/Simulink軟件平臺進(jìn)行實(shí)時(shí)快速原型及硬件在環(huán)仿真的硬件組合系統(tǒng).其主要功能是通過搭載的I/O信號板卡采集動力傳動裝置電控單元輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型的驅(qū)動信號，將已經(jīng)在上位機(jī)中搭建好的被控對象模型編譯完成，然后下載到并使之實(shí)時(shí)地運(yùn)行于處理器板卡中，再將仿真模型得出的相關(guān)參數(shù)值轉(zhuǎn)換成可識別的輸出信號傳遞給電控單元，構(gòu)成一個(gè)完整的半實(shí)物仿真閉環(huán)系統(tǒng).

2 動力傳動裝置實(shí)時(shí)動態(tài)模型

動力傳動裝置實(shí)時(shí)模型主要包括發(fā)動機(jī)模型，液力變矩器模型，變速箱模型，集成控制單元模型和車輛運(yùn)動學(xué)模型，由駕駛員模型輸入的外界參數(shù)有油門踏板，制動踏板和車輛行駛路況信息.用于虛擬標(biāo)定的動力傳動裝置實(shí)時(shí)動態(tài)模型結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

圖2 實(shí)時(shí)模型結(jié)構(gòu)

2.1 柴油機(jī)平均值模型

柴油機(jī)平均值模型由壓氣機(jī)模型、中冷器模型、進(jìn)氣管模型、排氣管模型、渦輪模型、增壓器轉(zhuǎn)子動力學(xué)模型、供油系統(tǒng)模型、燃燒模型和曲軸動力學(xué)模型構(gòu)成.

2.2 液力變矩器模型

液力變矩器是由泵輪、渦輪以及與外殼固定在一起的反應(yīng)器組成的.泵輪與動力輸入軸相連，渦輪與動力輸出軸相連.液力變矩器泵輪軸上轉(zhuǎn)矩Mb和渦輪軸上轉(zhuǎn)矩Mw，可由如下公式計(jì)算［4］

式中:γ為液力變矩器工作液體的密度;D為液力變矩器泵輪的有效直徑，通常理解為循環(huán)圓的外徑;nb為泵輪的轉(zhuǎn)速;λb為液力變矩器泵輪的力矩系數(shù);λw為液力變矩器渦輪的力矩系數(shù).

2.3 變速箱模型

變速箱為液力機(jī)械式，其內(nèi)部共有輸入、中間、輸出3根軸以及CH、CL、C1、C2四個(gè)換擋離合器.變速箱各檔位與離合器的對應(yīng)關(guān)系見下表1所示.

表1 變速箱各檔位與離合器對應(yīng)關(guān)系

2.4 駕駛員模型

建立駕駛員模型是為了實(shí)現(xiàn)虛擬標(biāo)定平臺能夠模擬履帶車輛運(yùn)行于真實(shí)的特定循環(huán)工況.該模型以當(dāng)前步長下的實(shí)際車速作為輸入，對比特定循環(huán)工況所規(guī)定的目標(biāo)車速，通過PID閉環(huán)控制實(shí)時(shí)的計(jì)算出下一步長的油門踏板和剎車踏板信號，并將此信號經(jīng)由dSPACE的D/A轉(zhuǎn)換通道轉(zhuǎn)換成電壓信號，最終輸出給集成控制單元，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)車速的跟隨.

車輛的循環(huán)工況是基于車輛實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，通過對典型工況參數(shù)進(jìn)行采集和分析，用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理建立起來的對整車經(jīng)濟(jì)性評價(jià)的依據(jù).由于履帶車輛的特殊性，砂石路面循環(huán)工況是基于實(shí)車在某試車場路面試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用陸宏澤等人設(shè)計(jì)的重型車輛行駛循環(huán)的構(gòu)建方法建立的，其形式為速度—時(shí)間曲線.同時(shí)針對路面起伏不定這一特殊情況，增加了坡度—路程曲線作為路況特征的補(bǔ)充，并通過車輛運(yùn)動學(xué)模型里的坡度阻力來反映這一改變對整車運(yùn)行情況的影響.同時(shí)，為了在實(shí)際車輛上進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，在試驗(yàn)車輛上配備了基于LabVIEW程序的駕駛員模塊.該模塊具有通過USB與電腦相連輸入和修改目標(biāo)車速，同時(shí)由CAN通信采集一路實(shí)際車速信號以及數(shù)據(jù)存儲功能.駕駛員通過對比實(shí)際車速和目標(biāo)車速加油或減油，從而實(shí)現(xiàn)對實(shí)際車速對目標(biāo)車速的跟隨.圖3、圖4為砂石路面的典型循環(huán)工況.

圖3 砂石路面的循環(huán)工況 (速度-時(shí)間)

圖4 砂石路面的循環(huán)工況 (坡度-路程)

2.5 車輛動力學(xué)模型

履帶車輛行駛過程中受到外界的阻力包括:路面阻力、上坡阻力、空氣阻力.計(jì)算公式分別如下［5］

式中:R1為路面阻力;f為路面阻力系數(shù);G為車輛的重力;α為路面的坡度角;Rp為上坡阻力;Rk為空氣阻力;C為空氣阻力系數(shù);A車輛的正面投影面積;v為車輛的行駛速度.

同時(shí)車輛在加速行駛時(shí)，車輛質(zhì)量加速行駛時(shí)的慣性力，稱為加速阻力.

式中:Rj為加速阻力;δ為質(zhì)量增加系數(shù);m為車輛的質(zhì)量.

考慮到履帶車輛的動力裝置和傳動裝置效率，車輛的驅(qū)動力為

式中:Fq為車輛的驅(qū)動力;Te為發(fā)動機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)矩;i為傳動比;ηd為動力裝置的效率;ηc為傳動裝置效率;r為主動輪半徑.

由牛頓第二定律知車輛的驅(qū)動力與阻力平衡，即

3 虛擬標(biāo)定平臺校核

在搭建了動力傳動裝置虛擬標(biāo)定平臺之后，需要驗(yàn)證其對實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境及過程的還原程度 (即實(shí)時(shí)性)、其仿真動態(tài)過程是否與真實(shí)數(shù)據(jù)相符 (即精確性)、其是否能夠滿足虛擬標(biāo)定平臺所提出的在線標(biāo)定可操作性 (即可行性).只有如此，才能說虛擬標(biāo)定平臺具備一定程度上替代真實(shí)跑車實(shí)驗(yàn)的能力，才能進(jìn)一步在平臺上開展虛擬標(biāo)定工作.

為此，選取了某履帶車輛在砂石路面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)所采集的數(shù)據(jù)作為對照組.砂石路面工況下實(shí)車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示.通過分析整個(gè)過程中駕駛員對車輛的實(shí)際操縱方式，并將此輸入到動力傳動裝置虛擬標(biāo)定平臺中的駕駛員模型中，以期驗(yàn)證平臺是否能夠真實(shí)的反映實(shí)際的實(shí)驗(yàn)工況，滿足設(shè)計(jì)的要求.砂石路面工況下虛擬標(biāo)定平臺仿真數(shù)據(jù)如圖6所示.

圖5 砂石路面工況下的實(shí)車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 砂石路面工況下虛擬標(biāo)定平臺的仿真數(shù)據(jù)

為了清晰地對比，只選取整個(gè)循環(huán)的前50 s進(jìn)行對照如圖5、圖6所示:①相應(yīng)的曲線在各種響應(yīng)及波動趨勢上具有一致性，不僅如此，時(shí)間的吻合程度也比較理想 (換擋時(shí)刻、解閉鎖時(shí)刻、加速時(shí)間等)，誤差控制在5%以內(nèi)，因此可以認(rèn)為仿真滿足了虛擬標(biāo)定所要求的實(shí)時(shí)性;②仔細(xì)觀察對應(yīng)曲線的變動，車速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化趨勢尤其幅度都相差不大，如圖7所示，仿真數(shù)據(jù)中的車速與實(shí)車車速偏差在實(shí)車車速±5%限波動，仿真模型的精確性達(dá)到了虛擬標(biāo)定提出的要求;③對比實(shí)際數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的換擋過程時(shí)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速延遲響應(yīng)時(shí)間，可以看出動力傳動裝置模型具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性，基本上反映了真實(shí)的發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中的動態(tài)特征.

圖7 實(shí)車車速和仿真車速跟隨情況

4 經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律

經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律采用油門和車速的雙參數(shù)換擋規(guī)律，計(jì)算方法如下:車輛發(fā)動機(jī)采用特定調(diào)速率的全程調(diào)速，在各個(gè)檔位以某一加速度作勻加速運(yùn)動，繪制車輛運(yùn)行于同一加速度，各檔位下的“油耗量—車速”曲線，將相鄰檔位油耗線的交點(diǎn)作為換擋點(diǎn)，合理篩選得到的換擋點(diǎn)，基于一定的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法擬合曲線，得到此調(diào)速特性下的經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律，如圖8所示.

圖8 不同調(diào)速率下的經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律

5 基于砂石路面循環(huán)工況的動力傳動裝置經(jīng)濟(jì)性虛擬標(biāo)定研究

采用圖3、圖4所示的砂石路面典型循環(huán)工況，通過虛擬標(biāo)定平臺的上位機(jī)將得到的各個(gè)“調(diào)速特性—經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律”組合寫入至動力傳動裝置控制單元中，讓虛擬標(biāo)定平臺進(jìn)行實(shí)時(shí)的仿真，通過采集油耗模型中的車輛整個(gè)循環(huán)工況下的油耗量來作為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的依據(jù)，可以得到砂石路面循環(huán)油量百分比圖9所示.

圖9 砂石路面工況油耗百分比

從圖9中可以看出，在動力傳動裝置的結(jié)構(gòu)組成完全一致的情況下，通過基于經(jīng)濟(jì)性的虛擬標(biāo)定選取針對典型路況的“調(diào)速特性—經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律”組合，調(diào)速率δ=12%時(shí)可以優(yōu)化整車近13%的油耗.因此，在此典型路面循環(huán)工況下，動力傳動裝置采用較高的調(diào)速率與其對應(yīng)的換擋規(guī)律，整車具有較好燃油經(jīng)濟(jì)性.

6 基于砂石路面循環(huán)工況的實(shí)車經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)研究

為了對虛擬標(biāo)定平臺上基于經(jīng)濟(jì)性所研究出來的結(jié)果驗(yàn)證，在對應(yīng)砂石路面循環(huán)工況的試車場進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn).試驗(yàn)所使用的車輛即為所研究的某履帶車輛，試車場即為所采用的典型循環(huán)工況的原型場地.

首先在車?yán)锱鋫涞鸟{駛員模塊輸入該砂石試車場的目標(biāo)車速，如圖3所示.利用在線標(biāo)定界面，標(biāo)定車輛發(fā)動機(jī)調(diào)速率以及對應(yīng)的換擋規(guī)律.然后在圖4所示的路程零點(diǎn)啟動車輛，駕駛員參考駕駛員模塊中目標(biāo)車速對油門進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對車速的跟隨.

第一個(gè)試驗(yàn)為履帶車輛采用原始的調(diào)速特性以及換擋規(guī)律情況下進(jìn)行砂石路面循環(huán)工況驗(yàn)證試驗(yàn).第二個(gè)試驗(yàn)為，在砂石路面循環(huán)工況對應(yīng)的試車場，通過現(xiàn)場標(biāo)定將虛擬標(biāo)定得到的調(diào)速率δ=12%對應(yīng)的換擋規(guī)律寫入動力傳動裝置控制單元，可以得到砂石路面循環(huán)實(shí)車驗(yàn)證試驗(yàn)油耗百分比.

履帶車輛在采用了調(diào)速率δ=12%對應(yīng)的換擋規(guī)律后，在平整路面典型循環(huán)工況下運(yùn)行時(shí)，整車的循環(huán)油耗減少了11.2%;此結(jié)果與基于砂石路面循環(huán)工況的動力傳動裝置經(jīng)濟(jì)性虛擬標(biāo)定研究結(jié)果具有一致性，證明了虛擬標(biāo)定平臺的有效性.

7 結(jié)論

針對柴油機(jī)調(diào)速率和變速箱換擋規(guī)律存在組合的情況，進(jìn)行了“調(diào)速特性—經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律”虛擬標(biāo)定研究，研究結(jié)果表明:發(fā)動機(jī)的調(diào)速率和變速箱換擋規(guī)律存在最佳組合關(guān)系，使得整車具有最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性，在砂石路面循環(huán)工況下，發(fā)動機(jī)采用較大的調(diào)速率以及變速箱采用對應(yīng)的換擋規(guī)律，能夠使整車獲得較好的燃油經(jīng)濟(jì)性.

對虛擬標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明:采用硬件在環(huán)技術(shù)的動力傳動裝置經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律的虛擬標(biāo)定合理有效，對實(shí)際的車輛經(jīng)濟(jì)性標(biāo)定具有指導(dǎo)意義.

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