鄭凱峰，李偉，程立勇，竇紅印，汪記偉，楊萬里，王瑞平

(寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江寧波 315336)

0 引言

現(xiàn)代汽車工業(yè)已進(jìn)入4.0時(shí)代，汽車行業(yè)再一次處于革命的前夕，隨著產(chǎn)品生命周期的縮短，相應(yīng)的研發(fā)周期壓縮，加之自動(dòng)變速箱的廣泛應(yīng)用，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的特性、控制策略可靠性都提出了更高的要求。各車型完成開發(fā)后，很明顯體會(huì)到在前期開發(fā)階段，動(dòng)力系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)和路試過程中的優(yōu)化需求是很突出的，增加和提高臺(tái)架試驗(yàn)效率是縮短動(dòng)力總成開發(fā)周期的有效途徑。能夠?yàn)樽兯倨魈峁┱鎸?shí)工況環(huán)境的傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)顯得尤為重要。

經(jīng)過多年的努力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)、制造上已取得較好的成績(jī)，特別是對(duì)負(fù)載電機(jī)的控制，已從傳統(tǒng)的用機(jī)械式慣量模擬整車慣量，發(fā)展到電模擬整車機(jī)械慣量，來控制加減速過程的加速度。

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變速器動(dòng)態(tài)耐久試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：變速器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)要求的扭矩響應(yīng)真實(shí)可靠，臺(tái)架布置符合整車情況，在針對(duì)變速器試驗(yàn)的同時(shí)能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，做到動(dòng)力總成試驗(yàn)合二為一；缺點(diǎn)也比較明顯，必須要有穩(wěn)定的發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)支撐，在變速器的前期開發(fā)試驗(yàn)中埋下了隱患。但單單針對(duì)傳動(dòng)系進(jìn)行的動(dòng)態(tài)耐久試驗(yàn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)變速器則有著更多的優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)系動(dòng)態(tài)耐久試驗(yàn)，無需燃油、尾氣排放、循環(huán)風(fēng)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻供水等多系統(tǒng)的建設(shè)，消防設(shè)施要求比帶發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)室要求低，因此節(jié)約大量的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、維修及保養(yǎng)成本；工裝設(shè)計(jì)只需根據(jù)變速器自有圖紙?jiān)O(shè)計(jì)過渡板、輸入軸聯(lián)軸器、輸出半軸的連接法蘭等，設(shè)計(jì)、加工成本低，周期短，能夠有效地縮短試驗(yàn)前期的準(zhǔn)備時(shí)間。電機(jī)驅(qū)動(dòng)變速器無需真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，只需提供發(fā)動(dòng)機(jī)模型與相關(guān)參數(shù)，在臺(tái)架上對(duì)變速器換擋曲線、扭矩響應(yīng)等進(jìn)行標(biāo)定即能開展試驗(yàn)。因此，該模式下驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠模擬各種發(fā)動(dòng)機(jī)，輸出電機(jī)能夠模擬不同的負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)模擬變速器搭載不同整車的動(dòng)態(tài)耐久工況?？稍跊]有真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的同步開發(fā)，有著很強(qiáng)的靈活性，對(duì)縮短研發(fā)周期有著重要的作用。

1 臺(tái)架系統(tǒng)介紹

該臺(tái)架包含4臺(tái)測(cè)功機(jī)，該型號(hào)測(cè)功機(jī)是一種地腳安裝式的交流異步測(cè)功機(jī)，具備特定扭矩轉(zhuǎn)速特性，滿足動(dòng)力傳遞試驗(yàn)的需要；該交流異步測(cè)功機(jī)，針對(duì)速度和扭矩特點(diǎn)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，加寬了試驗(yàn)的范圍；另外其過載能力允許測(cè)功機(jī)在短時(shí)間功率過載和扭矩峰值試驗(yàn)，提高了臺(tái)架的試驗(yàn)?zāi)芰ΑＥ_(tái)架結(jié)構(gòu)見圖1。

該臺(tái)架輸入端為一臺(tái)高動(dòng)態(tài)永磁電機(jī)，它擁有特殊扭矩轉(zhuǎn)速特性并且該電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很低，接近于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此可以同變速器直連時(shí)用于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)離合器及變速箱轉(zhuǎn)動(dòng)，滿足試驗(yàn)臺(tái)在各種工況的性能要求。

2 車輛阻力模式

汽車行駛阻力包括滾動(dòng)阻力、空氣阻力、加速阻力和坡度阻力，其中滾動(dòng)阻力和空氣阻力是在任何行駛條件下均存在的，而在水平道路上等速行駛時(shí)沒有加速阻力和坡道阻力。試驗(yàn)只模擬在水平道路上的勻速行駛，因此在計(jì)算時(shí)只使用滾動(dòng)阻力和空氣阻力，見圖2。

圖2 車輛阻力

整車阻力計(jì)算方法：

F=Ff+Fw

(1)

式中：F為整車阻力；Ff為滾動(dòng)阻力；Fw為空氣阻力。

滾動(dòng)阻力計(jì)算方法：

Ff=Ga×f

(2)

式中：Ga為汽車總重力；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)。

空氣阻力計(jì)算方法：

(3)

式中：C為空氣阻力系數(shù)；ρ為空氣密度；A為車輛迎風(fēng)面積；v為車輛與空氣的相對(duì)運(yùn)行速度。

為了能使臺(tái)架模擬出與真實(shí)的車輛相同的特性，首先采集真實(shí)車輛在道路上行駛時(shí)的路譜載荷或計(jì)算目標(biāo)載荷，通過計(jì)算機(jī)采集車速、阻力得到一定車速下的非線性阻力曲線，通過計(jì)算機(jī)計(jì)算，擬合出一條可用于臺(tái)架應(yīng)該的載荷譜，如圖3所示。

將以上獲得的各項(xiàng)系數(shù)，輸入到臺(tái)架車輛參數(shù)模擬系統(tǒng)模塊，臺(tái)架系統(tǒng)根據(jù)輸入仿真整車模型，并將該計(jì)算結(jié)果附加于臺(tái)架測(cè)功機(jī)上，在試驗(yàn)過程中采用轉(zhuǎn)速控制模式，通過PID調(diào)節(jié)，對(duì)其行模擬。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)特性模擬

為了使臺(tái)架的驅(qū)動(dòng)電機(jī)模擬與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)相同的特性，首先需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的扭矩能夠盡可能地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在不同節(jié)氣門開度下的特性，發(fā)動(dòng)機(jī)的特性曲線取自發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，由發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定工程師根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)做出標(biāo)定曲面，該曲面輸入值為根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線實(shí)際扭矩做出的理想輸出扭矩；在沒有根據(jù)真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)得的實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，可采用該款變速器目標(biāo)搭載發(fā)動(dòng)機(jī)的理想發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線，如圖4所示。

圖4 臺(tái)架測(cè)量的發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線

發(fā)動(dòng)機(jī)的特性曲線表示了發(fā)動(dòng)機(jī)在一定的節(jié)氣門開度時(shí)，不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速所能達(dá)到的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，即為變速器輸入端輸入的實(shí)際扭矩。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線得出轉(zhuǎn)速、扭矩的關(guān)系，然后運(yùn)用二維插值法，得到實(shí)測(cè)扭矩與電動(dòng)機(jī)扭矩輸入值之間的關(guān)系；選取相應(yīng)的轉(zhuǎn)速、扭矩、節(jié)氣門開度作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)擬合曲線，在臺(tái)架系統(tǒng)通過設(shè)置需求扭矩Tdemand，進(jìn)行PID參數(shù)整定，查找輸入的發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線表，對(duì)輸入電機(jī)進(jìn)行控制。輸入電機(jī)控制模型見圖5。

圖5 輸入電機(jī)控制模型

編制相應(yīng)的試驗(yàn)程序，進(jìn)行電機(jī)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)系動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。在試驗(yàn)程序控制時(shí)，按照電子節(jié)氣門的控制時(shí)間控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速扭矩特性，根據(jù)試驗(yàn)的特性，為模擬急加速的情況，在實(shí)車上以最快速度將油門由0開度升到100%開度，油門開度變化時(shí)間以線性變化，Δt3=0.5 s，虛線為按照發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架設(shè)置的節(jié)氣門響應(yīng)時(shí)間Δt3，實(shí)線為扭矩T在t=Δt3內(nèi)變化的結(jié)果；在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)電機(jī)的扭矩響應(yīng)同發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果不符，電機(jī)扭矩響應(yīng)過快，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩在Δt3由0升至發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩，見圖6。

圖6 臺(tái)架電機(jī)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩響應(yīng)

真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的升扭情況，是發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門雖然在Δt3內(nèi)由0升至100%，但發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩達(dá)到最大扭矩時(shí)的時(shí)間Δt4≈4 s，升扭時(shí)間長(zhǎng)，扭矩響應(yīng)要比電機(jī)慢，見圖7。

圖7 真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩響應(yīng)

模擬快速丟油門的情況，在實(shí)車上以最快速度將油門由100%釋放到0，時(shí)間均按照0.3 s進(jìn)行設(shè)置。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)電機(jī)迅速釋放扭矩，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩則釋放得比較緩慢，見圖8、圖9。

根據(jù)以上控制不足，為進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，改為采用積分的方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，控制精度取決于發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線輸入點(diǎn)的密集程度，盡可能多地輸入發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩對(duì)應(yīng)點(diǎn)，并在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的試驗(yàn)條件下，將節(jié)氣門開度由0升至100%的時(shí)間由t1改為更長(zhǎng)的時(shí)間t2，原來的控制方式仍然適用，只是把油門的響應(yīng)時(shí)間增加了Δt、將節(jié)氣門開啟時(shí)間延長(zhǎng)至t3，不會(huì)影響系統(tǒng)的控制及穩(wěn)定性；快速丟油門的情況也相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整。

曲線1為調(diào)整后電機(jī)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩響應(yīng)曲線，曲線2為真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)曲線。經(jīng)采集頻率為100 Hz的高頻數(shù)據(jù)采集后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)電機(jī)的升降扭近似和真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的升降扭一致，測(cè)試得到的數(shù)據(jù)基本同發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的一致。仿真控制效果見圖10。

圖10 電機(jī)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)升降扭曲線

如上所述，電機(jī)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的功能在變速器的開發(fā)過程中變得越來越重要。介紹了使用電機(jī)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)用于傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)實(shí)施，使得電機(jī)臺(tái)架與發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的臺(tái)架在動(dòng)態(tài)性能上有足夠的相似性。該成果被證明在靈活性、可靠性和成本等方面能夠滿足變速器開發(fā)的需求，經(jīng)過多產(chǎn)品、多次的試驗(yàn)以及優(yōu)化后，在某公司內(nèi)部形成了一系列的試驗(yàn)方法，并進(jìn)行推廣。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)臺(tái)架實(shí)現(xiàn)模擬整車的阻力。

(2)臺(tái)架實(shí)現(xiàn)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的特性曲線。

(3)能夠快速地在無發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行近似真實(shí)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

(4)減少了因使用發(fā)動(dòng)機(jī)而必備的各項(xiàng)基礎(chǔ)建設(shè)投資。

(5)能夠靈活、快速地針對(duì)同一款變速器搭載不同發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)，對(duì)其他試驗(yàn)開發(fā)也有參考價(jià)值。