0 引言

　　重型車輛具有總質量大、使用工況復雜、擋位多等特點，為減輕駕駛員的操縱難度和勞動強度，實現重型車輛的自動變速具有重大現實意義。電控機械式自動變速器 (AMT)因具有效率高、成本低、易于制造的優點，并且操縱方便，能夠滿足重型汽車動力傳遞要求，因此在重型車輛上具有廣闊的應用前景。傳統的AMT系統開發需要在實車上進行大量調試，造成了時間和資金的浪費。構建AMT在環仿真實驗系統，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，獲得在實驗中難以得到的車輛在極限工況、緊急工況條件下車輛響應及評價相應控制策略的優劣，為AMT電控單元的開發提供方便，可顯著地提高AMT系統的開發效率和開發質量。

　　AMT在環仿真實驗系統主要包括AMT電控單元、車輛動力學模擬模塊、機械仿真執行機構、信息輸入模塊等。本文主要針對車輛動力學模擬模塊進行設計，建立車輛動力學模型，包括發動機模型、離合器模型及車輛傳動系統的縱向動力學模型，并采用C語言進行程序設計，利用外界輸入信息，對車輛的直線行駛工況進行模擬仿真，模擬發動機轉速、變速器中間軸轉速、車速等參數，用以驗證AMT電控單元性能的可行性與可靠性。

　　1 AMT在環仿真實驗系統結構組成及工作原理

　　AMT在環仿真實驗系統如圖1所示，系統主要由AMT電控單元。TCU車輛動力學模擬模塊、信息輸入模塊、離合器執行機構、變速箱選換擋執行機構、傳感器系統、儀表盤及液晶顯示模塊和信息實時檢測模塊等組成。其中，車輛動力學模擬模塊用于模擬整車運動學;信息輸入模塊有電子油門踏板、制動踏板、車輛載荷旋鈕、道路坡度旋鈕、駐車制動開關等信息;離合器執行機構采用實車的離合器執行機構，用彈簧模擬離合器壓緊力;變速箱選換擋執行機構采用實車的選換擋執行機構;傳感器采用實車的選換擋位置傳感器和離合器位移傳感器;儀表盤采用實車儀表，用于顯示車輛車速及發動機轉速等信息;液晶顯示模塊用于顯示油門踏板開度、制動踏板開度、車輛載荷、道路坡度、離合器行程、選換擋位置等信息。

　　當實驗系統點火開關打開后，設置車輛載荷和道路坡度信息，通過油門踏板、制動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發送的擋位信息通過CAN總線發送給所建立的車輛動力學模型，進行整車運動學模擬。將模擬得到的發動機轉速、變速器中間軸轉速、車速等信息發送給TCU，TCU根據內置的控制規律(換選擋規律、離合器接合規律等)，控制離合器接合及變速箱選換擋，測試 AMT系統性能的可行性和可靠性。

　　2 車輛動力學系統仿真模型

　　2.1 車輛模型

　　車輛由發動機提供動力源，經過傳動系傳遞到驅動車輪，并轉化為驅動力克服道路阻力，驅動車輛行駛。車輛的行駛方程為：

　　式中：Ft為驅動力;Ff為地面滾動阻力;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分別為變速器傳動比和主減速比;ηT為傳動系的機械效率;r為車輪半徑;m為車輛總質量;g為重力加速度;f為地面與輪胎的滾動阻力系數;i為道路坡度;CD為空氣阻力系數;A為迎風面積;u為汽車行駛速度;δ為汽車旋轉質量換算系數。

　　圖2所示為車輛傳動的三質量系統動力學模型，其各部分的動力學方程為：

　　式中：Tc為發動機的輸出轉矩;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矩;Tψ為車輪所受阻力轉矩，包括空氣阻力矩、道路阻力矩和制動力矩等;ωe為發動機曲軸角速度(也是離合器主動片角速度);ωc為變速器輸入軸角速度(也是離合器從動片角速度);ωv為變速器輸出軸角速度;Je 為發動機、離合器主動部分當量轉動慣量;Jc為離合器從動部分、變速器部分當量轉動慣量;Jv為與變速器輸出軸有固定關系的各總成部件在軸上的當量轉動慣量;ign和io分別為變速器第n檔傳動比和主減速比。

　　2.2 發動機模型

　　發動機輸出轉矩Te可通過發動機速度特性曲線求得。采用實車發動機速度特性曲線(即發動機在不同的油門開度和轉速下的轉矩特性)作為發動機模型，由發動機轉速和油門踏板開度確定發動機輸出轉矩Te。在AMT在環仿真實驗系統中，通過由車輛模型求得的發動機轉速及油門踏板的實際開度，根據已知的發動機速度特性曲線可以求得不同轉速和油門開度下發動機的輸出轉矩和油耗。

　　2.3 離合器模型

　　離合器傳遞轉矩Tc與離合器的工作狀態有關。離合器依靠主從動片之間的摩擦力矩來傳遞動力，并通過分離與接合來控制車輛動力傳動系統的工作狀態，離合器工作狀態可以分為完全接合、完全分離和滑磨三個狀態。

　　2.3.1 完全接合、完全分離狀態

　　這兩個狀態是穩定的，離合器傳遞的轉矩也是確定的，即：完全接合時，Tc=Te;完全分離時，Tc=0。

　　2.3.2 滑磨狀態

　　滑磨狀態是前兩個狀態間的過渡狀態，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按照一定規律變化到Te或者由Te變化到0的狀態。此狀態包括離合器起步接合過程、換擋結束后接合過程、換擋開始前分離過程。

　　(1)起步接合過程

　　圖3為起步過程中轉速、轉矩變化示意圖。其中，Tm為換算到離合器從動部分上的車輪所受阻力轉矩;Tcs為離合器靜態摩擦力矩，△ω(△ω=ωe-ωc) 是離合器主動盤、從動盤的轉速差。0～t1階段，TcTe，Tc繼續增長到極大值，由式(3)可知ωe開始減小，ωc繼續增大，轉速差△ω開始變小;t3～t4階段，Tc持續降低，直到Tc=Te，轉速差△ω一直減小到0;t4～t5是離合器快速接合的階段，此時離合器已經停止滑磨，開始正常傳遞發動機轉矩，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，這個過程可能出現 ωe<ωc的情況(如降擋后離合器接合過程)。此時，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

　　(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，離合器靜態摩擦力矩Tc也在減小，在Tcs≥Te時，Tc=Te。當TcsO。為了使車輛行駛的動力不至于中斷時間太長，應該控制發動機轉速使得ωe≥ωc，以保證Tc>O。

　　由上述三個過程可以得到滑模狀態時離合器傳遞力矩的表達式為：

　　式中：sign(·)為符號函數;z為離合器摩擦面個數;μs為離合器摩擦片靜態摩擦系數;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為離合器摩擦片當量摩擦半徑。

　　3 車輛動力學仿真程序設計

　　在所建立的車輛動力學模型的基礎上進行程序設計，主要任務是：接收來自AMT仿真實驗系統設置的車輛載荷、道路坡度、加速踏板開度、制動踏板開度信息，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，對發動機轉速、變速器中間軸轉速、車速等參數進行模擬。車輛動力學模擬模塊MCU采用飛思卡爾公司的16位單片機MC9S12DP512，利用C語言對所建立的車輛動力學仿真模塊在Code Warr-ior IDE開發環境下編程。程序主要包括：系統初始化模塊、數據通信模塊和程序主循環模塊，程序流程圖如圖4所示。

　　系統初始化主要包括MCU內部時鐘設置、通信端口初始化、看門狗定時器設置等，以保證MCU正常運行。數據通信模塊用于接收來自AMT在環仿真實驗系統發送的數據。主程序根據由發動機模型、離合器模型模擬得到的傳動系統輸出扭矩及AMT在環仿真系統預先設置的阻力矩，計算車輛加速度，繼而可以求得下一時刻的車速和發動機轉速等，實現車輛動力學仿真模擬。

　　4 結語

　　研制了一種基于車輛動力學模型的AMT在環仿真實驗系統，通過建立車輛發動機及傳動系統的動力學仿真模型，并把駕駛員模型、外界阻力模型等都設計成變參數的模型，進行程序設計。在AMT在環仿真實驗臺上應用表明，該模型所模擬的發動機轉速、車速等參數符合實際車輛行駛工況，可以模擬在實驗中難以得到的極限工況、緊急工況等，為AMT系統的研究開發提供了基礎。