CarSim仿真快速入门(八)—车辆动力系统建模(1) / 四六文摘

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VehicleSim动力总成模型包括发动机，扭矩传递装置（变矩器或机械离合器），变速器，分动器（用于4WD）以及前后桥上的差速器（见图1）。

图1.发动机，扭矩传递装置和变速器之间的扭矩示意图

在前轮驱动（FWD）或后轮驱动（RWD）的情况下，变速箱输出被馈送到位于驱动轴中间的差速器。图2显示了RWD系统中后桥和差速器的示意图。

图2.后驱动桥上的差速器（后轮驱动车辆）

在图3所示的四轮驱动系统（4WD）中，变速箱输出被馈送到分动箱，分动箱位于分别与前后差速器相连的前后驱动轴之间。

图3.分动箱和差速器（四轮驱动车辆）

动力系统部件总成

图4显示的界面汇集了定义四轮驱动动力总成所需的信息-发动机，变矩器（或离合器），变速器，分动箱和差速器。通过使用下拉列表（例如，引擎模型的下拉列表），可以在内部模型和外部模型之间切换每个零件。

界面上显示的框图使用红色箭头描述了从发动机到车轮的动力流。如果选择了外部模型，则内部模型将被完全忽略；这意味着功率流将完全通过外部模型传递，内部模型不会将任何扭矩和物理状态信息（例如旋转角度和速度）传递给后续零件（请参见图5）。

图4.四轮驱动系统的动力总成装配界面

图5.外部和内部模型块之间的图

选择外部模型后，用户必须使用外部导入/导出变量将功率和物理状态信息从下一个零件或传递到下一个零件。在界面上的框图中，外部模型用红色框表示，从外部模型中可能的导入变量用绿色表示，而可能导出到外部模型的变量用蓝色表示。这些导入/导出变量不会自动设置。用户需要使用I/O Channels: Import and I/O Channels: Export界面进行设置。

这些选项使用以下用户设置组装在图4所示的界面上。

发动机到变速箱

①用于选择外部或内部引擎模型的下拉列表（关键字= OPT_ENGINE_INTERNAL）。当选择外部引擎模型时，引擎②的数据链接被隐藏。

② 链接到Powertrain: Engine数据集

③ 用于选择外部扭矩耦合模型，内部扭矩转换器或内部离合器模型的下拉列表（关键字= OPT_PWR_CPL_INTERNAL）。选择外部扭矩耦合模型时，扭矩耦合的数据链接④被隐藏

④链接到Powertrain: Torque Converter”数据集或Powertrain: Clutch Torque”数据集。链接的类型决定了发动机如何将扭矩传递到变速器。

⑤用于选择外部或内部传输模型的下拉列表（关键字= OPT_TRANS_INTERNAL）。

⑥链接到Powertrain: Transmission(External)数据集或Powertrain:Transmission数据集。

差速器

⑦用于选择外部或内部分动箱模型的下拉列表（关键字= OPT_DIFF_INTERNAL（3））。已为分动箱外部分动箱⑧模型选择了数据链接。

⑧链接到Powertrain: Transfer Case 数据集.

⑨用于为前轴选择外部差速器，内部差速器或内部双离合器差速器模型的下拉列表⑩（关键字= OPT_DIFF_INTERNAL（1））。当选择外部差动模型时，差动的数据链接被隐藏。

⑩链接到Powertrain: FrontDifferential 数据集或者Powertrain: Front Twin- Clutch Differential 数据集. 链接的类型决定了前轴驱动力矩如何传递到前轮。

⑪用于为后轴选择外部差速器，内部差速器或内部双离合器差速器模型的下拉列表（关键字= OPT_DIFF_INTERNAL（2））。选择外部差速器模型时⑫，将隐藏差速器的部分数据链接。

⑫链接到Powertrain: RearDifferential数据集或Powertrain: Rear Twin-Clutch Differential 数据集，链接的类型决定了后轴驱动力矩如何传递到后轮。

驱动轴影响

发动机通过驱动轴从车轮接收转矩反作用（变桨效应），或者通过传动轴从差速器接收转矩反作用（侧倾效应）。

扭矩反作用力的接收方式由动力总成界面上的下拉列表⑬和复选框⑭定义。但是，根据悬架类型（独立悬架或实心轴悬架）以及是否使用了可选的发动机悬架型号，这些控件的工作方式有所不同。

1. 在基本模型的情况下（发动机的质量被集中作为簧上质量的一部分），簧上质量接收来自在滚动方向上的差异，虽然传动轴（多个）的扭矩反应沿旋转方向穿过传动轴，当所述动力轴是实心轴悬架（差速器应安装在实心轴上）。滚动影响（顺时针或逆时针）由下拉列表定义⑬。如果动力轴具有独立的悬架，则由下拉列表⑬定义的扭矩反作用将被忽略，因为发动机和差速器都是弹簧质量的刚性部分。在这种情况下，无论基本模型上的俯仰影响复选框⑭如何，簧载质量都会从车轮沿俯仰方向接收扭矩反作用力。

2. 在安装发动机模型的情况下，发动机质量是与弹簧支承质量分开的主体，它通过驱动轴沿俯仰方向从车轮接收扭矩反作用力，或者通过离合器轴沿滚动方向从差速器接收扭矩反作用力。作用的方向取决于影响复选框⑭，每个动力轴。例如，在四轮驱动系统中，可以为前后驱动轴中的每个选择俯仰或侧倾效果。如果两个影响复选框都被选中⑬，则滚动效果的下拉列表将被隐藏。否则，下拉列表将用于为没有变桨效果的前轴和/或后轴应用滚动效果。驱动轴不能同时产生俯仰和侧倾效果。

User settings用户设置

⑬Drive Shaft Roll Effect 驱动轴滚动影响下拉控制复选框(关键字 = R_MDRIVE). 如上所述，该设置使传动系统在通过发动机制动器进行加速和减速期间在发动机和差速器之间施加力矩。当沿着X轴向前看时，大多数引擎和传动系统会逆时针旋转，从而导致引擎向右滚动（正）。

⑭Drive torque pitch effect 驱动扭矩侧倾影响复选框(关键字 = OPT_ENGINE_PITCH_REACTION). 如果选中此复选框，则在通过发动机制动进行加速和减速时，驱动扭矩会在驱动轮和发动机质量之间施加一个力矩。在这种情况下，发动机主体在与施加到车轮的方向相反的俯仰方向上接收反作用扭矩。例如，在加速过程中，发动机机体向负方向倾斜（发动机朝前）。

传动系统的扭转弹性

通常，动力传动系统（从变速箱到包括差速器和传动轴的传动轴）不是完全刚性的，并且由于扭转灵活性，每个零件都具有一定的柔度。在VehicleSim车辆模型中，所有传动系统零件的灵活性都由一个扭转弹簧减振器的单个单元表示，该单元位于变速箱后，如图1和图6所示。图6显示了整个传动系统的一个示例后轮驱动（RWD）。用户输入的固有频率和阻尼比参数将自动转换为模型中的扭转刚度和阻尼系数，并用于仿真。

用户使用参数测量

可以通过以下方法测量传动系统的扭转固有频率和阻尼比。首先，使用试验台将车辆从地面抬起。确保驱动轮未接触地面，并且地面没有滚动阻力。其次，断开发动机与变速器的连接。如果动力传动系统涉及手动变速器，则只需松开离合器即可。第三，在变速器输入轴上施加瞬态冲击[1]或随机产生的扭矩噪声。如果难以在变速器输入轴上施加扭矩，则可能需要从底盘上拆下整个动力传动系统。另一种选择是在所有驱动轴上施加瞬态扭矩。但是，在这种情况下，必须对所有驱动轴施加完全相同的冲击扭矩。然后，测量传动系统任何部分的扭矩和角速度（频率和阻尼比在传动系统中的每个位置都应相同）。

仿真验证

图7显示了通过VehicleSim车辆模型仿真获得的频谱分析结果的功率谱密度示例。在此示例中，固有频率设置为9 Hz，阻尼比设置为0。在此仿真中，车辆从地面抬起，主离合器分离。随机的白噪声扭矩施加在变速器的输入轴上。测量变速箱输出轴和驱动轮上的角速度和扭矩。该车辆具有后轮驱动动力总成。如该图所示，在变速器和驱动轮中，扭矩和角速度振荡的固有频率相同，即与用户输入的9 Hz参数相同。

图6.传动系统以单个扭转弹簧阻尼器单元表示，代表了传动系统（RWD）的扭转柔度。

图7.通过VehicleSim车辆模型仿真获得的传动系固有频率（传动系固有频率的用户输入参数设置为9 Hz；阻尼比为0。）

根据用户输入参数计算扭转刚度和阻尼系数

如上所述，扭转弹簧减振器位于变速箱的后面，其变速箱的刚度和阻尼系数通过使用以下公式从用户参数（固有频率和阻尼比）以及所有传动系惯性中得出。

传动系可以分为两部分（发动机侧和车轮侧在传递惯性的中间（扭力弹簧减振器所在的位置分开），见图6）。首先，计算传动系惯性的两端。传动系惯性的前端（发动机侧）为：

传动系惯性的后端取决于所使用的动力总成类型。如果使用后轮驱动（RWD），则传动系惯性的后端为（另请参见图6）：

其中Iaxle_R是后驱动轴惯性，涉及驱动轴和车轮两侧的所有惯性，例如：

对于前轮驱动（FWD），将应用类似的计算。但是，在四轮驱动（4WD）中，传动系惯性的后端应考虑中央分动箱的扭矩偏置比Tbias_to_rear，例如：

总传动系惯性Idriveline由以下公式得出：

整个传动系的扭转刚度（Kdriveline）和阻尼系数（Ddriveline）由固有频率（w n_driveline）和阻尼比（z driveline）得出，例如：

在以上等式中，扭转刚度和阻尼系数可能会随着换档位置（传动齿轮比）而变化。但是，用户定义的固有频率和阻尼比会在仿真过程中保持不变。

User settings用户设置

⑮传动系固有频率 (关键字 = DRIVELINE_FREQ).

⑯传动系的阻尼比(关键字 = DRIVELINE_ZETA).

多轴动力系统

从用户参数（固有频率和阻尼比）得出的扭转刚度和阻尼系数是线性的。但是，如果要设置非线性特征，则可以应用非线性变速箱的扭转刚度和阻尼表。这些非线性表可通过“Generic Table”界面上使用关键字获得：M_TRANS_ROT用于刚度，M_TRANS_AV用于阻尼设置。在仿真中，这些非线性表分别添加到Kdriveline和Ddriveline⑦和⑧。因此，如果使用非线性表，则在动力总成界面上将固有频率和阻尼比都设置为零⑨和⑩。

图8. 10轮驱动系统的动力总成装配界面

有几种动力总成系统，例如：2轮，4轮，6轮和10轮驱动，这些驱动系统仅应用于牵引车的后桥。在牵引车辆上的悬架轴的数量为五个或更少的情况下。例如，如果牵引车辆有四个轴，并且选择了四轮驱动系统，则动力从动轴为第三轴和第四轴。如果牵引车辆的轴数超过5个，则驱动系统仅应用于第5轴。表1汇总了多轴车辆的驱动轴，其中“ D”表示驱动轴，“ \”表示不适用。

表1.具有各种类型的动力总成系统的多轴车辆的驱动桥

悬架轴数

2-axle

3-axle

4-axle

5-axle

X-axle (5 <)

轴数

2WD (FWD)

2WD (RWD)

4WD

6WD

8WD

10WD

用户设置

⑰驱动轴相对于轴间差速器的旋转惯量（关键字= IDS（IDIFF））。.

发动机

接合动力传动系统模型时，发动机是车辆的动力来源。发动机的典型特征是在测功机上测得的飞轮扭矩是节气门位置throttle和转速w e的函数。在不同的节气门设置的扭矩与发动机转速的表格查询中定义了这些属性，例如：

公式中 Te_control 是由ESC / TCS控制器调制的附加发动机扭矩，其详细信息在以下小节中进行介绍。

发动机扭矩 (Te), 发动机转动惯量 (Ie), 发动机角加速度 (ae), 扭矩传递装置在发动机侧的惯性矩 (Itc_in), 和扭矩传递装置输入扭矩(Ttcin)之间的关系是

通过积分微分方程可在每个时间步中获得发动机角速度:

发动机旋转角为

这些发动机计算中涉及的上述参数和表格函数是使用以下所述的控件在图9的界面上设置的。

图9 发动机界面

①用于使用发动机节气门的一阶时间延迟。选中后，将显示指定时间常数的其他数据字段（②和③）。如果未选中，则发动机油门立即响应不会延迟。

②发动机节气门开的动态时间常数 (关键字= TC_THR_APP).

③发动机节气门关的动态时间常数 (关键字= TC_THR_REL).

④到动力总成的可选链接：燃油消耗率数据集，定义此发动机的燃油消耗率。链接后，将计算运行的燃油消耗率（kg / sec）和总燃油消耗（kg）。

⑤曲轴处的发动机旋转惯量（关键字= IENG）。此参数包括与发动机输出轴一起旋转的所有零件的惯性属性，以及液压变矩器或离合器的可能部分。

⑥怠速 (关键字 = AV_ENG_IDLE). 这是节气门输入为零时的静态发动机转速.

⑦发动机扭矩的表格数据 (根关键字 = MENGINE).

发动机开启与关闭

参数OPT_ENGINE_RUNNING将关闭引擎（OPT_ENGINE_RUNNING = 0）或打开引擎（OPT_ENGINE_RUNNING =1）。默认值为1。可以在Echo文件的Engine部分中找到此参数。

通过参数OPT_ENGINE_RUNNING，例如，启动/停止控制器可以在车辆停车时关闭发动机，并在驾驶员释放制动踏板时打开发动机。可以通过状态变量SV_AV_ENG设置的启动后的预期发动机转速必须足够高以防止发动机熄火。在启动/停止示例中，用户可能希望将发动机速度设置为由参数AV_ENG_IDLE定义的空转速度。这可以通过在“事件”中的其他黄色字段中键入SV_AV_ENG = AV_ENG_IDLE来实现，以打开引擎。

注意：如果发动机通过其他方式失速，例如在车辆达到零速时保持变速箱离合器接合，则OPT_ENGINE_RUNNING的状态将不会自动从1（运行）更改为0（未运行）。因为OPT_ENGINE_RUNNING是参数而不是变量，所以需要将其显式设置为0以关闭引擎，然后将其设置为1以打开引擎

ESC/TCS扭矩控制接口

自2012年以来，所有乘用车的法规都要求使用ESC（电子稳定控制）或TCS（牵引力控制系统）。在这些控制器中，通常对发动机扭矩进行调节，以最大程度地减小发动机扭矩，以防止车轮打滑引起的不稳定性。此外，一些自动控制的节气门控制系统在爬砾石山时会提供帮助。

考虑到这些控制器，VS动力总成在公式7中包含可控制的发动机扭矩Te_control。

ESC / TCS控制器通常基于驾驶员请求发动机扭矩和某些车辆运行状态（例如速度，偏航率，车轮打滑率等）向发动机发出需求扭矩。

VS模型没有内置的ESC/ TCS控制器。使用VS命令定义的控制算法或通过外部模型（例如Simulink，实际硬件ECU等）定义的控制算法提供了扭矩请求Te_ESC_rq，可通过在VS求解器中导入变量IMP_MENGINE_ESC_REQUEST对其进行访问。

驾驶员模型要求的发动机扭矩（Te_DRV_rq）可通过输出变量（M_Eng_Rq）从VS求解器导出到外部控制器，并根据当前的发动机转速和节气门水平来计算，例如：

VS模型具有一个内部P + I控制器，该控制器在公式7中调节发动机扭矩Te_control，以满足ESC的扭矩需求。内部控制器具有通过导入变量（IMP_ESC_ENGINE_CON_STATE）区分的三种不同的操作状态，0：默认为无控制；默认为0。1：减少；或2：增加发动机扭矩以满足ESC的扭矩要求。例如，如果ESC处于减速状态（IMP_ESC_ENGINE_CON_STATE = 1），则ESC的目标是ESC和驾驶员需求中的较小者，例如：

发动机控制扭矩的时间导数为:

表2和表3分别总结了与ESC转矩控制有关的所有输入和输出变量。表4总结了PI参数。

表2.与ESC / TCS转矩控制有关的输入变量

关键字	符号	描述
IMP_ESC_ENGINE_CON_STATE	ESC_state	ESC发动机扭矩控制状态
IMP_MENGINE_ESC_REQUEST	Te_ESC_rq	通过 ESC/TCS的发动机扭矩需求

表3.与ESC / TCS转矩控制有关的输出变量

关键字	符号	描述
ESC_Stat	ESC_state	ESC 发动机扭矩控制状态
M_Eng_Rq	Te_DRV_rq	驾驶员需求扭矩
M_EngEsc	Te_target	ESC 目标扭矩
RgearDLT	---	传动系统总传动比

表4.ESC/TCS扭矩控制系统的PI参数

关键字	符号	单位	描述
ENGINE_ESC_PG	GP_ESC	1/s	发动机控制P增益
ENGINE_ESC_IG	GI_ESC	1/s2	发动机控制I增益

一些ESC / TCS控制系统在车轮而不是发动机上使用驾驶员或ESC扭矩请求信号。在这种情况下，用户可以使用输出变量RgearDLT，该变量是通过变速箱，分动箱（如有）和差速器从发动机到车轮的总传动比。

(待续...)

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CarSim仿真快速入门(八)—车辆动力系统建模(1)

动力系统部件总成

发动机到变速箱

③ 用于选择外部扭矩耦合模型，内部扭矩转换器或内部离合器模型的下拉列表（关键字= OPT_PWR_CPL_INTERNAL）。选择外部扭矩耦合模型时，扭矩耦合的数据链接④被隐藏

④链接到Powertrain: Torque Converter”数据集或Powertrain: Clutch Torque”数据集。链接的类型决定了发动机如何将扭矩传递到变速器。

差速器

驱动轴影响

User settings用户设置

传动系统的扭转弹性

用户使用参数测量

仿真验证

根据用户输入参数计算扭转刚度和阻尼系数

User settings用户设置

多轴动力系统

用户设置

发动机

发动机开启与关闭

ESC/TCS扭矩控制接口

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