毕业设计（论文）-面向对象的汽车模型体系框架建立及性能计算.docx

中北大学2017届毕业设计说明书毕业设计说明书面向对象的汽车模型体系框架建立及性能计算学生姓名： 学号： 学 院： 机械与动力工程学院 专 业： 车辆工程 指导教师： 2017年 6 月面向对象的汽车模型体系框架建立及性能计算摘要本文基于面向对象的多物理领域仿真软件SimulationX建立传统汽车和混合动力汽车的整车模型，仿真软件SimulationX非常适合用来描述现代多个领域的各种系统，它代表着仿真技术以及现代建模发展的方向，由于其巨大的发展潜力，发展速度很快。首先，对目前全球通用的几种汽车仿真软件进行了学习研究，明确了基于SimulationX对汽车进行建模仿真的优点，比较分析了前向仿真和后向仿真的优点和缺点，从而确定采用以前向仿真为主的结构；其次，学习了汽车各个部件建模仿真的原理和方法。根据动力总成的构成，采用模块化设计的思想，在 Simulation X 中建立了各个部件的模型；最后，以前面所建立的模型为基础，建立了传统汽车与混合动力汽车的整车模型，并进行了动力性和制动性的计算。关键词：多领域建模，SimulationX，传统汽车，混合动力汽车全套图纸加扣 3012250582Object - Oriented Vehicle Model System Frameworkand Performance Calculation AbstractBased on the object-oriented multi-physical field simulation software simulationX to build the traditional vehicle and hybrid vehicle model, simulation software SimulationX is very suitable for the description of modern multi-field complex system, which represents the modern modeling and simulation technology development Direction, because of its huge development potential and has been rapid development.Firstly, several kinds of automobile simulation software are studied in the world. The advantages of modeling and simulation based on SimulationX are clarified. Then, the advantages and disadvantages of forward simulation and backward simulation are compared and analyzed. The main structure of the car; Secondly, the analysis of the various parts of the car modeling and simulation of the principles and methods. According to the composition of the powertrain, the modular design idea is used to build the model of each component in Simulation X. Finally, based on the established model, the vehicle model of the traditional automobile and hybrid vehicle is established and Calculation of power and braking.Key words: multi-domain modeling， SimulationX;，traditional car;，hybrid car目录1 绪论11.1课题研究的目的及意义11.2 国内外汽车仿真的研究现状11.3 本文的主要工作和内容安排22 汽车仿真设计概述32.1 汽车仿真软件SimulationX的介绍32.2 混合电动车辆仿真结构、建模方法及特点介绍33 混合动力车辆动力源建模53.1发动机模型的建立53.1.1 发动机模型研究现状与建模方法的选择53.1.2 发动机的转矩输出模型63.1.3 SimulationX自带汽车发动机模型的介绍73.1.4 SimulationX中建立汽车发动机模型83.2 Ni-MH蓄电池模型的建立93.2.1 蓄电池建模方法简介93.2.2 NiMH蓄电池模型的建立103.3 电动机模型的建立123.4 本章小结124 动力传动系部件建模及仿真 134.1 离合器的建模134.1.1 离合器工作原理134.1.2 在SimulationX环境下的标准离合器介绍134.1.3 离合器测试164.2变速箱的建模174.2.1 变速箱的工作原理174.2.2 变速箱的建模原理174.2.3 变速箱建模及测试18第 I 页 共 II 页4.3 主减速器的建模214.3.1 主减速器的功能214.3.2 主减速器的建模214.4 车轮建模214.4.1 轮胎与路面接触模型214.4.2 简易轮胎模型234.5 车身、力元单元建模与集成234.6 本章小结255 传统汽车的建模仿真265.1 传统汽车整车模型的建模265.2 整车模型的测试265.2.1 车辆的动力性能计算265.2.2 车辆的制动性能计算285.3 本章小结296 混合动力车辆建模与仿真306.1 混合动力车辆模型的建立306.2 整车仿真分析306.2.1 车辆的动力性能的计算306.2.2 车辆的制动性能计算346.3 本章小结347 全文总结与展望357.1 全文总结357.2 展望35参考文献36致谢37第 II 页 共 II 页1 绪论1.1课题研究的目的及意义汽车的出现带动了人类文明和经济的快速发展。汽车工业以其自有的各种特点，已经成为国民经济的支柱产业，比如说产业链长、辐射面广。汽车早已成为人们不可或缺的交通工具，有着十分广阔的市场。现在，世界上的汽车数量保守估计超过了7亿辆，而且还在以每年几千万辆的速度增长。 仿真分析是电动汽车研发过程中非常重要的手段，运用仿真分析可以有效缩短汽车研发的周期。SimulationX作为很多学科领域中的复杂系统高级建模和仿真的主流平台，它包含了车辆工程以及其所涉及的各个学科领域的基础的模库：比如控制、机械、液压、气动和电等。除此之外，它还具有与车辆各种系统直接对应的专用的模型库：主要包括发动机系统、制动系统、转向系统、悬架系统和空气调节系统等。这些基础库加上其他专用模型使得SimulationX成为了各个国家新车开发时候的建模仿真的平台。SimulationX仿真技术可以缩短汽车的研发周期、降低汽车的开发成本、提高汽车产品设计和其制造的质量。在汽车的设计、制造和生产过程中十分的重要。为了降低汽车产品的开发风险，在样车还没有制造出来前，先用SimulationX仿真技术对汽车的各种性能进行计算机仿真，优化它的各种性能参数。汽车的系统或各大子系统，大部分都是包含了机械、电控、气动、液压、热等各个学科领域的内容。各大系统都包含了从控制器与动力的传动到执行机构的系统。本次设计目的是让我们综合运用大学期间所学课程的知识进行实践训练，以便提高我们在今后的实践、工作中分析问题和解决问题的能力；同时也是对我们所学各门课程教学质量的一次综合性的检查；是进一步提高我们独立工作能力的重要方法和途径。1.2 国内外汽车仿真的研究现状 汽车是一个非常复杂的物理系统，主要涉及机械、能源、液压、控制、热力学等领域，是一个典型的多学科多领域混合系统，传统的汽车仿真分析软件通常只针对汽车局部或者其某个子系统进行的设计与仿真，很少有实现全系统多领域的整车建模与仿真，非常难以考虑不同领域间的耦合关系，因此制约了系统性能仿真可靠程度的进一步提高，比如，ADAMS能够有效的分析机械系统的动力学等特性，常用于对汽车的悬架系统进行设计与研究；而Matlab/Simulink 则侧重于对控制系统等的研究，侧重于液压系统的仿真软件主要是有 AMESim，主要用于汽车制动系统的研究。 早在几十年以前，国外就开始研究对汽车的建模和仿真。美国、英国、日本、和法国等一些国家都已经研制出了各种各样的电动汽车仿真软件，各大汽车生产厂家也都有自己的仿真软件，但是大多数软件因为仿真效果太差已经被淘汰了。美国在上世纪九十年代推出了“新一代汽车合作伙伴计划”，对于其后的电动汽车的仿真发展具有十分重大的意义。到目前为止，世界范围内已经出现很多各有特色的电动汽车仿真软件，按其功能可分为：通用软件和专用软件；按其开发模式可分为：基于Matlab/Simulink 开发和独立开发；按照仿真过程中控制信号与能量流的传递的路径不同可分为：前向仿真与后向仿真。 目前我国己经有少数几所大学和研究机构已经在进行电动汽车仿真的研究,并且已经开发了一些仿真程序,但是他们功能单一,目前没有成熟的国产商品化软件的出现。随着我国“十五”电动汽车的重大专项的启动,我国将在这一领域继续加大研究投入。 现在国际上的建模与仿真分析的方法主要有两种： （1）基于不同领域专业软件之间的接口，主要不足之处是各软件需要提供它与其它软件间的接口之间关系，而且在系统涉及的领域较多时，随着参与的联合仿真软件数量的增加，就增大了实现联合仿真的难度； （2）基于统一建模语言，因为其对不同领域采用统一的表述方法，能够自然而然地描述不同领域之间的耦合关系，所以在多领域建模上具有的优势巨大。1.3 本文的主要工作和内容安排 本文主要在基于SimulationX的环境下对传统汽车和混合动力车辆进行建模与仿真的研究。工作的重点如下： 混合动力汽车的动力源：发动机、蓄电池和电动机的建模； 动力传动系统的建模与测试； 传统汽车的整车建模与仿真分析； 并联混合动力汽车的整车建模与仿真分析。2 汽车仿真设计概述2.1 汽车仿真软件SimulationX的介绍 SimulationX是一款用来分析和评价技术系统内部各部件相互之间作用的软件，是一个多学科领域仿真、建模和分析的通用的CAE工具，并且还具有非常强大和标准的元件库，这些元件库具体包括：控制、3D多体系统、液力学、热力学 、动力传动系统、电子学、气动力学、电驱动和磁学。此外，SimulationX的后处理系统十分的强大。 SimulationX 是很多学科领域的系统仿真领跑者。它的模型库中包含有大量与工业界的合作伙伴和研究机构密切合作的开发的标准元件。以及面向用户的版本和模块、多种功能性和众多软件的接口，使得SimulationX可以满足不同用户不同应用领域的各种仿真需求。 功能和技术关系的仿真是对整个过程进行的预测工具。不用再由于试验出错而浪费我们的时间与金钱。SimulationX的研发方法也提高了可行性和效率。多种学科的概念，也增加了物理子系统和复杂性之间的交互，所以，它需要综合地考虑整个设备、传动系统和工艺流程。SimulationX在各个工业领域都能给予研发商和工程师一个相对的竞争优势，从而可以完成更加细致与复杂的任务。2.2 混合电动车辆仿真结构、建模方法及特点介绍 现在运用比较广泛的汽车仿真软件按照仿真过程中能量流的传递路径和控制信号，仿真的结构分为两类：前向仿真；后向仿真。 前向仿真的结构中引入了驾驶员模型，它的功能是根据工况的需求车速和仿真所得的车速来实时地调整加速与制动踏板的开度，能够考虑请求速度与现在速度来生成节气门与制动命令。从而使控制器按照驾驶员的意图进行能量的管理和分配。在仿真的过程中，对踏板的调整一般是以转矩的形式体现出来的。控制器按驾驶员的需求计算出驱动装置应该提供的转矩或者功率，并且决定相关部件的工作状态，再以控制指令形式传送到相应的部件实现对整车的控制。 整个仿真系统中的能量流与控制信号完全是按照和实车相同的传递路线进行传递的，也就是从驱动装置到达传动部件，最后到车轮。前向仿真结构对各个部件的各种参数都采取和实际驱动过程类似的处理方法，具备有动态仿真的能力，但是因为在前向仿真结构中有仿真车速与相关传动部件的动态变化过程的计算，一般要采用高阶解算器来进行积分的运算。当循环工况的时间大于10分钟的时候，这个不足的地方就表现得非常的明显，所需要保存的仿真过程的中间数据量大大地增多，因而对电脑的存储能力有了更高的要求。 后向仿真是从系统的需求出发，假定汽车按照指定的工况行驶。通过仿真计算而得到为满足工况要求，整车的各个部件应处的工作状态，以此来作为汽车的性能分析的依据。在该结构中，整车行驶所需要驱动力矩按工况要求的车速进行每一时间步的实时的计算，并且沿和实际转矩传递的路线相反的方向进行传递的计算，控制器则要根据已经制定的能量管理的策略，把传动部件传送的整车需求的功率进行分配后，按照需求值形式传递给各个动力源，从而就实现了控制。后向仿真大都采用稳态模型，该建模方法的优点主要是模型比较简单，计算的速度比较快。但其主要的限制是不能实现汽车动态过程的仿真。 仿真建模的精度对传统汽车和混合动力电动汽车仿真结果的精度影响比较大，所以进行传统汽车和混合动力电动汽车的建模仿真与分析是一个很重要的研究工作。电动汽车仿真软件仿真模的型主要采用稳态模型、动态模型、准稳态模型以及实验图表与经验数据相结合的策略。因为电动汽车的仿真是对汽车中的很多部件的综合性能的仿真，涉及多个领域，而且有些部件的工作特性还没有完全明白，所以不能用单独一种建模的方式来设计整个汽车系统的模型。一般是用动态的模型来仿真对动态的响应过程要求比较高的部件工作特性，而对那些工作原理不清楚的部件，能够使用实验图表和经验数据相结合的建模方法。3 混合动力车辆动力源建模3.1发动机模型的建立3.1.1 发动机模型研究现状与建模方法的选择 发动机是汽车的主要的动力源。对汽车的动力性的进行仿真，建立合适的发动机模型非常重要。 汽车的发动机是一个复杂而且具有高度的非线性系统。它的特性主要是由其燃烧的过程决定的，除此之外还遭到进气、排气和传热过程等的影响，普通传统汽车发动机的建模主要体现在汽车发动机燃烧模型的研究上，其燃烧过程的非常复杂，主要有燃油燃烧的化学过程、金属材料的受热传导的热力学与复杂机械动力学的运动，有十分显著的非线性。所以建立一个复杂的非线性汽车发动机的模型难度特别大，很难使用一个精确的数学表达式来体现，而且因为试验条件的一些限制，我们只能对汽车发动机的有限个工况进行测试。所以对汽车发动机的建模一定根据我们仿真的目的，在满足精度要求的这个前提下，汽车发动机模型有较低的阶次与比较少的参数，从而便于参数的整定和调节。 总的来说，汽车发动机的模型建立方法有两种：实验建模；理论建模。 实验建模是对实际选择的汽车发动机进行实际测验，从而建立数据库(汽车发动机的转速、转矩、燃油消耗率和排放数据等)，查询表格或利用数据来模拟汽车发动机工作的特性。再考虑到这种汽车发动机使用实验数据来建模，其通用性比较强，只用思考单元结构的输入以及输出量，而环境对单元构造的工作特性等的影响，能够引入环境等变量对单元结构性能修正，可以使模型的精度能到规定要求。这是一种查询表格性质的模型，它的输入和输出关系能够非常精确地体现汽车发动机的稳态的特性。实验建模法简略并且有效，建立模型所需要的数据能够经过汽车发动机的性能试验而得到，它的不足是不可以反映发动机的瞬态响应得特性，而且所建立的模型只能针对某一固定车形的发动机。汽车发动机台架试验过程是一种静态的工作过程，然而这与汽车在实际行驶的过程中汽车发动机所处的动态的工作过程有比较大的差别，所以需要对它的静态数据进行修正。 理论建模方法是根据理论分析，所建立的模型也被称为汽车发动机热力学模型。在汽车发动机的各个特征参数已经知到的条件下，运用热力学知识对燃料的燃烧过程进行模拟分析，建立模型时一般会将汽车发动机分为几个小的子模块（比如进气管、缸内燃烧、节气门体、动力输出和排放等），涉及到各个部件间的热传递和十分复杂的燃烧理论，还需要使用动力学原理以及流体力学建立汽车发动机的空气与燃油流量方程和各个运动部件间的运动方程，并且结合实验数据，建立各子模块的模型，然后将几个子模块连接起来就得到了汽车发动机的数学模型。这种解析图标混合的模型，有一定的通用性，将其应用在不同的汽车发动机时，只需要改变有限的参数即可。建立汽车发动机的理论模型，对我们认识和改进汽车发动机的性能以及开发汽车发动机的电控系统都有很大的帮助。理论建模能够较好地反映汽车发动机的动态特性，而且简略地改变汽车发动机的参数值就可以仿真各种汽车发动机。汽车发动机各参数间的关系可以用代数方程与微分方程来叙述，模型相比复杂、计算的时间长，主要应用于研究汽车发动机的内部结构、各性能参数以及工作机理对汽车发动机性能的影响。但是复杂的数学模型会使得仿真计算的时间比较长，对实时仿真不是很好地切合实际情况。于此同时，汽车发动机的很多参数值很难得到准确的值，一般都是根据经验对其进行估计，这样难免不能升高发动机模型的精确度，结果就是复杂的理论模型可能没有实验模型好。汽车发动机理论模型有应用很广泛的特点，不需要对汽车发动机进行事先的测试，但是模型的建立较困难，需要考虑到的实际因素也较多。综上所述，理论建模和实验建模各有各自的优劣。因此要根据具体的仿真目的选择适合的建模方法。总体来说，理论模型更适合于研究汽车发动机的内部构造、性能参数和工作机理对汽车发动机性能的影响，即适合于汽车发动机本身的研究。实验模型只考虑了汽车发动机的各输入和输出参数间的关系，适合与汽车发动机控制策和汽车动力性仿真方面的应用。本文以实验建模为主，在汽车发动机的稳态实验数据的基础上采用数据表格或者公式拟合，与理论建模相结合，获得简单以及精确的汽车发动机模型。3.1.2 发动机的转矩输出模型利用汽车发动机的试验数据，我们采用多项式拟合方法构造汽车发动机的油门开度与稳态输出转矩和汽车发动机转速之间的关系。研究发现，无论是汽车发动机的负荷特性曲线还是外特性曲线均是汽车发动机节气门的开度和汽车发动机的转速n的函数，即，在气门的开度一定的情况下，汽车发动机的输出转矩曲线用3次样条插值方法拟合能够得到我们满意的精度。所以能够用一定的实验数据来建立汽车发动机数值模型。依据汽车发动机的实验数据以及其应用的范围，分开绘制出节气门的开度和汽车发动机转速的坐标向量，即：节气 门的开度和，其中与表示汽车发动机的最小与最大节气门开度，与分别代表汽车发动机的最低与最高转速。坐标距离为3次样条插值的步长，插值的步长相等，为 (3.1) (3.2) 坐标数值的间隔大小决定数表的网格数，坐标间隔越小则表示数表的网格数越密，插值的结果更准确，但是也不能太小。 现在虽然可以说明汽车发动机在非稳定工况下的一般规律，但是对它的研究还不够。试验研究表明：当汽车加速的时候，因为混合气的浓度变稀，导致汽车发动机的转矩比稳态工况下的转矩要低，汽车发动机的转矩的下降和汽车发动机的曲轴角加速度是线性关系，而且下降的量不超过汽车发动机最大扭矩的4%-5%。当汽车减速的时候，混合气的浓度变浓，使汽车发动机的转矩比稳态工况下的转矩要高，汽车发动机的转矩上升量和它的曲轴减速度成正比的关系。所以，我们采用修正系数的方法来对汽车发动机在稳态工况下的输出转矩修正并把它作为在非稳态工况下的汽车发动机输出转矩。也就是汽车发动机的动态输出转矩为: （3.3） 上式中：表示汽车发动机在稳态工况下的输出转矩（按外特性工作时） 表示汽车发动机曲轴的角加速度（ 1/） 表示转矩下降系数，对不同的汽车发动机是不同的，一般取0.070.09 3.1.3 SimulationX自带汽车发动机模型的介绍SimulationX中的库Power TransmissionMotors Engines带的Combustion Engine就是一个四缸四冲程的内燃机模型，如图3.1，其他的都是V型布置的缸和直列单缸，都是理论与实验相结合的于各个缸控制的汽车发动机模型。图3.1是一个直列式四缸四冲程的刚性曲轴汽车内燃机模型，这个模型是一个参数化模型，能够根据自己的需求设定缸数，名义功率,名义转速，如知道名义扭矩，可以通过名义扭矩与名义转速两者的乘积得到名义功率。这个汽车发动机模型可以通过输入节气门信号in1控制，它的值在0-1 之间，（其中0表示节气门的关闭状态，1表示节气门的全开状态，ctr1是汽车发动机与支架（如：悬置，轴承）的接口，ctr2是汽车发动机飞轮或曲轴连接的接口。建立模型的基础是： (3.4) dphi=ctr1.phi-ctr2.phi (3.5) dom=ctr1.om-ctr2.om (3.6)图3.1 四缸四冲程内燃机理论模型Ti为输出扭矩，Te为汽车发动机产生的内部扭矩,Ta为加速扭矩，om为输出角度，phi为输出转角。该模型以汽车发动机的单缸转角名义扭矩特性曲线作为基础，考虑了压燃式和点燃式的区别。 这个模型的实质是一种基于汽车发动机曲轴转角的控制模型。因为软件的权限问题，该模型的特性曲线保存在Power Trainmission/Engines/Engine 里面，没有权限进行改变，本文基于类似的思想，建立了考虑输入与输出特性的关系，适于控制运用和实验理论相结合的模型。 3.1.4 SimulationX中建立汽车发动机模型在Simulation X中，通过插值查表法所建立的简易汽车发动机模型如图3.2所示。该模型是基于汽车发动机的外特性曲线建立的。图3.2 基于汽车发动机外特性的简易模型3.2 Ni-MH蓄电池模型的建立3.2.1 蓄电池建模方法简介在混合动力系统的所有部件中，蓄电池的建模是最难的。因为蓄电池在充放电的时候伴随着复杂的化学反应，它产生的热量会导致蓄电池的温度发生变化。所以蓄电池的电化学特性是和各种随机的变量相关的一个非线性函数。因为蓄电池的动态特性的复杂性，难以使用一个准确的数学模型来描述电池的特性。目前研究蓄电池的动态特性建模方法比较多，主要分为：基于蓄电池电化学与物理过程的理论分析机理建模方法；基于蓄电池外部的响应的实验测试数据实验建模方法。机理建模是利用电化学和热化学理论，分析电池内部的现象与物质的工作特性，分析的过程较复杂，对建模人员的专业能力要求也特别高，该方法适用于化学领域内的电池研究的开发与制造；实验建模是以蓄电池的等效电路作为基础，用等效电路近似地模拟它的动态特性。再通过充放电实验以及理论分析，可以使用一个近似模型来描述其工作过程与特性。电化学的电池动态模型的建立要从分析其内在的机理出发，也要借助实验的测试来拟合非线性的变量间的关系。考察电池的输入与输出特性间的关系。建立模型的基础是怎么确定电池电动势E与内阻的特性函数。特性函数的确定是基于对 随电池的荷电状态变化关系的测试结果上的。对于电动汽车的建模仿真来说，要从整体的角度，使用一种简单易于理解的方法在精度允许的范围内近似地模拟电池动态特性，所以实验建模法是一种比较合适的方法。内阻模型是实验建模的方法中常用的几种等效电路模型之一，也是当前的电动汽车仿真软件中主要采用的电池模型。内阻模型把电池看成是一个理想的电压源与一个电阻串联的等效电路，其最常用的电池模型如图3.3所示。图3.3 内阻模型等效电路在图中，电压源E是电池的电动势，近似地用开路电压来代替；电阻是电池的内阻。其中可以通过在满充电的状态下连接一个负载测量端电压与电流得到。3.2.2 NiMH蓄电池模型的建立1.基本的建模思想 建立蓄电池模型的基础是电动势E和内阻R的确定，它们受多个因素的影响，数值随着电池的状态时刻变化，一般情况下只需要考虑主要的因素。在参考文献中的内阻模型是把电源E看作为荷电状态SOC与温度T之间的函数，把内阻看着为电流I与温度T之间的函数。本文基于如下的内阻模型图3.4，将电动势E与内阻R拟合为荷电状态SOC的函数，并且通过温度系数再给予修正。图3.4 内阻模型图2. 氢-镍蓄电池的数学模型 氢-镍电池建模的基础是怎么确定氢-镍电池的电动势与内阻的特性函数。这些特性函数的确定是根据电池的荷电状态值 SOC的变化关系的结果上得到的。电池的可用容量不仅和温度有关，还受到持续放电时间和负载电流的影响。通常来说，放电的电流越大，极化就越严重，工作得电压下降得越多；放电深度就越深，工作的电压也下降得多。建立电池能量模型的基础是电池的等效电路图，如图3.4所示。电池的容量特性会影响电动汽车的有效的续驶里程，而其电压特性会影响电动汽车的动力性，两者之间相互关联，相互影响而构成了电池的放电特性。 电池的可用容量不仅和环境的温度有关，而且还和负载电流与放电时间有关，即可用容量是温度、负载电流以及持续放电时间的函数，当负载的电流是单调非减函数的时候，可用容量的计算如下： (3.7)上式中，是电池的额定容量，是温度、负载电流的函数； 是电池的已用电量，即电池从t=0到t时刻的输出电量。 蓄电池的内阻的解析式如下： (3.8)上式中，是电解液阻值；是电极阻值；b是电池以电流充放电的时候，电池端的电压相对于在额定容量的条件下电池端的电压E的变化系数；是极化内阻。把上式表示为以蓄电池的能量荷电状态值表示的函数为： (3.9)由蓄电池的等效电路可知，电池的端电压的计算公式如下： (3.9)上式中是t时刻电池的电动势； 是t 时刻电池的内阻。根据NiMH蓄电池的开路电压和电池荷电状态以及温度的关系直接运用SimulationX进行二维插值，用查表的方法来求得电动势。3.3 电动机模型的建立本文以SimulationXElectro MechMotors.DC作为基础，考虑电机转动惯量。建立的电机模型主要为电机动力学模型，没有涉及到电机的电磁学模型与控制器模型，这是根据整车仿真的特点以及需求决定的，模型的原理如图3.5所示，电机模型的输入是蓄电池输出的电压与电流，输出是转速与扭矩。图3.5 电机原理图在SimulationX中建立的电机模型如图3.6所示，主要是在Simulation XElectro MechMotors.DC的基础上考虑了转动惯量。图3.6 电机结构图根据等效电路，电机的输入的电压为，输出的扭矩为T，计算的原理如下： ; (3.11)式中I是输入电流，是感应电压，是感应电压系数，是扭矩常数。3.4 本章小结本章在SimulationX中对混合动力系统的主要动力源部件进行了数值建模。建立了发动机模型，蓄电池模型，电动机模型。为整车的模型建立奠定了基础。4 动力传动系部件建模及仿真 4.1 离合器的建模 离合器在汽车传动系统中是直接和汽车发动机联系的部件，离合器在保证汽车起步平稳、防止传动系统过载以及传动系统在换档时的工作平顺方面有非常重要作的用。4.1.1 离合器工作原理 离合器的主动部分与从动部分借助接触面间的摩擦的作用，或者是用液体来作为传动的介质(如液力偶合器)，或者是用磁力来传动(如电磁离合器)来传递转矩，使它们之间可以暂时的分离，又可以渐渐的接合，在传动的过程中允许两个部分之间相互转动。 在离合器结合的过程中，主动部分的转速要大于从动部分的转速，摩擦面间的压力不断地增大，到摩擦力矩足够大的时候，两者的转速渐渐趋向相等。摩擦片离合器能传递的最大转矩主要取决于摩擦面之间的最大静的摩擦力矩，而最大静的摩擦力矩又是由摩擦面间的最大压紧力与摩擦面的尺寸和性质决定的。对于某一结构的离合器来说，最大的静摩擦力矩是一个定值。当输入转矩达到这个值，离合器就会打滑，从而限制了传动系统所受的转矩，防止其超载。现在在汽车上一般采用的都是用弹簧压紧的摩擦片离合器，简称摩擦离合器。离合器工作过程如图4.1所示。图4.1 汽车正常起步时的离合器转速、摩擦力图4.1.2 在SimulationX环境下的标准离合器介绍 本次所使用的离合器为普通盘式离合器：在SimulationX的Power Transmission/Couplings/Disc Clutch中，它的模型图如图4.2所示，ctr1是模型的输入接口，ctr2是模型的输出接口，in1是离合信号的输入接口，当输入的信号值大于0的时候表示离合器合上，否则就表示离合器分离。 图4.2带控制离合器模型 离合器摩擦特性取决于实际的摩擦系数与接触面间的法向压力，摩擦系数考虑静态的摩擦系数my0与滑移摩擦系数my，实际的传动速度的计算考虑摩擦系数的影响。 (4.1) dv表示盘内外直径处的平均速度，描述离合器形状与材料特性对离合器离合过程的影响，常用的材料特性的参数表如表4.1所示。 影响摩擦特性的第二个因素为盘面上的正压力。当离合器离合时，正压力从0连续地增长到最大值，它的增长过程的公式为： (4.2)上式中，Fp为最大正压力，tu为达到最大正压力时所需要的时间，ton为离合器开始离合的时间，如图4.3所示：表4.1 离合器的参考系数表 建模的原理如下： 转角差： (4.3) 角速度差： (4.4)图4.3 离合器的摩擦系数与材料和速度的关系 离合器的工作状态由是切换信号sw控制的，sw系统默认的输入参数由 in1表示；当in10的时候，离合器处于关闭；当in10时，离合器处于分离。图4.4 压力增长过程曲线图当sf = -1的时候，表示离合器的分离过程，角速度差dom的值为负；当sf = 0的时候，表示离合器完全离合，角速度差dom的值为0；当sf = 1的时候，表示离合器前向滑转过程，角速度差dom的值为正。4.1.3 离合器测试 建立的离合器测试图如图4.5所示。图4.5 离合器测试图测试过程：用时间来控制离合器的工作状况，控制函数为function1，当间到10秒的时后分开离合器。SignaIBlocks.Function function1(F=if t10 then 1 else 0); 图4.6反映了离合器的工作状态，遵循命令的要求，前10秒离合器完全离合，10秒的时候定子和转子分离；图4.7，红色的线表示定子转速，蓝色的线表示转子转速，10秒的时候定子转子分离之后，定子的转速增加，转子开始为恒速；图4.8反映定子与转子的转速差，定子与转子分离之后，转速差渐渐增大。图4.6 离合器的离合情况（1表示合上；0表示分离）图4.7 离合器前后转子的转速比较图4.8 离合器的输出参数情况（红色线为定子转子转速差）4.2 变速箱的建模 4.2变速箱的建模4.2.1 变速箱的工作原理 变速箱是由变速传动机构与操纵机构组成的，同时还可以加装动力输出器。通过操纵机构来改变传动的齿轮匹配，以达到调节传动比的目的。4.2.2 变速箱的建模原理汽车的变速箱以机械能的形式来传递功率，其原理如图4.9所示：图4.9 变速箱的原理图 汽车变速箱的输入和输出均为都是扭矩和转速，汽车变速箱工作的过程中，主要有旋转齿轮转动惯量与齿面摩擦造成的机械能损失，所有损失的能量在仿真模型里用能量传递效率系数表示。4.2.3 变速箱建模及测试在SimulationX的部件库里面有两种齿轮啮合模型，如图4.10和图4.11所示，即物理齿轮啮合模型（Power Transmission.Transm-issions.Gear）和理论齿轮啮合模型（Mechanics.Rotation.Gear）。 图4.10 物理齿轮啮合模型 图4.11 理论齿轮啮合模型物理齿轮啮合模型考虑齿轮几何与材料特性，比如齿数、齿厚、齿宽、齿轮模数、压力角、转动惯量等物理特性，齿轮的各个特性考虑很全面，需要定义的参数比较多，适合专门的齿轮传动齿面受力变形和强度等方面的分析，仿真计算时间比较长；理论齿轮啮合模型只考虑了啮合传动比，输入和输出均为扭矩和转速。ctr1，ctr2都和旋转部件库里面的部件连接，如果ctr1 作为输入，则传动比就定义为，否则就定义为，或者以相应的转动的角度来定义，理论齿轮啮合模型是一种简易的齿轮啮合模型，它适合于系统级的仿真分析用，可以满足整车仿真的功能精度的要求，计算速度比较快，而且时间短占用计算机的资源少。本次选择理论齿轮啮合模型来建立传动系变速箱。理论齿轮啮合模型的单元是一个理想的传递扭矩和转速的部件，它连接旋转机械部件库里的两个部件单元或者系统，建模的原理为： (4.5)上式中，为输入扭矩，为输入转速；为输出扭矩，为输出转速。理论齿轮啮合模型可以模拟恒定的传动比，也可以通过外部的控制，使得传动比参数化，同时也能够对连接器的转动角度或速度进行约束。连接器初始角度可任意设定，初始条件的角度改变满足下式： (4.6)上式中，为输出端的当前转角，为输入出的初始转角；为输入端的当前转角，为输入端的初始转角；为ctr2对ctr1的传动比。本次的变速箱是一个五档位的变速箱。其结构如图4.12所示，暂时没考虑汽车变速箱的转动惯量的损失，可以在最后同整车一起考虑。由于汽车在实际换档过程中都会有离合器短时间的断开再换档的过程，为了方便更形象地模拟汽车变速箱的真实换档过程，本次用单离合器来控制单对啮合齿轮的方式。单对啮合齿轮传动比是常数。通过对汽车离合器的控制，从而达到换档的目的。仿真过程中汽车变速箱的换档规律是根据对离合器的结合和分离的控制来实现的。本次采用两个参数换档策略，通过对汽车发动机油门开度和车速的控制来实现换档。加入了控制部分后的汽车变速箱模型结构图如图4.13所示。传感器的输入是车速信号，左边的控制接口输入的是油门开度信号。图4.12 变速箱的结构模型 function1-function5是换档的控制信号，根据时间来换档，preset1的类型设定为恒速旋转，即产生一转速是50rad/s的恒定转速。transmission Gear1-transmission Gear5是变速器的五个档位，传动比依次是5.2，3.6，2.5，1.8，0.8，负载inertia2的初始转速是0，换档的时间依次为1，2，3，4 秒，图4.14是换档过程中，激励转速、档位信号与负载转速的关系图，这个图形准确地反映了换档过程中，速度随档位的变化过程。图4.13 带控制的自动变速箱模型结构图图4.14 档位速度的曲线图4.3 主减速器的建模4.3.1 主减速器的功能汽车主减速器是有单一速比的传动部件，其结构简单、传动的效率高。其作用是将从发动机或者电动机等动力元件传递来的转速、转矩传递给驱动车轮，从而实现降低转速增和大转矩的作用。4.3.2 主减速器的建模因为主减速器是一固定传动比，直接使用软件SimulationX中的机械旋转库中的理论齿轮啮合模型（Mechanics.Rotation.Gear）考虑扭矩的损失就可以。 (4.7)上式中，为主减速器的机械传动效率。4.4 车轮建模4.4.1 轮胎与路面接触模型考虑滑移曲线Power Transmission.Transmissions.Wheel Ground的轮胎和路面接触的模型如图4.15所示。 轮胎和路面接触的模型是一个充气的轮胎模型，可以用它仿真出在平坦的刚性水平路面上行驶的车辆的驾驶与转向性能。可以选择的特性可以在仿真中考虑车轮得外倾角或者是轮胎的动力学的一阶近似值。它通过两个速度通过的滑移特性曲线图4.16分配摩擦系数与估计滑移值，摩擦系数与法向力是随时间的变化而变化的，通过这两个量能够计算驱动扭矩与驱动力。所以轮胎路面的接触模型可以连接在旋转与移动这两种机械结 构之间。轮胎和路面接触的模型建模基础是滑移曲线模型，如图4.16所示。 图4.15 轮胎与路面接触的模型 图4.16 滑移曲线模型滑移曲线模型的输入为两个速度，输出是摩擦系数mu与滑移系数lambda 。定义参数是速度v1和v2，摩擦系数的最大值A，斜率B，最大值摩擦系数和平衡值之差，转弯点D，各参数具体意义如图4.17所示。描述滑移特性曲线是非常复杂的。通常是靠给出特定的点对特定的应用情况。仿真软件SimulationX里面应用一个特别的函数式，这个函数解释这哥结果。描述滑移特性曲线只要四个参数。每个参数可以描述一独立的特征，如表4.2所示，因为参数的独立性，滑移特性曲线比较容易调节与拟合需要的接触情况。 (4.8) (4.9)图4.17 摩擦系数与滑移率的关系 其中，为驱动速度，为载荷的输出速度。当的时候，滑移率是正的。表4.2轮胎滑移系数表定义轮胎和路面接触的模型需要定义参数Fn、A、B、C、D以及轮胎半径r。4.4.2 简易轮胎模型SimulationX中的Mechanics.Rotation.Rot Trans Trafo 模型是机械旋转库里面简易的将移动和转动互相转化的部件，如图4.18所示。图4.18 简易轮胎模型其中ctr1和机械移动的部件相连，ctr2和转动的部件相接。当把转动转化为移动的时候，模型的输入参数是i_TR，单位是（m/rad），反之，模型的输入参数是 i_RT单位为（rad/m），当作为轮胎简易模型的部件时，把转动转化为移动，i_TR为轮胎的半径。模型的输出为是ctr1处的驱动力与ctr2处的扭矩。建模的原理是能量守恒原理，即： (4.10)在不考虑轮胎特性的影响的时候，可以采用Mechanics.Rotation.Rot Trans Trafo模型做简易的轮胎模型，最后记入轮胎传动的机械效率。4.5 车身、力元单元建模与集成车身模块是整个汽车仿真的基础，它在忽略汽车横向运动的前提下，将整个汽车(车身/底盘)简化成一个不可变形的固体质量块，从而得到一个单自由度的模型,它的受力情况如图4.19所示。图4.19 整车