（机械工程专业论文）发动机测试台架动态性能的研究.pdf

摘要 动态台架滟够模拟汽车- 在道路行驶时袋渤视的工彳乍状态，为汽 车套力系统蛙戆舔究釉嚣发提供了蠢效豹试验手段。 在动态台粲上究成了对汽车行驶阻力酌模豫；完成了对车辆传 动系绕器部分熬模拟，包轾勰台爨瓤变速嚣的模拟。在动态台架模 拟赛马车道路试验的络栗与鹣车道路试验静经济性和魂力穗指标蠢 ：较好鞠一致性。 在韵态台黎上完成了对驾较爨韵模接，氆括起涉、舞椽、簿襁、 换档决策、固定档位下霉速轨迹跟踪、制动靼预测驾驶能力的模拟。 阐述了模壅中备模块麓参数瀚设藿秘镶整方法。 动态台架，t 的驾驶员模溅可以臌映驾驶员的纵向操作特性。栈 动态台黎上繇究了驾驶委跟踪车速水平、换耧瓣襻踺汽车麓力系绫 性能的影响；分析了黼类驾驶员模型的起步和换档过程品髓。 撼遵了惠强度蒲耘、速度渡羲搬搽蠢工提禳率搔耨魏威懿蒋蒹 参数体系来描述不同端驶循环的特襁，并运用特 厦参数法对六种典 鍪嚣驾鼗褥醛避孬毙较霹繇交。然蕊在袭旗穗凄态螽蔡上逶孬了器 个驾驶循环，分析了驾驶循邵对燃油消耗和排放的影响。 本文系绞缝基蘩了在发动爨动态台黎上模接整车逶黪试验帮藤 盘测功机试验的方法。在国内较前卫地利用动态台架研究驾驶循环 靖汽车漤力系筑程疑黪影璃。褥鑫了驾驶受夔缀懿攥缀蒋瞧察蘩荻 循环对汽车动力系统性能影响的规律。 关键调；发动机动态台架；鹅驶循环；驾驶员纵向操纵特性；汽车 凄力系巯 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed y n a m i ct e s tb e dc a ns i m u l a t ew o r k i n gm o d e o ft h e e n g i n ef i t t e d i f lar e a lv e h i c l er u d n i n go f fr e a lr o a d i t p r e y i d e s a ne x p e r i m e n t a lm e t h u df o rt h er e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n to fp o w e r t r a i n r o a dl o a ds f m u l a t i o n ，a n dv e h i e l es i m u l a t i o ni t i c l u d i n gt h e c l u t c hs i m u l a t i o na n dm a n u a lt r a n s m i s s i o ns i m u l a t i o f fh a v eb e e n e x e c u t e do nt h ed e t b t h et e s tr e s u l t sa b o u tp o w e ra n df u e l c o n s u m p t i 0 1 1s i m u l a t i n gap a s s e n g e rc a rs a i m ao i lt h ed e t ba g r e e w i t ht h et e s tr e s u l t so nr o a d d r i v e rs i m u l a t i o ni n c l u d e ss t a r t i n gf r o mr e s t ，u p s h i f t i n g d o w n s h i f t i n g ，g e a rs h i f t i n gt h r e s h o l d s ，s p e e dc o n t r o l l i n ga t g i v e ng e a r ，b r a k i n ga n d1 0 0 k i n g a h e a d d r i v i n g ，h a v eb e e n e x e c u t e do f fd e t b t h em e t h o do fs e t t i n ga n dr e a d j u s t i n go ft h e p a r a m e t e r si f lt h ep r o c e s so fd r i v e rs i m u l a t i o nw a sd i s c u s s e d + t h ed r i v e rs i m u l a t i o no nd e t bc a br e f l e c tt h eb e h a v i o ro f r e a ld r i v e r s t h ed r i v e rb e h a v i o r h a sg r e a t i m p a c t so et h e p e r f o r 朋a n c eo fp o w e r t r a i n s t u d yo f fi m p a c t so fd i v e r s ed r iv i n gc y c l e sh a v i n go f ff u e l c o n s u m p t i o na n de m i s s i o f fp e r f o r m a n c eo f p o w e r t r a i n w a s e x e c u t e d d r i v i n gc y c l e sh a v eg r e a ti m p a c t so f ft h ep e r f o r m a n c e o fp o w e r t r a i n t h em e t h u d so fr o a dt o a ds i m u l a t i o no f ft e s tb e dh a v eb e e n d is c u s s e di nt h i sp a p e r t h ei m p a c t so ft h ed r i v i n gc v l c e so n t h ep e r f o r m a n c eo fp o w e r t r a i nh a v e b e e d s t u d i do nd e t dt h e f i r s tt i m ei nd o m e s t i c p r i m a r yr u l e so fd r i v e rb e h a v i o ra n d d r i v i n gc y c l e si m p a c t i n go nt h ep e r f o r m a n c eo fp o w e r t r a i nh a v e b e e no b t a i n e d k e y w o r d s ：d y n a m i ce n g i n et e s tb e d ；d r i v i n gc y c l e s ：d r i v e r b e h a v i o r ：p o w e r t r a i f l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导f ， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已往明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：鹾! 趁为 日期：矽睥，矿月钞日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 发动机动态台架的结构和原理 发动机动态台架包括硬件设备和系统管理软件两大部分。硬件 设备包括交流电力测功机及测功机控制器、油门执行器、动态油耗 仪、排放分析仪、空气流量计，以及各种传感器和其它测试设备， 计算机系统。动态台架管理软件包括四个模块：控制和计算用的数 学模型以及控制程序模块，参数设置及系统文件编辑模块，用户界 面及实时显示模块，数据库管理以及数据分析与处理模块。 动态台架模拟整车道路试验和整车底盘测功机试验的原理是通 过对发动机和测功机的转速和扭矩的精确控制，使发动机输出轴上 达到与道路试验和底盘测功机试验相同的负载特性，使发动机在台 架上工作状态的时间历程与发动机在整车道路试验或底盘测功机上 试验的时间历程相同。在底盘测功机上试验时，通过转鼓与车轮接 触点的摩擦阻力模拟汽车在道路上的行驶阻力，驾驶员按给定的目 标车速行驶。在动态台架上二通过以下模型对发动机以外的部分进行 模拟( 如图1 1 ) 1 i 。 图1 i 测功机加载扭矩控制原理图 1 晴尔滨二f 程大学硕士学位论文 2 发磅飙秀态裔浆瓣琦薤、雳途秘特点 2 。 发动楗动态套架媳琏缝糨粥途 动淼台架的主簧功能楚可以进行麓动机的旃杰试验。发动机动 惑套浆滁了可以手动戏是动竞成赞缆的稳卷试验蠹浆的所膏试验项 舀( 如负荷特往试验、万有特性试验、发穑棍盼瞬淼工况试验) 毽王 丹，其主要的特点是研以模拟整车道路试验和整车转鼓试黢，即可 以进行发动税的动态工况试糖。 动誊矗梨的用途燕簧有以f 方面 l 梗拟罄车道路试验：谭议模糍弦瓣中簿满载辩空载辩行试验、 整接档煳速试验、换档加速试验、最赫车速试验，等速燃油消耗缴 试验、多工蹴燃籽鹈耗蘩试骚等汽车动力被褥经辚链试验。 2 模拟黩车底盘测功机试验：可以模拟排放法规l = l 规定的备种 标灌溉试循瑗，鲡欧溅静e c e + e i h ) c ，美图豹f 四7 5 、美嚣挪旗 的l a 9 2 t 曰奉的l o1 5 等，也可以遮行用户根据研究需要制定的盘 定义王潍覆环，获露薄毒汽车鳇撵教靛黠。 3 可阻进行发动机管理累统的优化。 4 可以进行汽车动力转动系统黝匹配倪纯。遥道对动淼蠹檠未 车辆横挺和道路阻力模型中参数的改变并结台理论分析熳模拟计 算。研究整车备帮佟参数对汽车动力系统豹动力性、经济性零搀艘 特性的影响规律，为汽车动力传动系统的匹配优化提供参考依据。 5 可班虚耀予囊裂汽车动力系统翻开发过程。 6 可以研究备种条件对汽车动力系统性能的影响。 。2 。2 发动搬动态馥架的特点 动悉台架壤主要的优点体现在能模拟车辆在道路上行驶时发动 税魄工作状况，困瑟只需要在发动机的试验台粱上赣胃磷攒接整牵 底盘测功机试验或整率道路试验。其优点主疆在以下方面 不需要攘车，酉在汽车动力系统豹_ 开发早期对汽车动力系统 除了发动机以外的部分进行模拟，帆而研究内燃机的动态性能，便 哈尔滨工程大学硕士学位论文 于新型发动机的开发。 2 为汽车动力传动系统的优化匹配提供了方便的试验手段，也 可以测试多种零部件的不同组合下的汽车动力系统的性能，得出各 种组合下的动力性、经济性和排放特性，而不需要实际的离合器、 变速器和汽车，从而为汽车动力传动系统的优化匹配和新车型的设 计提供参考依据。 3 发动机动态台架试验重复性好。在道路试验或底盘测功机上 即使是熟练的驾驶员，尽管实际车速能够很好地跟踪试验规范中的 目标车速，但各次试验不可能以同一种方法再现，节气门开度的微 小波动都会导致排放量的显著变化，其测量误差可能高达2 0 以二， 如图1 2 所示。另外再加上转鼓本身的行驶阻力模拟误差的影响， 使得测试结果的可再现性较差。发动机动态台架上的测试结果有比 较好的重复性，多次试验之间的随机误差一般为5 左右。图1 3 【5 l 为各种试验方式排放试验的可重复性的比较情况。 6 36 6 6 97 27 57 88 18 48 7 9 09 3 时间 g 图1 2 节气门开度的微小变化对排放的影响 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 3 各种试验台架排放试验的可重复性比较 4 可戡缱瑗多弹测爨方法，曼掰叛嫒援道路试验嚣转鼓试验甭 适甩的精度避商的、采样频率更快的测试设备，便溺试求平褥虱瞎 照提高【5 1 。 5 底擞测功机试验蠹上转鼓和车轮之闽的摩擦比较赡以采集 秘翔繇， i | 发动橇蘸态念絮没有转敛豹影确。 6 与戚盘测功机试验台相比，擞然一次性投资较高，但使用成 本比底盘测功机试验台低得多。 。3 鍪内外研究琨状 为了进步提高汽擎的动力性、经济性，改藩排放和其它性能， 需要对发动机的动态特性进行深入研究，丽传统的发动机稳杰试验 螽絮不戆满匙上述要求。逶过遂潞试验彝底盘测凌掇试验对发魂瓿 幼态特性研究存在重复髋差、周麓长、成本商和测试设备使朋不方 便的缺点。围外在8 0 年代后期开发了动态台架井可以模拟发动机在 实际道路和腐盘测功机上运彳亍时的负载特性，在发动机牙发熊早期 藏霹隘怼袋凌橇鳃动态特缝进行垒嚣测试圜测，为发动祝澜试、磷 略尔演工程大学颂士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i 究和稽发挺援了鸯力戆斌竣手疆。 哈航集团2 0 0 3 年立项论证动态骨架并予年柬哈e 试验塞引进了 a v l 公霉的磅悫台蘩( p u m ao p e n v 12 系列，予2 0 0 4 年3 月调 试验收完毕，为了照好地应用发动机动态台架，调试期间实现r 对 赛强车透露横搏靛蔫箍土，在动态台榘上研究了驾驶员鹩簸蠹操缴 特性和驾驶循环对汽率动力系统性能的影响规律。 关于驾驶费翦缴惫操数特性，誊癌在壤城式爨璐变速嚣静设诗 中，研究了驾驶员对机械离合器的操作i 。液力传动自动变遵器的控 髑市，矫究了驾驶癸的按秽藏捧弘3 稍换轻过程。在汽车驾驶横掀器魏 设计中，研究了驾驶员的超步m j 、换橼过程和驾驶嫡的抉档规律。在 上述磷宠中浆羯数燕理论分掇鄹模拟 算结合熬方法 ”1 ，试验筝壤 是整率的道路试验和底 ；| = 测功机试验。本文是在动淼台架上通过对 驾驶员禳型黪调整采系统菁i 究驾驶爨缴巍攥缎特性黠拽率砖力系绞 性能的影响。 各个蘧家所镧定弱搏撼法勰中髑定静驾驶镶环栈袭了特定麴交 遂条释，联激疆遘研究驾驶缓环对汽车动力系统性簸的嚣嘲寨鹱 窥道路变通袈转慰汽车性携的澎啤。本文髑强予褥霹驶德环零身进 稽比较，采瑚值囊势桥酶方法。本文在动态台絮上瑷震并运行器 静驾驶德环岽研究7 驾驶循豁辨予汽车动力系统牲能影响匏规律。 1 4 课鼷姆蜀舱翔意义 4 。1 襟簇豹瓣豹 掌握动鸯台架零韵和囱动试验的参数设鬣和试骚搽终方法；对 举辆逮杼整车避臻试验( 赶据鬻行试验、船速健隧试验、燃满清耗 鼙试耱、最蕊车速和罐低稳盎车速谖骏等) ，为横塑鲍搓鬻骰凇静； 磺究劝卷螽巢上翁车赣穰黧、邀薅鼹力模型辙耨驶瑟搂塑舔定义窝 模型串参数静设鹫和溺箍方法：磷究驾骧爨静缎翔操缴特牲对汽率 动力臻统靛熊豹棼麓，毪捂躁爨率遂拳平、捶魈麓肄帮起步萼捺楼 赞巽体操孛# 避程；磅究遭路燮通条转j c 雩汽车动力系统l 生麓荔嚷规捧， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 包括用特征参数法和工况分析法对驾驶循环进行研究，以及利用动 态台架研究驾驶循环对经济性和排放的影响规律。 1 4 2 课题的意义 1 为发动机动态台架的高水平应用做准备 在发动机动态台架上，车辆和传动系统用相应的模型去代替， 驾驶员的驾驶行为用驾驶员模型模拟。车辆模型、道路阻力模型和 驾驶员模型的合理设置是应用的难点和关键。对上述三个模型的定 义、设置和调整方法以及对驾驶循环的研究和驾驶员纵向操纵特性 的研究有助于发动机动态台架的高水平应用。 2 为动态台架功能的进一步扩展做准备 发动机动态台架可以应用在电动汽车、混合动力汽车和燃料电 池汽车等新型汽车的开发过程。但新型汽车动力系统具有与传统内 燃机汽车不同的系统结构形式和动态响应特性，必须根据各自的特 点对动态台架进行改造和升级，才能对其性能进行全面测试。 3 有助于正确地分析和应用发动机动态台架上的试验结果 对于动态台架上的发动机来讲：驾驶循环、车辆模型和驾驶员 模型都是试验进行的条件。研究不同的驾驶循环、车辆模型和驾驶 员模型对汽车动力系统性能的影响，也就是明确了试验条件对试验 结果的影响，才能正确地分析和应用动态试验台上得到的试验结果。 4 ，可以更加系统地研究汽车动力系统性能的影响因素 重点讨论汽车实际行驶的交通条件和驾驶员的纵向操纵特性对 汽车动力系统性能的影响，从而对汽车动力系统性能的影响因素有 更全面的认识。 1 5 本章小结 本章阐述了发动机动态台架的结构和原理、功能、用途和特点。 然后简要介绍了国外发动机动态台架的应用情况和国内外关于驾驶 员的纵向操纵特性和驾驶循环对汽车动力系统性能影响的研究现 状，明确了课题的目的和意义。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章动态台架上行驶阻力模拟和车辆模拟 对汽车行驶阻力和车辆传动系统各部分的模拟是在发动机动态 台架上模拟整车道路试验和整车底盘测功机试验的基础。 动态台架上通过控制测功机对发动机施加的载荷和测功机与发 动机的转速，对汽车在道路行驶中的滚动阻力、空气阻力、坡度阻 力和加速阻力进行模拟。 动态台架需要对车辆传动系统的各部分进行模拟，包括离合器、 变速器、传动轴、主减速器、半轴、车轮等。车辆模拟的主要部分 是变速器的模拟和离台器的模拟。 动态台架上行驶阻力模拟和车辆传动系统各部分模拟的目标是 使发动机的工作状况与发动机安装在车辆上在道路上行驶或底盘测 功机上行驶时的工作状况一致。 2 1 行驶阻力模拟 汽车在水平道路上匀速行驶时必须克服滚动阻力和空气阻力： 在上坡行驶时还必须克服重力沿坡道方向的分力，即坡度阻力；汽 车加速行驶时还需要克服惯性力，即加速阻力。在动态台架上模拟 整车道路试验和底盘测功机试验时，汽车行驶的全部阻力，包括滚 动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力都是根据用户输入的整车 和传动系统各部分的相关参数，以及所模拟的道路状况和车速轨迹， 按照一定的数学模型分别计算后相加，然后按照传动系的参数折算 到发动机的曲轴上，通过控制测功机所施加的载荷来进行模拟的。 2 1 1 滚动阻力 汽车在路面上行驶时的滚动阻力的计算公式1 1 【1 2 1 如下： = a o + 岛十v + c o v “( 2 - 1 ) 式中：卧滚动阻力，n v 一汽车行驶速度，m s ，7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a 。滚动阻力中不随车速变化的部分，n b o 滚动阻力中速度1 次项的比例系数，n ( m s ) ( 滚动阻力中速度n 次项的比例系数，n ( m s ) “ 推荐轿车滚动阻力的计算公式为： f f ：w f o + ( 1 + “。1 9 4 4 0 ) ( 2 - 2 ) 式中：肛车轮负荷，n 而滚动阻力系数 汽车行驶速度，k m h 推荐货车滚动阻力的计算公式为： f f = w 4 f o4 ( o 0 0 7 6 + o 0 0 0 0 5 6 + u 。) ( 2 3 ) 动态台架上模拟的车辆若为轿车，则( 2 - 1 ) 中b o 取0 ，珂取2 ， 可得为：f f = a o + c o 十v 2( 2 - 4 ) 动态台架上模拟的车辆若为货车，则( 2 - 1 ) 中c o 取0 ，可得为： f f = a o + b o v ( 2 5 ) 测定汽车滚动阻力的试验方法有如下三种1 2 6 1 ： a 1 滑行试验 b 1 使用拉力计进行牵引试验 c ) 使用可测出轮式车辆的驱动车轮的实际扭矩的装置进行测 试。 在等速行驶中测出驱动车轮的实际全部驱动扭矩，从中扣除空气 阻力，就可以得到不包含传动系统损失的真正的滚动阻力。 2 1 2 空气阻力 汽车直线行驶的空气阻力t ”1 为： 1 f w = c d 4 p 4 v 2 ( 2 6 ) 二 式中：凡为空气阻力；c d 为空气阻力系数；a 为迎风面积，【m 2 】。 推荐轿车的a ( b h ) = o 8 1 o 0 2 ，其中h 为车辆总高，b 为车辆总宽； p 为空气密度，【k g m 2 】；v 为汽车行驶速度， m s 】。 ( 2 4 ) 中的4 0 、c o 和( 2 5 ) 中的4 0 、b o ，以及( 2 - 6 ) 中 晗尔滨工程大学硕士学位论文 弱空气辍力系数c d 哥叛逶这汽车豹生产厂家疆珙熬参鼗褥裂，也霹 以通过滑行试验的方法得到。在无风的条件下，汽车以空档在水平 路上潺嚣，麸三鼹翅遗v l ( 寒遮) ，也( 中遮) ，v 3 ( 羝速) 熬匀减 速变化炳程中，测量其速度从v 。+ v 刘v 。一a v 所消耗的时间t 1 ：速度 扶v ，+ 鼬到v ，舢掰瀵耧豹瓣闼t 2 ；速疫扶v ，+ 缸剿v ；一如凝漕糕 的时间t 3 ，以此来计算各段平均减速度1 ，搿2 ，a 3 ，并把a l ，口2 ，啦 俸为车速v l ，v 2 ，砖封躲减速廉。模拟矮车菇铡，拳警路上空楼港程 时的行驶阻力为滚动阻力加上空气阻力， f = 焉+ c 。v 2 + o 5 + c d 劫4 v 2 = 辫g ，式中掰为汽车罄质爨，【k 羽 甜为减速度， m s 2 】。 所以可以襻到如下联立方程组： m 事q = 一。十c o 幸q + 0 5 事c a 和+ v l 坍枣d 2 = 也十c 。+ v 2 十0 5 4 c d p4 v 2 。 m + 掰3 = a o + c o 幸咚+ 0 5 8 c d 4 p + v 3 解此联交方程缎即可得到a o ，c o ，( 岛。 动态台架j ! ：，滚动阻力帮空气阻力之帮瞧胃驻瑙多点分段线髓 的数学模型来模拟。 2 1 3 坡度隰力 汽车上坡行驶辩坡魔阻力为： f = m g s i n c t ( 2 - 7 ) 式中：辨汽车质量，妇 g 重力加速度 a 路黼坡度角 动态台絮模掇籀车邋路试验的两种控制方式r o a d g f a d i e n t v e l o c i t y 和r o a dg r a d i e n t a l p h a 下，道路坡度是用户输入的 控制重。 把滚动阻力，空气阻力和域度e 且力之和根据传动比折算到发动 撬鳎疆上，设变速器菜一挡位豹健魂魄为i g ，主减速器传动魄为i o ， 车轮的滚动半径为r ，传动系统的总效率为盯t ，则折算到发动机曲 哈尔滨工程大学碱士学位论文 轴处的阻力矩为 0 1 f + f 。+ f j ) r( 2 8 ) ，g io t t 2 1 4 加速阻力 汽车加速行驶时，需要克服加速运动的惯性力，即加速阻力( 只) 。 汽车质最分为平动的质量和旋转运动的质量，加速时不仅平动的质 量产生惯性力，旋转运动的质量也要产生惯性力偶矩，而且汽车上 作旋转运动的各个部件以不同角速度旋转，角加速度也不相同。 在动态台架上发动机是真实的，发动机的转动惯量对汽车速度 变化过程的影响也就是真实的；车辆的其它部分在动态台架上并不 存在，而是通过数学模型来模拟它们的转动惯量，以及转动惯量对 汽车速度变化过程的影响。 整个汽车动力系统简化为多自由度系统，只考虑其一阶扭振振 型而进一步简化为一个双质量一弹簧一阻尼系统。动态台架对惯性 质量的模拟中，根据各运动部件的角速度划分为发动机的转动惯量 ( i e n g i 。) ，变速器的转动惯量( i 。i i 。) ，传动轴的转动惯量( i c a r d a n ) ， 车轮的转动惯量( i 。h 。1 ) ，车辆平动的惯性质量( m ) 。然后将变速器、 车轮、传动轴的转动惯量和车辆平动的惯性质量等效到发动机的曲 轴上，得到一个等效的转动惯量( i e q u i v a l e n t ) ，见图2 1 1 9 1 。 o圆锄 图2 1车辆各部分的转动惯量 暗尔滨工程大学硕士学位论文 动态台架上的发动机( r e a l ) i e n g i n e = 发动机转动惯量+ 飞轮转动惯量+ 离台器主动盘的转动惯量 变速器( s i m u l a t e d ) i t r a n s m i s s i o n 一变速器的转动惯量+ 离合器从动盘的转动惯量 传动轴( s i m u l a t e d ) i 。池。一传动轴的转动惯量+ 差速器主动锥齿轮的转动惯量 车轮( s i m u l a t e d ) i 。l = 车轮的转动惯量+ 制动盘的转动惯量+ 半轴的转动惯量 + 差速器从动锥齿轮的转动惯量 车辆平动质量( s i m u l a t e d ) m = 车辆的总质量 除了发动机以外部分的平动的惯性质量和转动的惯性质量等效为一 个与发动机同转速旋转的转动惯量。 折算的原理是：等效转动惯量以发动机转速旋转时的动能与各 个部分分别以各自的转速旋转时的动能之和相等。 设车辆在某一档位下的传动比为如，主减速器传动比为f o ，车速 为v ，发动机的转速为6 2 。，变速器输出轴的转速6 2 。，车轮的转速为 。，车轮的滚动半径为，则此时除了发动机外各部分的动能之和 为： e = 了1 - ：0 0 ) e 2 + 吾i 咖8 q 2 + 吾i i 饥2 。1 ，耐 1 e 2 i b q u m m * c o c 而吐2 i g c o t = t g i o o j “ v 2m 9 ，、2 所以：i 。：i 。；。+ i 。( 三) z + i 一，( 0 _ ) ：+ m f l ( 2 9 ) 毛1910 l l g l 0j 以上的推导是针对手动变速器，并且忽略传动系统的效率的基 础上得到的。l 。是随着档位的变化而变化的值。 发动机的转动惯量可以在动态台架上测试，测试的方法是用测 哈尔滨工程大学硕士学位论文 功机倒拖发动机使发动机作匀角加速度加速，测量动态过程的倒拖 扭矩，然后选取几个中间转速测量稳态的倒拖扭矩。稳态情况下， 测功机的倒拖扭矩用于克服发动机在相应转速下的摩擦阻力；动态 加速情况1 卜测功机的倒拖扭矩等于发动机在相应转速下的摩擦阻力 加上克服发动机惯性的扭矩。动态加速过程的倒拖扭矩与稳态工况 点的倒拖扭矩之差就等于克服惯性的扭矩，除以角加速度就可以得 到动态台架上测功机输出轴后端的全部转动惯量之和。例如在动态 试验台上倒拖4 g 1 8 发动机，使转速在3 秒内从1 5 0 0 r p m 增大到 4 5 0 0 r p m l 然后测量2 0 0 0 r p m ，3 0 0 0 r p m ，4 0 0 0 r p m 下的稳态倒拖扭矩 ( 见表2 1 ) 。 表2 1 加速惯性力的测定 n m 转速稳态倒拖扭矩动态倒拖扭矩克服惯性力扭矩 2 0 0 02 r95 5s 62 66 6 3 n 0 0 3 516 48 r2 97 嚣 4 0 0 04 05 - 6 94 22 r9 2 克服惯性的扭矩的平均值：2 8 4 5 n m 角加速度= 等= 2 兀0 1 5 0 而。广- 1 5 0 0 ) = 1 0 4 7 2 r a d s 2 ( 2 1 0 ) 测试的转动惯量i 二”= 等= 2 8 4 5 1 0 4 7 2 = 0 2 7 k g m 2 ( 2 11 ) 测试的i ：一是动态台架上测功机输出轴后端的全部转动惯量之 和，在试验中包括发动机转动惯量、连接轴转动惯量和连接盘转动 惯量，离合器转动惯量和变速器一轴转动惯量。从i - 。中减去发动 机以外的各部分转动惯量的估算值，得到发动机的转动惯量 i 一。= o 1 8 k g m 2 。 2 2 手动变速器的模拟 动态台架的手动变速器模型中的基本参数是各个档位的传动 e l ( r a t i o ) 和传动效率( e f f i c i e n c y ) 。为了模拟换档时发动机转速和扭矩 的波动这复杂的现象，在手动变速器的模型中还要给出各档的固 哈尔滨工程大学硕士学位论文 有频率( n a t f r e q u ) 和阻尼( d a m p i n g ) 。变速器的固有频率和阻尼在接 合离合器过程中和离合器完全接合后的一小段时间里表现出它们对 发动机转速和扭矩波动的影响。 变速器模型中各档位的传动效率、阻尼和自振频率可以从生产 厂家获得，也可以根据经验数据赋值。表( 2 1 ) 给出的某一手动变速 器的模型。 表2 1 某一手动变速器模型 g e a r n o r a t i oe f 氍e i e n c vd a m p m en a t f r e q u f h z l 144 5 2 009 8 0 02o 10 2 26 1 9 009 r 0 02010 315 1 7 009 8 0 02515 4l0 0 0 009 8 0 0 302 0 5o8 5 4 009 8 0 03020 各个档位下的阻尼和自振频率对换挡过程的动态特性有很大的 影响，图2 2 3 】【4 1 是变速器三档阻尼的影响。变速器三档的阻尼为1 0 ， 车速为3 5 k m h 时从2 档升到3 档，车速由于换档发生微小扰动时， 发动机和测功机的整个系统发生振荡，现象是节气门开度的大振幅 波动导致发动机的转速和扭矩的剧烈波动，发动机无法稳定工作在 某个工况点上，车速也开始明显振荡，而且长时间无法稳定。变速 器三档的阻尼为2 5 时，同样的升档过程，换档动作结束后，发动机 转速和车速的波动很快衰减，发动机很快就稳定在转速2 0 0 0 r p m ，节 气门开度1 5 的工况点上。三档下设置的阻尼过小会导致这个档位 下控制系统失去稳定性。从2 档升到3 档，当车速由于换档发生扰 动时，发动机的节气门开度，转速和扭矩都出现一段时间的明显波 动，而三档下自振频率为0 3 时比1 0 时车速波动的时间长，波动的 振幅大。三档下的自振频率设置的过小导致在这个档位下控制系统 超调量和超调时间变大。 图2 3 1 4 1 是变速器三档自振频率的影晌。 2 3 离合器的模拟 由于动态台架上没有真实的离合器，所以需要离合器的模型来 13 霞船 壬3 0 当 0 t l m e 【8 】 强2 - 2 + 三挡下变速嚣灼阻尼麴影响 d8- 1 2嚣2 4强聪 硼# 嘲麓 强2 ，3 三糨下交速翳静炎蒺攘率静黪璃 1 4 ， 4 啪 3 e 登 凸 2 0 0 0 出 1 0 0 口 4 鑫露 3 7 , 5 嚣 蒜 3 5 0 登 穗 瑟5 3 0 0 r 4 0 0 0 i 蜘戛 姗墓 o 9 0 0 6 0 ： ： 一专燃b 一譬。；矿；一；， ? 一一： * 。，舅； 、f ： t i i ：i = 1 t l 牒黎掰 = = 鬻霖卜弘 辨 i v g 要矗曼c u 置 一一轰瑟啊涟 l；l ： ： l l j i ： 一一一一 抽i i i t f l l 5 1 i l i ：争l t 。j i 嘲! d 击li ；琢峨瞄 蓐 耱 孙 1，；，1j 4 l 2 一-】善q醇盛婚 坳 粥 | | | r搴墨i珏气 器b羞鼙莓 娜 | ；| 粼 | 警 蚕； 一警j 露 弩j 坦酣 s f e e d 墉删8 一- 一 l 雕 一”魂产， 。jj p i 专：； r ；i ； 薹 f 。 一一一l 八点 、，_ l ； n a t f r e , i = 0 3 r 咖飘e r l ； 嚣 j茔d1 口吣 1，；1； 4 3 2 麓基q缎帛l。 ；罢 蕃| | 譬 ；| 露蔓一-b， 哈尔滨工程大学颂：i ：= 学位论文 摸接舞台嚣豹援藏特鼗。凑合爨豹援蹙包瑟蘧令参数，一是褰合器 完全结合对所能传递的最大掇矩，二二惩离合箍的掘矩传递特性曲线。 说明模型中参数确定的方法。 2 3 1 蔫食器所薤传递鳇最大掇矩 片式摩撩离合器援觚的传递主要鼯主、肤动撤间的摩擦采安瑷， 所以其传递扭矩能力的大小与摩擦片的摩擦力矩有关。摩擦片的摩 擦力矩由摩擦面上的压紧力，摩擦力体用半径，摩擦片的材料以及 摩擦蚕数嚣癸阉决定。公式表示蘩下： t 一勾农。 ( 2 1 2 ) 式中：厂为摩擦系数；z 为摩擦面数目；f e 为愿盘加于摩擦片上的 王 搴压力；怒必摩擦片警沟摩擦半径。 设摩擦片上的压力均匀分布，则撬为： r 一菇d 3 i n 0 而3 ( 2 1 3 ) 式中；d 菇黪擦冀癸径；p 秀摩擦冀巍径。 2 3 2 离含器的扭矩传递特性臁线 离合嚣的扭矩传递特性曲线指韵是离合器踏板的位移与离合器 掰能传递豹媳矩豹关系。 赛马车使耀的膜片撵簧离合嚣的镪矩传递特饿凳： f，o、 z ao l = ：l f r 。l | x 一九。l ( 2 一1 4 ) |丫 7 善名馨8 + 善) l节 o m 世8 下， 式中：咒为离台器传递的撒矩；z 为分离轴承处的位移；f 。为膜片弹 簧分离指桎枰比；五。为矮盘自由行程；f 为离仑器从动盘的嫩大变 形量：_ t 并一l 。为离台嚣从动盘的辅向变形量；兵| ；鼻一 ol 表示压 m o m 嫩加于摩擦片上的工作雁力与从动盘( 摩擦片) 的轴向变形爨之间 鹣燕数关系：瓦麓发动攥鹣援短。 哈尔滨工程大学硕士学位论_ 义 赛马车上使用的膜片弹簧离合器，经测量分离拨叉推杆的最大 位移为1 5 c m ，而分离拨叉的传动比为1 6 1 6 9 ，所以分离轴承的最大 位移为9 2 6 c m 。o 。= 1 7 ，f 名= 3 ，5 。由于在离合器的部分接合阶 段，离合器压盘加于摩擦片上的工作压力与从动盘( 摩擦片) 的轴 向变形量的之间是线性关系，所以根据式( 2 9 ) 离合器传递扭矩与 离合器分离轴承的位移也是线性关系。所以可以得到离合器的扭矩 传递特性为： t = x 1 7 1 7 岜芏nfl 日dt 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；i ；j ；i i i j i 置i 譬ii ；i ；i i ；j i e ；i i i i i j i i t r 换档结束后的最大节气门开度由2 0 增大到3 0 。调整后换档过程车 速的波动，发动机转速、节气门开度的波动明显减轻。分离离合器、 收油门的阶段车速下降了4 k m h ；接合离合器、加大节气门阶段的车 速超调了1 2 k m h ，而且车速偏离3 6 k m h 的时间也明显缩短。 3 5 驾驶员换档决策的模拟一一换档规律 对驾驶员升档和降档的操作过程的模拟，都是对驾驶员换档的 具体操作动作及其对发动机工作状况影响的模拟，对驾驶员模拟的 另一个重要方面是驾驶员档位选择决策的模拟，即换档规律。换档 规律是指两排档间自动或手动换档时刻随控制参数变化的关系。换 档规律应该是单值的，即对输入变量( 换档控制参数) 的每一种组 合，仅存在唯一的输出状态，维持现有档位，或升档，或降档。有 三种类型的换档规律：单参数换档规律，双参数换档规律，三参数 换档规律。换档规律关系到动力传动系统整体性能的发挥，直接影 响车辆的动力性、经济性、排放特性和对道路环境的适应能力。 动态台架上有两种换档方式，一是手动试验状态下，操作人员根 据车速和发动机转速情况手动决定换档；另一种是控制程序根据预 先设定的换档规律自动换档。动态台架采用的是图3 8 所示。 节气n 开度 节气门并度 转速 ：l 1 计2 ；冷2 蜷 辜遮 图3 8 单参数换档规律 如图3 8 所示，当车速达到v 2 时，升入2 档；反之当车速降至 v l 时换回到i 档。这种升、降档之间的交错现象，称为换档重叠。 图3 9 示是在动态台架上模拟整车进行e c e + e u d c 工况法试验 时，由于换档规律设置的不合理而在1 6 4 s 出现的“换档循环”的现 哈尔滨工程大学醺学位论文 蒙，在这令试验孛劳不怒接爨法援援定黪霹捌挨上耪应匏霾怒耧蕊， 而是根据研究的需要按照预定的换秽舰律自动换档。表3 1 怒动态 台架上模拟的五档变速器的换档规律，采用单参数换档规律以实际 达到的车逮德 乍为换档的控制参数。如图3 。9 所示在目标警速为 3 5 k m h 时耥经却在2 、3 襁之霹循环羧裆。瑟表3 1 示，蹿器橙鹣簿 档车速在考虑动力性和经济性的基础t 进行了适当调整。增大了相 邻两档间的换档熏叠区域，上述“换挡循环”的现象消失。 表3 。1 五橙变速黪豹换整鬟臻 档位12 345 升档车速c k m h )2 2嗣6 49 71 3 0 不舍理鹃降撼车速( k i n h ) 1 22 1 网 5 46 3 骖改后斡酶辎车速( k i n h ) 91 62 75 46 3 1 2 0 釜8 j 霉稍 皤 泰 山3 - i 蹦l 飘 零娟 眚 0 4 0 0 0 籼垂 黼窭 l b 整 o 雕 珏强瑶畦 鬻3 。9 换档窥棒竣黉不合瑾导致黪“换秘罐环”现象 3 6 驾驶爨在固定档位下跟踪车速轨迹的模拟 动态台繁用一个比例搬积分翦控制器( p 芏c o n t r o l l e r ) 来模拟驾驶 爨在菜个嚣定耱位下豹率速辘迹鞭踩熊力。 3 6 ，1 控制器中的比例环节 比例环节输入为设定车速和实酥率速之差a v = k 一删，输 爨为院镶臻第凌置静节气门歼度程一p 。疆：铡环节嚣蓑设置懿参数宥 哈尔滨工程大学硕士学位论文 三个，比例系数k 。，p r o g r e s s i o n l i r a i t ，最小的比例因子 m i k f a c t o r 。比例环节输出与输入的关系为： f k p ， a v p r o g r e s s i ml i m i t 竺： k h p r o g r e s s i ml i m i t , m f ”鼻一f a c t o r 纠p r o g r e s s i m _ l i m i j l l k p m i n _ k p f a c t o r , a v p r o g r e s s l ml i m i t m t n k p f a c t o r 图3 1 0 表示了模拟车速跟踪能力的控制器的比例环节的特性。 3 1 0 b 是对3 1 0 a 的局部放大。图中，表示式( 3 - 1 ) 这一 分段函数的v 取值范围划分的三个阶段。 l 万 i i l z j a 1 ， ( a ) ( b ) 图3 1 0 比例环节的特性示意图 a v p r o g r e s s t o n l i r a i t - 输出为输入的线性函数比例系数为鼠 r a i n 世p f a c t o r s0 a v p r o g r e s s i o n _ l i m i t ) 1 ，输出为输入的二次 函数 a v m a xd a d t ( 。一z ) 【 ，恻2 。 积分环节的比例系数k ，被乘以了l v i 这样就使得i 如l 大的时候 比v i 小的时候的积分环节的作用更强，也就是使控制器既具有比较 快的响应速度，又具有比较稳定的控制效果。而m a xd a d t 的作用是 对积分环节的作用加以限制，防止节气门开度的变化过快。 3 6 3 模拟驾驶员跟踪车速轨迹的模型中参数的调整方法 由于各个档位下的传动比不同，所以各个档位下的汽车动力系 统的特性就不相同，所以动态台架在各个档位下的车速轨迹跟踪模 型的参数都各不相同，应该对每个档位控制器的参数分别进行调整。 对于不同的汽车动力系统，也应重新调整各档位的比例加积分控制 器