基于SimulationX的车辆传动系虚拟试验台

2017-08-01周志立张嘉贞徐立友郭志强

河南科技大学学报(自然科学版) 2017年2期

关键词：试验台测控马达

周志立，张嘉贞，徐立友,，郭志强

(1.河南科技大学车辆与交通工程学院，河南洛阳 471003；2.中国一拖集团有限公司河南洛阳 471004)

基于SimulationX的车辆传动系虚拟试验台

周志立1，张嘉贞1，徐立友1,2，郭志强2

(1.河南科技大学车辆与交通工程学院，河南洛阳 471003；2.中国一拖集团有限公司河南洛阳 471004)

针对传统车辆传动系试验台造价高、搭建过程复杂以及开发周期长等问题，基于SimulationX开发了车辆传动系虚拟试验台。以拖拉机液压机械无级变速器为被试对象，结合拖拉机工作特性，建立了发动机及液压机械无级传动系统模型，设计了试验台虚拟测控系统。以H1段连续换入HM3段为例，在试验台上进行了仿真。对比结果表明：仿真结果和试验结果一致，所给出的传动系虚拟试验台方案可行，可为车辆传动系开发与改进提供虚拟试验平台。

SimulationX；车辆传动系；虚拟试验台

0 引言

液压机械传动是一类由液压传动和机械传动复合的车辆动力传动形式，通过液压传动实现无级变速，通过机械传动实现高效率大功率输出，在大功率拖拉机、工程车辆及军用装甲车辆上有良好的应用前景[1-3]。通过搭建试验台对液压机械传动系进行相关试验，是其性能测试和改进的有效途径，不仅能够有效缩减研发成本，还可以大幅缩短研发周期。

目前，国内外在传动系试验台的驱动控制、负载模拟和测控系统等方面做了相关研究，并取得了一定的成果。文献[4]对液压机械双流传动系进行了分析和优化改进。文献[5]提出了一种汽车传动试验台驱动部分的控制方案，可为传动试验台架驱动部分的控制开发提供参考。文献[6]分析了车辆传动系试验台的功能与系统构成，并对试验台的信号采集与控制系统组成方案进行了分析。文献[7]开发了电动拖拉机试验台，并基于LabVIEW开发了虚拟测控系统。以上研究都是针对传统台架试验台，而传统试验台存在搭建复杂、造价高、开发周期长以及可移植性差等问题。为了缩短研发周期并减少人力物力的消耗，有必要开发一套模块化和集成化的车辆传动系虚拟试验平台。

SimulationX是德国ITI公司研发的新一代多学科系统建模设计和仿真工程软件，被广泛用于工程设计及科学研究[8-9]。本文以液压机械无级变速器(hydro-mechanical continuously variable transmission，HMCVT)为被试对象，通过分析HMCVT的构成和工作原理，结合拖拉机的工作特性，给出了拖拉机HMCVT传动系试验台构成方案。基于SimulationX开发了车辆传动系虚拟试验台，以期在获得可信模拟度的同时，为HMCVT的性能测试和控制开发提供虚拟试验平台。

1 HMCVT试验台

1.1 HMCVT的结构及工作原理

图1为HMCVT传动方案。HMCVT由变量泵-定量马达组成的液压调速系统、多档有级变速箱组成的机械调速机构和单行星排汇流机构组成。图1中:C1、C2、…、C8为换挡离合器；s、c和r分别为太阳轮、行星架和齿圈；e为变量泵和定量马达排量比；ne和nb分别为变速器输入转速和输出转速。由发动机输入的功率经分流机构后分为两路：一路为流经变量泵-定量马达的液压功率流；另一路为流经多档有级变速箱的机械功率流，两路功率在行星排处汇流后输出。根据离合器不同的结合状态和排量比e的变化，可以在变速器前进方向得到6个连续变速段，倒车方向得到3个连续变速段，HMCVT速比在一定范围内连续变化实现无级变速。

图1 HMCVT传动方案

1.2 HMCVT试验台方案

图2为HMCVT试验台方案示意图。HMCVT试验台主要由机械系统和测控系统两部分组成。机械系统为试验台提供必要的机械支撑，包括发动机、分流机构、被试变速器(HMCVT)、工况模拟系统以及试验台辅助支持系统等。测控系统完成对整个试验台信息的实时采集、处理及各子系统的协调控制工作。

图2 HMCVT试验台方案示意图

发动机作为试验台的动力源，为整个试验系统提供动力。发动机产生的动力经主离合器、转速转矩传感器和扭矩限制器后传递至HMCVT。HMCVT内部的分流机构将动力分为两路：一路流经变量泵-定量马达系统；另一路流经多档有级变速箱，两者在变速器输出端汇合后经转矩限制器、转速转矩传感器传递至测功机(工况模拟装置)。由计算机设定虚拟加速踏板信号，实现发动机油门开度的控制。变速器的自动变速由其独立的控制系统完成，测功机用来模拟车辆行驶中的各种工况，同时吸收传动系动力并转换为电能反馈到电网。试验台测控系统通过传感器实现对试验数据的实时采集及处理，同时对试验台各子系统进行协调及控制。

2 传动系虚拟试验台搭建

2.1 传动系模型

2.1.1 发动机模型

试验台采用与装机对象相同的LR6105ZT10型柴油发动机，其调速特性模型为[10]：

(1)

nemax=800+1 600χ,

(2)

其中：Me为发动机输出转矩，N·m；ne为发动机输出转速，r/min；nemax为发动机最高空载转速，r/min；χ为发动机油门开度。

发动机动力学模型为：

(3)

(4)

2.1.2 液压调速系统模型

液压调速系统采用同类同规格的变量泵和定量马达，建模时假设液压元件内泄漏为层流，忽略回路低压侧的外泄露，泵和马达高低压侧压力分别相等，补油无滞后且补油压力为常数，工作过程中油液密度和黏度不随系统压力和温度变化，忽略定量马达机械摩擦等非线性因素。根据以上假设建立变量泵流量方程、定量马达高压腔流量方程以及定量马达输出轴力矩平衡方程[11]，分别为：

(5)

(6)

(7)

其中：下标p和m分别为变量泵和定量马达；V为液压元件的排量，m3/rad；e为变量泵-定量马达排量比；ω为轴转速，rad/s；Cs为总泄露因数，取1.3×10-8；△p为高低压油路压力差，Pa；μ为油液动力黏度，Pa·s，取0.05 Pa·s；V0为油液工作容积，m3；βe为油液弹性模量，Pa，取800 MPa；J为轴的转动惯量，kg·m2；f为黏性阻尼因数，取0.16；T为轴所承受的扭矩，N·m；cf为机械摩擦损失因数，取0.05。

2.1.3 机械调速机构模型

机械调速机构主要由行星排和换挡离合器组成，针对单个行星排，太阳轮s、齿圈r和行星架c这3个构件之间的转速与转矩有如下关系[3]：

(8)

其中：ns、nr和nc分别为太阳轮、齿圈和行星架转速，r/min；Ts、Tr和Tc分别为太阳轮、齿圈和行星架转矩，N·m；k为行星排特性参数。

2.1.4 负载阻力模型

拖拉机在工作过程中所受负载阻力比较复杂，其驱动力和行驶阻力平衡方程为[12]：

Fq=Ff+Fw+Fi+Fj+FT；

(9)

Ff=Gfcosα；

(10)

Fw=0.7BHv2；

(11)

Fi=Gsinα；

(12)

(13)

拖拉机田间犁耕作业时：

FT=Zb1hkk，

(14)

其中：Fq、Ff、Fw、Fi、Fj和FT分别为拖拉机驱动力、滚动阻力、空气阻力、坡度阻力、加速阻力和牵引阻力，N；G为拖拉机总重力，N；f为滚动阻力因数；α为拖拉机田间作业过程中经过田埂或者坑洼的坡度角，(°)；B为拖拉机驱动轮轮距，m；H为外廓高度，m；v为拖拉机速度，m/s；δ0为拖拉机旋转质量换算因数；m为拖拉机整车质量，kg；m1为拖拉机配套机组质量，kg；Z为犁铧数；b1为单体犁铧宽度，cm；hk为耕深，cm；k为土壤比阻，N/cm2。

2.2 HMCVT试验台仿真模型的建立

图3为HMCVT试验台仿真模型，主要由SimulationX模型库中基本元件构成，各元件参数按理论计算及结构设计要求设定。图3中：engine为发动机；VP为变量泵；FM为定量马达；C1、C2、…、C8为换挡离合器；planetary为单行星排；i1、i2、…、i6、i7为固定齿轮副；J1、J2和J3分别为各连接轴转动惯量，kg/m2；Jp、Jm、Jc、Js和Jr分别为变量泵、定量马达、行星架、太阳轮和齿圈转动惯量，kg/m2；模型将减速器、差速器和半轴进行了简化，用一个固定传动比齿轮(differential模块)代替；wheels为简单车轮模块；VehicleMass为车身质量，kg；发动机油门开度、变量泵排量比、负载阻力和各离合器液压操纵系统均用信号(Throttle、e、curve1、curve2、…、curve8模块)控制；负载阻力由牵引阻力、车辆滚动阻力和加速阻力(Ft、Ff和Fj模块)组成，忽略了空气阻力和坡度阻力。

2.3 试验台测控系统

试验台测控系统主要由硬件部分和软件部分构成，其中，硬件部分主要由工控机、数据采集卡和转速转矩传感器等组成，实现试验过程中的人机交互、数据采集、子系统管理及数据处理等功能；软件部分主要包括输入输出接口软件、人机交互前面板、仪器驱动程序和功能算法程序等，基于LabVIEW软件开发平台进行设计。

图3 HMCVT试验台仿真模型

2.3.1 测控系统软件构成

试验台测控系统软件采用层次式软件体系结构设计，同时采用人机信息交互界面，实现对试验的过程控制，以及对试验结果的实时显示和分析处理。

试验台测控系统主要由3个模块组成：参数设置模块、性能试验模块和试验数据处理模块。每个模块又由不同的子模块组成。参数设置模块主要完成试验前的准备工作，实现传动系各参数的设定以及联合仿真数据通信接口设置。性能试验模块主要实现对要进行的试验项目的选择，进而根据不同试验要求进行有针对性的试验方法以及数据采集分析处理，从而完成对HMCVT无级调速特性、控制策略等的试验验证和优化，为HMCVT的装车提供参考。试验数据处理模块主要实现试验数据的实时显示、保存以及打印功能。

2.3.2 测控系统前面板

测控系统前面板是试验人员与试验台之间信息交流的桥梁，可以方便试验人员通过面板上的调整旋钮等输入控件对系统进行调试和控制，而试验台显示控件可以实时显示所采集到的各种信息以及系统的工作情况。

HMCVT虚拟试验台测控系统前面板主要包括试验系统参数设置、系统转速、转矩、速比、温度和当前挡位等的实时显示，以及试验数据和曲线的存储与绘制等。试验开始前，需要对系统参数进行设置和标定，系统自检完成后就可以进行试验。试验过程中，试验人员可以通过控制旋钮对试验参数进行调试，然后通过显示控件观察试验结果变化，并可以按下“STOP”按钮中断试验。试验完成后，可对当前试验数据进行存储，以便对试验结果进行分析和处理。

3 仿真结果与台架试验结果对比

本文对仿真结果和HMCVT的实际台架试验结果进行了对比，验证所搭建虚拟试验台的有效性。台架试验系统的动力源为6RZT8型柴油发动机，加载装置由CW150型电涡流测功机和自制电液比例控制盘式制动器并联构成。工况设定如下：发动机油门开度处于最大位置，HMCVT负载保持为500 N·m，在10 s内连续调整HMCVT速比ib，使变速器从H1段依次切换到HM3段，换段点在3 s和6 s 处。

图4为仿真结果与台架试验结果对比图。图4中：ib为HMCVT速比变化曲线；nb为HMCVT输出轴转速的变化特性；Tp、nm分别为变量泵-定量马达系统的转矩、转速在无级变速过程中随变量泵排量比e正负交替变化的响应特性。仿真结果和台架试验结果基本一致，验证了建模方法及车辆传动系虚拟试验台的可行性。

图4 仿真结果与台架试验结果对比

仿真结果和试验结果对比表明：HMCVT在各段内运行平稳，但是在各换段点处各参数有波动。其中，HM2-HM3换段点比H1-HM2换段点波动更大，这是由于前者的变量泵马达系统负载更大，导致换段时变量泵转矩和马达转速波动明显，进而引起HMCVT速比和输出轴转速的波动。因此，在HMCVT控制策略的研究及改进中，需考虑负载变化对换段点的影响。