CN110525448B - 乘用车起步过程的性能仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种乘用车起步过程的性能仿真系统及方法，包括离合器踏板操纵系统、离合器转矩传递模型、发动机控制模型、发动机模型、离合器模型、离合器滑摩功模型和整车模型；所述离合器踏板操纵系统与离合器转矩传递模型通过单向信号连接；离合器转矩传递模型与发动机控制模型通过单向信号连接；离合器转矩传递模型与离合器模型通过单向信号连接；发动机控制模型和发动机模型通过双向信号连接；发动机模型与离合器模型通过机械连接；离合器模型与离合器滑摩功模型通过双向信号连接；离合器模型与整车模型通过机械连接；离合器滑摩功模型与整车模型通过双向信号连接。本发明实现了在整车结构冻结早期对起步性能进行预测和评估。

Description

乘用车起步过程的性能仿真系统及方法

技术领域

本发明属于乘用车性能模拟仿真技术领域，具体涉及一种乘用车起步过程的性能仿真系统及方法。

背景技术

起步性能是车辆动力性的一个重要评价指标，尤其对于手动挡车型，起步性能甚至可以作为整车性能评价的否决项。与起步过程相关的评价指标很复杂，既有是否熄火、离合器滑摩功、坡路起步能力等客观指标，也有起步过程抖动、噪声等主观指标。起步性能的影响因素也比较多，如发动机动力输出、变速器和主减速器速比、离合器的结构尺寸及转矩传递特性、起步控制逻辑、发动机怠速控制等。建立各个影响因素与评价指标之间的对应关系，从而对涉及到整车起步过程的部件进行结构方案和控制逻辑设计，是整车起步性能开发的关键。整车的起步性能不是孤立存在的，设计和调整起步过程影响因素以达到整车起步性能要求的同时，也要同时考虑各影响参数的变化对整车动力性、经济性、振动噪声等其他性能指标的影响。所以，需要建立系统性的分析方法和工具，将起步性能放在整车性能的其他评价维度中进行均衡的分析。

车辆起步过程的评价需要在样车试制出来后进行，若不满足开发目标，则需对整车最初配置进行调整，由于整车结构设计已经完成，主要部件如发动机、变速器等不可能做大幅改动，一般会通过增大主减速比、提升起步转速等手段，这会导致开发成本上涨、周期增加、其它整车性能变差如经济性和NVH性能等。所以能够在整车开发初期对起步性能进行模拟仿真，并与整车的其他性能进行综合评价，进而确定最佳的匹配方案就非常必要。

目前，行业中整车起步性能的早期评价大多采用经验公式法，用发动机台架测试的稳态转矩作为离合器输入端转矩，整车传递到离合器从动盘力矩作为阻力矩，然后根据整车起步时动力传动链的动力学模型进行估算。此方法存在一定的局限性，在离合器输入端，没有考虑到起步辅助策略和发动机怠速控制引起的转矩、转速变化；在离合器转矩传递过程中，没有建立离合器踏板释放速率与离合器传递转矩的数学模型，因此在进行起步性能评价时，往往与实际测试存在较大误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种乘用车起步过程的性能仿真系统及方法，能实现在整车结构冻结早期对起步性能进行预测和评估。

本发明所述的一种乘用车起步过程的性能仿真系统，包括离合器踏板操纵系统、离合器转矩传递模型、发动机控制模型、发动机模型、离合器模型、离合器滑摩功模型和整车模型；所述离合器踏板操纵系统与离合器转矩传递模型之间通过单向信号连接；离合器转矩传递模型与发动机控制模型之间通过单向信号连接；离合器转矩传递模型与离合器模型之间通过单向信号连接；发动机控制模型和发动机模型之间通过双向信号连接；发动机模型与离合器模型之间通过机械连接；离合器模型与离合器滑摩功模型通过双向信号连接；离合器模型与整车模型之间通过机械连接；离合器滑摩功模型与整车模型之间通过双向信号连接；

其中：所述离合器转矩传递模型用于模拟离合器踏板与离合器从动盘之间的位移传递关系，并基于离合器从动盘的轴向压缩特性，将位移转换为作用在离合器摩擦片上的压紧力；

所述发动机控制模型包括起步辅助控制模型和发动机怠速控制模型，用于整车起步时控制系统对发动机节气门开度的调节和修正，得到发动机的输出转速、转矩；

所述离合器滑摩功模型用于模拟车辆在起步过程中，离合器在结合过程中产生的滑摩功。

进一步，所述离合器转矩传递模型根据离合器踏板释放速率与离合器踏板行程的乘积得到离合器踏板位移，再除以离合器操纵系统杠杆比和膜片弹簧工作杠杆比，得到离合器从动盘轴向位移，再对离合器从动盘压缩特性进行查值处理，得到离合器摩擦片压紧力，最后将压紧力输入离合器模型进行仿真得到离合器实际传递转矩。

进一步，所述发动机控制模型根据整车起步时离合器接合状态进行判断，若离合器尚未开始接合，采用起步辅助控制目标转速与发动机当前转速进行PID控制，若离合器已经开始接合，采用发动机怠速目标转速与发动机当前转速进行PID控制，输出油门踏板开度，并将其输入发动机模型，根据发动机当前转速和油门踏板开度进行查值处理，得到发动机的输出转速、转矩。

进一步，所述离合器滑摩功模型根据整车质量和传动系参数输入给整车动力学模型进行整车动力学仿真得到整车阻力矩，再与整车起步转速相乘得到整车起步离合器滑摩功，与离合器摩擦面积、离合器摩擦面数相除，得到离合器单位面积滑摩功。

本发明所述的一种乘用车起步过程的性能仿真方法，采用如本发明所述的乘用车起步过程的性能仿真系统，其控制方法包括以下步骤：

在整车起步过程中，离合器踏板操纵系统将离合器踏板释放速率转换为离合器从动盘的轴向位移；离合器转矩传递模型接收到离合器从动盘轴向位移，根据离合器从动盘的轴向压缩特性，将位移转换为作用在离合器摩擦片上的压紧力；发动机控制模型在接收到离合器转矩传递模型中离合器接合状态信号后，根据发动机模型输入的当前发动机转速与目标转速的差值对发动机节气门进行实时修正，发动机模型根据相应的节气门开度进行查值计算得到实时输出转速、转矩，然后离合器模型根据离合器压紧力、发动机输出转矩、整车阻力矩，仿真出离合器实际输出转速、转矩；整车模型接收来自离合器模型的输出转速和转矩，根据驱动力阻力方程进行动力学仿真出整车加速度；离合器滑摩功模型接收来自整车模型的整车阻力矩、离合器模型的离合器输出转速、离合器摩擦面积、离合器摩擦面数仿真出离合器单位面积滑摩功；

将仿真分析的结果与预设的评价指标进行对比分析，判断是否满足起步性能指标，若不满足，则优化修改对应模型的相应参数，若满足要求，则输出仿真结果。

本发明具有以下优点：

（1）通过起步过程仿真工具，依据起步过程性能对关键影响参数进行设定和优化，指导离合器、速比选型、发动机输出以及控制策略的选择；

（2）有利于速比匹配和动力总成选型，能够在整车性能开发前期对车辆起步性能进行预测和分析，避免重复工作，节约成本、周期；

（3）结合NVH、经济性、动力性进行综合优化，给出最佳性能组合，避免了整车开发完成后在实际测试阶段才暴露出起步性能不满足设计要求而进行反复修改调整的问题，能够大大缩短开发周期，节约开发成本。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的原理图；

图3为本发明的离合器转矩传递模型示意图；

图4为本发明的发动机控制模型示意图；

图5为本发明的离合器滑摩功模型示意图；

图中，1-离合器踏板操纵系统，2-离合器转矩传递模型，3-发动机控制模型，4-发动机模型，5-离合器模型，6-离合器滑摩功模型，7-整车模型；2-1-离合器踏板释放速率，2-2-离合器踏板行程，2-3-离合器踏板位移，2-4-离合器操纵系统杠杆比，2-5-膜片弹簧工作杠杆比，2-6-离合器从动盘轴向位移，2-7-离合器从动盘压缩特性，2-8-离合器摩擦片压紧力，2-9-离合器模型，2-10-离合器实际传递转矩；3-1-发动机怠速目标转速，3-2-离合器接合状态，3-3-起步辅助控制目标转速，3-4-油门踏板开度，3-5-发动机模型，3-6-发动机输出转速、转矩，6-1-整备质量，6-2-传动系参数，6-3-整车动力学模型，6-4-整车阻力矩，6-5-整车起步转速，6-6-整车起步离合器滑摩功，6-7-离合器摩擦面积，6-8-离合器摩擦面数，6-9-离合器单位面积滑摩功。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例中，一种乘用车起步过程的性能仿真系统，包括离合器踏板操纵系统1、离合器转矩传递模型2、发动机控制模型3、发动机模型4、离合器模型5、离合器滑摩功模型6和整车模型7；所述离合器踏板操纵系统1与离合器转矩传递模型2之间通过单向信号连接；离合器转矩传递模型2与发动机控制模型3之间通过单向信号连接；离合器转矩传递模型2与离合器模型5之间通过单向信号连接；发动机控制模型3和发动机模型4之间通过双向信号连接；发动机模型4与离合器模型5之间通过机械连接；离合器模型5与离合器滑摩功模型6通过双向信号连接；离合器模型5与整车模型7之间通过机械连接；离合器滑摩功模型6与整车模型7之间通过双向信号连接。

本发明基于GT-SUITE软件，在传统的整车动力性仿真模型（包括发动机模型4、离合器模型5和整车模型7）的基础上集成发动机控制模型3（起步辅助控制和发动机怠速控制）、离合器踏板操作系统1和离合器转矩传递模型2、离合器滑摩功模型6对整车起步过程进行建模。即能考虑整车起步过程中离合器转速、转矩传递的过程，又能用离合器踏板释放速率和离合器滑摩功两个客观指标进行评价。

1、发动机控制模型（起步辅助控制和发动机怠速控制）

起步性能与发动机实时输出的转矩直接相关，本实施例中，应用发动机怠速控制、起步辅助控制对发动机节气门进行实时修正，并根据相应的节气门开度进行查值计算得到实时输出转速、转矩，并输出给离合器。

如图4所示，发动机控制模型工作原理：

发动机控制模型包括起步辅助控制模型和发动机怠速控制模型，根据整车起步时离合器接合状态3-2进行判断，若离合器尚未开始接合，采用起步辅助控制目标转速3-3与发动机当前转速进行PID控制，若离合器已经开始接合，采用发动机怠速目标转速3-1与发动机当前转速进行PID控制，输出油门踏板开度3-4，并将其输入发动机模型3-5，根据发动机当前转速和油门踏板开度进行查值处理，得到发动机的输出转速、转矩3-6。

2、所述离合器转矩传递模型

离合器转矩传递模型用于模拟离合器踏板与离合器从动盘之间的位移传递关系，并基于离合器从动盘的轴向压缩特性，将位移转换为作用在离合器摩擦片上的压紧力。

离合器转矩传递过程和能力是影响起步性能的重要因素，故对离合器转矩传递过程也进行详细建模。整车起步时，尤其是手动挡车型起步时，离合器踏板操控系统和离合器膜片弹簧特性是影响其转矩传递的最主要因素。对离合器踏板操控系统的重要影响因素及部件进行建模，如离合器踏板、离合器踏板杠杆机构；对离合器膜片弹簧相关的系统进行建模，如膜片弹簧杠杆比、离合器从动盘的轴向压缩特性等。此模型以离合器踏板释放速率为输入，离合器传递转矩为输出。具体模拟仿真过程：离合器踏板释放速率→离合器踏板行程位移→离合器从动盘轴向位移→离合器压紧力→离合器传递转矩。

如图3所示，离合器转矩传递模型的工作原理：

离合器转矩传递模型根据离合器踏板释放速率2-1与离合器踏板行程2-2的乘积得到离合器踏板位移2-3，考虑离合器行程系统效率、离合器安全间隙、膜片弹簧无效行程等因素，再除以离合器操纵系统杠杆比2-4和膜片弹簧工作杠杆比2-5，得到离合器从动盘轴向位移2-6，再对离合器从动盘压缩特性2-7进行查值处理，得到离合器摩擦片压紧力2-8，最后将压紧力输入离合器模型2-9，考虑到摩擦因素、摩擦面数、摩擦有效半径等因素进行仿真得到离合器实际传递转矩2-10。

3、离合器滑摩功仿真模型

离合器滑摩功模型用于模拟车辆在起步过程中，离合器在结合过程中产生的滑摩功。

为评价在起步滑摩阶段产生热量对离合器可靠性的影响，建立了离合器滑摩功仿真模型。在满足整车能起步的一定离合器踏板释放速率前提下，离合器滑摩功必须满足一定的指标要求，因此需要对离合器滑摩功进行建模和仿真计算，一般通过单位面积滑摩功进行评价。整车在起步过程中，影响离合器单位面积滑摩功主要因素有离合器滑摩功、离合器摩擦面积、摩擦面数，其中，影响离合器滑摩功的主要因素有起步转速、整车阻力矩、离合器传递转矩等因素。本模型在满足整车能起步的一定离合器踏板释放速率前提下，考虑传动系参数、整车参数、整车起步转速和离合摩擦面积等因素，最后，输出离合器单位面积滑摩功。具体模拟仿真过程：整备质量→传动系参数→整车动力学模型仿真→整车阻力矩→整车起步转速→离合器滑摩功→摩擦片面积→单位面积滑摩功。

如图5所示，离合器滑摩功仿真模型的工作原理：

离合器滑摩功模型根据整车质量6-1和传动系参数6-2输入给整车动力学模型6-3进行整车动力学仿真得到整车阻力矩6-4，再与整车起步转速6-5相乘得到整车起步离合器滑摩功6-6，与离合器摩擦面积6-10、离合器摩擦面数6-11相除，得到离合器单位面积滑摩功6-12。

四、整车起步模型

将离合器踏板操纵系统1、离合器转矩传递模型2、发动机控制模型3、发动机模型4、离合器模型5、离合器滑摩功模型6和整车模型7简称为整车起步模型。

发动机、传动系统及整车参数由此输入，建立整车和动力、传动系统之间的动力传递关系。通过离合器踏板与离合器从动盘之间的位移传递关系，可以得到不同离合器释放速率与离合器压盘实时位置之间的对应关系，然后借助于离合器从动盘的轴向压缩特性，可以将位移转换为作用在离合器摩擦片上的压紧力，进而求得离合器的摩擦力矩，最后求出整车阻力通过离合器后作用于发动机的阻力矩。作用于离合器输入端的发动机输出转矩和作用于离合器输出端的整车阻力矩以及离合器传递转矩，这三个转矩之间的关系决定了在起步过程中发动机转速的变化，从而评估整车起步性能，最后，将分析结果与客观的评价指标进行对比分析，如离合器踏板释放速率、离合器滑摩功等，若满足要求，则直接输出仿真结果；若不满足要求，则对发动机控制模型（起步辅助控制和发动机怠速控制）、离合器转矩传递控制模型、离合器滑摩功仿真模型、整车起步模型等相关参数进行优化修改。当然，还需利用试验数据对仿真模型进行标定，保证仿真精度在5%以内。

如图1所示，起步性能仿真的主要过程为：

首先，建立发动机控制模型，包括怠速控制模型和起步辅助控制模型，模拟整车起步时控制系统对发动机节气门开度的的调节和修正，从而得到发动机的输出转速、转矩；其次，建立离合器转矩传递模型，模拟离合器模型由离合器踏板释放速率到压盘间的位移传递、位移-压紧力关系以及转矩传递特性；再次，建立离合器滑摩功模型，模拟整车起步时，离合器在结合过程中产生的滑摩功；最后，建立整车起步模型，将离合器踏板操纵系统1、离合器转矩传递模型2、发动机控制模型3、发动机模型4、离合器模型5、离合器滑摩功模型6和整车模型7集成在一起，根据驱动力阻力方程进行动力学仿真, 模拟整车阻力矩；发动机实际输出转矩与整车阻力矩以及离合器传递转矩，这三个力矩的关系决定了在起步过程中发动机转速的变化，从而评估整车起步性能。

如图2所示，本发明所述的一种乘用车起步过程的性能仿真方法，采用如本发明所述的乘用车起步过程的性能仿真系统，其控制方法包括以下步骤：

整车起步过程中，离合器踏板操纵系统1将离合器踏板释放速率转换为离合器从动盘的轴向位移，离合器转矩传递模型2接收到离合器从动盘轴向位移，根据离合器从动盘的轴向压缩特性，可以将位移转换为作用在离合器摩擦片上的压紧力；发动机控制模型3在接收到离合器转矩传递模型2中离合器接合状态信号后，根据发动机模型4输入的当前发动机转速与目标转速的差值对发动机节气门进行实时修正，发动机模型4根据相应的节气门开度进行查值计算得到实时输出转速、转矩，然后离合器模型5根据离合器压紧力、发动机输出转矩、整车阻力矩，仿真出离合器实际输出转速、转矩；整车模型7接收来自离合器模型的输出转速和转矩，根据驱动力阻力方程进行动力学仿真出整车加速度；离合器滑摩功模型6接收来自整车模型的整车阻力矩、离合器模型的离合器输出转速、离合器摩擦面积、摩擦面数仿真出单位面积滑摩功。最后，将分析结果与客观的评价指标进行对比分析，如离合踏板释放速率、离合器滑摩功等，判断是否满足起步性能指标，若不满足要求，则对发动机控制模型的发动机控制策略、离合器转矩传递模型、整车起步模型相关参数进行优化修改，若满足要求，则直接输出仿真结果。当然，还需利用试验数据对仿真模型进行标定，保证仿真精度在5%以内。

Claims (5)

1.一种乘用车起步过程的性能仿真系统，其特征在于：包括离合器踏板操纵系统（1）、离合器转矩传递模型（2）、发动机控制模型（3）、发动机模型（4）、离合器模型（5）、离合器滑摩功模型（6）和整车模型（7）；所述离合器踏板操纵系统（1）与离合器转矩传递模型（2）之间通过单向信号连接；离合器转矩传递模型（2）与发动机控制模型（3）之间通过单向信号连接；离合器转矩传递模型（2）与离合器模型（5）之间通过单向信号连接；发动机控制模型（3）和发动机模型（4）之间通过双向信号连接；发动机模型（4）与离合器模型（5）之间通过机械连接；离合器模型（5）与离合器滑摩功模型（6）通过双向信号连接；离合器模型（5）与整车模型（7）之间通过机械连接；离合器滑摩功模型（6）与整车模型（7）之间通过双向信号连接；

其中：所述离合器转矩传递模型（2）用于模拟离合器踏板与离合器从动盘之间的位移传递关系，并基于离合器从动盘的轴向压缩特性，将位移转换为作用在离合器摩擦片上的压紧力；并将压紧力输入离合器模型（2-9）进行仿真得到离合器实际传递转矩（2-10）；

所述发动机控制模型（3）包括起步辅助控制模型和发动机怠速控制模型，发动机控制模型（3）在接收到离合器转矩传递模型（2）中离合器接合状态信号后，根据发动机模型（4）输入的当前发动机转速与目标转速的差值对发动机节气门进行实时修正，发动机模型（4）根据相应的节气门开度进行查值计算得到实时输出转速、转矩；

所述离合器滑摩功模型（6）用于模拟车辆在起步过程中，离合器在结合过程中产生的滑摩功；

所述整车模型（7）用于接收来自离合器模型（5）的输出转速和转矩，根据驱动力阻力方程进行动力学仿真出整车加速度。

2.根据权利要求1所述的乘用车起步过程的性能仿真系统，其特征在于：所述离合器转矩传递模型（2）根据离合器踏板释放速率（2-1）与离合器踏板行程（2-2）的乘积得到离合器踏板位移（2-3），再除以离合器操纵系统杠杆比（2-4）和膜片弹簧工作杠杆比（2-5），得到离合器从动盘轴向位移（2-6），再对离合器从动盘压缩特性（2-7）进行查值处理，得到离合器摩擦片压紧力（2-8），最后将压紧力输入离合器模型（2-9）进行仿真得到离合器实际传递转矩（2-10）。

3.根据权利要求1或2所述的乘用车起步过程的性能仿真系统，其特征在于：所述发动机控制模型（3）根据整车起步时离合器接合状态（3-2）进行判断，若离合器尚未开始接合，采用起步辅助控制目标转速（3-3）与发动机当前转速进行PID控制，若离合器已经开始接合，采用发动机怠速目标转速（3-1）与发动机当前转速进行PID控制，输出油门踏板开度（3-4），并将其输入发动机模型（3-5），根据发动机当前转速和油门踏板开度进行查值处理，得到发动机的输出转速、转矩（3-6）。

4.根据权利要求3所述的乘用车起步过程的性能仿真系统，其特征在于：所述离合器滑摩功模型（6）根据整车质量（6-1）和传动系参数（6-2）输入给整车动力学模型（6-3）进行整车动力学仿真得到整车阻力矩（6-4），再与整车起步转速（6-5）相乘得到整车起步离合器滑摩功（6-6），与离合器摩擦面积（6-10）、离合器摩擦面数（6-11）相除，得到离合器单位面积滑摩功（6-12）。

5.一种乘用车起步过程的性能仿真方法，其特征在于：采用如权利要求1至4任一所述的乘用车起步过程的性能仿真系统，其控制方法包括以下步骤：

在整车起步过程中，离合器踏板操纵系统（1）将离合器踏板释放速率转换为离合器从动盘的轴向位移；离合器转矩传递模型（2）接收到离合器从动盘轴向位移，根据离合器从动盘的轴向压缩特性，将位移转换为作用在离合器摩擦片上的压紧力；发动机控制模型（3）在接收到离合器转矩传递模型（2）中离合器接合状态信号后，根据发动机模型（4）输入的当前发动机转速与目标转速的差值对发动机节气门进行实时修正，发动机模型（4）根据相应的节气门开度进行查值计算得到实时输出转速、转矩，然后离合器模型（5）根据离合器压紧力、发动机输出转矩、整车阻力矩，仿真出离合器实际输出转速、转矩；整车模型（7）接收来自离合器模型（5）的输出转速和转矩，根据驱动力阻力方程进行动力学仿真出整车加速度；离合器滑摩功模型（6）接收来自整车模型的整车阻力矩、离合器模型的离合器输出转速、离合器摩擦面积、离合器摩擦面数仿真出离合器单位面积滑摩功；

将仿真分析的结果与预设的评价指标进行对比分析，判断是否满足起步性能指标，若不满足，则优化修改对应模型的相应参数，若满足要求，则输出仿真结果。

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