JP3987199B2 - シミュレーション装置、シミュレーション方法、および記憶媒体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シュミレーション装置等に関し、特に、例えば自動車のパワートレーンなどの複数の要素または部品が複雑に絡み合った系を効率よくモデル化してシュミレーションするシュミレーション装置などに関する。
【０００２】
【従来の技術】
商品開発の短期化を目的として、従来試作品を用いた試験によって行っていた性能や機能の評価・確認を、シミュレーションによって開発の上流で行う必要性が高まっている。
自動車の諸性能は、エンジンや変速機など個々のユニットの特性が統合されて現れるものである。これらの特性は複数の異なる分野に跨るため、シミュレーションの目的に対応した固有の方法で異なる理論体系を結びつけてモデル化が行われている。しかし、数多くの問題に対してシミュレーションを充足しそれらを維持管理するには、効率的ではない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この問題の解決には、異なる分野に対して共通化され、それらの統合を容易にできるモデル化技術を必要とする。
発明者たちは先に、特願平７−２５０９７４号などで、ポテンシャルとフロートという概念で部品をシステム方程式により表現することを提案し、複数の部品からなるユニットを行列表現化した。
【０００４】
本発明は、この提案の延長線上になされたものであり、部品の変更やモデルの変更に容易に対処してシュミレーションを行うことができるシュミレーション装置を提案するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る装置は、非線形動作を行なう非線形ユニットを含む複数のユニットから構成された対象装置の動的性能をシミュレーションするシミュレーション装置であって、前記非線形ユニットの非線形特性データを、函数又はテーブルとして予め記憶するデータ格納手段と、前記複数のユニットのそれぞれを、該ユニットの動的性能を表わす第１パラメータを含む機能モデルに変換し、エネルギーの授受のある機能モデル同士を接続し、接続された機能モデル同士の間でのエネルギーの授受を、エネルギーのポテンシャル成分を表わす位差量、及びフロー成分を表わす流動量、という一対の状態量の入出力として表現する、機能モデル化手段と、前記非線形ユニットに対応して予め用意された機構モデルを用いることにより、前記データ格納手段から読出した前記非線形特性データに基づいて所定サンプリングタイムごとに第２パラメータを生成し、生成した該第２パラメータを前記機能モデルの前記第１パラメータとして設定して、前記対象装置の動的性能をシミュレーションするシミュレーション制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００６】
ここで、前記機能モデルの第１パラメータは、慣性質量、剛性、粘性係数の少なくとも１つとして表現されることを特徴とする。
【０００７】
前記機能モデル化手段は、前記第１パラメータを行列式で表わすことを特徴とする。
【０００８】
前記機能モデル化手段は、各機能モデルを状態方程式により表現し、
前記シミュレーション制御手段は、接続された機能モデル同士の状態方程式を統合して、統合化された状態方程式を生成することによりシミュレーションを行なうことを特徴とする。
【０００９】
前記機構モデルは、前記非線形ユニットの種類に応じて複数用意されることを特徴とする。
【００１０】
前記非線形特性データは、前記ユニットの応答特性を示す特性カーブで表わされ、前記生成手段は、前記第２パラメータとして、該特性カーブの接線の傾き及び切片を抽出することを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明に係る方法は、非線形動作を行なう非線形ユニットを含む複数のユニットから構成された対象装置の動的性能をシミュレーションするシミュレーション方法であって、前記複数のユニットのそれぞれを、該ユニットの動的性能を表わす第１パラメータを含む機能モデルに変換し、エネルギーの授受のある機能モデル同士を接続し、接続された機能モデル同士の間でのエネルギーの授受を、エネルギーのポテンシャル成分を表わす位差量、及びフロー成分を表わす流動量、という一対の状態量の入出力として表現する、機能モデル化ステップと、前記非線形ユニットに対応して予め用意された機構モデルを用いることにより、データ格納手段から読出した非線形特性データに基づいて所定サンプリングタイムごとに第２パラメータを生成し、生成された前記第２パラメータを前記機能モデルの前記第１パラメータとして設定して、前記対象装置の動的性能をシミュレーションするシミュレーション制御ステップと、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態であるシュミレーションシステムを説明する。
〈位差量と状態量〉
実施形態のシミュレーション装置に特徴的な、ユニット表現の基本について説明する。
【００１３】
ある実体のシステムを構成する部分機能はエネルギの授受を行うシステム要素としてモデル化される。このエネルギモデルは、第１図に示すように、ある部分機能をブラックボックスとすると、このブラックボックスの内部損失と、当該ブラックボックスに入力される入力エネルギと、当該ブラックボックスから出力される出力エネルギとで構成され、入力エネルギ＝出力エネルギ＋内部損失で表される。入力エネルギ及び出力エネルギは、それぞれ位差量と流動量からなる状態量で表される。位差量は実体に加わる入出力エネルギのポテンシャル成分を表す状態量で、流動量は実体に加わる入出力エネルギのフロー成分を表す状態量である。
【００１４】
そして、状態量は入力状態量と出力状態量の対とし、入力状態量は入力位差量又は入力流動量として表され、出力状態量は出力位差量又は出力流動量として表される。すなわち、入出力エネルギは入力位差量と出力流動量の対、又は入力流動量と出力位差量の対としたいずれかで表される。
位差量と流動量の具体的な例を、表１に示す。
【００１５】
前記エネルギモデルをさらに具体的に説明すると、次の通りである。モータの働きをブラックボックスとし、入力エネルギの流動量に電流（値）を与えると、入力エネルギ側の位差量にはモータの内部抵抗とモータ出力に対応した電圧（値）が返される。この場合、電流が入力流動量で、電圧が出力位差量となり、（電流×電圧）が入力エネルギとなる。すなわち、回転トルクを一定とした場合、電流を多く流すと電圧が高くなりモータの回転数も増加する。一方、トルクが出力流動量として出力され、モータの角速度が入力位差量として返される。この場合、（トルク×角速度）が出力エネルギとなる。
【００１６】
なお、この例において、位差量である電圧を入れることにより流動量として電流が返されると考えてもよい。この場合には、第１図の矢印が逆になり、電圧が入力位差量となり、電流が出力流動量となる。
前記実体のブラックボックスの内部は、第２図に示すように、実体の固有特性を表す閉ループ系（固有値系）と、入力エネルギを閉ループ系に供給する環境特性を表す開ループ系で構成される。閉ループ系では、第３図に示すように、出力状態量がフィードバックされて入力状態量に加えられ状態量の永久ループを形成し、このループに包含されている内部要素が固有値を確定する。開ループ系では、第４図に示すように、入力状態量が出力状態量に加えられ、状態量の流れを形成し、実体に加えられる入力エネルギとなる外部状態量および固有値の入力エネルギとなる内部状態量の間の流れを確定する。したがって、実体に加えられるエネルギ群は、位差入カエネルギ群と流動入力エネルギ群を環境系に加え、この環境系を経由して固有値系に位差，流動エネルギ群が加わる。
【００１７】
このようにして製品を構成する全ての部分機能をシステム要素としてエネルギモデル化し、各システム要素をある接続関係で組み合わせれば製品がモデル化される。
これから説明する仮想原型はこのような知見に基づき、それを更に発展させたものである。
【００１８】
〈仮想原型の概念〉
仮想原型(virtual prototype)の概念構成を第５図に示す。
仮想原型によるモデルでは、モデルの内容が「機能モデル」(functiona model)と「機構モデル」(mechanism model)に層別される。
機能モデルは、上述の「位差量」(potential)と「流動量」(flow)という、二つの一般化された「状態量」によって記述される。「機能モデル」はモデル化対象となる実体の動特性を表し、サブシステム(subsystem)を統合して全体システム(integrated system)を形成する役割を担う。第５図の例では、全体システムはサブシステム（ａ）とサブシステム（ｂ）とからなる。
【００１９】
「機構モデル」は機能モデルのパラメータ(parameters)に代入される物理特性値(physical characteristic)を与え、実体のメカニズムに依存したモデルとなる。
この階層構造化されたモデル構成によって、一般に複雑化する機構モデルの扱いに苦慮することなく、統一された方法でサブシステムのモデルを統合して全体機能をモデル化する事ができる。
【００２０】
機能モデルはシステム方程式によって表され、サンプリングクロック毎に機構モデルによるパラメータの更新と離散化を行う。従ってメカニズムによる特性の非線形性は、機能モデルにおいてサンプリングタイム毎に線形化される。
〈パワートレインの基本モデル〉
パワートレインには、クラッチやブレーキなどの、モデル間のつながりを断続させて、モデル構造を不連続に切り替える要素が含まれる。この構造変化を「構造非線形」と呼ぶ。
【００２１】
まず構造非線形を含まないモデルを考え、機能モデルと機構モデルから成る構成の実例と、サブシステムから全体への統合そして解法について述べる。
パワートレインの全体モデルは、第６図に示すように、４つの機能モデル（「エンジン」(engine & accessary)と「トルクコンバータ」(torque converter)と「変速機」(gear box)と「駆動力」(driving force)の４つの機能モデル）から構成される。これらの各機能モデルは、パラメータを介してエンジン、トルクコンバーターなどの機構モデルと結ばれる。なお、変速機は減速比だけに単純化している。
【００２２】
各機能モデル間は、流動量であるトルク・力と、位差量である回転・速度で結ばれる。
〈エンジンおよび補機の駆動抵抗のモデル〉
エンジン機能モデルは、第７図に示すように、慣性モーメントＪengと粘性抵抗係数Ｃengから成る一次遅れ系として表される。
【００２３】
また、エンジンの機構モデルは、同じく、第７図に示すように、エンジンのトルク特性と補機の駆動抵抗を粘性抵抗係数及び抵抗の摩擦成分であるオフセット値ＴC.engとして機能モデルに与える。エンジン機構モデルは電子制御モデルを含み、制御入力およびドライバーの操作入力に対する過度応答を考慮しているが、失火等の不安定現象は考慮していない。
【００２４】
エンジンの機構モデルのシステム方程式を、
【００２５】
【数１】
【００２６】
で表すとする。但し、「’」は時間微分を表す。
ここで、Ｘengは状態ベクトルで、状態変数はｘengの一つだけであるから、
【００２７】
【数２】
【００２８】
であり、状態量を抽出するための観測ベクトルＯeng、外部入力ベクトルＩengは、エンジンの補器の機能モデルが第８図に示すブロック線図によって表現される場合には、夫々、
【００２９】
【数３】
【００３０】
によって表される。ここで、Ｔengはエンジンのトルク、ωengはエンジンの回転速度、Ｔaccyは補器への出力トルクであるとした。従って、モデルのパラメータから構成される部分行列は、
【００３１】
【数４】
【００３２】
【数５】
【００３３】
【数６】
【００３４】
尚、第８図を含めて、本実施形態のシステムブロック線図において用いられる図形記号を第９図に示す。
〈トルクコンバーターのモデル〉
トルクコンバーターはポンプ部とタービング部に分け、前者はエンジンと、後者は車軸と剛体結合されているものと考える。また、トルクコンバーター内部の流体の過度的挙動は無視する。
【００３５】
トルクコンバーターの駆動トルクはポンプとタービンの速度比ｅを変数とする容量係数Ｃcpを用いて下式で表される。
【００３６】
【数７】
【００３７】
機構モデルは、速度比ｅから、第１０図のグラフに示された駆動トルク曲線の接線を求め、この接線の傾きＣtcと切片ＴO.tcとを機能モデルに与える。また、同時にトルク比を特性データから読みとり、機能モデルに与える。
トルクコンバーターの機能モデルのブロック線図を第１０図に示す。
〈車両駆動力モデル〉
車両駆動力モデルは第１１図に示すように、車両質量、走行抵抗、タイヤ半径、最終減速比とアクスルシャフト慣性モーメントから構成される。走行抵抗の要因であるタイヤ転がり抵抗、空気抵抗、登坂抵抗は、機構モデルから粘性抵抗係数およびオフセット荷重に変化して機能モデルに与える。
【００３８】
第６図に於いて、Ｒfは変速機の最終段のギヤ比、Ｊaxはシャフトの慣性質量、Ｒtyはタイヤの半径、Ｍvは車輌の質量、Ｃvは速度に依存する粘性抵抗計数、ＦO.vは車体に働くオフセット力である。をいう。
〈機能モデルの統合〉
上述のエンジン、トルクコンバータ、駆動力の各ユニットの統合体であるパワートレーンをこれらの状態方程式の統合によって表現することができる。
【００３９】
第１２図乃至第１４図は、状態方程式の統合化を説明する。この統合化の詳細は、本出願人による、特願平７−２５０９７４号に詳細に説明されている。
即ち、第１２図に示すように、統合化対象のユニットモデルが３つ存在するとする。そして、第１３図に示すように、各ユニットのパラメータ行列をシステム方程式上に対角に配置し、行・列を操作して入出力ベクトルを状態変数と入力および観測状態量に整理する。
【００４０】
次に、第１５図に示すように、２つのユニット間の接続状態量（観測状態量）を入力状態量に代入して、入力ベクトルから接続状態量である入力状態量を消去する。このような操作により、最終的に、第１４図の形状の方程式で統合システムが表現され、その入力ベクトルＩは定数項のみとなり、従って、時間に依存しなくなる。これにより全体モデルが完成する。
【００４１】
入力ベクトルＩが定数項のみとなるのは、各ユニットモデルの部分行列Ａ，Ｂ，Ｃにオフセット量などを組み込むからである。
〈解法〉
統合したモデルをシミュレーションするためには、統合したシステム方程式を解く必要がある。
【００４２】
本実施形態では、ゼロ次ホールドを用いて、統合した状態方程式を離散時間系で計算する。連続時間系ではこの状態方程式は非線形であるが、単位時間の短い離散時間系では、入力Ｉはステップ入力、即ち、短いΔｔ時間の間には、入力は定数値を示すステップ入力となりゼロ次である。連続時間系から離散時間系への変換処理は、部分行列［ＡＢ］に対して行い、変換後の行列を［ＰＱ］とすると、第１７図及び第１８図に示すように、
【００４３】
【数８】
【００４４】
【数９】
【００４５】
ここで、Ｅは単位行列、ｔsはサンプリングタイムである。離散系のシステム方程式は、下式で表される。
【００４６】
【数１０】
【００４７】
〈構造非線形なパワートレイン機能モデル〉
クラッチは、系を分離したり合成したりする構造非線形を司る典型的な機構要素である。本実施形態がシミュレーション対象とするパワートレーンはこの非線形要素を含む実例としてラビニョウ型遊星歯車列を有する自動変速機モデルである。
【００４８】
以下に、この構造非線形なクラッチ要素を扱う時のクラッチ要素のモデル化を説明する。
〈クラッチ要素のモデル化〉
クラッチモデルとは、接続する２つの系の双方の回転差を入力し、応答としてトルクを出力する機械インピーダンスを基礎としてモデル化したものである。
【００４９】
機械インピーダンスについては、剛性によって系をつなぐものと、粘性係数のみから成る二つのモデルが考えられる。後者は、粘性軸継手として喩えられ、係合時にわずかな滑りが生じるが扱いが容易であるため、自動変速機モデルである本実施形態システムでは、この後者の粘性係数のみからなるモデルを採用する。クラッチは、伝達すべきトルクが伝達可能なトルク値（以後、トルク容量ＴCcと呼ぶ）を越えるとスリップ状態となり、トルク容量ＴCcに等しいトルクが出力されるという性質を有する。
【００５０】
クラッチの機能モデルを第１９図に示す。このトルク容量ＴCcはクラッチ機構モデルによって機能モデルに与えられる。第１９図に示すように、機能モデルは、係合状態のトルク値を算出する。即ち、入力と出力の回転数差（＝ωC,in−ωC,out）は係数ＣCcによってトルク値Ｔinに変換され、このトルク値は容量ＴCcと比較される。Ｔin≧ＴCcならばＴCcを出力し、Ｔin＜ＴCcならばＴを出力する。即ち、ＴinとＴCcのうち絶対値の小さい方を採用する。
【００５１】
この絶対値の小さい方を採用するという論理演算を、第１９図では「スイッチswitch」として表している。論理演算結果を反映するために、式では係合時に“１”、スリップ時に０となるスイッチ係数ＳEと、その逆の値をとるスイッチ係数ＳSとを設定した。前者（ＳE）を機械インピーダンス部分のパラメータに、後者（ＳS）をトルク容量ＴCcに乗じ、両者の和を出力する。
【００５２】
クラッチのシステム方程式の各要素は以下の通りである。
【００５３】
【数１１】
【００５４】
【数１２】
【００５５】
但し、係合時には、
ＳE＝１
ＳS＝１
スリップ時には、
ＳE＝０
ＳS＝０
である。尚、ブレーキは、片方の系が停止しているクラッチとして扱う。
【００５６】
即ち、第２０図に、粘性カップリングとしての、クラッチ（ブレーキ）の機能モデルのブロック線図を示す。図中、Ｃ-clutchは第１９図のＣCcと等価である。２つのスイッチＳ-engageとＳ-slipは、
|Ｔin|≦|ＴC| → Ｓ-engage＝１、Ｓ-slip＝０
|Ｔin|＞|ＴC| → Ｓ-engage＝０、Ｓ-slip＝１
である。
【００５７】
〈自動変速機構の機能モデル〉
自動変速機には複数のクラッチ、ブレーキが含まれるが、仮想原型では、複数のクラッチおよびブレーキモデルを、実体の動力の流れと同一に配置する事でモデル化ができる。
第２１図に本実施形態がモデル化対象とする自動変速機の構成を示す。図中、１はトルクコンバータ、２はタービンシャフト、３はフォワード（ＦＷＤ）クラッチ、４はコースタクラッチ、５は３−４クラッチ、６はリバースクラッチ、７はＬ＆Ｒブレーキ、８は２−４ブレーキ。９は遊星歯車機構（Planetary gear train)である。第２１図の自動変速機における動力の伝達を図示すると、第２３図のようになる。
【００５８】
図中、▲１▼の流れはタービンシャフト→ＦＷＤクラッチ→フロントサンギアという動力の流れを示し、▲２▼はタービンシャフト→３−４クラッチ→リアキャリア（Ｌ＆Ｒクラッチと共に）という流れを示し、▲３▼はタービンシャフト→３リバースクラッチ→リアサンギヤ（２／４バンドブレーキと共に）という流れを示し、▲４▼はフロントキャリア→最終段ギヤという流れを示す。
【００５９】
第２３図の構成要素のつながりをそのままモデル化すると、第２４図のようになる。第２４図に於いて、四角のシンボルは伝達函数（機械インピーダンスまたはモビリティ）を、破線の矢印は位差量（各速度）の流れを、実線の矢印は流動量（トルク）の流れを示している。ここで、パワー＝トルク×各速度であることを前提としている。
【００６０】
タービンシャフトのモデル化は第２５図に従って行う。即ち、タービンシャフトは、慣性（J-trb)と粘性抵抗(D-trb)とからなる一次遅れ系の質点系モデルとして取り扱う。このモデルのブロック図を第２６図に示す。尚、第２６図に於いて、トルクT-tcはトルクコンバータからのトルク入力である。このブロック図に従ったタービンシャフトの状態方程式は、｜
【００６１】
【数１３】
【００６２】
第２７図に上記状態式に従ったこのタービンシャフトの応答図を示す。第２７図は同モデルが一次応答遅れの特性を有していることを示している。
次に、ＦＷＤクラッチ、３−４クラッチ、リバースクラッチ、Ｌ＆Ｒクラッチ、２−４バンドブレーキのモデル化を考える。一般的なクラッチは第１９図により説明した。ここでは、自動変速機に固有な各種クラッチ及びブレーキのモデル化を考える。
【００６３】
まず、変速には直接関与しないコースティングクラッチは本モデル化の対象から省略できる。
そこで、クラッチの機能モデルを第２８図に示す。同図において、μは摩擦係数、REはクラッチの有効径、ＴCはトルク容量、ＦCは押しつけ力である。従って、
ＴC＝μ・RE・FC
である。第２８図のモデルに対して、第２０図のブロック図を与える。
【００６４】
ところで、ワンウェイクラッチでは、係合状態と非係合状態とが回転方向に応じて切り替わる。この動作は、トルク容量TCcが、回転方向に応じて、ゼロまたは確実に係合される大きな値をとる事と解釈できる。即ち、
TC ＝０：回転方向＝正回転のとき、
TC ＝Ｔ0（但し、Ｔ0≫１：回転方向＝逆回転のとき、
である。従って、摩擦クラッチとワンウェイクラッチの配置・動作を考慮したトルク容量を与え、一つのモデルで表した場合には、その特性は第２９図のようになる。
【００６５】
ところで、この変速機ではＦＷＤクラッチとワンウェイクラッチ(OWC)とが直列に配置された構成を有しているが、この直列配置では、ＦＷＤクラッチとワンウェイクラッチのどちらかが非係合ならばスリップ状態となる。すなわち、トルク容量の絶対値が小さい方が採用される。即ち、ＦＷＤクラッチとワンウェイクラッチ(OWC)は１つのクラッチモデルに置き換えることができ、それはトルク容量の絶対値が小さい方を採用するクラッチモデルである。
【００６６】
一方Ｌ＆Ｒブレーキは並列配置のため片方だけで係合させる事ができるから、トルク容量の絶対値が大きい方が採用される。
機構モデルは自動変速機の制御系の動作に応じた各クラッチ・ブレーキ油圧からトルク容量を求め、機能モデルへ与える。
この部分は、既存のシミュレーションプログラムを流用した。また、係合状態で機能するＣCc.F等の粘性係数は、係合時の滑りと係合瞬間のスパイク状のトルク発生を考慮して値を設定した。
【００６７】
〈遊星歯車列の機能モデル〉
本パワートレーンの自動変速機も遊星歯車機構を有するものとして設計される。ここでは遊星歯車列としてラビニョー(ravigneaux)型遊星歯車列の機能モデルを提案する。
第３０図，第３１図にラビニョー型遊星歯車列を回転動作（ω）の観点から見た場合と、トルク伝達（Ｔ）の観点から見た場合を示す。
【００６８】
この遊星歯車列はロングピニオンの運動に注目してモデル化する。このモデル化は、遊星歯車列の入出力軸の回転を、
▲１▼：出力軸であるリングギヤの回転と
▲２▼：ピニオンギアの自転
とで表す。各軸の回転、即ち、小サンギアの回転速度ωSSと、キャリアの回転速度ωCと、Ｅサンギアの回転速度ωLSとは、第３０図を参照しながら、
【００６９】
【数１４】
と表される。ここで、ＧSS，ＧC，ＧLSはリングギヤ固定条件下でのピニオンと各軸のギヤ比で、ピニオンの自転に伴う公転も含むものであり、
【００７０】
【数１５】
で定義される。
次に第３１図を参照しながらトルクのバランスを考える。各入力軸からの遊星ギヤ系へのトルクをＴSS，ＴC，ＴLS、出力トルクをＴRとし、簡単のため各軸の慣性力および抵抗を無視すると、系全体の釣合から、
【００７１】
【数１６】
スモールサンギヤ、ラージサンギヤ及びリングギヤからピニオンへの伝達トルクＴLPSS，ＴLPLS，ＴLPRより、ピニオン軸周りの運動方程式は、
【００７２】
【数１７】
で表される。但し、「’」は時間微分を表す。
以上のようにして、このラビニョー(ravigneaux)型遊星歯車列のブロック線図を第３２図に示す。
第３２図のブロック図の特徴は、同図において、ＴLPとωLPとが入出力される部分はロングピニオンの自転運動を表現し、それ以外の部分が公転成分の動力伝達釣り合いを表現しているということである。換言すれば、自転運動がギア比を介して公転運動に「干渉」しているということである。即ち、自転運動と公転運動とが並列的に表現されている。もし自転運動と公転運動とが直列的に表現されると、条件や状態が異なる毎にモデル化をやり直さなければならないが、並列表現にすることによって、条件や状態が異なってもパラメータの変更だけで遊星歯車列を表現できるという利点を発揮できる。
【００７３】
この遊星歯車機構を並列表現すると言うことの利点は、ラビニョー型以外の歯車機構への適用によってはっきりする。
遊星歯車列がＣＲ−ＣＲ型遊星歯車列である場合の機能モデルを考察する。
第３３図に、ＣＲ−ＣＲ型遊星歯車列の構造を示す。この歯車列は、サンギアとリングギアの間で、サンギアの周りに公転するようにピニオンギアが設けられている。このＣＲ−ＣＲ型遊星歯車列では、リアのリングギアとフロントのピニオンギアとがプラネタリキャリアによって結合され、フロントのピニオンギアとリアのピニオンギアとがプラネタリキャリアによって結合されている。第３４図はサンギアの周りにピニオンギアが公転し、そのときに、ピニオンギアの公転と一緒にキャリアがサンギアの軸の周りに回転することを示している。リングギアはピニオンギアと歯合する。
【００７４】
この遊星歯車列はロングピニオンの運動に注目してモデル化する。このモデル化は、遊星歯車列の入出力軸の回転を第３４図の▲１▼と▲２▼の回転で表し、即ち、
▲１▼：出力軸であるリングギヤの回転（即ち、系全体の回転）と
▲２▼：ピニオンギアの自転
とで表す。この場合、出力軸（フロントキャリア）を固定されているとして考える。第３４図を参照して、Ｊ-fpをフロントピニオンの慣性、D-fpをフロントピニオンの粘性計数、ω-fpをフロントピニオンの角速度とすると、第３４図に示された歯車列は第３５図としてブロック図化される。従って、遊星歯車列全体では第３６図のようにブロック図化される。
【００７５】
第３６図のブロック図によれば、ＣＲ−ＣＲ型の歯車機構でも、フロントピニオンギアの自転による寄与部分と、系全体の公転による寄与部分とが並列的に分離されていることがわかる。
〈全体モデルへの統合〉
減速比だけの結合に簡略化していた変速機モデルを、変速機構（第２４図）と遊星歯車列（第３０図，第３１図）との機能統合モデルに置換し、全体モデルを構築する。この統合には、第１２図乃至第１５図に関連して説明した手法を適用する。
【００７６】
第３７図乃至第４２図に、実施形態のシュミレーション装置に適用されたシュミレーション対象のパワートレーン全体のブロック図を示す。これらの図面の内、第３７図から第４１図までを直列的につなぎ合わせ、第４２図の遊星歯車機構のブロック図を、第３９図のギア部分に置き換えて組み込むことにより、全体のブロック図が完成する。
【００７７】
〈シミュレーション結果〉
こうして統合された全体モデルの行列表現を、離散系の時間軸に沿ってシュミレーションする。先ず、パラメータが非線形であるようなシミュレーション事例を行う。
即ち、アイドリング中の車両において、エンジン補機の負荷をある時点で入力したことに対するエンジン回転変動をシミュレートした結果を、第４３図に示す。同図のシュミレーション結果（実線）と実機によるテスト結果（破線）とを比較すれば、本シュミレーション装置によるモデル化によっても、エンジン回転およびエンジン制御系の挙動共に十分な精度が得られていることを示している。なお、シミュレーション結果では、回転の復帰が早い事、実機で見られる回転の上昇後の振動が無い事が異なるが、これは燃焼の不安定さやエンジンマウントなどの振動系を考慮していないためと考える。
【００７８】
次ぎに、構造的非線形を含むシミュレーション事例を第４４図に示す。
第４４図は、第４３図のシュミレーションと同じモデルを用いて、走行中において、スロットル操作に対する自動変速機の変速をおこなうことをシミュレートした結果を示す。実測値は同じ状況を台上で再現して計測したデータである。シミュレーションは実機とはよく一致している。
【００７９】
このように、仮想原型の概念を応用して、個別にモデル化したエンジン・自動変速機・車両駆動負荷および制御系を統合し、パワートレイン全体のモデルを開発したが、検証の結果、十分な精度が得られたことを確認し、仮想原型によるモデル化の有効性を立証する事ができた。
〈システム構成〉
第４５図は実施形態にかかるシミュレーション装置のハードウェアの構成を示す。このハードウェアは、ＣＰＵ１、表示装置（ディスプレイ）２、キーボード３、マウス４、メインメモリ５、ファイルディスク６、処理ソフトウェアのファイルディスク７からなっている。
【００８０】
第４６図は、第４５図のシミュレーション装置におけるデータ及びファイルの流れを説明する。同図のシミュレーション装置が
同図において、機能モデルファイルは、各ユニット毎に前もって生成した機能モデルを出たとして記憶する。この機能モデルファイルの生成は本出願人の前記特願平７−２５０９７４号に詳述されている。また、第４５図に於いて、データモデルファイルは、前述の「機構モデル」に対応するデータを記憶するファイルで、例えば、第１０図に示すように、物理的特性データを函数またはテーブルとして記憶する。
【００８１】
本システムは、まず、個々のユニットについて、機能モデル（運動方程式を含む）とデータモデルファイルとを結合して個々のユニット毎に登録する。その上で、これらのファイルを前述の方法で統合する（ステップＳ１及びステップＳ２）。この統合には前述したように、接続状態量の消去を行い、統合化された状態方程式を生成する（ステップＳ３）。
【００８２】
シミュレーションはこの統合化された状態方程式に従ってなされる。シミュレーションにおいては、この状態方程式にアペンドされたデータモデルファイルから、静的特性を読み出し、パラメータに変換して供給する（ステップＳ５）。その後、状態方程式を離散的な時間軸に沿って離散化する（ステップＳ６）。シミュレーションはこの離散的な時間に沿って次々にパラメータの供給と離散化を繰り返しながら行ってゆく。
【００８３】
第４７図は本手法により完成されるシュミレーションシステムの全体を示すもので、自動車の個々のユニットから一体化された装置へのシュミレーションを効率よく行うことができることが示されている。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数種類のユニットの評価をモデルの変更無しに簡単に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本件の発明者が特願平７−２５０９７４号で提案し、本実施形態のシミュレーション装置が採用しているユニットを位差量と流動量とで表現する手法を説明する図。
【図２】 本件の発明者が特願平７−２５０９７４号で提案し、本実施形態のシミュレーション装置が採用しているユニットを位差量と流動量とで表現する手法を説明する図。
【図３】 ユニットを閉ループ系で表現する手法を説明する図。
【図４】 ユニットを開ループ系で表現する手法を説明する図。
【図５】 本実施形態に採用されている仮想原型の概念を説明する図。
【図６】 図５の仮想原型の概念を適用したパワートレーンの構成を説明する図。
【図７】 仮想原型を適用したエンジンのモデルを示す図。
【図８】 図７のエンジンの機能モデルを示す図。
【図９】 本実施形態において採用されている記号を説明する図。
【図１０】 仮想概念を適用したトルクコンバータのモデル図。
【図１１】 図１０のトルクコンバータの機能モデルを説明する図。
【図１２】 複数のユニットの状態方程式の統合を説明する図。
【図１３】 複数のユニットの状態方程式の統合を説明する図。
【図１４】 複数のユニットの状態方程式の統合を説明する図。
【図１５】 統合する際の接続状態量の消去を説明する図。
【図１６】 統合されたユニットの状態方程式を連続時間系で示す図。
【図１７】 統合されたユニットの状態方程式を離散時間系に変換する原理を説明する図。
【図１８】 統合されたユニットの状態方程式を離散時間系に変換する原理を説明する図。
【図１９】 仮想概念を適用したクラッチのモデル図。
【図２０】 仮想概念を適用したクラッチ／ブレーキのモデル図。
【図２１】 シミュレーションの対象となる自動変速機の構成を説明する図。
【図２２】 図２１の自動変速機における構成及びトルク伝達を説明する図。
【図２３】 図２１の自動変速機における構成及びトルク伝達を説明する図。
【図２４】 図２１の自動変速機における構成及びトルク伝達を説明する図。
【図２５】 図２１の自動変速機のタービンシャフトのモデル概念を示す図。
【図２６】 図２５のタービンシャフトの機能モデル図。
【図２７】 図２６の機能を有するタービンシャフトの応答特性を説明する図。
【図２８】 仮想概念を適用したクラッチの機能モデルを説明する図。
【図２９】 図２８のクラッチモデルの特性を説明する図。
【図３０】 実施形態に適用されているラビノー型プラネタリギヤ装置におけるギヤの回転を説明する図。
【図３１】 実施形態に適用されているプラネタリギヤ装置におけるトルク伝達を説明する図。
【図３２】 同プラネタリギヤ装置の機能モデルを説明する図。
【図３３】 ＣＲ−ＣＲ型プラネタリギヤ装置の構成を説明する図。
【図３４】 図３３のギア装置におけるトルクの流れを説明する図。
【図３５】 図３３のギア装置のピニオンギアの機能モデルを説明する図。
【図３６】 図３３のギア装置全体の機能モデルを説明する図。
【図３７】 図６のパワートレーンシステム全体の機能モデルを示す図３７乃至図４２のうち、エンジン補器部分のみの機能モデルを示す図。
【図３８】 図６のパワートレーンシステム全体の機能モデルを示す図３７乃至図４２のうち、トルクコンバータのみの機能モデルを示す図。
【図３９】 図６のパワートレーンシステム全体の機能モデルを示す図３７乃至図４２のうち、ギヤ及びデフのみの機能モデルを示す図。
【図４０】 図６のパワートレーンシステム全体の機能モデルを示す図３７乃至図４２のうち、アクスルのみの機能モデルを示す図。
【図４１】 図６のパワートレーンシステム全体の機能モデルを示す図３７乃至図４２のうち、走行負荷のみの機能モデルを示す図。
【図４２】 図６のパワートレーンシステム全体の機能モデルを示す図３７乃至図４２のうち、プラネタリギヤユニットのみの機能モデルを示す図。
【図４３】 図６のパワートレーンのシミュレーション結果を示す図。
【図４４】 図６のパワートレーンのシミュレーション結果を示す図。
【図４５】 本シミュレーション装置のハード構成を説明する図。
【図４６】 本シミュレーション装置における処理を順に説明したフローチャート。
【図４７】 本シミュレーション装置の処理における各段階での結果を説明する図。
【発明の属する技術分野】
本発明は、シュミレーション装置等に関し、特に、例えば自動車のパワートレーンなどの複数の要素または部品が複雑に絡み合った系を効率よくモデル化してシュミレーションするシュミレーション装置などに関する。
【０００２】
【従来の技術】
商品開発の短期化を目的として、従来試作品を用いた試験によって行っていた性能や機能の評価・確認を、シミュレーションによって開発の上流で行う必要性が高まっている。
自動車の諸性能は、エンジンや変速機など個々のユニットの特性が統合されて現れるものである。これらの特性は複数の異なる分野に跨るため、シミュレーションの目的に対応した固有の方法で異なる理論体系を結びつけてモデル化が行われている。しかし、数多くの問題に対してシミュレーションを充足しそれらを維持管理するには、効率的ではない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この問題の解決には、異なる分野に対して共通化され、それらの統合を容易にできるモデル化技術を必要とする。
発明者たちは先に、特願平７−２５０９７４号などで、ポテンシャルとフロートという概念で部品をシステム方程式により表現することを提案し、複数の部品からなるユニットを行列表現化した。
【０００４】
本発明は、この提案の延長線上になされたものであり、部品の変更やモデルの変更に容易に対処してシュミレーションを行うことができるシュミレーション装置を提案するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る装置は、非線形動作を行なう非線形ユニットを含む複数のユニットから構成された対象装置の動的性能をシミュレーションするシミュレーション装置であって、前記非線形ユニットの非線形特性データを、函数又はテーブルとして予め記憶するデータ格納手段と、前記複数のユニットのそれぞれを、該ユニットの動的性能を表わす第１パラメータを含む機能モデルに変換し、エネルギーの授受のある機能モデル同士を接続し、接続された機能モデル同士の間でのエネルギーの授受を、エネルギーのポテンシャル成分を表わす位差量、及びフロー成分を表わす流動量、という一対の状態量の入出力として表現する、機能モデル化手段と、前記非線形ユニットに対応して予め用意された機構モデルを用いることにより、前記データ格納手段から読出した前記非線形特性データに基づいて所定サンプリングタイムごとに第２パラメータを生成し、生成した該第２パラメータを前記機能モデルの前記第１パラメータとして設定して、前記対象装置の動的性能をシミュレーションするシミュレーション制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００６】
ここで、前記機能モデルの第１パラメータは、慣性質量、剛性、粘性係数の少なくとも１つとして表現されることを特徴とする。
【０００７】
前記機能モデル化手段は、前記第１パラメータを行列式で表わすことを特徴とする。
【０００８】
前記機能モデル化手段は、各機能モデルを状態方程式により表現し、
前記シミュレーション制御手段は、接続された機能モデル同士の状態方程式を統合して、統合化された状態方程式を生成することによりシミュレーションを行なうことを特徴とする。
【０００９】
前記機構モデルは、前記非線形ユニットの種類に応じて複数用意されることを特徴とする。
【００１０】
前記非線形特性データは、前記ユニットの応答特性を示す特性カーブで表わされ、前記生成手段は、前記第２パラメータとして、該特性カーブの接線の傾き及び切片を抽出することを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決するため、本発明に係る方法は、非線形動作を行なう非線形ユニットを含む複数のユニットから構成された対象装置の動的性能をシミュレーションするシミュレーション方法であって、前記複数のユニットのそれぞれを、該ユニットの動的性能を表わす第１パラメータを含む機能モデルに変換し、エネルギーの授受のある機能モデル同士を接続し、接続された機能モデル同士の間でのエネルギーの授受を、エネルギーのポテンシャル成分を表わす位差量、及びフロー成分を表わす流動量、という一対の状態量の入出力として表現する、機能モデル化ステップと、前記非線形ユニットに対応して予め用意された機構モデルを用いることにより、データ格納手段から読出した非線形特性データに基づいて所定サンプリングタイムごとに第２パラメータを生成し、生成された前記第２パラメータを前記機能モデルの前記第１パラメータとして設定して、前記対象装置の動的性能をシミュレーションするシミュレーション制御ステップと、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明の好適な実施形態であるシュミレーションシステムを説明する。
〈位差量と状態量〉
実施形態のシミュレーション装置に特徴的な、ユニット表現の基本について説明する。
【００１３】
ある実体のシステムを構成する部分機能はエネルギの授受を行うシステム要素としてモデル化される。このエネルギモデルは、第１図に示すように、ある部分機能をブラックボックスとすると、このブラックボックスの内部損失と、当該ブラックボックスに入力される入力エネルギと、当該ブラックボックスから出力される出力エネルギとで構成され、入力エネルギ＝出力エネルギ＋内部損失で表される。入力エネルギ及び出力エネルギは、それぞれ位差量と流動量からなる状態量で表される。位差量は実体に加わる入出力エネルギのポテンシャル成分を表す状態量で、流動量は実体に加わる入出力エネルギのフロー成分を表す状態量である。
【００１４】
そして、状態量は入力状態量と出力状態量の対とし、入力状態量は入力位差量又は入力流動量として表され、出力状態量は出力位差量又は出力流動量として表される。すなわち、入出力エネルギは入力位差量と出力流動量の対、又は入力流動量と出力位差量の対としたいずれかで表される。
位差量と流動量の具体的な例を、表１に示す。
【００１５】
【００１６】
なお、この例において、位差量である電圧を入れることにより流動量として電流が返されると考えてもよい。この場合には、第１図の矢印が逆になり、電圧が入力位差量となり、電流が出力流動量となる。
前記実体のブラックボックスの内部は、第２図に示すように、実体の固有特性を表す閉ループ系（固有値系）と、入力エネルギを閉ループ系に供給する環境特性を表す開ループ系で構成される。閉ループ系では、第３図に示すように、出力状態量がフィードバックされて入力状態量に加えられ状態量の永久ループを形成し、このループに包含されている内部要素が固有値を確定する。開ループ系では、第４図に示すように、入力状態量が出力状態量に加えられ、状態量の流れを形成し、実体に加えられる入力エネルギとなる外部状態量および固有値の入力エネルギとなる内部状態量の間の流れを確定する。したがって、実体に加えられるエネルギ群は、位差入カエネルギ群と流動入力エネルギ群を環境系に加え、この環境系を経由して固有値系に位差，流動エネルギ群が加わる。
【００１７】
このようにして製品を構成する全ての部分機能をシステム要素としてエネルギモデル化し、各システム要素をある接続関係で組み合わせれば製品がモデル化される。
これから説明する仮想原型はこのような知見に基づき、それを更に発展させたものである。
【００１８】
〈仮想原型の概念〉
仮想原型(virtual prototype)の概念構成を第５図に示す。
仮想原型によるモデルでは、モデルの内容が「機能モデル」(functiona model)と「機構モデル」(mechanism model)に層別される。
機能モデルは、上述の「位差量」(potential)と「流動量」(flow)という、二つの一般化された「状態量」によって記述される。「機能モデル」はモデル化対象となる実体の動特性を表し、サブシステム(subsystem)を統合して全体システム(integrated system)を形成する役割を担う。第５図の例では、全体システムはサブシステム（ａ）とサブシステム（ｂ）とからなる。
【００１９】
「機構モデル」は機能モデルのパラメータ(parameters)に代入される物理特性値(physical characteristic)を与え、実体のメカニズムに依存したモデルとなる。
この階層構造化されたモデル構成によって、一般に複雑化する機構モデルの扱いに苦慮することなく、統一された方法でサブシステムのモデルを統合して全体機能をモデル化する事ができる。
【００２０】
機能モデルはシステム方程式によって表され、サンプリングクロック毎に機構モデルによるパラメータの更新と離散化を行う。従ってメカニズムによる特性の非線形性は、機能モデルにおいてサンプリングタイム毎に線形化される。
〈パワートレインの基本モデル〉
パワートレインには、クラッチやブレーキなどの、モデル間のつながりを断続させて、モデル構造を不連続に切り替える要素が含まれる。この構造変化を「構造非線形」と呼ぶ。
【００２１】
まず構造非線形を含まないモデルを考え、機能モデルと機構モデルから成る構成の実例と、サブシステムから全体への統合そして解法について述べる。
パワートレインの全体モデルは、第６図に示すように、４つの機能モデル（「エンジン」(engine & accessary)と「トルクコンバータ」(torque converter)と「変速機」(gear box)と「駆動力」(driving force)の４つの機能モデル）から構成される。これらの各機能モデルは、パラメータを介してエンジン、トルクコンバーターなどの機構モデルと結ばれる。なお、変速機は減速比だけに単純化している。
【００２２】
各機能モデル間は、流動量であるトルク・力と、位差量である回転・速度で結ばれる。
〈エンジンおよび補機の駆動抵抗のモデル〉
エンジン機能モデルは、第７図に示すように、慣性モーメントＪengと粘性抵抗係数Ｃengから成る一次遅れ系として表される。
【００２３】
また、エンジンの機構モデルは、同じく、第７図に示すように、エンジンのトルク特性と補機の駆動抵抗を粘性抵抗係数及び抵抗の摩擦成分であるオフセット値ＴC.engとして機能モデルに与える。エンジン機構モデルは電子制御モデルを含み、制御入力およびドライバーの操作入力に対する過度応答を考慮しているが、失火等の不安定現象は考慮していない。
【００２４】
エンジンの機構モデルのシステム方程式を、
【００２５】
【数１】
で表すとする。但し、「’」は時間微分を表す。
ここで、Ｘengは状態ベクトルで、状態変数はｘengの一つだけであるから、
【００２７】
【数２】
であり、状態量を抽出するための観測ベクトルＯeng、外部入力ベクトルＩengは、エンジンの補器の機能モデルが第８図に示すブロック線図によって表現される場合には、夫々、
【００２９】
【数３】
によって表される。ここで、Ｔengはエンジンのトルク、ωengはエンジンの回転速度、Ｔaccyは補器への出力トルクであるとした。従って、モデルのパラメータから構成される部分行列は、
【００３１】
【数４】
【数５】
【数６】
尚、第８図を含めて、本実施形態のシステムブロック線図において用いられる図形記号を第９図に示す。
〈トルクコンバーターのモデル〉
トルクコンバーターはポンプ部とタービング部に分け、前者はエンジンと、後者は車軸と剛体結合されているものと考える。また、トルクコンバーター内部の流体の過度的挙動は無視する。
【００３５】
トルクコンバーターの駆動トルクはポンプとタービンの速度比ｅを変数とする容量係数Ｃcpを用いて下式で表される。
【００３６】
【数７】
機構モデルは、速度比ｅから、第１０図のグラフに示された駆動トルク曲線の接線を求め、この接線の傾きＣtcと切片ＴO.tcとを機能モデルに与える。また、同時にトルク比を特性データから読みとり、機能モデルに与える。
トルクコンバーターの機能モデルのブロック線図を第１０図に示す。
〈車両駆動力モデル〉
車両駆動力モデルは第１１図に示すように、車両質量、走行抵抗、タイヤ半径、最終減速比とアクスルシャフト慣性モーメントから構成される。走行抵抗の要因であるタイヤ転がり抵抗、空気抵抗、登坂抵抗は、機構モデルから粘性抵抗係数およびオフセット荷重に変化して機能モデルに与える。
【００３８】
第６図に於いて、Ｒfは変速機の最終段のギヤ比、Ｊaxはシャフトの慣性質量、Ｒtyはタイヤの半径、Ｍvは車輌の質量、Ｃvは速度に依存する粘性抵抗計数、ＦO.vは車体に働くオフセット力である。をいう。
〈機能モデルの統合〉
上述のエンジン、トルクコンバータ、駆動力の各ユニットの統合体であるパワートレーンをこれらの状態方程式の統合によって表現することができる。
【００３９】
第１２図乃至第１４図は、状態方程式の統合化を説明する。この統合化の詳細は、本出願人による、特願平７−２５０９７４号に詳細に説明されている。
即ち、第１２図に示すように、統合化対象のユニットモデルが３つ存在するとする。そして、第１３図に示すように、各ユニットのパラメータ行列をシステム方程式上に対角に配置し、行・列を操作して入出力ベクトルを状態変数と入力および観測状態量に整理する。
【００４０】
次に、第１５図に示すように、２つのユニット間の接続状態量（観測状態量）を入力状態量に代入して、入力ベクトルから接続状態量である入力状態量を消去する。このような操作により、最終的に、第１４図の形状の方程式で統合システムが表現され、その入力ベクトルＩは定数項のみとなり、従って、時間に依存しなくなる。これにより全体モデルが完成する。
【００４１】
入力ベクトルＩが定数項のみとなるのは、各ユニットモデルの部分行列Ａ，Ｂ，Ｃにオフセット量などを組み込むからである。
〈解法〉
統合したモデルをシミュレーションするためには、統合したシステム方程式を解く必要がある。
【００４２】
本実施形態では、ゼロ次ホールドを用いて、統合した状態方程式を離散時間系で計算する。連続時間系ではこの状態方程式は非線形であるが、単位時間の短い離散時間系では、入力Ｉはステップ入力、即ち、短いΔｔ時間の間には、入力は定数値を示すステップ入力となりゼロ次である。連続時間系から離散時間系への変換処理は、部分行列［ＡＢ］に対して行い、変換後の行列を［ＰＱ］とすると、第１７図及び第１８図に示すように、
【００４３】
【数８】
【数９】
ここで、Ｅは単位行列、ｔsはサンプリングタイムである。離散系のシステム方程式は、下式で表される。
【００４６】
【数１０】
〈構造非線形なパワートレイン機能モデル〉
クラッチは、系を分離したり合成したりする構造非線形を司る典型的な機構要素である。本実施形態がシミュレーション対象とするパワートレーンはこの非線形要素を含む実例としてラビニョウ型遊星歯車列を有する自動変速機モデルである。
【００４８】
以下に、この構造非線形なクラッチ要素を扱う時のクラッチ要素のモデル化を説明する。
〈クラッチ要素のモデル化〉
クラッチモデルとは、接続する２つの系の双方の回転差を入力し、応答としてトルクを出力する機械インピーダンスを基礎としてモデル化したものである。
【００４９】
機械インピーダンスについては、剛性によって系をつなぐものと、粘性係数のみから成る二つのモデルが考えられる。後者は、粘性軸継手として喩えられ、係合時にわずかな滑りが生じるが扱いが容易であるため、自動変速機モデルである本実施形態システムでは、この後者の粘性係数のみからなるモデルを採用する。クラッチは、伝達すべきトルクが伝達可能なトルク値（以後、トルク容量ＴCcと呼ぶ）を越えるとスリップ状態となり、トルク容量ＴCcに等しいトルクが出力されるという性質を有する。
【００５０】
クラッチの機能モデルを第１９図に示す。このトルク容量ＴCcはクラッチ機構モデルによって機能モデルに与えられる。第１９図に示すように、機能モデルは、係合状態のトルク値を算出する。即ち、入力と出力の回転数差（＝ωC,in−ωC,out）は係数ＣCcによってトルク値Ｔinに変換され、このトルク値は容量ＴCcと比較される。Ｔin≧ＴCcならばＴCcを出力し、Ｔin＜ＴCcならばＴを出力する。即ち、ＴinとＴCcのうち絶対値の小さい方を採用する。
【００５１】
この絶対値の小さい方を採用するという論理演算を、第１９図では「スイッチswitch」として表している。論理演算結果を反映するために、式では係合時に“１”、スリップ時に０となるスイッチ係数ＳEと、その逆の値をとるスイッチ係数ＳSとを設定した。前者（ＳE）を機械インピーダンス部分のパラメータに、後者（ＳS）をトルク容量ＴCcに乗じ、両者の和を出力する。
【００５２】
クラッチのシステム方程式の各要素は以下の通りである。
【００５３】
【数１１】
【数１２】
但し、係合時には、
ＳE＝１
ＳS＝１
スリップ時には、
ＳE＝０
ＳS＝０
である。尚、ブレーキは、片方の系が停止しているクラッチとして扱う。
【００５６】
即ち、第２０図に、粘性カップリングとしての、クラッチ（ブレーキ）の機能モデルのブロック線図を示す。図中、Ｃ-clutchは第１９図のＣCcと等価である。２つのスイッチＳ-engageとＳ-slipは、
|Ｔin|≦|ＴC| → Ｓ-engage＝１、Ｓ-slip＝０
|Ｔin|＞|ＴC| → Ｓ-engage＝０、Ｓ-slip＝１
である。
【００５７】
〈自動変速機構の機能モデル〉
自動変速機には複数のクラッチ、ブレーキが含まれるが、仮想原型では、複数のクラッチおよびブレーキモデルを、実体の動力の流れと同一に配置する事でモデル化ができる。
第２１図に本実施形態がモデル化対象とする自動変速機の構成を示す。図中、１はトルクコンバータ、２はタービンシャフト、３はフォワード（ＦＷＤ）クラッチ、４はコースタクラッチ、５は３−４クラッチ、６はリバースクラッチ、７はＬ＆Ｒブレーキ、８は２−４ブレーキ。９は遊星歯車機構（Planetary gear train)である。第２１図の自動変速機における動力の伝達を図示すると、第２３図のようになる。
【００５８】
図中、▲１▼の流れはタービンシャフト→ＦＷＤクラッチ→フロントサンギアという動力の流れを示し、▲２▼はタービンシャフト→３−４クラッチ→リアキャリア（Ｌ＆Ｒクラッチと共に）という流れを示し、▲３▼はタービンシャフト→３リバースクラッチ→リアサンギヤ（２／４バンドブレーキと共に）という流れを示し、▲４▼はフロントキャリア→最終段ギヤという流れを示す。
【００５９】
第２３図の構成要素のつながりをそのままモデル化すると、第２４図のようになる。第２４図に於いて、四角のシンボルは伝達函数（機械インピーダンスまたはモビリティ）を、破線の矢印は位差量（各速度）の流れを、実線の矢印は流動量（トルク）の流れを示している。ここで、パワー＝トルク×各速度であることを前提としている。
【００６０】
タービンシャフトのモデル化は第２５図に従って行う。即ち、タービンシャフトは、慣性（J-trb)と粘性抵抗(D-trb)とからなる一次遅れ系の質点系モデルとして取り扱う。このモデルのブロック図を第２６図に示す。尚、第２６図に於いて、トルクT-tcはトルクコンバータからのトルク入力である。このブロック図に従ったタービンシャフトの状態方程式は、｜
【００６１】
【数１３】
第２７図に上記状態式に従ったこのタービンシャフトの応答図を示す。第２７図は同モデルが一次応答遅れの特性を有していることを示している。
次に、ＦＷＤクラッチ、３−４クラッチ、リバースクラッチ、Ｌ＆Ｒクラッチ、２−４バンドブレーキのモデル化を考える。一般的なクラッチは第１９図により説明した。ここでは、自動変速機に固有な各種クラッチ及びブレーキのモデル化を考える。
【００６３】
まず、変速には直接関与しないコースティングクラッチは本モデル化の対象から省略できる。
そこで、クラッチの機能モデルを第２８図に示す。同図において、μは摩擦係数、REはクラッチの有効径、ＴCはトルク容量、ＦCは押しつけ力である。従って、
ＴC＝μ・RE・FC
である。第２８図のモデルに対して、第２０図のブロック図を与える。
【００６４】
ところで、ワンウェイクラッチでは、係合状態と非係合状態とが回転方向に応じて切り替わる。この動作は、トルク容量TCcが、回転方向に応じて、ゼロまたは確実に係合される大きな値をとる事と解釈できる。即ち、
TC ＝０：回転方向＝正回転のとき、
TC ＝Ｔ0（但し、Ｔ0≫１：回転方向＝逆回転のとき、
である。従って、摩擦クラッチとワンウェイクラッチの配置・動作を考慮したトルク容量を与え、一つのモデルで表した場合には、その特性は第２９図のようになる。
【００６５】
ところで、この変速機ではＦＷＤクラッチとワンウェイクラッチ(OWC)とが直列に配置された構成を有しているが、この直列配置では、ＦＷＤクラッチとワンウェイクラッチのどちらかが非係合ならばスリップ状態となる。すなわち、トルク容量の絶対値が小さい方が採用される。即ち、ＦＷＤクラッチとワンウェイクラッチ(OWC)は１つのクラッチモデルに置き換えることができ、それはトルク容量の絶対値が小さい方を採用するクラッチモデルである。
【００６６】
一方Ｌ＆Ｒブレーキは並列配置のため片方だけで係合させる事ができるから、トルク容量の絶対値が大きい方が採用される。
機構モデルは自動変速機の制御系の動作に応じた各クラッチ・ブレーキ油圧からトルク容量を求め、機能モデルへ与える。
この部分は、既存のシミュレーションプログラムを流用した。また、係合状態で機能するＣCc.F等の粘性係数は、係合時の滑りと係合瞬間のスパイク状のトルク発生を考慮して値を設定した。
【００６７】
〈遊星歯車列の機能モデル〉
本パワートレーンの自動変速機も遊星歯車機構を有するものとして設計される。ここでは遊星歯車列としてラビニョー(ravigneaux)型遊星歯車列の機能モデルを提案する。
第３０図，第３１図にラビニョー型遊星歯車列を回転動作（ω）の観点から見た場合と、トルク伝達（Ｔ）の観点から見た場合を示す。
【００６８】
この遊星歯車列はロングピニオンの運動に注目してモデル化する。このモデル化は、遊星歯車列の入出力軸の回転を、
▲１▼：出力軸であるリングギヤの回転と
▲２▼：ピニオンギアの自転
とで表す。各軸の回転、即ち、小サンギアの回転速度ωSSと、キャリアの回転速度ωCと、Ｅサンギアの回転速度ωLSとは、第３０図を参照しながら、
【００６９】
【数１４】
【００７０】
【数１５】
次に第３１図を参照しながらトルクのバランスを考える。各入力軸からの遊星ギヤ系へのトルクをＴSS，ＴC，ＴLS、出力トルクをＴRとし、簡単のため各軸の慣性力および抵抗を無視すると、系全体の釣合から、
【００７１】
【数１６】
【００７２】
【数１７】
以上のようにして、このラビニョー(ravigneaux)型遊星歯車列のブロック線図を第３２図に示す。
第３２図のブロック図の特徴は、同図において、ＴLPとωLPとが入出力される部分はロングピニオンの自転運動を表現し、それ以外の部分が公転成分の動力伝達釣り合いを表現しているということである。換言すれば、自転運動がギア比を介して公転運動に「干渉」しているということである。即ち、自転運動と公転運動とが並列的に表現されている。もし自転運動と公転運動とが直列的に表現されると、条件や状態が異なる毎にモデル化をやり直さなければならないが、並列表現にすることによって、条件や状態が異なってもパラメータの変更だけで遊星歯車列を表現できるという利点を発揮できる。
【００７３】
この遊星歯車機構を並列表現すると言うことの利点は、ラビニョー型以外の歯車機構への適用によってはっきりする。
遊星歯車列がＣＲ−ＣＲ型遊星歯車列である場合の機能モデルを考察する。
第３３図に、ＣＲ−ＣＲ型遊星歯車列の構造を示す。この歯車列は、サンギアとリングギアの間で、サンギアの周りに公転するようにピニオンギアが設けられている。このＣＲ−ＣＲ型遊星歯車列では、リアのリングギアとフロントのピニオンギアとがプラネタリキャリアによって結合され、フロントのピニオンギアとリアのピニオンギアとがプラネタリキャリアによって結合されている。第３４図はサンギアの周りにピニオンギアが公転し、そのときに、ピニオンギアの公転と一緒にキャリアがサンギアの軸の周りに回転することを示している。リングギアはピニオンギアと歯合する。
【００７４】
この遊星歯車列はロングピニオンの運動に注目してモデル化する。このモデル化は、遊星歯車列の入出力軸の回転を第３４図の▲１▼と▲２▼の回転で表し、即ち、
▲１▼：出力軸であるリングギヤの回転（即ち、系全体の回転）と
▲２▼：ピニオンギアの自転
とで表す。この場合、出力軸（フロントキャリア）を固定されているとして考える。第３４図を参照して、Ｊ-fpをフロントピニオンの慣性、D-fpをフロントピニオンの粘性計数、ω-fpをフロントピニオンの角速度とすると、第３４図に示された歯車列は第３５図としてブロック図化される。従って、遊星歯車列全体では第３６図のようにブロック図化される。
【００７５】
第３６図のブロック図によれば、ＣＲ−ＣＲ型の歯車機構でも、フロントピニオンギアの自転による寄与部分と、系全体の公転による寄与部分とが並列的に分離されていることがわかる。
〈全体モデルへの統合〉
減速比だけの結合に簡略化していた変速機モデルを、変速機構（第２４図）と遊星歯車列（第３０図，第３１図）との機能統合モデルに置換し、全体モデルを構築する。この統合には、第１２図乃至第１５図に関連して説明した手法を適用する。
【００７６】
第３７図乃至第４２図に、実施形態のシュミレーション装置に適用されたシュミレーション対象のパワートレーン全体のブロック図を示す。これらの図面の内、第３７図から第４１図までを直列的につなぎ合わせ、第４２図の遊星歯車機構のブロック図を、第３９図のギア部分に置き換えて組み込むことにより、全体のブロック図が完成する。
【００７７】
〈シミュレーション結果〉
こうして統合された全体モデルの行列表現を、離散系の時間軸に沿ってシュミレーションする。先ず、パラメータが非線形であるようなシミュレーション事例を行う。
即ち、アイドリング中の車両において、エンジン補機の負荷をある時点で入力したことに対するエンジン回転変動をシミュレートした結果を、第４３図に示す。同図のシュミレーション結果（実線）と実機によるテスト結果（破線）とを比較すれば、本シュミレーション装置によるモデル化によっても、エンジン回転およびエンジン制御系の挙動共に十分な精度が得られていることを示している。なお、シミュレーション結果では、回転の復帰が早い事、実機で見られる回転の上昇後の振動が無い事が異なるが、これは燃焼の不安定さやエンジンマウントなどの振動系を考慮していないためと考える。
【００７８】
次ぎに、構造的非線形を含むシミュレーション事例を第４４図に示す。
第４４図は、第４３図のシュミレーションと同じモデルを用いて、走行中において、スロットル操作に対する自動変速機の変速をおこなうことをシミュレートした結果を示す。実測値は同じ状況を台上で再現して計測したデータである。シミュレーションは実機とはよく一致している。
【００７９】
このように、仮想原型の概念を応用して、個別にモデル化したエンジン・自動変速機・車両駆動負荷および制御系を統合し、パワートレイン全体のモデルを開発したが、検証の結果、十分な精度が得られたことを確認し、仮想原型によるモデル化の有効性を立証する事ができた。
〈システム構成〉
第４５図は実施形態にかかるシミュレーション装置のハードウェアの構成を示す。このハードウェアは、ＣＰＵ１、表示装置（ディスプレイ）２、キーボード３、マウス４、メインメモリ５、ファイルディスク６、処理ソフトウェアのファイルディスク７からなっている。
【００８０】
第４６図は、第４５図のシミュレーション装置におけるデータ及びファイルの流れを説明する。同図のシミュレーション装置が
同図において、機能モデルファイルは、各ユニット毎に前もって生成した機能モデルを出たとして記憶する。この機能モデルファイルの生成は本出願人の前記特願平７−２５０９７４号に詳述されている。また、第４５図に於いて、データモデルファイルは、前述の「機構モデル」に対応するデータを記憶するファイルで、例えば、第１０図に示すように、物理的特性データを函数またはテーブルとして記憶する。
【００８１】
本システムは、まず、個々のユニットについて、機能モデル（運動方程式を含む）とデータモデルファイルとを結合して個々のユニット毎に登録する。その上で、これらのファイルを前述の方法で統合する（ステップＳ１及びステップＳ２）。この統合には前述したように、接続状態量の消去を行い、統合化された状態方程式を生成する（ステップＳ３）。
【００８２】
シミュレーションはこの統合化された状態方程式に従ってなされる。シミュレーションにおいては、この状態方程式にアペンドされたデータモデルファイルから、静的特性を読み出し、パラメータに変換して供給する（ステップＳ５）。その後、状態方程式を離散的な時間軸に沿って離散化する（ステップＳ６）。シミュレーションはこの離散的な時間に沿って次々にパラメータの供給と離散化を繰り返しながら行ってゆく。
【００８３】
第４７図は本手法により完成されるシュミレーションシステムの全体を示すもので、自動車の個々のユニットから一体化された装置へのシュミレーションを効率よく行うことができることが示されている。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数種類のユニットの評価をモデルの変更無しに簡単に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本件の発明者が特願平７−２５０９７４号で提案し、本実施形態のシミュレーション装置が採用しているユニットを位差量と流動量とで表現する手法を説明する図。
【図２】 本件の発明者が特願平７−２５０９７４号で提案し、本実施形態のシミュレーション装置が採用しているユニットを位差量と流動量とで表現する手法を説明する図。
【図３】 ユニットを閉ループ系で表現する手法を説明する図。
【図４】 ユニットを開ループ系で表現する手法を説明する図。
【図５】 本実施形態に採用されている仮想原型の概念を説明する図。
【図６】 図５の仮想原型の概念を適用したパワートレーンの構成を説明する図。
【図７】 仮想原型を適用したエンジンのモデルを示す図。
【図８】 図７のエンジンの機能モデルを示す図。
【図９】 本実施形態において採用されている記号を説明する図。
【図１０】 仮想概念を適用したトルクコンバータのモデル図。
【図１１】 図１０のトルクコンバータの機能モデルを説明する図。
【図１２】 複数のユニットの状態方程式の統合を説明する図。
【図１３】 複数のユニットの状態方程式の統合を説明する図。
【図１４】 複数のユニットの状態方程式の統合を説明する図。
【図１５】 統合する際の接続状態量の消去を説明する図。
【図１６】 統合されたユニットの状態方程式を連続時間系で示す図。
【図１７】 統合されたユニットの状態方程式を離散時間系に変換する原理を説明する図。
【図１８】 統合されたユニットの状態方程式を離散時間系に変換する原理を説明する図。
【図１９】 仮想概念を適用したクラッチのモデル図。
【図２０】 仮想概念を適用したクラッチ／ブレーキのモデル図。
【図２１】 シミュレーションの対象となる自動変速機の構成を説明する図。
【図２２】 図２１の自動変速機における構成及びトルク伝達を説明する図。
【図２３】 図２１の自動変速機における構成及びトルク伝達を説明する図。
【図２４】 図２１の自動変速機における構成及びトルク伝達を説明する図。
【図２５】 図２１の自動変速機のタービンシャフトのモデル概念を示す図。
【図２６】 図２５のタービンシャフトの機能モデル図。
【図２７】 図２６の機能を有するタービンシャフトの応答特性を説明する図。
【図２８】 仮想概念を適用したクラッチの機能モデルを説明する図。
【図２９】 図２８のクラッチモデルの特性を説明する図。
【図３０】 実施形態に適用されているラビノー型プラネタリギヤ装置におけるギヤの回転を説明する図。
【図３１】 実施形態に適用されているプラネタリギヤ装置におけるトルク伝達を説明する図。
【図３２】 同プラネタリギヤ装置の機能モデルを説明する図。
【図３３】 ＣＲ−ＣＲ型プラネタリギヤ装置の構成を説明する図。
【図３４】 図３３のギア装置におけるトルクの流れを説明する図。
【図３５】 図３３のギア装置のピニオンギアの機能モデルを説明する図。
【図３６】 図３３のギア装置全体の機能モデルを説明する図。
【図３７】 図６のパワートレーンシステム全体の機能モデルを示す図３７乃至図４２のうち、エンジン補器部分のみの機能モデルを示す図。
【図３８】 図６のパワートレーンシステム全体の機能モデルを示す図３７乃至図４２のうち、トルクコンバータのみの機能モデルを示す図。
【図３９】 図６のパワートレーンシステム全体の機能モデルを示す図３７乃至図４２のうち、ギヤ及びデフのみの機能モデルを示す図。
【図４０】 図６のパワートレーンシステム全体の機能モデルを示す図３７乃至図４２のうち、アクスルのみの機能モデルを示す図。
【図４１】 図６のパワートレーンシステム全体の機能モデルを示す図３７乃至図４２のうち、走行負荷のみの機能モデルを示す図。
【図４２】 図６のパワートレーンシステム全体の機能モデルを示す図３７乃至図４２のうち、プラネタリギヤユニットのみの機能モデルを示す図。
【図４３】 図６のパワートレーンのシミュレーション結果を示す図。
【図４４】 図６のパワートレーンのシミュレーション結果を示す図。
【図４５】 本シミュレーション装置のハード構成を説明する図。
【図４６】 本シミュレーション装置における処理を順に説明したフローチャート。
【図４７】 本シミュレーション装置の処理における各段階での結果を説明する図。
Claims (9)
- 非線形動作を行なう非線形ユニットを含む複数のユニットから構成された対象装置の動的性能をシミュレーションするシミュレーション装置であって、
前記非線形ユニットの非線形特性データを、函数又はテーブルとして予め記憶するデータ格納手段と、
前記複数のユニットのそれぞれを、該ユニットの動的性能を表わす第１パラメータを含む機能モデルに変換し、
エネルギーの授受のある機能モデル同士を接続し、
接続された機能モデル同士の間でのエネルギーの授受を、エネルギーのポテンシャル成分を表わす位差量、及びフロー成分を表わす流動量、という一対の状態量の入出力として表現する、
機能モデル化手段と、
前記非線形ユニットに対応して予め用意された機構モデルを用いることにより、前記データ格納手段から読出した前記非線形特性データに基づいて所定サンプリングタイムごとに第２パラメータを生成し、生成した該第２パラメータを前記機能モデルの前記第１パラメータとして設定して、前記対象装置の動的性能をシミュレーションするシミュレーション制御手段と、
を備えたことを特徴とするシミュレーション装置。 - 前記機能モデルの第１パラメータは、慣性質量、剛性、粘性係数の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載のシミュレーション装置。
- 前記機能モデル化手段は、前記第１パラメータを行列式で表わすことを特徴とする請求項１に記載のシミュレーション装置。
- 前記機能モデル化手段は、各機能モデルを状態方程式により表現し、
前記シミュレーション制御手段は、接続された機能モデル同士の状態方程式を統合して、統合化された状態方程式を生成することによりシミュレーションを行なうことを特徴とする請求項１に記載のシミュレーション装置。 - 前記第２パラメータは、前記非線形ユニットの状態量と微小状態遷移時の状態変化量とを含むことを特徴とする請求項１に記載のシミュレーション装置。
- 前記機構モデルは、前記非線形ユニットの種類に応じて複数用意されることを特徴とする請求項１に記載のシミュレーション装置。
- 前記非線形特性データは、前記ユニットの応答特性を示す特性カーブで表わされ、前記生成手段は、前記第２パラメータとして、該特性カーブの接線の傾き及び切片を抽出することを特徴とする請求項１に記載のシミュレーション装置。
- 非線形動作を行なう非線形ユニットを含む複数のユニットから構成された対象装置の動的性能をシミュレーションするシミュレーション方法であって、
前記複数のユニットのそれぞれを、該ユニットの動的性能を表わす第１パラメータを含む機能モデルに変換し、
エネルギーの授受のある機能モデル同士を接続し、
接続された機能モデル同士の間でのエネルギーの授受を、エネルギーのポテンシャル成分を表わす位差量、及びフロー成分を表わす流動量、という一対の状態量の入出力として表現する、
機能モデル化ステップと、
前記非線形ユニットに対応して予め用意された機構モデルを用いることにより、データ格納手段から読出した非線形特性データに基づいて所定サンプリングタイムごとに第２パラメータを生成し、生成された前記第２パラメータを前記機能モデルの前記第１パラメータとして設定して、前記対象装置の動的性能をシミュレーションするシミュレーション制御ステップと、
を備えたことを特徴とするシミュレーション方法。 - コンピュータに読み込まれることにより、請求項８に記載のシミュレーション方法をコンピュータに実行させるプログラムを格納したことを特徴とするコンピュータ読取可能な記憶媒体。
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| JPH11282897A (ja) | 1999-10-15 |
| US6304835B1 (en) | 2001-10-16 |
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