英语原文共 22 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于手动变速器的轻度混合动力汽车动力学建模与仿真
摘要：过整合传统的手动变速器配备的动力系统和以驱动变速器输出轴的电动机形式的辅助动力源来研究轻度混合动力系统的发展。 本文的主要目标是研究在换档过程中通过电动机实施扭矩孔加工来实现部分加速换档的性能。 为了实现这一目标，开发了常规和轻度混合动力系统的数学模型，并将其用于比较两个系统的系统动态性能。 该数学建模用于在系统开发过程中对换档控制算法设计运行不同的模拟，从而使我们能够评估可实现的性能及其对系统性能的依赖性。 还研究了电机功率对扭矩孔补偿程度的影响，同时牢记电机规格的实际限制。 本调查使用输出扭矩，车速以及振动剂量值来评估不同电机规格下的换档质量。 结果表明，使用50kW的电机功率可以消除扭矩孔。 但是换档期间的最小振动剂量值却是使用16-20千瓦的峰值功率实现的。
1.介绍
现代动力总成的基本功能是在提供高效率的和出色的乘坐质量的系统设计的同时，为路面轮胎界面提供扭矩。尤其是发动机和变速箱控制设计这两个可以满足这些要求的主要工具。 包括液压离合器控制在内的控制系统必须提供对发动机和变速箱速度和扭矩的理想控制，以在换档期间实现最佳结果。 换档瞬变是由于换档过程中速度，扭矩和惯性不连续造成的。 这些不连续性必须最小化，以减少动力总成的瞬态响应。 轻度混合动力电动动力总成代表了改善驾驶舒适性，改变质量和改善驾驶性能以及低制造成本的最大。 这种架构要求安装在变速器输出轴上的低功率电动机与控制电源相连。 这种配置允许增加动力系统的功能性，同时减少换档期间的扭矩孔，提高驾驶性能。
主电机控制器的主要输入信号是; 离合器位置，ICE负载（从速度和节气门角度计算）和选定的档位。 电机的功能是通过在离合器分离时提供牵引力来消除或减小换档期间的扭矩孔，并且还为扭矩振荡提供阻尼，特别是在换档和起步（反冲击）期间 。 在某些驾驶情况下，电动机也可以用作发电机
混合动力汽车行业的主要趋势旨在提高换档质量，增加动力传动系的混合动力或电动化。 通过应用精确的瞬态离合器控制技术，可以在不使用液力变矩器的情况下提高换档质量。 其中不使用流体动力动力联轴器的车辆越来越容易受到驾驶员感知为恶劣驾驶质量的传动系统振动的影响。 这些振荡可以被认为是噪声，振动和粗糙（NVH）的来源。 在这些情况下，NVH的阻尼来源于扭振吸收器和离合器，传动部件和差速器中的寄生损失。 由于从动力系统中消除了液力变矩器，减小了阻尼。 然而通过使用手动变速（MT）传动系，可以实现高效传动。 在混合动力电动车辆（HEV）动力系统中，可以控制电机（EM）输出扭矩以快速抑制动力系瞬态。 这种控制技术通常被称为“反冲击”。 车辆动力传动系控制的建模和分析对于近年来变速器的发展至关重要。 我们的研究涉及前轮驱动轻度混合动力电动汽车的详细动力传动系模型的开发。
本文研究了前轮驱动轻度混合动力传动系的动力学。 提出了具有多个自由度的系统的综合分析，并且所得到的运动方程组以索引形式书写，其可以容易地集成到车辆模型中。 将针对不同的动力系统状态开发动力总成的集总刚度 - 惯性扭转模型以研究瞬态振动。 主要的动力总成部件，如发动机，飞轮，变速箱和差速器集中为惯性元件，与扭转刚度和阻尼元件相互连接，以表示动力系统的多自由度模型。 用广义牛顿第二定律推导出模型。 对动力总成进行建模的目的是在使用电驱动装置时以确定可能的改进。 轻度混合动力系统与传统的手动变速箱传动系统相比较。 分析重点在于较低的档位。 其原因是在较低的档位中，传递到驱动轴的扭矩更大，轴的反应也越大。 这种较大的反应意味着在较低的传动比下轴扭转更高，产生更大的振荡。 最后，本文讨论了发动机和电机的综合动力传动控制在减少扭矩孔中的作用。 高质量的换档控制对于最大限度地减少动力总成的扭矩孔和振动至关重要。
1.1. 移位过程分析
换档过程分析对MT换档质量控制至关重要。 该过程涉及将变速器连接到动力源的单个离合器的分离和接合。 转变过程可以分为三个阶段。 第一阶段涉及离合器的分离，其特征在于扭矩传递迅速减小到零。 第二阶段是档位选择阶段，其特征在于完全分离的离合器，扭矩孔以及来自所选档位的同步的小的扭矩振荡。 最后阶段是惯性阶段，并且特征在于当重新接合期间离合器滑动时的显着的转矩振荡。 当达到恒定的速度比时，动力传动系的速度与车辆的速度成比例，并且离合器完全接合。 各种因素可能影响换挡过程，包括换挡前后传递扭矩的大小以及离合器分离和接合的速度，图一显示了半轴转矩的实际车辆数据的示例（在变速期间具有转矩。
2.较合适的轻度混合动力汽车动力系统及其建模
简单的引擎模型在建模和控制应用程序中很受欢迎。 这些模型包括经验模型，以及更详细的动态研究，这些研究使用活塞环的扭矩变化的近似值来进行基于发动机谐波的瞬态动力系统研究。 这些降低了模型的复杂性和计算需求，实现了快速模拟。 这里完善的模型的高明之处在于利用可以在三维查找表中找到的简单经验引擎元件。 该元素被插入到两个动力传动系模型中，这两个模型都在本节中介绍。 本节介绍了每种配置的数学模型，对于轻度HEV动力系统使用了八个自由度，而传统动力系统则使用七个自由度。 这些模型同样可以表现动力总成系统扭矩，包括发动机平均扭矩，分段式离合器模型，车辆阻力扭矩和电机扭矩模型。 进行自由振动分析来比较两种动力系统模型，并展示固有频率和振型的相似性。
2.1. 轻度混合动力动力总成配置
图2提出了一种基本的轻度混合动力传动系。 动力系是变速器后并联混合动力类型，其利用永久耦合到变速器输出轴的电机（EM）。 这种配置允许EM直接驱动车轮。 由于电机位于变速器的下游，因此它通过主减速器与车轮具有固定的速度比。 在我们的变速器模型中，齿轮1,2,3,4和5（G）连接到输入和输出轴并通过闭合的离合器（C）驱动。
- 扭矩 - 填充对半轴扭矩 - 扭矩 - 填充的影响
（b）在不同的挡位阶段，在填充的情况下，实际测得的实际测量的半轴[10]。
图2.带有电机的通用动力总成布局（仅显示一个齿轮/同步器对）。
同步器用S表示。在传统手动变速器中，必须在同步之前释放离合器，将同步器与发动机惯性隔离。 动力传动系统的特性需要在发动机和变速箱之间连接一个干式离合器，如图1。
图3.离合器总成[12]。
来自该耦合的阻尼必须在系统中识别。 这种阻尼与连接离合器片片段的，扭转安装的螺旋弹簧以及不同片段在它们彼此移动经过时的摩擦相关。 由预张紧（常闭）膜片弹簧组成的压力板将盘片夹紧在发动机输出端，摩擦片独立地与花键连接在变速器输入轴上。
之前进行了广泛的设计研究表明对于低成本HEV最合适的EM是额定连续机械功率输出为10 kW（30 kW峰值）的无刷直流电机（BLDC），。 因为我们的预期方案涉及扭矩 - 功率的高功率短脉冲，因此峰值机械功率与连续输出一样重要。 BLDC驱动器广泛用于EV和HEV应用。一台10千瓦的电机在换档期间能够满足大多数扭矩的要求。 对于提高动力总成效率的二次功能也很有效。 这些辅助功能可能包括在高需求或低发动机特效条件下的提供转矩或在制动期间恢复能量。
下面给出电机选择过程的详细说明。 这种车辆配置的明显局限在于，不可能将EM与车轮隔离开来，因此在电机空转时存在损失。 换档过程中的速度同步使用手动变速箱中常用的标准同步器完成，具有低成本和高可靠性。 人们认识到，基于所提出的温和HEV系统的性质，可以通过拆除同步器来节省材料，同时使用电子节气门控制来实现速度同步。 然而，这些节约假设是建立在可以达到高精度的速度的基础上的，同时需要降低精度来改善系统响应。 此外，由于目前的经济规模，这些方面的节约不会降低成本。综上所述，研究人员普遍不看好这些前景。
动力系统可在大范围的运行速度下提供扭矩并将其传送到道路上。 因此，必须考虑驱动扭矩，齿轮减速和车辆阻力扭矩，以精确模拟动力传动系。 动力系统是一种简单的后变速器并行混合配置。 它利用一个低功率的四缸发动机通过一个机械离合器连接到一个ve速手动变速箱。 在主减速器之前，电动机连接到变速器输出轴。
目前的文献包括与本文提出的一些类似的体系结构。 其中，Baraszu 最接近于此处提出的架构。 但是由于省略了电机离合器，我们提出的架构更简单。更重要的是，我们所研究的实现理想的驾驶性能的起初目标是低成本制造。 我们的项目限制源于将混合动力技术引入发展中国家的根本目标。 由于这些地区对成本的要求较高，以至于AT车辆，混合动力/低排放/零排放车辆的普及率较低。 与其他通常侧重于技术方面，而没有明确提及其社会背景的文献下相比， 本文的重点是关于完成我们基本目标所需的技术和设计决策; 而其他方面只是该项目未来研究的一部分。
作为对扭矩孔控制的研究的补充，本文使用振动剂量值（VDV）方法对换档质量和指标进行了简要的说明，该方法为乘员的舒适度提供了一个度量标准。我们希望通过这个项目来实现将混动技术带到发展中国家，而其中一个
目标是比较采用全自动ICE动力总成的车的舒适性与同一辆，搭载了我们手动变速器混合动力总成技术的车的舒适性。 我们的目标是通过有效的电机选型和扭矩孔和发动机离合器滑转的控制来实现这一点。施加的电机转矩量和施加的时间长度通过最小化VDV来优化。
图4.轻度混合动力汽车动力总成的集中参数模型。
为了全面研究系统响应，我们必须扩大研究范围即考虑动力系统的振动以及离合器和电机的控制。 动力总成模型分为发动机模型，电机模型，动力系统惯性模型和车辆阻力矩模型。 这些模型在本节中介绍。
2.2. 动力总成模型制定
将集总参数方法应用于高阶动力传动系模型，并利用动力传动系的轴刚度和旋转惯性特性，同时结合物理布局来将不同的动力传动系配置生成典型模型的数量减少。 动力总成模型使用扭转集中参数来捕捉系统的换挡特性。 惯性元件代表动力传动系统的主要组成部分，例如发动机，飞轮，离合器鼓，离合器片，同步器与最终驱动齿轮，轴，差速器，电动机，车轮和车辆惯性。 它们承受各种载荷，如滚动阻力和空气阻力。 扭转轴刚度由连接主要部件的弹簧元件表示，损耗表示为阻尼元件。图4 显示了安装在前轮车辆上的电机的模型布局。 可以应用假设来降低动力总成的复杂性。 首先是将变速器中空转齿轮的惯性，主齿轮和同步器惯性组合起来，从而消除了大量的传动部件。 然后假定齿轮中没有齿隙，也没有啮合同步器，从而消除了模型中的高刚度元件。 这个假设减少了计算需求。 最后，车轮和车轴的对称性可以将这些惯性集中在一起，并作为一个单一元素。 变速箱和差速器的附加损耗与接地减振元件建模。
然后通过图1中Rao定义的扭转多体系统的程序来建立集中参数模型。 运动方程可用于自由振动和强迫振动分析。 怠速齿轮作为额外的惯性集中在换档的齿轮上。因为在齿条中激发的频率通常显着高于3-100Hz的主动力总成固有频率，并且不太可能影响同步器啮合，所以齿轮中的齿隙被忽略，。 广义的运动方程是：
其中I是以kg-m2为单位的惯性矩阵，C是以Nm-s/rad为单位的阻尼矩阵，K是以Nm/rad为单位的刚度矩阵，T是转矩矢量单位为Nm，theta;为以rad为单位的旋转位移，theta;为以rad/s2为单位的角速度，theta;为角度以rad/s为单位的加速度。传动比减速对的传动比表示为gamma;，最后一对传动机构。 每个元素的运动方程是：
如果离合器接合，公式4和5是一致的，并且离合器构件的惯性相关的。公式11是由此产生的运动方程。 在接合离合器的情况下，系统的总自由度减少。 如果离合器分离，则系统具有8个自由度，而如果离合器接合，则只有7个自由度。
混合动力汽车的灵活性允许发动机/电机配置的多种选择。这种灵活的配置使研究不同配置对车辆性能和瞬态振动抑制的影响成为可能。 在提出的配置中，如下所示图4，电机将定位在变速器输出轴上，使用恒定的齿轮比进行功率转换。 混合动力汽车动力总成的动力总成配置取决于一系列设计考虑因素，最终决定组件的布局，互连和大小。 动力系统的模型参数（惯性，阻尼和刚度）在附录中列出，并且来源于已知数据或根据已发表的文献估算。 当研究一个温和的混合动力动力总成时，公式10已经出，并且引用的是公式8而不是公式7，公式7是在分析传统动力总成时使用。
2.3. 自由振动分析
阻尼自由振动分析用于确定车辆模型，阻尼比和固有频率。 该方法需要以状态空间形式表示模型。 外部施加的扭矩被分配为自由振动的零值。 然后以矩阵形式呈现方程式，如下所示：
系统矩阵取自公式12并用于执行阻尼自由振动分析。 特征值问题的应用可以用来确定固有频率和阻尼比。 系统矩阵是：
其中A是系统矩阵，I是单位矩阵。 表中列出了固有频率和阻尼比. 表1列出了固有频率和阻尼比。随着离合器打开，实际上有两种刚体模式，因为两个单独的动力传动系统半部实际上未联接。再加。 此外，每个开放固有频率与两个分开的机构相关联，此外，每个开放固有频率与两个分开的机构相关联，在较高频率时与具有高刚度和较小的惯性发动机和离合器盘相关，在较低频率时与变速器和车体相关。 然而，在离合器关闭的情况下，阻尼比基本相同，固有频率合理地接近，并且与由锁定鼓经历的有效惯性变化和经由减速齿轮对耦合的传动惯性相一致。 动力传动系统的阻尼自由振动采用状态空间方法完成。
<tr
全文共15411字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</tr
资料编号：[14997]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
|
表格1 |
||
|
ICE动力总成和轻度HEV在1档时的阻尼自由振动 |
||
|
频率数量 |
ICE模型 |
|
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
