機械傳動履帶車輛起步加速過程仿真

邸建國

（大連理工大學機械工程學院，遼寧 大連 116024）

加速性能是衡量履帶車輛作戰能力的重要指標[1]。通常該指標的好壞，需要在完成實車道路試驗之后才能評價。這樣，不但周期長，成本高，而且容易在設計階段遺漏較好的方案，得不到車輛最優性能。因此，在車輛設計階段，就有必要根據設計參數，采用計算機仿真方法，對其性能進行預測，這樣將大大提高設計效率，縮短設計時間，在性能方面也能得到最優結果[2]。

本文以某輕型機械傳動履帶車輛為研究對象，根據其動力傳動系統（如圖1所示）組成部件的工作原理或試驗數據，建立了模塊化仿真模型，并利用該模型對履帶車輛起步加速過程進行了仿真分析。

圖1 動力傳動系統簡圖

1 發動機模型

該履帶車輛發動機，采用全程調速柴油機，其工作過程復雜，動態過程難以用數學表達式來描述，因此采用試驗測試的方法，測得其穩態特性，再利用試驗測試結果將發動機簡化為具有延遲的一階慣量系統[3]。在穩態工況下，發動機輸出轉矩，是油門開度和轉速的函數，即一個油門開度值和一個轉速值，確定一個轉矩值，對于非測試點的轉矩值，可通過線性插值的方法得到。

2 傳動系統部件模型

如圖1所示，履帶車輛機械傳動系統主要由傳動箱、主離合器、變速箱、側減速器等部件構成。對于傳動箱和側減速器，本文只考慮傳動比和傳動效率，在傳動系模型中為一比例常數，可將其考慮到其他部件模型中，故在此不再單獨建立模型。

2.1 主離合器模型

主離合器主要在車輛起步和換擋過程中起作用，它依靠主動、從動片之間的摩擦力矩來傳遞動力，并通過分離與接合，來控制車輛動力傳動系統的工作狀態[4]。本文假設主離合器接合和分離是在瞬時完成的，且接合后滑摩過程中傳遞的摩擦力矩恒為主離合器最大摩擦力矩。主離合器滑摩過程的動力學方程可表示為：

式中，

Ie為主離合器主動部分轉動慣量；

Ic為主離合器被動部分轉動慣量；

ωe為主離合器主動部分角速度；

ωc為主離合器被動部分角速度；

Te為輸入到主離合器主動部分的轉矩；

Tc為換算到主離合器被動部分的阻力矩；

Tm為主離合器最大摩擦力矩。

當滑摩過程結束，即主離合器的主動和被動部分完全接合時，主離合器可被視為一傳動軸，其傳遞轉矩為發動機輸出轉矩。

2.2 變速箱模型

變速箱采用六檔定軸式變速箱，假設變速箱內部各構件為剛性元件，轉動慣量分別等效到輸入、輸出端，故它可簡化為由換檔機構控制的可變轉矩和轉速的變換器[5]。當變速箱置于某一檔時，其動力學方程可表示為

式中，

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Tg為變速箱輸出轉矩；

Tb為變速箱輸入轉矩；

igi為變速箱第i檔傳動比；

ηgi為變速箱第i檔傳動效率；

nb為變速箱輸入轉速；

ng為變速箱輸出轉速。

2.3 換擋控制模型

2.4 車輛—地面系統模型

發動機輸出轉矩，經過傳動系統傳遞到主動輪上，并通過履帶與地面的相互作用形成車輛驅動力與行駛阻力關系，其動力學方程可表示為

式中，

Ft為車輛驅動力；

Ff為行駛總阻力；

δ為旋轉質量增加系數；

m為車輛總質量；

v為行駛車速。

3 建模與仿真

根據以上分析，在MATLAB/Simulink仿真環境下，建立動力傳動系統各部件模塊化仿真模型，并依據車輛實際結構搭建整車仿真模型，如圖2所示。

圖2 動力傳動系統仿真模型

3.1 仿真條件

已知履帶車輛總質量、發動機不同油門開度下的性能特性、變速箱各檔傳動比及傳動效率、主動輪半徑、迎風面積等參數；設定發動機初始轉速為1000 r/min，油門開度為100%，車輛在水平路面上直駛時等效地面阻力系數為0.04，不考慮履帶滑轉。

3.2 仿真結果

用所建模型對車輛1檔起步加速過程進行仿真，圖3～圖6是仿真得到的發動機轉速、主離合器主動和被動部分轉速、車速及加速度隨時間變化曲線。由圖中曲線可知，車輛在起步時，由于負載作用，發動機轉速有所下降，由1000 r/min降到750 r/min；在0.3 s時，主離合器主動和被動部分轉速達到一致，即主離合器完全接合，此時發動機轉速開始迅速增大；在1.6 s時，行駛車速達到換檔車速，在延遲0.5 s后，變速箱檔位由1檔換為2檔，由于換檔時動力中斷，因此在換檔過程中車速有所下降，當換檔完成后，車速逐漸增大；在3.9 s和6.4 s時，變速箱擋位分別換為3檔和4檔，車輛加速度值隨著檔位的升高而不斷下降；車輛由1檔起步加速到32 km/h的時間為8.9 s，與實車測試結果比較接近。

圖3 發動機轉速變化曲線

圖4 主離合器主、被動部分轉速變化曲線

圖5 車速變化曲線

圖6 加速度變化曲線

4 結束語

起步加速過程，是履帶車輛的一個典型加速過程，本文根據履帶車輛動力傳動系統各部件工作原理或試驗數據，建立了某輕型機械傳動履帶車輛起步加速過程性能仿真模型，通過仿真計算，得到了發動機轉速、車速、加速度等參數的變化規律。仿真結果表明，該模型能夠準確、有效地模擬履帶車輛起步加速過程，在一定程度上可代替或減少復雜、昂貴的實車道路試驗。

[1]畢小平，韓 樹，馬志雄，等.履帶車輛加速性能和燃油消耗量的仿真模型[J].內燃機工程，2002，23(3)：1-4.

[2]駱清國，張永鋒.機械傳動車輛起步及連續加速過程性能仿真研究[J].車用發動機，2004，(2)：28-31.

[3]方志強，王紅巖，王良曦.基于MATLAB/Simulink的履帶車輛動力傳動系統模塊化建模與仿真[J].測試技術學報，2004，（18）：23-26.

[4]王玉海，宋 健，李興坤.離合器動態過程建模與仿真[J].公路交通科技，2004，21(10)：121-125.

[5]楊世文，鄭慕僑，閆清東，等.履帶車輛動力傳動系統仿真研究[J].車輛與動力技術，2003，(2)：1-5.