基于AMESim與MatIab/SimuIink的某商用車AMT系統建模與仿真

鐘亮，徐世杰，周垚

（東風商用車有限公司 東風商用車技術中心，武漢 430056）

1 引言

AMT系統在保留機械變速箱與離合器的基礎上，加裝電控離合器和選換擋執行機構，替代駕駛員對離合器踏板和換擋操作桿的操作，但執行機構的設計，車輛起步、換擋控制等方面的關鍵技術復雜，控制難度大[1]。本文研究的AMT系統采用氣動式執行機構，動力源直接利用商用車上的氣源裝置，元件簡單，無污染。不足在于氣體的可壓縮特性使控制響應慢，精度不易保證。

2 AMT的結構及工作原理

2.1 AMT離合器執行機構工作原理

如圖1，氣動AMT合器執行器由四個電磁閥與單作用氣缸組成，通過四個兩位兩通電磁閥（兩個進氣離閥，兩個排氣閥）控制氣缸的進氣和排氣，實現氣缸內活塞的前進后退，活塞推桿與離合器的分離軸承連接，控制離合器分離接合。

2.2 AMT選換擋執行機構工作原理

選換擋執行機構分選檔和換擋兩部分，分別各由三個兩位三通閥聯合進行進排氣控制，通過閥的開閉組合，使氣缸活塞移至特定位置。選檔和換擋活塞十字耦合，耦合處連接撥叉在圖2所示的換擋槽內運動，實現選換擋操作。表1為不同檔位下的選換擋閥開閉組合，S1、S2、S3分別表示控制氣缸的三個電磁閥，○表示開啟，×表示關閉。

表1 選換擋閥控制表

3 AMT及整車建模

AMT車輛的傳動系統與傳統車一致，由發動機、離合器、扭轉減振器、變速箱和整車其他傳動系等部件組成，在此基礎上加裝離合器執行機構和選換擋執行機構，整體模型見圖3。

3.1 離合器執行機構建模

離合器執行機構由四個高頻兩位兩通電磁閥控制氣缸活塞的直線運動，實現離合器的分離與接合，建模如圖4。

為簡化模型，兩位兩通電磁閥選用節流閥模塊，閥口氣體流通面積A為：

A=A0·sig（0≤sig≤1）

式中：A0為最大截面積；sig為輸入信號。

電磁閥輸入信號前端增加遲滯模塊，可模擬電磁閥的死區特性。

電磁閥控制流通的質量流：

式中：Cq為流體系數；Cm為質量流參數；Pup和Tup分別為節流閥入口的氣壓和溫度。

如圖5，氣缸活塞力平衡方程為：

式中：F1為活塞桿端輸入力；F2為活塞輸出力；p為氣缸內氣壓；s為活塞面積；fspr為氣缸內彈簧初始壓力；x0為彈簧初始壓縮量； x為活塞位移；K為彈簧剛度；f 0為彈簧初始輸出力。

活塞桿與分離軸承之間由杠桿模塊連接，杠桿一端連接氣缸出端，另一端與離合器彈簧相連。

3.2 AMT選換擋執行機構建模

選換擋執行機構由選擋活塞和換擋活塞耦合對換擋撥叉操作，對選檔和換擋執行機構分別進行建模，見圖6、圖7。位置傳感器輸出活塞位置信號，通過判斷選換擋活塞的位置，輸出擋位信號。

3.3 整車及傳動系統建模

發動機模型使用其外特性MAP圖表示，輸入試驗數據，插值獲得其輸出扭矩。發動機扭矩Te表示為：Te= f（α，ne）

式中：α為油門開度；ne為發動機轉速。

離合器的建模分平動與轉動兩部分，根據臺架試驗數據輸入其傳扭特性。

離合器傳遞扭矩：

4 AMESim與SimuIink聯合仿真及結果分析

4.1 AMESim與SimuIink聯合仿真建立

聯合仿真的建立基于被控對象模型的準確性，因此，在與simulink進行聯合仿真前，需在AMESim環境內進行獨立的模型在環仿真，以驗證模型的可靠性。

總成部件的模型建立完成后，利用AMESim軟件的超級元件功能進行封裝，定義其接口及名稱，以便后續的組裝與更換。在整車動力總成匹配中，為對比A、 B兩款扭轉減振器，根據圖8、9所示兩款扭轉減振器臺架試驗的特性曲線分別建立圖10、11所示模型，封裝在圖3所示的扭轉減振器模塊中，該超級元件模塊含輸入輸出兩接口，遵循AMESim的“因果關系”，保證其外部變量（扭矩和轉速）方向一致。為子模型添加角度輸入信號，輸出端添加扭轉固定端口，仿真其扭轉特性，結果見圖12、13，與試驗數據一致，完成該子模型的校驗。

所有子模型封裝校驗完成后，拼接成圖3所示的整車模型。由于整車仿真必須由控制策略才能完整運行，所以整車層面的模型在環仿真難以完全實現AMT車輛的功能，只能初步檢測模型的正確性，完整仿真由基于AMESim的被控對象模型與基于Simulink的控制策略聯合仿真實現。

AMESim為聯合仿真提供了三種接口，應用于軟件在環的接口采用AME2SLCosim模塊。該模塊以simulink為主界面，便于調整控制參數，同時，分別調用兩個軟件的求解器運算，保證運算速度。仿真參數通過Simulink中接口模塊設置，文中為得到精確的氣動特性，設置被控對象仿真精度為10-5，根據控制策略設置通訊步長為1 ms。由于結果數據量大，在仿真前進行簡化處理，對不關注的參數，取消保存結果的勾選項，同時記錄步長定為0.1，這樣可有效縮短仿真時的數據寫入時間與查看結果的讀取時間。為提高仿真速度，還可以使用Performance Analyzer工具查看高頻運算的變量，通過修改對關注結果無影響的變量，降低運算頻率，可大幅提升運算速度。

AMT系統的信號輸入包括發動機油門踏板信號，發動機轉速控制信號，操作離合器和選換擋的電磁閥控制信號。反饋給控制系統的信號由AMESim中的傳感器模塊采集，由聯合仿真接口傳至simulink，包括離合器、選換擋執行氣缸的位置，發動機轉速、輸出扭矩，變速箱輸入軸、輸出軸轉速。由于軟件接口轉化的原因，信號在simulink中的排序會顛倒，因此信號名稱需表明清楚。同時，AMESim傳感器信號為標準單位，在輸入至控制策略前需轉化為真實傳感器統一的單位。

4.2 仿真結果分析與應用

對AMT車輛從一檔起步到升檔至六檔的加速過程進行仿真，共計70 s。圖14為車輛輸入油門、檔位信號與車速的仿真結果。

圖14～16為仿真與實車測試的發動機和變速箱輸入軸轉速，可以看出仿真曲線與車輛的真實運行情況基本一致，其中受道路（主要是坡度）參數影響，兩者存在一定偏差。對比結果驗證了模型的準確性，為研究AMT系統規律提供了支持。

選換擋操作由執行氣缸活塞的嵌套和閥開啟的組合實現，閥開啟時，活塞的位置由其截面積和氣缸限位決定，選換擋執行機構的氣缸根據這兩個參數進行設計。圖17～18反映出選換擋閥控制信號與氣缸活塞位移的關系，驗證了結構參數的合理性。值得一提的是，模型驗證時通常輸入常量信號，即使未考慮摩擦，其位移結果也與現實情況一致。但實際控制策略中，由于位移信號的反饋，氣缸活塞到達目標位置后，電磁閥即關閉，而活塞兩側氣腔容量不同導致排氣時間不同，存在先關閉閥對應氣腔內壓力大于后關閉閥對應的氣腔，使活塞在閥全部關閉后位置偏移，這就必須引入摩擦力來修正此影響。

圖19為離合器執行氣缸位移，位移增大方向為離合器分離方向，離合器執行機構的動作要求為：換擋前，進氣閥打開，離合器快速分離，執行選換擋動作，換擋完成后，排氣閥按一定占空比打開，使離合器按“快-慢-快”的方式接合，即完全分離的位置到開始傳扭點，離合器快速接合；開始傳扭時，緩慢接合，使變速箱輸入軸轉速與發動機逐漸同步；轉速同步時，排氣閥打開，使離合器完全接合。離合器執行機構的動作快慢與輸入氣壓，閥的節流口面積、響應時間，活塞直徑，氣腔容量以及活塞與氣缸的摩擦力有關，通過參數修正，仿真對比，對結構方案進行優化。

離合器執行機構的目標位移涉及對油門踏板、發動機轉速、變速箱輸入軸轉速等大量車輛信息的判斷，其控制模型的建模與參數標定有相當大的工作量。為縮短開發周期并降低臺架試驗成本，在實物驗證前，通過將控制策略與被控對象的聯合仿真，可快速完善控制模型，根據離合器位移曲線調整電磁閥的PID參數，完成離合器執行機構目標位置的優化工作。

5 結束語

根據AMT工作原理，分析其數學模型，利用AMESim搭建被控對象模型，并與MATLAB/Simulink進行聯合仿真。仿真結果與實車數據基本一致，驗證了模型的可靠性?；诖四Ｐ?，可以有效研究AMT車輛的換擋規律，為AMT執行機構開發提供依據，通過軟件在環仿真完成控制策略的開發與優化工作。

[1]王興野,李國強,彭志召,等. AMT關鍵技術的發展現狀與展望[J]. 四川兵工學報，2014(9):43-47.

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[3]付永領,齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim系統建模和仿真實例教程. 北京航空航天大學出版社，2011.

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