基于ADVISOR的后置發動機驅動模塊開發

馮國勝，錢 超，賈素梅，支亞輝，張小榮

(1.石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學 電氣與電子工程學院，河北 石家莊 050043)

0 引 言

ADVISOR作為一款基于MATLAB/Simulink開發汽車整車仿真軟件，后向仿真與前向仿真結合的特點為汽車整車仿真提供了一個計算量小并且較為精確的解決方案，并且其完全開放的特性為傳統汽車、混合動力汽車、電動汽車整車仿真、研究、開發、設計提供了極大的便利[1]。因為ADVISOR 2002中的仿真模型全部是前驅模型，而HB6732是后輪驅動客車，所以為了對客車進行混合動力開發并進行準確仿真，必須建立后輪驅動模塊，并嵌入ADVISOR現有模型中。為了確保后軸驅動模塊二次開發的準確性，利用HB6732客車的參數建立整車模型，進行整車性能仿真，將仿真結果與實驗結果進行比較，保證建模的有效性，以便對后期混合動力客車開發和優化。

1 整車模型建立

要對HB6732客車進行仿真首先就要根據其參數建立整車各個部件的模型。其包括整車行駛模塊、發動機模型、主減速器和變速器模塊、車輪模塊、附件模塊。對各個模塊進行建模是基于MATLAB通過編寫底層M文件來實現的[2]。整車行駛模塊中根據整車參數對以下參數進行定義：汽車描述變量、風阻系數、質心高度、前軸占整車質量的百分比、后軸占整車質量的百分比、迎風面積、車輛滑行質量、軸距、最大裝載質量；發動機模塊需要根據發動機參數以及其外特性曲線、萬有特性曲線，對EQ6102發動機的轉速范圍、轉矩范圍、發動機最大轉矩曲線、發動機燃油消耗率進行定義；變速器模塊主要是對變速器擋位數、變速器各擋位速比、變速器質量、主減速比、主減速器質量進行定義；車輪模塊主要是對車輪半徑、輪胎的轉動慣量、輪胎滾動阻力系數進行定義；附件參數定義是通過編寫附件功率實現的。表1為變速器和主減速器參數，表2整車參數。

表1 變速箱和主減速器參數

表2 整車參數

2 后軸驅動模型建立

對后軸驅動模塊的二次開發就是對ADVISOR的牽引力控制模塊進行后軸驅動再開發。其主要分為兩個模塊：汽車牽引力控制模塊主要限制牽引力不超過輪胎與地面的附著力，即車輪不打滑時，需求牽引力不能超過輪胎提供的最大牽引力；整車速度不能超過其最大牽引力所提供的最大車速。

第1部分模塊是計算整車的限制速度。輪胎能夠提供的最大牽引力受到路面附著條件的影響，整車的需求車速不應該超過汽車在路面發生極限附著情況下所能提供的車速，所以要分析和建立后驅汽車在車輪打滑時所提供的最大驅動車速或最小制動車速的理論模型。

假設在輪胎極限附著力條件下，汽車以ν0的速度在坡度為α的路面上行駛，當前步長t內時間所能產生的最大速度為νt，汽車的行駛動力學模型如圖1[3-4]。

圖1 汽車行駛動力學模型Fig.1 Dynamic model of vehicle driving

由整車受力可以得到平衡方程：

Ft-Ff-Fw-Fi=Fj=ma

(1)

在后軸驅動的極限附著力條件下：

Ft=W2φmax

(2)

(3)

Ff=mg(f1+νaverf2)cosα

(4)

Fi=mgsinα

(5)

當前步長內汽車的加速度為

(6)

當前步長內汽車的平均速度為

(7)

式中：Ft為驅動力；Fw為空氣阻力；Ff為滾動阻力；Fi為坡道阻力；Fj為加速阻力；W2為后軸重；a為汽車質心到前軸的距離；L為汽車軸距；φmax為路面最大附著系數；f1為前輪滾動阻力系數；f2為后輪滾動阻力系數；ρ為空氣密度；Cd為空氣阻力系數；A為迎風面積。

將式(2)～式(7)代入式(1)中，化簡后就可以得出汽車極限附著力條件下的最高速度νt1；同樣制動條件下，Ft為制動力，方向相反，就可以得到制動條件下的最小速度νt2。得到

(8)

(9)

得到νt1后就可以計算出時間步的平均速度，與需求平均速度作比較，得出較小的一個速度，通過νt2可以計算出制動條件下時間步內的平均速度，與之前得到的平均速度作比較，得到較大的一個即為需求的限制速度，即通過最大驅動車速和最小制動車速來限制汽車的驅動需求速度。圖2為MATLAB/Simulink環境下建立的需求車速計算模型。

圖2 后軸驅動極限附著力提供驅動力的需求車速計算Fig.2 Demand speed calculation of driving force provided by rear axle driven limit adhesion

第2部分模塊是計算汽車的限制驅動力，即需求牽引力不能超過輪胎提供的最大牽引力。將作用在汽車上的力對前輪與路面的接觸面中心點取力矩，得到后軸載荷：

(10)

代入式(2)中，得到后軸載荷后計算出路面最大附著條件下的驅動力，與需求驅動力作比較，保證需求驅動力不超過最大附著條件下的最大牽引力。圖3為在MATLAB/Simulink環境下建立的需求驅動力計算模型，圖4為嵌入驅動力控制模塊后的模型。

圖3 需求驅動力計算模型Fig. 3 Calculation model of demand driven force

圖4 嵌入驅動控制模塊后的模型Fig. 4 Model after embedding driven control module

3 整車仿真

將建立好的后軸驅動模型嵌入到ADVISOR驅動力控制模塊中，建立一個新的控制策略模塊：后輪驅動，并嵌入模塊庫中，從模塊庫中調取模塊，建立一個新的整車仿真頂層模型：BD_CONV_HB6732，將車型保存成CONV_HB6732_FINA_in，方便以后的使用以及優化[5-8]，HB6732后輪驅動頂層模塊如圖5。

圖5 HB6732后輪驅動頂層模塊Fig. 5 Rear wheel driven top module of HB6732

選擇建立的整車模型，將仿真客車的整車參數、發動機參數、變速箱參數等以全局變量的形式，嵌入到整車仿真模型中。仿真參數設定中，選擇美國城市工況(UDDS工況)為循環工況，并建立50、60、70 km/h等速工況[9]，設置相應的加速性能以及爬坡性能測試參數，運行程序進行仿真。仿真結果如圖6、表3[10]。

圖6 等速油耗Fig. 6 Constant-speed fuel consumption

對比量最高車速/(km·h-1)0～80km/h加速時間/s最大爬坡度/%等速油耗/[L·(100km)-1]50km/h60km/h70km/h實驗數據98.0042.5027.5012.4014.4016.80仿真值104.7041.0026.2012.0513.9015.80誤差/%6.803.504.702.803.506.00

河北省機械產品質量監督檢驗總站依據GB/T 12543—1990、GB/T 19233—2003、GB 19578—2004要求,對該車進行了加速性能試驗和等速百公里油耗實驗，并提供檢測報告。在圖6中橫坐標為時間(s)，縱坐標為消耗的油量(L)，所以圖線的斜率就可以代表客車行駛過程中的油耗。

由圖6可以看出，仿真結果在車速穩定之后其斜率與實驗結果的斜率基本一致，說明仿真油耗和實驗油耗較為接近。根據表3仿真值與實驗結果的比較，其誤差均小于7%，這表明所建立的HB6732汽車模型以及開發的后驅模塊是有效可行的。

4 結 論

1)建立的后軸驅動模塊能夠較好的嵌入ADVISOR 2002中，并進行性能仿真。

2)根據表3仿真值與實驗結果的比較，其誤差均小于7%，這表明所建立的HB6732的客車模型以及開發的后驅模塊是有效可行的，能運用于后續的混合動力客車的開發。

3)理論上該后驅模塊可以用于并聯、串聯、混聯混合動力車的整車仿真。

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