液力机械自动变速器Maplesim仿真研究

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液力机械自动变速器作为车辆的变速机构，是动力传动系统中必不可少的部分。为缩短设计周期降低设计成本，建立 自动变速器的仿真模型能够表现出其实际工作性能。因此，依据仿真结果不断改进设计 ，能够验证设计的可行性和正确性 ，并对生产和安装提供可靠依据。目前，变速器仿真模型应用最为广泛的方法是应用MATLAB中Simulink拈进行仿真 。然而，这些仿真模型忽略了变速器齿轮箱的行星轮系部分，不能将行星轮系各组成原件的运动状态表达出来。Maplesim是-个多领域物理建模和仿真工具，开发出了传动系统模型库。提供了基本元件库和传动系统部件装配，并融合了最佳的物理系统模型和实验数据，从而将模型的保真度最大化。基于 Maple数学引擎 ，对系统的数学模型采用了高级符号简化技术，可以获得简洁和数值高效的模型。

2某型液力机械变速器系统构成液力机械自动变速器的主要组成部分包括：液力变矩器、缓速器、液压控制系统、离合器和行星轮系。自动变速器的控制器(Transmission Control Unit)通过实时监测换挡控制参数情况向液压控制系统发出换挡信号，换挡执行机构对离合器进行动作，使行星轮系能够输出期望档位的传动比。因此，变速器内的行星齿轮系统是关键的组成部分。该型变速器行星轮系结构由4个行星轮系叠加构成，根据结合离合器的不同，可实现 5个前进档位和2个倒退档位。离合器结合状况和档位信息，如表 1所示。

--云、出轴臣圃 图 1液力机械自动变速器主要组成部分Fig.1 Key Components of Automatic Transmission来稿日期：2012-10-14基金项目：国家863”资助项目(2011AA061M04)作者简介：赵鑫鑫，(1987-)，女，北京人，在读博士研究生，主要研究方向：自动变速器换挡控制规律、换挡品质优化及仿真模型研究：杨耀东，(1976-)，男，河南人，博士，讲师，主要研究方向：矿用车辆液压系统设计和自动变速器液压控制系统设计58 赵鑫鑫等：液力机械 自动变速器Maplesim仿真研究 第 8期表 1离合器结合状况Tab.1 Clutch Engagement State1档 2档 3档 4档 5档 倒 1 倒 2前进离合器 1档离合器 2档离合器 3档离合器 4档离合器 5档离合器 传动比 5.2 3.2 2 1.4 1 1.2 2.43仿真系统数学模型建立Maplesim进行模型建立的基础是确定系统的动力学方程，运用已经集成了数学特生的物理系统模型搭建车辆动力传动系统。

3.1发动机及液力变矩器模型发动机的数学模型已经在发动机动力学模型建立和控制方面得到了广泛的应用。目前，有两种模型最为常见 。-种是描述了活塞的压缩过程、化学反应、排放特性和燃烧及放热现象。因此，在研究车辆动力系统时应用此种模型过于复杂。另外-种表征了发动机输入-输出特性，通过转矩的变化反应发动机动态特性，重要参数可以通过发动机实验得到。

-厂(01 ， ) (1)- (2)式中： -发动机转矩；o1 -发动机转速；旷-油门开度； -发动机受到的阻力矩； -发动机部分转动.惯量。

液力变矩器由泵轮、导轮和涡轮三个构件组成，通过液体的流动改变输出端涡轮轴传递的扭矩，实现变矩。由于其结构特殊，可以满足车辆在低速时传递大扭矩的要求 ，因此变矩器成为大功率汽车变速器不可或缺的部分。

K· (3)/ J f J -f，I J ( J (4)式中： -涡轮转矩；K-转矩比；M -泵轮转矩；01 -涡轮转速 ；- 泵轮转速。

根据变矩器实验数据，涡轮转矩可以由下式表示，ao、。 、0，2和o，4不仅与泵轮特性有关也与泵轮转速和重力加速度有关。

( 01t) ( )n4 ㈦3.2行星轮系图2行星轮系结构简图Fig.2 The Structure of Planetary Sets换挡齿轮结构决定了变速器各档位的传动比，如图2所示。

从图2中可以看到，该变速器换挡齿轮系统由4个行星排联合构成。每个档位通过结合不同的离合器，改变行星轮系运动状态，实现前进档位和倒退档位。

行星齿轮常见的动力学建模方法有以下三种 ：键合图法(Bond graph)、运动学和静力学分析法(Kinematic and static forceanalysis)和拉格朗日法(Lagranges method)。其中运动学和静力学分析法计算较为繁琐，但理论分析表达式形式简洁等特点，最适合应用在计算软件的模型建立过程，Maplesim的模型库就是基于这种方法进行仿真计算。下面对该分析方法进行介绍。单个行星轮系运动学方程可以通过太阳轮、齿圈和行星轮的半径(RR，，尺 )、旋转角度( ，8，y)和行星架的旋转角度( )共同表示。根据齿轮机构的啮合原理，行星轮系可以推导出以下关系：卢 -y R OL (6)卢 (R 2Rn ) R 尺R (7)其中nl，2，3，4，研究的自动变速器行星系统中包括了4个行星轮系，因而此需要建立4个如式 6和 7的表达式。根据图2所示行星轮系结构，由左至右 P，、P、 和 为 4个独立的行星轮系，C ，为前进挡离合器，C.至 G分别为-档至五档离合器。由结构的连接关系，4个行星排的 16个元件被固连成 10个新的部件。系统的输入角度为 JpJ行星架齿圈转动角度 ，输出角度为 尸1行星架齿圈转动角度 。由约束方程和结构的连接关系，可以将系统的输入、输出参数 。和 把四个行星轮系中其他元件的运动状态表达出来。

1 -A l1A -AIA1 -A 3l卅 46 4 6A -4，A 8 8(8)其中 惫 警 惫 ：惫 ： ，鲁 Maplesim拥有传动系统独立的物理模型库，其中包括可以计算行星轮系太阳轮、行星架和齿圈运动状态的行星架模型。该模型集成了运动学和静力学分析方法，在分析多行星轮系连接的系统时，不需要建立繁冗的数学模型，只需用连线将各行星轮连接起来，复杂的运动学关系简化成了图形语言。通过在不同位置放置探针即可显示该位置的扭矩、转速情况。因此，仿真过程中不仅可以得到车辆的运动状态，还可以计算行星轮系的运动状态，使仿真模型更加简洁并真实的反映变速器的实际情况。

3.3传动轴及车辆模型传动轴和车辆动力学模型-般只考虑车辆纵向运动，在研究车辆换挡过程和品质时通常对这种模型进行简化 。由于车辆的动力从发动机输出，通过变速器传递到车轮上，模型主要分析传递的转矩和相应的角速度。车辆转动惯量 的计算与车辆质量m 、载重质量m 和车辆半径r有关：， (m m )·r- (9)车辆等效的转动惯量可以通过下式计算， 是车轮转速，为输出轴传递的扭矩， 为负载扭矩。

No.8Aug.2013 机械设计与制造 59变速器输出扭矩经过主减速器传递给车轮，因此：R肋 (11)式中： -变速器输出扭矩； -主减速比。

表 2传动系统和车辆参数Tab.2 Powertrain System and Vehicle Parameters4 Maplesim环境中系统模拟仿真4.1整体模型建立将传动系统简化后的模型在Maplesim环境中逐-建立，仿真模型的整体构成，如图3所示。由发动机、液力变矩器、变速器离合器控制系统、行星轮系模型和传动轴输出系统组成。

图3 Maplesim环境下传动系统整体模型Fig.3 Powertrain System Simulation Model in Maplesim发动机和液力变矩器可以通过添加附属文件的方式确定其特性曲线，并得到发动机和变矩器的匹配输出特性曲线，省略式(1)-(5)的数学模型，将方程转化为图形符号模型，很大程度上简化了仿真模型。按照行星轮系间的连接关系，行星排Jpl的太阳轮与四档、五档离合器和行星排P2的太阳轮连接，行星架与三档离合器连接，齿圈与行星排尸2、P3、P4的行星架连接。行星排P2的齿圈与行星排 和行星排尸4的太阳轮相连在前进离合器的-端，此离合器的另-端与变矩器的涡轮轴相连，这意味着前进离合器的接合与分离决定了变速器是否能够向输出轴传递动力。行星排 的齿圈连接着二档离合器。行星排 P4的齿圈与-档离合器相连。在Maplesim环境中行星轮系仿真模型，如图4所示。同时，离合器的输入端为活塞受到的正压力，结合换挡控制参数制定换挡规律后，系统模型能够模拟每个档位结合过程时离合器的结合状况。

速度情况，结合换挡规律能够进-步分析规律的合理性和换挡品质的优劣。

4.2仿真结果分析对模型的离合器控制系统进行相应配置后，参考两参数换挡规律 ”，将车速和油门开度作为换挡参数输人到控制系统中，通过逻辑操作使模型完成自动换挡。设置模型运行时间为80s，当油门开度为全开时，在32s时车辆自动升至最高档位。其涡轮转速的输出状况、速比变化过程和加速度变化过程，如图5-图7所示。变矩器的涡轮转速随着档位变化尧生相应变化，档位结合时逮度会减小，短时间内又恢复到较高转速，随着档位升高.涡轮转速逐渐稳定在较低转速。从传动比变化曲线能够看出在档位的变化时刻，(o3)s为- 档，3 s维持在二档，(5-14)s在三档。(14--32)s持续在4档，32s后升至最高档。车辆的加速度变化随着档位的升高逐渐变小，如图8所示。-档升至二档的加速度变化为 1.5 m/s ，四档升至五档时加速度变化约为0.4m/sz。除了以上车辆的运行状态参数，行星轮系的运动状态可以从仿真模型中得到。通过在模型中-档离合器和五档离合器的主从动片分别添加探针，它们在换挡过程中的运动状态，如图9所示。红色为主动端，蓝色为从动端。-档离合器的从动端和箱体连接，因此始终为 0，主动片的速度差为红色曲线；五档离合器的主动端与涡轮轴相连，从动端和行星轮P1的太阳轮相连，换挡过程中主从动片的速度差为红色曲线和蓝色曲线间的距离，当换挡至五档后，主从动片的速度相同。从曲线中也不难发现，五档离合器在低速挡位运行过程中主从动片转速相差大，若离合器片的安装间隙过小，长期使用低速档位可能造成五档离合器的烧毁现象。

220o2Oo01800l6o0140012001 oo8o06o0lJ 1/ I l ，f l0 10 2O 30 4O 50 60 70 80t(s)图5变矩器涡轮转速Fig.5 Angle Speed of Turbine Shaft10图4 Maplesim中行星轮系模型 0Fig.4 Planetary Sets Model in Maplesim根据表2提供的车辆参数，运用车辆动力学方程 i生Maplesim中建立的传动系统输出模型。模型的输出端口为车辆的速度和加/ / /f/lJJ10 10 20 30 40 50 60 70 8Ot(s)图6车辆速度Fig.6 Velocity of Vehicle机械设计与制造No.8Aug.201315Ol00O654星32Probe6：i1ll0 10 2O 3O 40 5O 6O 70 80t(S)图7传动比变化曲线Fig.7 Ratio Change Curvel0 10 20 3O 4O 50 6o 70 80t(s)图 8车辆加速度曲线Fig.8 Vehicle Acceleration Curve/ 人 色ff) I n 2n In - ln fl t n 7- u - er-n v1- iq/ L- lr l，-红 也 J 蓝 色 - - -01o 0 40 ；0 r们 0 、 监色、图9-档和五档离合器主从动片转速情况Fig.9 Angle Speed of Driving Plate and Driven Plate5总结根据液力机械 自动变速器主要部分的结构特征和数学模型，通过 Maplesim软件内包含的传动系统模型库、机械结构模型库和数学模型库等建立了简洁的仿真模型。经过仿真后，其结果符合实际车辆换挡情况，清晰表征了传动系统各部件的运动情况。

采用Maplesim建立变速器仿真模型，简化了建立行星轮系运动状态方程的时间。集合了车辆传动系统零部件的动力系统模型库为建立模型提供了充足的资源，在研究行星轮系动力学特性时具有突出的表现，更加简单、清晰，不会出现繁冗方程及表达式的计算框图。