CarSim仿真快速入门(八)—车辆动力系统建模(1)

该动力系统模型由发动机、动力传递机构（包含变矩器或机械离合器）、变速器、中央分力分配装置（适用于四驱系统）以及车桥上的差速装置组成。如图所示。

图1.发动机，扭矩传递装置和变速器之间的扭矩示意图

对于前轮驱动型（FWD）或后轮驱动型（RWD）的情况，在驾驶轴中间位置设置了中央差速器以实现动力传递。图2则展示了RWD系统中后桥与之配合的差速器结构示意图。

图2.后驱动桥上的差速器（后轮驱动车辆）

如图3所示，在四轮驱动系统（4WD）中，变速箱的动力传递经由反馈机制传递至分动箱。而该分动箱则安置于连接前后差速器的前后驱动轴之间。

图3.分动箱和差速器（四轮驱动车辆）

动力系统部件总成

图4所示界面包含了实现四轮驱动动力总成所需的必要信息-包括发动机构、换挡机构（可选离合器）、变速机构、分动箱以及差速机构等元素。该系统通过提供一系列可供选择的组件库（例如可选不同型号发动机构件的选择）实现了对内部与外部组件之间的灵活组合与配置

在界面上呈现的框图中使用了红色箭头来描绘发动机至车轮的动力传递关系。若采用外部模型，则内部模型的信息将被完全忽略；这表明所有功率都将通过外部模型进行传递。因此内部模型将不向后续组件传输任何扭矩或物理参数（如旋转角度与转速）。参考图5可得相关详细信息。

图4.四轮驱动系统的动力总成装配界面

图5.外部和内部模型块之间的图

在选择了外部模型之后，用户需通过外部接口将功率与物理状态信息实现从下一组件到下一组件的传递或传递给下一组件的操作。在界面上的图示中以红色方框标记的是外部模型本身；可导入的变量以绿色标注；而可输出至外部模型的数据则以蓝色符号标示出来。需要注意的是这些输入/输出端口不会自动配置，请您通过输入/输出通道配置面板完成设置

这些选项使用以下用户设置组装在图4所示的界面上。

发动机到变速箱

该系统提供外部或内部引擎模型的选择界面（配置参数名= OPT ENGINE INTERNAL）。在选择外部引擎模型时，相关数据连接信息将被屏蔽。

② 链接到Powertrain: Engine数据集

③ 配置用于外部动力传递的扭力耦合方案以及内部动力传递组件（如内部动力转换装置或手动离合机构），该参数设置可通过关键字OPT_PWR_CPL_INTERNAL进行指定。当决定采用外部扭力耦合方案时，请注意相关数据接口④将不再可使用

通过关联Powertrain: Torque Converter数据集或Powertrain: Clutch Torque数据集来获取信息；这种关联类型决定了发动机如何将扭矩传递至变速器。

⑤用于选择外部或内部传输模型的下拉列表（关键字= OPT_TRANS_INTERNAL）。

涉及该外部Powertrain: Transmission数据集或包括该内部Powertrain: Transmission数据集

差速器

在配置界面中设置了外部与内部分动箱模型的选择筛选器（参数标识OPT_DIFF_INTERNAL（3））。目前系统已完成对分动箱-外部分动箱⑧模型的数据链接配置。

⑧链接到Powertrain: Transfer Case 数据集.

⑨从前桥轴上选择外部驱动型差速器、内部驱动型差速器或内部双离合器驱动型差速器的可选组件列表⑩（关键字= OPT_DIFF_INTERNAL（1））。若选中外部差别驱动模式，则其数据链接会被隐藏起来。

⑩被连接到Powertrain: FrontDifferential 数据集或者Powertrain: Front Twin- Clutch Differential 数据集. 连接的类型决定了前轴驱动力矩如何传递到前轮.

为后轴提供外部、手动或自动差速器模型选择界面（参数标识OPT_DIFF_INTERNAL（2））。当选择外挂式分动器时，请将与车辆动力相关的数据设置为不可用状态

其关联于Powertrain: RearDifferential数据集或Powertrain: Rear双离合器差分 数据集。
驱动力矩如何通过后轴传递至后轮是由其类型决定的。

驱动轴影响

发动机通过主 driveshaft 传递并产生反作用于驱动车轮系统（变桨效应），或者通过传递轴传递并产生反作用于中央差速器系统（侧倾效应）。

扭矩反作用力的接收方式进行设置，在动力总成界面中包含有编号为⑬的下拉列表以及编号为⑭的复选框设置。具体而言，在独立悬架或实心轴悬架等不同悬架类型配置下，并根据是否配置了可选的发动机悬架型号类目等参数设置差异的基础上，这些控制元素的工作原理存在差异。

在基本模型中(发动机的质量被视为簧上质量的一部分)，簧上质量接收来自滚动方向上的差异。尽管传动轴(多个)中的扭矩反应沿着旋转方向传递，在这种情况下(即动力装置是实心轴悬架)，差速器必须安装在实心轴上)。滚动的影响方向(顺时针或逆时针)由下拉列表中的选项⑬确定。如果动力装置具有独立的悬架，则这些扭矩反作用将不被考虑(因此，在这种情况下(即不论是否选择配置俯仰影响复选框)，簧载质量都会从车轮沿俯仰方向接收这些扭矩反作用力)。

当安装发动机模型时，在单独考虑其质量时（即不计入弹簧支承部分），该质量通过主 driveshaft 沿俯仰方向从车轮获取扭矩反作用力；或者通过 differential axis 沿滚动方向从差速器获取扭矩反作用力）。这种力量传递的方向受制于影响调节框⑭的选择（每个动力轴均适用）。例如，在四驱系统中可分别对前后驱动轴施加俯仰或侧倾效果的选择项。若同时勾选两个调节框⑬，则滚动效应选择项将被隐藏；否则该选项可用于配置未启用变向控制的前驱和/或后驱主 driveshaft 的滚动效应。因此，在任何情况下一个主 driveshaft 无法同时表现出俯仰和侧倾效应

User settings用户设置

如前所述，在发动机制动器工作时的加速阶段和减速阶段期间，在...系统中设置了驱动轴滚动效应参数（关键字 = R_MDRIVE）。该设置通过在发动机与差速器之间施加扭矩来调节传动系统的响应特性。当从X轴正方向观察时，在此条件下发动机将呈现逆时针方向旋转状态并伴随正向滚动（右侧）。

驱动力矩对侧倾的影响可通过此选项卡进行设置（关键字为OPT_ENGINE_PITCH_REACTION）。当此选项卡被勾选时，在发动机制动用于加速或减速的过程中，在驱动轮与发动机质量之间会产生一个力矩作用。在这种情况下，在发动机主体接收与车轮转向相反方向的俯仰方向上的反作用扭矩。例如，在加速阶段时程中（发动机朝前），发动机机体会呈现负面姿态。

传动系统的扭转弹性

动力传递系统的各个部分（涵盖变速箱以及差速器与传动轴）并非绝对刚性，在存在旋转弹性的情况下各组件均具备一定程度上的柔性特征。在VehicleSim车辆建模过程中，默认情况下所有传递系统的部件通过一个单独的扭力弹簧减震单元来体现其弹性特性。这个减震单元位于变速箱之后的位置（如图1及图6所示）。图6展示了整个传递系统的示例性后轮驱动形式。用户提供的固有频率与阻尼比参数会被转换为模型中的扭力刚度参数以及阻尼系数参数，并被用于仿真过程。

用户使用参数测量

通过试验台测试传动系统的扭转固有频率和阻尼比的方法如下：首先将试验台安装在被测车辆上，并确保其不会直接触碰到车辆的驱动轮部分以消除滚动阻力的影响。随后关闭发动机与变速器之间的连接通路。对于配备手动变速器的动力传动系统而言，则只需松开离合器即可完成断开发动机与变速器的连接操作。接着，在变速器输入轴上施加瞬态冲击力或模拟随机产生的扭矩干扰（如文献[1]所述）。若无法直接作用于输入轴施加扭矩，则可考虑从底盘下方拆卸整个动力传动系统进行测试（另一种方法是同时作用于所有驱动车轮施加瞬态扭矩）。需要注意的是，在这种情况下必须确保所有驱动车轮所承受的瞬态扭矩相同以保证测量结果的一致性）。

仿真验证

图7展示了采用VehicleSim车辆模型进行仿真所得频谱分析结果中的功率谱密度实例。在这一实例中，默认固有频率设定为9Hz且阻尼比设为零值。仿真实验表明，在此情景下汽车被抬离地面并使主离合器脱离工作状态。随后，在变速器输入轴端施加了随机输入扭矩信号，并监测了变速器输出轴以及车轮两端的角度变化情况以及传递扭矩值。值得注意的是该系统采用后轮驱动方案运行如图所示当观察图中的数据可以看出在变速器与车轮之间传递的过程中传递出的角度变化特征及其所伴随的扭矩数值均呈现出与系统所接受输入参数（9Hz）相一致的行为模式

图6.采用一个单独的扭振弹簧阻尼器单元来表示传动系统（RWD），表征了其扭振柔度特性。

图7展示了基于VehicleSim车辆模型仿真得出的传动系固有频率结果（其中传动系固有频率设定为9 Hz，并且阻尼比设定为0）。

根据用户输入参数计算扭转刚度和阻尼系数

正如所知，在变速箱的后方安装有扭转弹簧减振器。该系统的刚度和阻尼系数基于以下公式计算：k = \frac{1}{2\pi} \sqrt{\frac{E I}{m}} 和 \zeta = \frac{c}{2 m \omega_n}。这些参数来源于用户提供的固有频率\omega_n和阻尼比\zeta以及其他传动系的惯性特性。

传动系可以划分为两部分（发动机侧和车轮侧在传递着惯性中间位置分布于扭力弹簧减振器所在的地方），见图6）。首先需计算传动系两端的惯性量值。其中，传动系前端即发动机侧端部的总质量特性参数即为其动能特性参数。

传动系惯性的后端受所采用的动力总成类型的决定。当采用后轮驱动（RWD）时，则传动系惯性的后端数值为（另请参见图6）：

其中Iaxle_R是后驱动轴惯性，涉及驱动轴和车轮两侧的所有惯性，例如：

在执行前轮驱动方案时，应采取与之类似的计算方式；然而，在处理四轮驱动情形下，则需特别关注中央分动箱中的扭矩偏置参数Tbias_to_rear这一关键因素。例如：

总传动系惯性Idriveline由以下公式得出：

整个传动系统的扭转刚度(Kdriveline)与阻尼系数(Ddrivline)通过固有频率(w n_driveline)与阻尼比(z driveline)得以确定；如

在上述等式中，在传动齿轮比的影响下扭转刚度与阻尼系数可能发生变化。然而，在仿真过程中，默认设置的固有频率值与阻尼比值将保持恒定。

User settings用户设置

⑮传动系固有频率 (关键字 = DRIVELINE_FREQ).

⑯传动系的阻尼比(关键字 = DRIVELINE_ZETA).

多轴动力系统

基于用户参数中的固有频率与阻尼比推导出的扭转刚度与阻尼系数呈现出良好的对称性和均匀分布特性

图8. 10轮驱动系统的动力总成装配界面

存在多种动力传动组合（如2驱、4驱、6驱及10驱等），这些传动组合主要配置于牵引车的后桥部分。当悬挂组件不超过五个时，在四驱配置下（如四轮驱动），动力传递至第三和第四档挂位；若悬挂组件达到六个或以上，则仅采用第五档挂位进行动力传递。参考表1可了解多悬架车辆的动力分配方案

表1.具有各种类型的动力总成系统的多轴车辆的驱动桥

悬架轴数	2-axle	3-axle	4-axle	5-axle	X-axle (5 <)
轴数	1	2	1	2	3	1	2	3	4	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5	6	X
2WD (FWD)	D	D	D	D	D
2WD (RWD)	D	D	D	D	D
4WD	D	D	D	D	D	D	D	D	D	D
6WD	D	D	D	D	D	D	D	D	D	D	D	D
8WD	D	D	D	D	D	D	D	D	D	D	D	D
10WD	D	D	D	D	D	D	D	D	D	D

用户设置

⑰驱动轴相对于轴间差速器的旋转惯量（关键字= IDS（IDIFF））。.

发动机

建立动力传动系统模型时，“发动机作为车辆的动力源”。发动机的典型特征是通过在测功机上的测试获得其飞轮扭矩，并表示为关于节气门位置θ和转速ωe的函数。针对不同θ值的情况，在该表格中定义了这些参数。

在本章后续的小节中所述及其后续章节中将详细介绍该附加扭矩源

其间的相互关系由发动机扭矩 Te、发动机转动惯量 Ie、发动机角加速度 ae、 torque transmits device side inertia moment Itc_in 以及 torque transmits device input torque Ttcin 等因素所构成。

通过积分微分方程可在每个时间步中获得发动机角速度:

发动机旋转角为

在图9界面中所配置的控制功能已涵盖这些发动机计算所需的具体参数与数据表格。

图9 发动机界面

该系统涉及一阶时滞的问题。当选该参数被启用时，系统会显示与当前参数相关的其他数据字段（例如②和③）。若未被选择，则发动机油门操作将立即响应而不会产生延迟。
其中涉及一阶时滞的问题。
若未被选择，则发动机油门操作将立即响应而不会产生延迟。

②发动机节气门开的动态时间常数 (关键字= TC_THR_APP).

③发动机节气门关的动态时间常数 (关键字= TC_THR_REL).

④为动力总成设计的选择项链接：通过该数据集指定发动机的燃油效率参数。点击该链接后系统将自动生成运行油耗（kg/s）和总耗油量（kg）。

该处的发动机旋转惯量（标记为IENG）是一个复杂的物理属性，在工程分析中具有重要意义。它代表了与曲轴一起转动的所有机械部件的质量属性总和，并且包含了液压变矩器或离合器等可能存在的部分的影响。

⑥怠速 (关键字 = AV_ENG_IDLE). 这是节气门输入为零时的静态发动机转速.

⑦发动机扭矩的表格数据 (根关键字 = MENGINE).

发动机开启与关闭

该参数名为OPT_ENGINE_RUNNING，在设置时可选择关闭引擎（当OPT_ENGINE_RUNNING设为0时）或开启引擎（当设为1时）。默认情况下该参数已设置为开启状态。具体该参数的位置可在Echo文件中的Engine部分中找到详细说明。

利用控制参数OPT_ENGINE_RUNNING配置这些控制器能够确保车辆停驶时自动关闭引擎而在驾驶员放松制动踏板时实现发动机制动功能。这些功能可通过对状态变量SV_AVEng设定后确保发动机构定后的最低运转转速足以防止引擎熄火的问题。具体而言用户可能希望将发动机构定后的最低运转速度设定为空转速度Ave_eng_idle值这一目标可通过对事件中的其他黄色字段输入 SV_AVEng=Ave_eng_idle 来完成从而达到启動引擎的目的。

当发动机通过其他方式失速时（比如在车辆处于静止状态且变速箱离合器保持接合的情况下），OPT ENGINE_RUNNING的状态就不会自动从1（运行）切换为0（未运行）。这是因为OPT ENGINE_RUNNING是一个参数而不是一个变量，在这种情况下必须将其显式地设置为0以关闭发动机的状态（即熄火），然后再将其设置为1以重新启动发动机（即运行）。

ESC/TCS扭矩控制接口

自2012年起,所有乘用车都已实施电子稳定控制（ESC）或牵引力控制系统（TCS）的规定.这些控制系统通常会通过调节发动机扭矩来最大限度地降低其值,从而防止车轮打滑导致的车辆不稳定性.此外,一些自动化的节气门控制系统在陡坡上能够为驾驶员提供辅助功能.

基于这些相关控制器，在公式7中涵盖可控制的发动机扭矩Te_control的是VS动力总成。

ESC / TCS控制器一般根据驾驶员对发动机扭矩的需求以及车辆运行中的各种状态信息（如行驶速度、转向灵敏度、轮胎附着性等）来向发动机发送所需扭矩指令。

该系统采用VeriStand（VS）命令来定义控制算法，并且还可以通过外部建模手段（例如Simulink或实际硬件上的ECU设备）来实现控制逻辑。这些方法能够生成所需的扭矩指令Te_ESC_rq，并可以通过将该变量导入至VeriStand求解器中来进行查询。

驾驶员模型规定发动机扭矩（Te_DRV_rq）能够通过输出变量（M_Eng_Rq）从VS求解器传递至外部控制器，并基于当前发动机转速及节气门开度进行计算。

该VS模型采用了一个内嵌的P + I控制器系统，在公式7中进行发动机扭矩Te_control的调节作用。该系统通过引入新的IMP_ESC ENGINE CON STATE变量来区分三种不同的工作状态：其一是无控制状态；其二是减控制状态；其三是增控制状态。具体而言，在引入该变量后：当ESC运行于减速模式时（IMP_ESC ENGINE CON STATE = 1），ESC的目标输出将依据当前场景与驾驶员需求进行综合考量；例如：当ESC运行于加速模式时（IMP_ESC ENGINE CON STATE = 2），ESC将优先满足自身运动需求而略降发动机转速；而在无控制状态下（默认值为0），相关参数均被设为默认值以维持稳定运行。

发动机控制扭矩的时间导数为:

表2与表3各自列举了与ESC转矩控制相关的输入量与输出量。而表4则集中展示了PI调节参数的相关信息。

表2.与ESC / TCS转矩控制有关的输入变量

关键字	符号	描述
IMP_ESC_ENGINE_CON_STATE	ESC_state	ESC发动机扭矩控制状态
IMP_MENGINE_ESC_REQUEST	Te_ESC_rq	通过 ESC/TCS的发动机扭矩需求

表3.与ESC / TCS转矩控制有关的输出变量

关键字	符号	描述
ESC_Stat	ESC_state	ESC 发动机扭矩控制状态
M_Eng_Rq	Te_DRV_rq	驾驶员需求扭矩
M_EngEsc	Te_target	ESC 目标扭矩
RgearDLT	---	传动系统总传动比

表4.ESC/TCS扭矩控制系统的PI参数

关键字	符号	单位	描述
ENGINE_ESC_PG	GP_ESC	1/s	发动机控制P增益
ENGINE_ESC_IG	GI_ESC	1/s2	发动机控制I增益

某些ESC / TCS控制系统采用驾驶员或ESC扭矩请求信号而非通过发动机，在这种配置下操作者可获取输出变量RgearDLT。该变量可由变速箱及分动箱（如有）与差速器组合从发动机至车轮传递其总传动比信息。