馮國勝，錢 超，賈素梅，支亞輝，張小榮

(1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引 言

ADVISOR作為一款基于MATLAB/Simulink開發(fā)汽車整車仿真軟件，后向仿真與前向仿真結(jié)合的特點(diǎn)為汽車整車仿真提供了一個(gè)計(jì)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(tǒng)汽車、混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車整車仿真、研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)提供了極大的便利[1]。因?yàn)锳DVISOR 2002中的仿真模型全部是前驅(qū)模型，而HB6732是后輪驅(qū)動(dòng)客車，所以為了對客車進(jìn)行混合動(dòng)力開發(fā)并進(jìn)行準(zhǔn)確仿真，必須建立后輪驅(qū)動(dòng)模塊，并嵌入ADVISOR現(xiàn)有模型中。為了確保后軸驅(qū)動(dòng)模塊二次開發(fā)的準(zhǔn)確性，利用HB6732客車的參數(shù)建立整車模型，進(jìn)行整車性能仿真，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，保證建模的有效性，以便對后期混合動(dòng)力客車開發(fā)和優(yōu)化。

1 整車模型建立

要對HB6732客車進(jìn)行仿真首先就要根據(jù)其參數(shù)建立整車各個(gè)部件的模型。其包括整車行駛模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、主減速器和變速器模塊、車輪模塊、附件模塊。對各個(gè)模塊進(jìn)行建模是基于MATLAB通過編寫底層M文件來實(shí)現(xiàn)的[2]。整車行駛模塊中根據(jù)整車參數(shù)對以下參數(shù)進(jìn)行定義：汽車描述變量、風(fēng)阻系數(shù)、質(zhì)心高度、前軸占整車質(zhì)量的百分比、后軸占整車質(zhì)量的百分比、迎風(fēng)面積、車輛滑行質(zhì)量、軸距、最大裝載質(zhì)量；發(fā)動(dòng)機(jī)模塊需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)以及其外特性曲線、萬有特性曲線，對EQ6102發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)矩范圍、發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩曲線、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率進(jìn)行定義；變速器模塊主要是對變速器擋位數(shù)、變速器各擋位速比、變速器質(zhì)量、主減速比、主減速器質(zhì)量進(jìn)行定義；車輪模塊主要是對車輪半徑、輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)進(jìn)行定義；附件參數(shù)定義是通過編寫附件功率實(shí)現(xiàn)的。表1為變速器和主減速器參數(shù)，表2整車參數(shù)。

表1 變速箱和主減速器參數(shù)

表2 整車參數(shù)

2 后軸驅(qū)動(dòng)模型建立

對后軸驅(qū)動(dòng)模塊的二次開發(fā)就是對ADVISOR的牽引力控制模塊進(jìn)行后軸驅(qū)動(dòng)再開發(fā)。其主要分為兩個(gè)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(shí)，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(jì)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(yīng)該超過汽車在路面發(fā)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(qū)汽車在車輪打滑時(shí)所提供的最大驅(qū)動(dòng)車速或最小制動(dòng)車速的理論模型。

假設(shè)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(dāng)前步長t內(nèi)時(shí)間所能產(chǎn)生的最大速度為νt，汽車的行駛動(dòng)力學(xué)模型如圖1[3-4]。

圖1 汽車行駛動(dòng)力學(xué)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(qū)動(dòng)的極限附著力條件下：

Ft=W2φmax

(2)

(3)

Ff=mg(f1+νaverf2)cosα

(4)

Fi=mgsinα

(5)

當(dāng)前步長內(nèi)汽車的加速度為

(6)

當(dāng)前步長內(nèi)汽車的平均速度為

(7)

式中：Ft為驅(qū)動(dòng)力；Fw為空氣阻力；Ff為滾動(dòng)阻力；Fi為坡道阻力；Fj為加速阻力；W2為后軸重；a為汽車質(zhì)心到前軸的距離；L為汽車軸距；φmax為路面最大附著系數(shù)；f1為前輪滾動(dòng)阻力系數(shù)；f2為后輪滾動(dòng)阻力系數(shù)；ρ為空氣密度；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)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(dòng)條件下，F(xiàn)t為制動(dòng)力，方向相反，就可以得到制動(dòng)條件下的最小速度νt2。得到

(8)

(9)

得到νt1后就可以計(jì)算出時(shí)間步的平均速度，與需求平均速度作比較，得出較小的一個(gè)速度，通過νt2可以計(jì)算出制動(dòng)條件下時(shí)間步內(nèi)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(gè)即為需求的限制速度，即通過最大驅(qū)動(dòng)車速和最小制動(dòng)車速來限制汽車的驅(qū)動(dòng)需求速度。圖2為MATLAB/Simulink環(huán)境下建立的需求車速計(jì)算模型。

圖2 后軸驅(qū)動(dòng)極限附著力提供驅(qū)動(dòng)力的需求車速計(jì)算Fig.2 Demand speed calculation of driving force provided by rear axle driven limit adhesion

第2部分模塊是計(jì)算汽車的限制驅(qū)動(dòng)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(diǎn)取力矩，得到后軸載荷：

(10)

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

圖3 需求驅(qū)動(dòng)力計(jì)算模型Fig. 3 Calculation model of demand driven force

圖4 嵌入驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)模型嵌入到ADVISOR驅(qū)動(dòng)力控制模塊中，建立一個(gè)新的控制策略模塊：后輪驅(qū)動(dòng)，并嵌入模塊庫中，從模塊庫中調(diào)取模塊，建立一個(gè)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(yōu)化[5-8]，HB6732后輪驅(qū)動(dòng)頂層模塊如圖5。

圖5 HB6732后輪驅(qū)動(dòng)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(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、變速箱參數(shù)等以全局變量的形式，嵌入到整車仿真模型中。仿真參數(shù)設(shè)定中，選擇美國城市工況(UDDS工況)為循環(huán)工況，并建立50、60、70 km/h等速工況[9]，設(shè)置相應(yīng)的加速性能以及爬坡性能測試參數(shù)，運(yùn)行程序進(jìn)行仿真。仿真結(jié)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(shí)間/s最大爬坡度/%等速油耗/[L·(100km)-1]50km/h60km/h70km/h實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)總站依據(jù)GB/T 12543—1990、GB/T 19233—2003、GB 19578—2004要求,對該車進(jìn)行了加速性能試驗(yàn)和等速百公里油耗實(shí)驗(yàn)，并提供檢測報(bào)告。在圖6中橫坐標(biāo)為時(shí)間(s)，縱坐標(biāo)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(jié)果在車速穩(wěn)定之后其斜率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的斜率基本一致，說明仿真油耗和實(shí)驗(yàn)油耗較為接近。根據(jù)表3仿真值與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(fā)的后驅(qū)模塊是有效可行的。

4 結(jié) 論

1)建立的后軸驅(qū)動(dòng)模塊能夠較好的嵌入ADVISOR 2002中，并進(jìn)行性能仿真。

2)根據(jù)表3仿真值與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(fā)的后驅(qū)模塊是有效可行的，能運(yùn)用于后續(xù)的混合動(dòng)力客車的開發(fā)。

3)理論上該后驅(qū)模塊可以用于并聯(lián)、串聯(lián)、混聯(lián)混合動(dòng)力車的整車仿真。

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