基于MATLAB的汽车仿真

1、东北大学仿真实验：基于simulink的汽车仿真姓 名：张冬磊班 级：自动化1309班学 号：20137675日 期：2015.11.3离合器充油特性对车辆起步性能的影响一、实验目的基于simulink仿真系统建立车辆起步过程的仿真，仿真模型包括，发动机、主离合器、车体、路面阻力等。通过仿真结果分析,讨论离合器充油特性对车辆起步性能的影响。起步性能是车辆性能的一个重要指标，仿真是研究其动态过程的重要方法. 研究车辆动力换挡离合器充油过程动态特性及其影响因素建立充油过程动态数学模型并进行仿真，形成一个功能独立的模型部件，再将各个模型部件组合在一起，从而建立起系统模型。二、实验工具MatlabSi

2、mulink三、实验步骤1、建立车辆起步的数学模型2、建立发动机的简化模型3、建立离合器的简化模型4、建立车体动力学简化模型5、建立地面阻力简化模型6、建立车辆起步过程模型7、建立仿真实例8、实验结论四、实验内容1、车辆起步过程的数学模型车辆起步过程复杂，涉及的部件很多，是一个多质量，多阻尼的非线性系统,根据模块化建模的思想， 将一个大的复杂系统分解成若干个子系统， 再根据研究的对象和边界条件确定各个子系统之间的关系。对于车辆起步过程可以根据车辆各部件的功能和联系分成发动机、主离合器、变速器、车体和路面子系统等。2、发动机的简化模型发动机的工作过程复杂，动态过程难以用一个数学方程式来表达，一般

3、用实验的方法得到发动机在不同油门开度，不同转速下的转矩数据，再根据实验的数据， 用数学插值的方法得到发动机的稳态模型形成一个转速，油门开度和发动机输出转矩的查询表，仿真时只要给定油门开度和发动机的转速就可以通过查表得出相应的发动机的转矩值，但查表得出的是发动机的稳定值，发动机的动态模型可以简化为一个扭矩发生器和一个转动惯量，其动力学方程式简化为：Iedwedt=Te-Tc (1)式中为Ie发动机的等效转动惯量，Te 为发动机的输出扭矩，Tc为离合器传递的扭矩，we为发动机的输出轴角速度。功能模块系统 车辆起步动力学系统离合器发动机变速器路面车体 3、湿式主离合器的简化模型假设各摩擦片的间隙均匀

4、，结合过程中，活塞在油压的作用下向前运动， 与摩擦片接触后结合成一体再向前运动，离合器结合过程可以分为3个阶段：（1）消除摩擦片的间隙。（2）摩擦片间隙基本消除，主被动片间开始磨滑，充油压力缓慢上升，车辆开始起步。（3）离合器的主被动片已基本同步，充油压力迅速上升到系统压力。忽略油道阻力、温度、压力油的泄漏等影响因素可 建 立 起 湿 式 离 合 器 结 合 过 程 的 数 学 模型。离合器结合第1阶段的微分方程为: （m +m）x+Bx+k(x0+x)=F (2)离合器结合第2,3阶段的微分方程为:Mx+Bx+k(x0+x)=F (3)式中m为活塞的质量，m为变动部分的质量,M为活塞、主动片

5、和被动片的总质量,k为回位弹簧的刚度，x0 为弹簧的初始压缩量，x为活塞的位移，B为阻尼系数，F为油压的作用力，分为静油压和旋转油压。离合器结合递扭矩计算公式如下: Te=nud R e F h (4)式中F h为摩擦片的回复力，n 为摩擦副数，ud为动摩擦系数, 可取为:ud=0.1309exp (-0.0054477w) R e为等效的半径, 即将所有的摩擦力都换算为作用在这个半径上。4、车体的动力学模型车辆起步过程中， 变速器的传动比不变。 将变速器、 后桥、 侧减速、 车轮部分的惯量和车体平移质量等效到离合器输出端， 忽略传动系的齿轮、 轴承等的摩擦力、 间隙、 弹性、 轴的扭转振动等

6、因素的影响， 其动力学方程为：Ib= dwbdt=Tc-Tdi (5) 式中Ib 为车体平移质量和车轮， 变速器，侧减速等部分的惯量等效到变速器的输出轴的等效惯量，Td为起步过程中受到的外界阻力等效到变速器输出轴上的转矩值，wb 为离合器输出轴的角速度，i为离合器输出轴到车轮总减速比。5、路面阻力模型根据车辆行驶的平衡方程式，可以得出车辆起步加速过程的动力学方程式：Ft=Fy+Fw+Fj (6)式中Ft 为牵引力，Fy为坡道阻力，Fj=mdvdt为加速阻力,为质量换算系数,根据经验公式得 =1.03+0.03t2，Fw为迎风阻力。6、车辆起步过程的评价指标（1）冲击度指标 冲击度定义为车辆纵向

7、加速度的变化率， 一般该值不超过 10m/s3j=ddt=dv2dt2 (7)式中 j 为冲击度指标，单位：m/s3 ；为车体的纵向加速度。（2）离合器的寿命指标离合器工作时主被动片存在磨滑，导致离合器结合过程中产生大量的热，并使离合器摩擦片磨损严重，大大影响离合器的寿命。W=01Tc(t)e(t)dt+12Tce(t)-b(t)dt (8)式中 t1为从离合器开始结合到传递的扭矩刚好可以克服地面阻力的时间，t2为从离合器开始结合到离合器主被动片同步的时间，Tc（t）为离合器传递的扭矩，e（t）为离合器主动部分的转速，b(t)为离合器被动部分的转速。这两个评价指标是彼此矛盾的，离合器结合过程太

8、快导致冲击过大，结合过慢产生的磨滑功加大。7、车辆起步过程仿真模型的建立 根据图 （1） 所示的车辆起步过程模型的结构，应用Matlab/Simulink图形仿真环境可以建立起车辆起步的仿真模型 ，见图 (2) 。此仿真模型由如下部分组成：发动机模型、变速器模型、车体模型、路面阻力模型等。根据模块化的建模方法的思想，可以将复杂的子系统分解更小的系统。以上各个子系统的模型可以进一步分解为若干个层次化的子系统。图（2）汽车起步仿真模型将车辆起步的仿真模型和图形用户界面、后处理子模块、文件管理等子模块结合在一起，形成一个完整的车辆起步仿真软件。图形用户界面用于输入仿真模型的参数；文件管理模块实现对仿

9、真系统的文件系统的管理；后处理模块实现对仿真数据的处理，形成易于理解的图表、图形等。 8、仿真实例 下面采用本模型对某车起步过程进行仿真分析， 在仿真中设定车辆系统的参数如下：发动机额定功率280kw，额定转2000rmin；最大扭矩点转速：1000rmin；车重21t ；主动轮半径r=0.56m；离合器活塞内径 0.08m；外径 0.20m；回位弹簧刚度26.85Nmm；初始压缩3.2mm；摩擦副10；摩擦片间隙 0.4mm；系统操作油压1.5MPa；给定发动机转速1000rmin。 仿真模型中假设充油过程是瞬间完成的，即不考虑阀的动态性能对充油压力的影响。给定缓冲曲线 图（3），得出的离合器结合过程的时间位移曲线图（4），图（5）为车辆起步过程的冲击度变化曲线图。图（3） 充油压力曲线图（4） 活塞位移曲线图（5） 冲击度曲线 在车辆的结构参数确定后，主离合器的充油特性决定了车辆起步性能。五、实验结论 基于Matlab/Simulink仿真环境，采用模块化的建模方法建立了车辆起步过程的动态模型，并