车辆动力学(8)- 传动系统动态建模

1、第一节第一节 动力传动系统扭转自由振动动力传动系统扭转自由振动第二节第二节 动力传动系统扭转强迫振动动力传动系统扭转强迫振动第三章第三章 传动系统动态过程建模传动系统动态过程建模第一节第一节 传动系统动态过程模型及建模方法传动系统动态过程模型及建模方法第二节第二节 传动系统的换挡控制和闭锁控制传动系统的换挡控制和闭锁控制一、传动系统动态模型建模方法一、传动系统动态模型建模方法1.1.建模原则建模原则第一节第一节 传动系统动态过程模型及建模方法传动系统动态过程模型及建模方法1）多自由度系统，每个自由度对应一个集中质量2 2）发动机用一个惯量表示）发动机用一个惯量表示3）齿轮、较大质量部件为集中质

2、量，惯性质量不做功的分惯性质量不做功的分支和惯量可以包括在作功元件内。支和惯量可以包括在作功元件内。2.2.建模方法建模方法一、传动系统动态模型一、传动系统动态模型 转动惯量转动惯量三维建模软件一、传动系统动态模型一、传动系统动态模型 轴的扭转刚度轴的扭转刚度LGDLGIK324材料的剪切弹性模量； 轴的横截面极惯性矩， ； 轴的直径； 轴的长度。G32/4DI式中：DLI对于传动系的复杂轴段，常简化为阶梯轴或者套轴，按照刚度串联或者并联的方法求解。2.2.建模方法建模方法有限元分析软件材料力学公式4)模型参数确定3.3.缩减自由度的基本方法缩减自由度的基本方法1)1)双质量系统代替单质量系统

3、双质量系统代替单质量系统kkkeee11KeKJKe1kJkekJkkkkkJeeeJ1kkkkkJeeeJ111一、传动系统动态模型一、传动系统动态模型ke 为柔度，是扭转刚度的倒数2)2)单质量系统代替双质量系统单质量系统代替双质量系统 1kkkJJJkkkkk-eJJJe111kkkkkeJJJe1 1ke kJ ke1kJkekJ3.3.缩减自由度的基本方法缩减自由度的基本方法一、传动系统动态模型一、传动系统动态模型2J12e1J23e4J34e45e56e3J5J6J3.3.缩减自由度的基本方法缩减自由度的基本方法一、传动系统动态模型一、传动系统动态模型3)3)例例二、动态模型示例二

4、、动态模型示例TJ1J4JLJ2JT124LCLCHCRLM3J3C1C2C3BJeJeeM BeBCeBKT1KT1C23K23C4LK4LCLCDTB二、动态模型示例二、动态模型示例双离合器变速器结构简图二、动态模型示例二、动态模型示例使变速器相邻挡位的扭矩传递，分别受控于两个独立的使变速器相邻挡位的扭矩传递，分别受控于两个独立的离合器，这样可以实现动力不中断换挡。离合器，这样可以实现动力不中断换挡。二、动态模型示例二、动态模型示例二、动态模型示例二、动态模型示例222211112222111121ececfooocccoccccceeerFZTrFZTTTdtdJiTTdtdJiTTdt

5、dJTTTdtdJ222211112121ececfcccceeerFZTrFZTTTTdtdJTTTdtdJ（c c）制动器一齿圈构件）制动器一齿圈构件 （d d）行星架一输出轴构件）行星架一输出轴构件 （b b）涡轮一太阳齿轮构件）涡轮一太阳齿轮构件（a a）发动机泵轮构件）发动机泵轮构件KMMBT/sLTssTMMMdtdJJ-)(rLZrrMMMdtdJocccMMdtdJ行星排转速关系式：行星排转速关系式： 0)1 (crskk)1 (:1:kkMMMcrs行星排转矩关系式：行星排转矩关系式： BeeeMMdtdJ-52DngMBBB二、动态模型示例二、动态模型示例某两挡行星变速箱某

6、两挡行星变速箱一、换挡规律一、换挡规律1. 换挡规律概念换挡规律概念第二节第二节 传动系统的换挡控制和闭锁控制传动系统的换挡控制和闭锁控制p 相邻排挡之间自动换挡点的控制参数相邻排挡之间自动换挡点的控制参数( (车速车速、油门开油门开度度) )的变化规律，称为的变化规律，称为换挡规律换挡规律。p是自动换挡系统的基本特性。是自动换挡系统的基本特性。p是按照车辆动力性和经济性要求设计的。是按照车辆动力性和经济性要求设计的。 ECU ECU的作用就是按照换挡规律的要求，来进行换挡控的作用就是按照换挡规律的要求，来进行换挡控制的，按车速、油门中的一个或两个参数，根据设计要制的，按车速、油门中的一个或两

7、个参数，根据设计要求的换挡时刻自动换挡，才能保证车辆获得良好的动力求的换挡时刻自动换挡，才能保证车辆获得良好的动力性能和经济性能。性能和经济性能。 每一个自动换挡系统都有一个换挡规律，它的曲线形状取决每一个自动换挡系统都有一个换挡规律，它的曲线形状取决于车辆传动的要求于车辆传动的要求 ， 由自动换挡系统的结构和参数来实现。由自动换挡系统的结构和参数来实现。 升挡线升挡线降挡线降挡线降挡线降挡线升挡线升挡线一、换挡规律一、换挡规律自动换挡特性自动换挡特性 在 牵 引在 牵 引特性图上表特性图上表示出由换挡示出由换挡规律决定的规律决定的换挡点，这换挡点，这种图线称种图线称换换挡特性图。挡特性图。

8、一挡不同油门开度曲线一挡不同油门开度曲线 二挡不同油门开度曲线二挡不同油门开度曲线 FV二挡不同油门开度曲线二挡不同油门开度曲线 降挡曲线降挡曲线 升挡曲线升挡曲线 换挡特性是由牵引特性和换挡规律组合而成的。当牵引特性一定换挡特性是由牵引特性和换挡规律组合而成的。当牵引特性一定时，换挡规律对车辆动力性、经济性和使用性能有决定意义。时，换挡规律对车辆动力性、经济性和使用性能有决定意义。 一、换挡规律一、换挡规律换挡特性曲线换挡特性曲线 两种不同的换挡规律两种不同的换挡规律图中阴影区图中阴影区 ， 在后一在后一方案升挡时不能加以利方案升挡时不能加以利用 ， 即 在用 ， 即 在 1 1 2 2 ，

9、3344的车速范围内，的车速范围内，后一方案所得到的牵引后一方案所得到的牵引力较小力较小 。 影响车辆的加速性和爬坡能力影响车辆的加速性和爬坡能力 a2b2c2d2a2b2c2d2a1b1c1d1a1b1c1d1一、换挡规律一、换挡规律一、换挡规律一、换挡规律2.单参数换挡规律单参数换挡规律换挡重叠或换挡延迟换挡重叠或换挡延迟 1)换入新挡后不会因车速稍有变化而换入新挡后不会因车速稍有变化而重新换回原来的排挡，保证了换挡过程重新换回原来的排挡，保证了换挡过程的稳定性；的稳定性；不能实现驾驶员的干预换挡。经济性差，不能实现驾驶员的干预换挡。经济性差，实际中只有少数军用车辆上有所应用，实际中只有少

10、数军用车辆上有所应用，目的是减少换挡次数，发挥车辆动力性目的是减少换挡次数，发挥车辆动力性能。能。 降挡线降挡线升挡线升挡线2)有利于减少换挡循环，防止控制元有利于减少换挡循环，防止控制元件加速磨损与降低乘坐舒适性；件加速磨损与降低乘坐舒适性；3)变化换挡延迟可改变换挡规律。变化换挡延迟可改变换挡规律。一、换挡规律一、换挡规律2.双参数换挡规律双参数换挡规律等延迟型换挡规律等延迟型换挡规律：换挡延迟不随油门开：换挡延迟不随油门开度的变化而变化度的变化而变化1）油门开度不变，假设为）油门开度不变，假设为2车速达到车速达到 时，时，I挡自动升入挡自动升入II挡挡2v车速降到车速降到 时，时，II挡

11、自动换回挡自动换回I挡挡1v2）车速不变，假设为）车速不变，假设为1v行驶阻力减小，油门开度小于行驶阻力减小，油门开度小于 时，自动升入时，自动升入II挡挡1行驶阻力增加，油门开度大于行驶阻力增加，油门开度大于 时，自动换入时，自动换入I挡挡2干预换挡：松油门提前换高挡，猛踩油门强制换低挡干预换挡：松油门提前换高挡，猛踩油门强制换低挡降挡线降挡线升挡线升挡线驾驶员可干预，可提前换入高挡或提前降驾驶员可干预，可提前换入高挡或提前降到低挡，很大程度上改善了车辆的燃油经到低挡，很大程度上改善了车辆的燃油经济性。济性。一、换挡规律一、换挡规律2.双参数换挡规律双参数换挡规律发散型换挡规律发散型换挡规律

12、：换挡延迟随油门开度的：换挡延迟随油门开度的增大而增大，呈发散状分布，也称增延迟增大而增大，呈发散状分布，也称增延迟型换挡规律。型换挡规律。缺点：缺点：大油门降挡时的车速低，功率利用差，较适用大油门降挡时的车速低，功率利用差，较适用于后备功率大的轻型车辆。于后备功率大的轻型车辆。优点：优点：1）大油门时换挡延迟大，可减少换挡次数。）大油门时换挡延迟大，可减少换挡次数。2）大油门时，升挡车速高，接近最大功率点，）大油门时，升挡车速高，接近最大功率点，动力性好动力性好 。一、换挡规律一、换挡规律2.双参数换挡规律双参数换挡规律收敛型换挡规律收敛型换挡规律：换挡延迟随油门开度增：换挡延迟随油门开度增

13、大而减小，呈收敛状分布，也称减延迟型大而减小，呈收敛状分布，也称减延迟型换挡规律换挡规律 。发动机可以在较低转速下工作，燃油经济发动机可以在较低转速下工作，燃油经济性好、噪声低、行驶平稳舒适。该规律适性好、噪声低、行驶平稳舒适。该规律适合于比功率较低的货车。合于比功率较低的货车。1）在升降挡时都有较好的功率利用，动）在升降挡时都有较好的功率利用，动力性好。力性好。2）低速时，可以松油门提前换高挡，改）低速时，可以松油门提前换高挡，改善燃油经济性。善燃油经济性。3.其它换挡规律其它换挡规律 （a)a)组合型换挡规律组合型换挡规律 由两段或多段不同变化规律所组成的换挡规律，便于在不同油由两段或多段

14、不同变化规律所组成的换挡规律，便于在不同油门开度范围内得到不同的车辆性能。门开度范围内得到不同的车辆性能。 常见的组合型换挡规律：常见的组合型换挡规律：小油门开度以舒适、稳定及少污染为小油门开度以舒适、稳定及少污染为主主；大油门开度则以动力性能为主大油门开度则以动力性能为主；在中等油门开度下，首先要求；在中等油门开度下，首先要求很好的燃料经济性，其次要有满意的动力性能。很好的燃料经济性，其次要有满意的动力性能。（b b）多规律换挡控制）多规律换挡控制 并列有几种不同换挡规律的控制器，驾驶员改变选择开关，就并列有几种不同换挡规律的控制器，驾驶员改变选择开关，就可使同一变速箱改换用另一种换挡规律进

15、行控制。可使同一变速箱改换用另一种换挡规律进行控制。一、换挡规律一、换挡规律丰田小轿车换挡规律的特点丰田小轿车换挡规律的特点 （b b）升挡点的设计，考虑动力）升挡点的设计，考虑动力性和排放。各油门下升挡点都设性和排放。各油门下升挡点都设计在较高车速。计在较高车速。四挡变速箱四挡变速箱（a a）采用发散型的换挡规律，）采用发散型的换挡规律，在节气门全开和中等开度时，降在节气门全开和中等开度时，降挡速差都较大，大大减少换挡次挡速差都较大，大大减少换挡次数，有利于提高变速箱的耐久性，数，有利于提高变速箱的耐久性，且经济性也良好。且经济性也良好。一、换挡规律一、换挡规律（d d）合理使用超速挡。在大

16、于）合理使用超速挡。在大于85%85%油门开度以上，为了不使动油门开度以上，为了不使动力性能变坏，换挡规律规定不得力性能变坏，换挡规律规定不得升入超速挡。小于升入超速挡。小于25%25%油门开度油门开度时，换挡点车速较高些，减小排时，换挡点车速较高些，减小排放。其余中等开度，使用超速挡放。其余中等开度，使用超速挡节油。节油。（c c）设计了强制降挡，当油门）设计了强制降挡，当油门开度达开度达85-90%85-90%时，可以提前降入时，可以提前降入低挡，提高了降挡后的发动机转低挡，提高了降挡后的发动机转速，改善了降挡后的功率利用和速，改善了降挡后的功率利用和动力性。动力性。阿里逊阿里逊CLBT-

17、6061CLBT-6061重型车辆的换挡规律重型车辆的换挡规律 采用收敛型换挡规律。当油门全开时，采用收敛型换挡规律。当油门全开时，降挡速差最小，有利于得到优良的动力降挡速差最小，有利于得到优良的动力性能。在小油门开度时，降挡速差最大，性能。在小油门开度时，降挡速差最大，得到广泛的多挡重叠工作区，可以大大得到广泛的多挡重叠工作区，可以大大减少换挡次数，也有利于提高经济性。减少换挡次数，也有利于提高经济性。一、换挡规律一、换挡规律（2 2）换挡时变矩器的缓冲解锁。）换挡时变矩器的缓冲解锁。 （1 1）改善传动性能的闭、解锁。）改善传动性能的闭、解锁。二、闭锁规律二、闭锁规律1.变矩器的闭锁控制变

18、矩器的闭锁控制二、闭锁规律二、闭锁规律按涡轮转速按涡轮转速按车速按车速按挡位按挡位单参数控制单参数控制 一般把闭锁点设计在偶合器工况点附近，以保证得到较高的效一般把闭锁点设计在偶合器工况点附近，以保证得到较高的效率和牵引力。闭锁点应随油门开度而变，油门开度越小，闭锁点的率和牵引力。闭锁点应随油门开度而变，油门开度越小，闭锁点的转速则越低。转速则越低。 在闭锁点与解锁点之间，也要有一定的解锁速差，以免过于频在闭锁点与解锁点之间，也要有一定的解锁速差，以免过于频繁的闭锁一解锁循环。繁的闭锁一解锁循环。2.2.闭锁点的选择闭锁点的选择双参数控制双参数控制按转速比控制按转速比控制按涡轮转速和油门开度按

19、涡轮转速和油门开度按车速和油门开度按车速和油门开度1 1）按涡轮转速进行闭锁控制）按涡轮转速进行闭锁控制 这种控制方法只能在少部分油门开这种控制方法只能在少部分油门开度下保证有合理的动力性与经济性。度下保证有合理的动力性与经济性。只要涡轮转速只要涡轮转速达到某个固定不变的达到某个固定不变的数值数值时，变矩器就闭锁。时，变矩器就闭锁。闭锁工况的闭锁工况的工作区工作区Tn对于多挡变速器各挡均闭锁时，对于多挡变速器各挡均闭锁时，一般低挡闭锁一般低挡闭锁 较高较高，可以充分利用变矩器变矩性能，提高动力性；可以充分利用变矩器变矩性能，提高动力性；高挡闭锁高挡闭锁 较低较低，以便尽早闭锁，利用机械传动，提

20、高传动效率。，以便尽早闭锁，利用机械传动，提高传动效率。 Tn3. 单参数闭锁控制单参数闭锁控制Tn只要当只要当车速达到某一定值时车速达到某一定值时，就能实现变矩器闭锁。就能实现变矩器闭锁。闭锁工况的闭锁工况的工作区工作区 这可以避免低挡范围内这可以避免低挡范围内频繁闭锁，减少由此引起的频繁闭锁，减少由此引起的冲击和磨损。冲击和磨损。2 2）按车速进行闭锁控制）按车速进行闭锁控制 3. 单参数闭锁控制单参数闭锁控制3 3）按挡位进行闭锁控制）按挡位进行闭锁控制 只有只有在某些排挡范围内才能实现在某些排挡范围内才能实现闭锁闭锁，例如前进挡或高挡范围内才能，例如前进挡或高挡范围内才能闭锁，而在其它

21、排挡工作时，不论其闭锁，而在其它排挡工作时，不论其转速多大，都只能用液力工况工作。转速多大，都只能用液力工况工作。3. 单参数闭锁控制单参数闭锁控制 在油门全开时，可把闭锁在油门全开时，可把闭锁点设计在偶合器工况点附近，点设计在偶合器工况点附近，随着油门开度减小，闭锁点转随着油门开度减小，闭锁点转速也随之降低。显然，这种方速也随之降低。显然，这种方法只要设计得当，可以在很大法只要设计得当，可以在很大的油门开度范围内得到比较合的油门开度范围内得到比较合理的闭锁点。这种控制方法也理的闭锁点。这种控制方法也较简单。结构上易于实现。较简单。结构上易于实现。 闭锁工况的闭锁工况的工作区工作区1 1）按涡

22、轮转速和油门开度进行闭锁控制）按涡轮转速和油门开度进行闭锁控制 4. 双参数闭锁控制双参数闭锁控制Tn闭锁工况的闭锁工况的工作区工作区2 2）按车速和油门开度进行闭锁控制）按车速和油门开度进行闭锁控制 4. 双参数闭锁控制双参数闭锁控制油门开度一定时，只有当车速到油门开度一定时，只有当车速到达一定值才闭锁；并可以根据挡达一定值才闭锁；并可以根据挡位实现高挡闭锁而低挡不闭锁，位实现高挡闭锁而低挡不闭锁，是是目前轿车常用的控制目前轿车常用的控制。 每当每当传动比达到一定值传动比达到一定值时，实现时，实现闭锁。闭锁。闭锁工况的闭锁工况的工作区工作区这种控制原理比较合理，在各种油这种控制原理比较合理，

23、在各种油门开度下都可得到合理的效率及动门开度下都可得到合理的效率及动力性能。力性能。3 3）按变矩器的速比进行闭锁控制）按变矩器的速比进行闭锁控制 4. 双参数闭锁控制双参数闭锁控制Tn转矩相：在这种状态下，各构件之间只有转矩的转矩相：在这种状态下，各构件之间只有转矩的分配和变动，分配和变动，没有急剧的转速变化没有急剧的转速变化，因而忽略惯，因而忽略惯性的影响性的影响。 1.1.换挡过渡过程的两种状态：换挡过渡过程的两种状态：惯性相：在这种状态下，惯性相：在这种状态下，不仅有转矩的变动，同不仅有转矩的变动，同时伴有急剧的转速变化时伴有急剧的转速变化，因而惯性的影响不能忽，因而惯性的影响不能忽略

24、。略。 三、换挡过渡过程三、换挡过渡过程p 升挡过程升挡过程低挡低挡：A点以前点以前低挡转矩相低挡转矩相：A和和B点间点间惯性相惯性相：B和和C点间点间高挡阶段高挡阶段：C点以后点以后三、换挡过渡过程三、换挡过渡过程p 降挡过程降挡过程高挡：高挡：A点以前；点以前；高挡转矩相：高挡转矩相：A和和B点间；点间；惯性相：惯性相：B和和C点间；点间；低挡：低挡：C点以后。点以后。三、换挡过渡过程三、换挡过渡过程升挡过渡过程降挡过渡过程在惯性阶段的始末点（B、C），输出转矩出现较大的扰动，形成了影响过形成了影响过渡过程品质的转矩扰动。渡过程品质的转矩扰动。这种转矩扰动很大程度这种转矩扰动很大程度取决于

25、充、放油过程的取决于充、放油过程的油压特性油压特性。 总结：总结：三、换挡过渡过程三、换挡过渡过程（1 1）摩擦力矩的变化）摩擦力矩的变化ZFrTefc摩擦系数；摩擦系数；F F摩擦片压紧力；摩擦片压紧力；r re e作用半径；作用半径；Z Z摩擦副数。摩擦副数。油压特性油压特性转速差转速差转矩转矩离合器传递转矩的变化过程伴有一定的转矩扰动离合器传递转矩的变化过程伴有一定的转矩扰动2.2.换挡冲击分析换挡冲击分析三、换挡过渡过程三、换挡过渡过程（2 2）惯性能量的变化）惯性能量的变化 在换挡过程中，因旋转件转速的急剧变化，引发在换挡过程中，因旋转件转速的急剧变化，引发的惯性能量的变化产生的冲击。的惯性能量的变化产生的冲击。 旋转件惯量和车辆的质量愈大引发的冲击也就越旋转件惯量和车辆的质量愈大引发的冲击也就越大。大。 相邻挡速比比值愈大引发的冲击也就愈大。相邻挡速比比值愈大引发的冲击也就愈大。三、换挡过渡过程三、换挡过渡过程2.2.换挡冲击分析换挡冲击分析（3 3）换挡动作的时序）换挡动作的时序 多个换挡机构动作的时多