一种车辆动力传动系统模型仿真方法及系统

技术领域

本发明属于发动机仿真技术领域，涉及一种车辆动力传动系统模型仿真方法及系统。

背景技术

在农业机械领域，车辆主机厂大都还不具备足够的变速箱控制软件的正向开发能力，软件开发质量和效率非常低。目前，在建模与仿真阶段，缺乏对被控对象即车辆动力传动系统的精细建模和在环仿真；在软件测试阶段，依靠实际路试来查找问题和规律，既耗费时间、人力和物力，也给测试人员带来一定风险。

由于车辆变速箱具有软件功能复杂、作业工况恶劣的特点，因此在TCU软件架构设计和模块开发过程中无法及时发现其存在的缺陷，而且车辆的道路试验、田间试验等多种试验工况给整车测试标定带来很大难度，不利于软件快速更新迭代，提高了开发成本，加长了开发周期。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种车辆动力传动系统模型仿真方法及系统。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种车辆动力传动系统模型仿真方法，包括以下步骤：

S1：依次建立车辆发动机模型、动力换挡变速箱模型、同步器换挡变速箱模型和车辆整车动力模型；

S2：基于发动机模型获取发动机模型输出的动力参数，将获取的发动机模型动力参数分别输送至发动机模型和动力换挡变速箱模型中；

S3：基于动力换挡变速箱模型获取动力换挡变速箱输出的动力参数，将获取的动力换挡变速箱动力参数分别输送至发动机模型、动力换挡变速箱模型和同步器换挡变速箱模型；

S4：基于同步器换挡变速箱模型获取同步器换挡变速箱输出的动力参数，将获取的同步器换挡变速箱动力参数分别输送至动力换挡变速箱模型和车辆整车动力模型；

S5：基于车辆整车动力模型获取车辆实际车速，并将车辆实际车速输送至同步器换挡变速箱动力模型。

本发明的进一步改进在于：

所述步骤S1中，基于Simulink平台依次建立车辆发动机模型、动力换挡变速箱模型、同步器换挡变速箱模型和车辆整车动力模型。

所述步骤S2包括以下步骤：

启动发动机模型，获取发动机输出扭矩和输出转速，将发动机模型输出扭矩作为反馈信号输送会回发动机模型中；

将发动机输出转速和发动机输出扭矩输送至动力换挡变速箱模型中。

所述步骤S3包括以下步骤：

动力换挡变速箱模型包括动力换挡变速箱扭矩计算模型和转速计算模型；

将所述发动机输出转速和发动机输出扭矩输入至动力换挡变速箱扭矩计算模型中，获取动力换挡变速箱的输入扭矩和输出扭矩；

将动力换挡变速箱的输入扭矩输送至发动机模型中，将动力换挡变速箱的输出扭矩分别输送至动力换挡变速箱转速计算模型和同步器换变速箱模型中，基于动力换挡变速箱转速计算模型获取动力换挡变速箱的输出转速。

所述步骤S3包括以下步骤：

所述同步器换挡变速箱模型包括同步器换挡变速箱档位计算模型、同步器换挡变速箱扭矩计算模型和同步器换挡变速箱转速计算模型；

基于同步器换挡变速箱档位计算模型计算同步器换挡变速箱实际速比；

将同步器换挡变速箱的实际速比和动力换挡变速箱输出扭矩输送至同步器换挡变速箱扭矩计算模型中，获取同步器换挡变速箱的输入扭矩和输出扭矩；

将同步器换挡变速箱的输入扭矩输送至动力换挡变速箱转速计算模型中，将同步器换挡变速箱输出扭矩输送至车辆整车动力模型中；

基于同步器换挡变速箱转速计算模型获取同步器换挡变速箱输出转速。

所述步骤S4包括以下步骤：

所述车辆整车动力模型包括车辆加速力计算模型和车辆车速计算模型；

将同步器换挡变速箱输出扭矩输送至车辆加速力计算模型中，获取车辆加速力；

将车辆加速力输送至车辆车速计算模型中，获取车辆实际车速；

将车辆实际车速作为反馈信号输送回同步器换挡变速箱转速计算模型中。

所述步骤S5包括以下步骤：

计算发动机输出转速、动力换挡变速箱输出转速、同步器换挡变速箱输出转速和车辆实际车速是否满足变速箱预设的固定速比关系；

计算发动机输出扭矩和动力换挡变速箱输出扭矩是否满足变速箱预设的固定速比关系。

一种车辆动力传动系统模型仿真系统，包括模型构建模块、发动机参数计算模块、动力换挡变速箱动力参数计算模块、车辆整车动力参数计算模块和车辆动力系统预测模块；

模型构建模块，用于依次建立车辆发动机模型、动力换挡变速箱模型、同步器换挡变速箱模型和车辆整车动力模型；

发动机参数计算模块，用于基于发动机模型获取发动机模型输出的动力参数，将获取的发动机模型动力参数分别输送至发动机模型和动力换挡变速箱模型中；

动力换挡变速箱动力参数计算模块，基于动力换挡变速箱模型获取动力换挡变速箱输出的动力参数，将获取的动力换挡变速箱动力参数分别输送至发动机模型、动力换挡变速箱模型和同步器换挡变速箱模型；

同步器换挡变速箱动力参数计算模块，用于基于同步器换挡变速箱模型获取同步器换挡变速箱输出的动力参数，将获取的同步器换挡变速箱动力参数分别输送至动力换挡变速箱模型和车辆整车动力模型；

车辆整车动力参数计算模块，基于车辆整车动力模型获取车辆实际车速，并将车辆实际车速输送至同步器换挡变速箱动力模型。

一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明任一项所述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明任一项所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种车辆动力传动系统模型仿真方法，建立车辆整车动力传动系统，每个模型不仅符合车辆整车相关模块的实际物理特征，还可以针对各个模型独立地进行单元测试和实时监测，各个模型输出的动力数据可以相互协同参与计算，也作为输入数据反馈至自身，不断输出实时测量数据，本发明公开的模型实现了动力参数的闭环传输计算，使实时仿真平台同时具有车辆整车的稳态和动态特性，从整车角度和动力链各个环节均可以进行车辆运行过程的数据采集测试，在对变速箱标定之前及时发现动力系统存在的问题，也为后期变速箱的优化提供理论数据依据，本发明公开的方法提升了车辆变速箱控制软件的开发和测试效率，加快产品开发进程，降低测试成本和风险。

进一步的，本发明基于Simulink平台构建各模型，可以根据车辆的实际参数构建各模型，平台与各模型之间的兼容性高，模型之间可以进行闭环测试，模型的输入参数可以根据需求配置，模型易于调整优化，提高了模型测试的精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明车辆动力传动系统的结构简图；

图2为本发明车辆动力传动系统仿真模型的示意图；

图3为本发明车辆动力传动系统仿真模型中发动机模型的示意图；

图4为本发明车辆动力传动系统仿真模型中动力换挡变速箱模型的示意图；

图5为本发明车辆动力传动系统仿真模型中同步器换挡变速箱模型的示意图；

图6为本发明车辆动力传动系统仿真模型中车辆整车动力学模型的示意图。

图7为本发明公开实施例的个动力参数数据测试图，(其中，a为发动机输出扭矩；b为发动机目标转速；c为动力换挡变速箱电磁阀电流；d为同步器换挡变速箱电磁阀电流；e为同步器换挡变速箱输出转速；f为动力换挡变速箱输出扭矩；g为发动机输出转速；h为动力换挡变速箱输出转速；i同步器换挡变速器电磁阀电流；j为车辆实际车速)

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明实施例公开了一种车辆动力传动系统模型仿真方法，在MATLAB/Simulink环境下，搭建精确可靠的车辆动力传动系统实时仿真平台，从整车角度和动力链各个环节进行车辆运行过程的原理分析，结合变速箱控制软件进行MIL测试，一方面，可以充分仿真验证TCU软件的控制逻辑和时序，在变速箱上车标定之前尽早地发现并解决软件中的问题，另一方面，通过监测车辆整机工作性能和表现，可以对变速箱控制时序和控制效果进行初步考量和评价，为车辆变速箱换挡策略的更新优化提供理论依据。这大大提升了车辆变速箱控制软件的开发和测试效率，加快产品开发进程，降低测试成本和风险。

本发明包括以下步骤：

步骤1：依次建立车辆发动机模型、动力换挡变速箱模型、同步器换挡变速箱模型和车辆整车动力模型；

步骤2：基于发动机模型获取发动机模型输出的动力参数，将获取的发动机模型动力参数分别输送至发动机模型和动力换挡变速箱模型中，具体过程如下：

参见图3，该发动机模型由4个子模型组成，分别为：起动电机模型、ECU控制器模型、发动机扭矩控制模型和发动机转速计算模型。

其中，起动电机模型用来模拟发动机的点火启动过程：

输入信号为车辆钥匙状态；输出信号有：起动电机输出扭矩T

ECU控制器模型用来实现发动机转速控制：

例如：整车点火启动后通过PI反馈控制将发动机转速调节到怠速，在换挡控制过程中响应变速箱TCU发出的转速请求，等等。输入信号有：车辆钥匙状态、发动机目标转速、发动机输出转速、驾驶员请求油门开度；输出信号为ECU请求油门开度。

发动机扭矩控制模型基于发动机外特性曲线插值查表得到发动机输出扭矩。输入信号有：发动机输出转速、ECU请求油门开度；输出信号有：发动机有效扭矩、发动机摩擦扭矩和发动机输出扭矩。

发动机转速计算模型通过构建动力学方程得到发动机输出转速：

输入信号有：发动机输出扭矩T

n

步骤3：基于动力换挡变速箱模型获取动力换挡变速箱输出的动力参数，将获取的动力换挡变速箱动力参数分别输送至发动机模型、动力换挡变速箱模型和同步器换挡变速箱模型，具体过程如下：

参见图4，该动力换挡变速箱模型包括两个子模型，分别为：动力换挡变速箱扭矩计算模型和动力换挡变速箱转速计算模型。

动力换挡变速箱扭矩计算模型具有湿式离合器传递扭矩计算功能；

输入信号有：发动机输出扭矩T

输出信号有：动力换挡变速箱输入扭矩T

式中，T

动力换挡变速箱转速计算模型通过构建动力学方程得到动力换挡变速箱输出转速；

输入信号有：动力换挡变速箱输出扭矩T

输出信号为动力换挡变速箱输出转速n

n

步骤4：基于同步器换挡变速箱模型获取同步器换挡变速箱输出的动力参数，将获取的同步器换挡变速箱动力参数分别输送至动力换挡变速箱模型和车辆整车动力模型；

参见图5，该同步器换挡变速箱模型包括3个子模型，分别为：同步器换挡变速箱挡位计算模型、同步器换挡变速箱扭矩计算模型和同步器换挡变速箱转速计算模型。

同步器换挡变速箱挡位计算模型基于流体力学模型通过电磁阀电流得到拨叉位置，再进一步计算出实际挡位，根据实际挡位查表得到实际速比。

输入信号有：变速箱系统油温、变速箱系统油压、同步器换挡变速箱电磁阀电流；输出信号有：同步器换挡变速箱实际挡位、同步器换挡变速箱实际速比g

同步器换挡变速箱扭矩计算模型用来实现输入和输出的扭矩计算；

输入信号有：同步器换挡变速箱实际速比g

同步器换挡变速箱转速计算模型用来实现输出的转速计算。

输入信号有：车辆实际车速V

n

步骤5：基于车辆整车动力模型获取车辆实际车速，并将车辆实际车速输送至同步器换挡变速箱动力模型；

参见图6，该车辆整车动力模型包括2个子模型，分别为：车辆加速力计算模型和车辆车速计算模型。

车辆加速力计算模型先计算车辆受到的各种阻力，再计算车辆的加速力。

输入信号有：同步器换挡变速箱输出扭矩T

车辆受到的阻力由四个部分组成，分别为空气阻力F

F

F

车辆车速计算模型具有车速计算功能；

输入信号有：车辆加速力F

V

步骤6：基于步骤2-步骤5分别获取的动力参数，预测车辆动力传动系统是否满足预设标准。

在将车辆动力传动系统仿真模型与TCU软件控制模型联合起来执行闭环测试时，可以实时监测并记录车辆动力传动系统仿真模型中各个模块的输入输出信号，通过对这些信号进行回看评估，来进一步修改优化TCU控制软件模型，具体操作包括以下几个步骤：

(1)计算发动机输出转速、动力换挡变速箱输出转速、同步器换挡变速箱输出转速、车辆实际车速是否满足变速箱机械设计上的固定速比关系；

(2)计算发动机输出扭矩和动力换挡变速箱输出扭矩是否满足变速箱机械设计上的固定速比关系；

(3)观察发动机输出转速和车辆实际车速是否出现明显波动，如果发动机掉转速或者车速有较大震荡，说明存在换挡冲击、控制效果较差，此时需要对TCU软件控制模型进行修改优化。

本发明公开的方法构建的发动机模型、动力换挡变速箱模型、同步器换挡变速箱模型、车辆整车动力学模型都引入真实机械参数，每个模型不仅符合车辆整车相关模块的实际物理特征，还可以针对各个模型独立地进行单元测试和实时监测，也能扩展应用于其他结构的车辆动力传动系统仿真模型，灵活性强、复用性高。

在仿真计算中，动力换挡变速箱模型输出的动力换挡变速箱输入扭矩作为反馈信号输入给发动机模型；同步器换挡变速箱模型输出的同步器换挡变速箱输入扭矩作为反馈信号输入给动力换挡变速箱模型；发动机模型输出的发动机输出转速作为反馈信号输入给自身；动力换挡变速箱模型输出的动力换挡变速箱输出转速作为反馈信号输入给自身；车辆整车动力学模型输出的车辆实际车速作为反馈信号输入给自身和同步器换挡变速箱模型。

基于此原理，车辆动力传动系统仿真模型实现了扭矩闭环和转速闭环，使实时仿真平台同时具有车辆整车的稳态和动态特性。

在动力换挡变速箱模块中，湿式离合器传递扭矩的计算采用三段式，充分考虑离合器运行工况存在的三种状态，即打开状态、滑摩状态和闭锁状态。基于分段式计算方法进行精细建模，不论离合器处于哪个控制阶段(完全脱开阶段、充油准备阶段、扭矩交替阶段、转速同步阶段、完全接合阶段)，也不论TCU软件的控制时序和策略是否变化，都可以进行湿式离合器传扭能力的准确计算。

本发明公开了一具体应用在拖拉机车辆上的实施例：

参见图7，公开的测试案例为车辆起步，联合仿真测试过程中，TCU软件控制模型输出发动机目标转速、动力换挡变速箱电磁阀1、电磁阀2电流，同步器换挡变速箱电磁阀1、电磁阀2、电磁阀3、电磁阀4电流等信号给到车辆动力传动系统仿真模型，车辆动力传动系统仿真模型输出发动机输出扭矩、发动机输出转速、动力换挡变速箱输出扭矩、动力换挡变速箱输出转速、同步器换挡变速箱输出转速、车辆实际车速等信号。待车辆起步前进跑起来，测试案例运行完成，Simulink实时监测并记录这些数据，并对数据并进行验算和评估。

(1)获取的发动机输出转速为1000rpm、动力换挡变速箱输出转速为-866.2rpm、同步器换挡变速箱输出转速为205.2rpm和车辆实际车速为1.92km/h

其中，将发动机输出转速与动力换挡变速箱输出转速作除法得到速比数值为-1.154；

将动力换挡变速箱输出转速与同步器换挡变速箱输出转速作除法得到速比数值为-4.22；

以上计算得到的速比均满足变速箱起步挡位的机械设计状态。

同样地，发动机转速1000rpm时在起步挡位下车辆车速为1.92km/h也符合机械设计状态。

(2)同时获取动力换挡变速箱输出扭矩为-666.1Nm、发动机输出扭矩为577Nm，将二者作除法得到速比数值为-1.154，满足变速箱起步挡位的机械设计状态。

(3)在起步过程中TCU软件对动力换挡变速箱离合器的控制效果通过图7a和图7j综合评估，图7a发动机输出转速在第13.2s到18.2s之间略有下降，测量得到转速“凹陷”的最大幅度为52rpm，图7j车辆实际车速上升平稳，没有明显抖动震荡，因此可以认为变速箱TCU软件在车辆起步时的控制效果是较好的。

本发明实施例建立的模型是基于Simulink平台搭建的，目前在变速箱控制领域，现有的常规技术手段大多使用AMEsim或Simscape等工具搭建整车物理仿真模型。其中AMEsim与Simulink联合仿真时弊端较多，主要体现在：(1)前期需要经过复杂的环境变量配置和软件设置，(2)Simulink对AMEsim的软件版本有诸多限制，(3)不支持编译生成C代码。Simscape工具的缺点表现在：(1)由于Simscape和Simulink属于不同的库，因此元件之间的数据交换需要进行类型转换，即物理信号和Simulink信号之间的互相转化，(2)使用Simscape工具搭建的仿真模型需要一个求解器才能启动仿真，若求解器的配置与控制系统不相适应或不匹配会导致系统仿真时间延长或者是报错甚至无法仿真。

本发明实施例构建的模型中所有信号均为Simulink信号，使用时不涉及物理信号和Simulink信号之间的转化。因为变速箱嵌入式软件的控制模型同样是在Simulink环境下开发的，所以将车辆动力传动系统仿真模型与TCU软件控制模型联合使用进行闭环测试时，二者具有高度兼容性并且参数可配置，当变速箱机械设计发生更改时该仿真模型易于调整优化。另外，该仿真模型支持生成C代码，可以将模型部署到其他仿真环境，例如硬件在环(HIL)系统。

本发明实施例公开的仿真方法可以应用在拖拉机等多种不同车辆上。

一种车辆动力传动系统模型仿真系统，包括模型构建模块、发动机参数计算模块、动力换挡变速箱动力参数计算模块、车辆整车动力参数计算模块和车辆动力系统预测模块；

模型构建模块，用于依次建立车辆发动机模型、动力换挡变速箱模型、同步器换挡变速箱模型和车辆整车动力模型；

发动机参数计算模块，用于基于发动机模型获取发动机模型输出的动力参数，将获取的发动机模型动力参数分别输送至发动机模型和动力换挡变速箱模型中；

动力换挡变速箱动力参数计算模块，基于动力换挡变速箱模型获取动力换挡变速箱输出的动力参数，将获取的动力换挡变速箱动力参数分别输送至发动机模型、动力换挡变速箱模型和同步器换挡变速箱模型；

同步器换挡变速箱动力参数计算模块，用于基于同步器换挡变速箱模型获取同步器换挡变速箱输出的动力参数，将获取的同步器换挡变速箱动力参数分别输送至动力换挡变速箱模型和车辆整车动力模型；

车辆整车动力参数计算模块，基于车辆整车动力模型获取车辆实际车速，并将车辆实际车速输送至同步器换挡变速箱动力模型；

车辆动力系统预测模块，基于步骤2-步骤5分别获取的动力参数，预测车辆动力传动系统是否满足预设标准。

本发明一实施例提供的终端设备的示意图。该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。

所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。

所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。

所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。

所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。