CarSim仿真快速入门(九)

扭矩通过液力变矩器或机械离合器从发动机传递到变速器。如果选择了液力变矩器，则特性表（ftr）给出了变矩器输出侧的转矩（Ttcout），它是作为速比（Stc）的函数的转矩比（Ttcout / Ttcin）乘以输入侧的扭矩T：

变矩器输入侧的扭矩(Ttcin)等于特性表（ftki）给出的发动机扭矩负载，它是反扭矩容量因子（1 / K）与速比的函数，（ Stc = wtco / we），乘以发动机角速度。

通常，变矩器的特征在于扭矩容量因子（K），但是，考虑到发动机制动，很难直接用K来描述模型，因为通常K趋向于无穷大，当 趋近于1时，因此，容量由1 /K的表描述为wtco/we。当wtco/we > 1时，假定K的符号为负，变速器上的扭矩从而施加了滞后作用，最终是车轮上的扭矩。如果使用锁止变矩器，则将机械离合器与此液压方程式平行应用。下一部分将对此进行说明。锁止时间表在“传输”部分中进行了描述。这些液压变矩器计算中涉及的上述参数和表格功能在图10的界面上使用以下描述的界面项目进行设置①变矩器容量与速度比的函数成反比（根关键字= INV_CAP_TC）。②转矩放大率与速度比的函数关系（根关键字= RM_TC）.③变矩器输入轴的旋转惯量（关键字= ITC_INPUT_SHAFT）④变矩器输出轴的旋转惯量（关键字= ITC_OUTPUT_SHAFT).

图10.变矩器界面

机械离合器

扭矩通过液力变矩器或机械离合器从发动机传递到变速器。在VehicleSim车辆模型中，液压变矩器上的机械离合器和锁止离合器采用相同的方程式。

离合器有两种状态：打滑或锁止。在这两种状态之间，用于计算扭矩和自由度的方程式是不同的。首先，通过以下操作条件来区分这些状态。

如果当前打滑则

If abs(Tclutch _ cap ) > abs(Tclutch _ lock ) AND (dwclutch*dwclutch_old )  abs(Tclutch_lock )

然后'保持锁止'也可'变为打滑'

其中dwclutch是离合器输入板和输出板之间的速度差（we-wtco），而dwclutch_old是从一个计算步骤开始的dclutch。 条件“(dwclutch_old x dwclutch) < 0.0”这一术语表示离合器的速度差反向到另一个方向。Tclutch_cap表示离合器的扭矩容量，由表函数定义为：

Clutch_displacement是来自驾驶员控制的输入值（0 – 1）。Tclutch_lock表示理论上计算出的锁止离合器上的扭矩负载，其值由下式计算

在等式16的当前锁定条件下，离合器扭矩容量乘以1.02的原因是，静态摩擦被认为比动态摩擦大2％。总体而言，当离合器打滑时，如果扭矩容量（Tclutch_cap）大于扭矩负载（Tclutch_lock），并且输入/输出离合器片之间的速度差反向至另一个方向，则离合器将被锁定。离合器锁定时，如果扭矩负载（Tclutch_lock）超过扭矩容量（Tclutch_cap）的2％以上，则离合器开始打滑。

当离合器打滑时

如果离合器打滑，则对发动机的反作用扭矩（Ttcin）和对变速器输入轴的扭矩（Ttcout）相同，例如

其中sign是第一项的符号（Tclutch_cap）取决于第二项（dwclutch）的符号函数。 如果dwclutch为正，则Ttcin 在这种情况下也为正。

离合器锁定时（去除发动机的自由度）

如果离合器被锁定，则将离合器扭矩与发动机扭矩相同，将发动机曲轴的自由度移除，并将离合器的两侧视为“一个单元”。因此，方程式9和10被忽略，发动机的角加速度和角速度被视为：

但是，仅当离合器锁定时，才会通过发动机惯性项来补偿用于绘图的离合器扭矩，例如：

Ttcout*还用于衡量变速箱，分动箱和差速器的行驶效率或滑行效率

图11.机械离合器的界面

用户设置

①复选框，用于使用离合器扭矩容量的一阶时间延迟（关键字= OPT_CLUTCH_DELAY）。选中后，将显示指定时间常数的其他数据字段（②和③）。如果未选中，则离合器扭矩会立即响应而不会延迟。

②离合器接合的动态时间常数(关键字= TC_CLUTCH_ENGAGE).③离合器分离的动态时间常数(关键字= TC_CLUTCH_DISENGAGE).④离合器输入轴的旋转惯量 (关键字 = ITC_INPUT_SHAFT).⑤离合器输出轴的旋转惯量 (关键字= ITC_OUTPUT_SHAFT).⑥表格数据，表示机械离合器根据控制可获得的最大扭矩（根关键字= CLUTCH_TORQUE）。当控制为1（或更大）时，离合器分离，从而在两个轴之间不传递扭矩。

图12. VehicleSim变速箱模型的示意图：齿轮变速箱（上图）和空档时断开（下图）

讨论

图12显示了变速箱的两种状态，上图为变速档（倒档，1档或更高的变速档），而底图为空档。当变速箱处于齿轮啮合状态时，它具有一个自由度，即变速箱的扭转力。另一方面，当变速器处于空档时，它具有额外的自由度，这就是扭矩传递装置输出轴的旋转。变速箱输出轴扭矩（Tg）由扭力弹簧减震器给定，例如:

整个传动系统的扭转刚度（Kdriveline）和阻尼系数（Ddriveline）由公式6给出。如下所述，关于变速箱的旋转和扭矩的其他方程式根据齿轮变速或空挡，或主离合器是否接合或分离（总共4种情况）而变化。

齿轮传动箱

当变速器带齿轮时，变速器齿轮比（Ntrans）与选定的齿轮号或无级变速相关。变速箱变速箱的输出扭矩（Tgrout）由扭矩传递装置的输出扭矩（Ttcout）、传动比和效率决定，取决于发动机是驱动车轮还是被车轮驱动，例如：

其中Etrans是引擎驱动车轮时的效率（乘）。另一方面，Etrans_rev是车轮驱动发动机时的效率（除法）。根据通过变速器的扭矩方向切换这两个效率。 变速箱输出速度给出如下:如果离合器打滑

或 (离合器锁止)

如果离合器处于锁定状态，则发动机、扭矩传递装置输出轴和变速箱都被视为一个单元 (Ttcout = Te).扭矩传递装置输出的角速度wtco由变速箱输出角速度wgrout乘以变速箱速比得出，例如:

扭矩传递装置输出的旋转角ftco由变速箱输出的旋转角fgrout,乘以变速箱速比得出，例如:

变速箱空挡

另一方面，如果变速箱处于空档（请参见图12的底部图），则变速箱的输出转速为：

此外，扭矩传递装置的输出轴具有独立的自由度。它的速度由下式给出：离合器处于打滑：

或 (离合器锁止)

在任何情况下（变速箱是齿轮传动还是空挡），变速箱输出旋转角均由下式给出：

变速箱的档位部分取决于变速箱的工作模式。该模式详细描述为在界面Control: Shifting (Closed Loop)中指定的时间的开环函数，当模式为-1时，将调用变速器的倒档。当模式为0时，变速器处于空档：其输出扭矩为零。模式1表示将变速箱确定为时间的开环函数，如界面控制：Control: Shifting (OpenLoop)。模式2至7使齿轮根据链接到变速箱界面的升档和降档时间表自动进行换档。此外，通过指定允许的最高档位来仿真18档的变速器。例如，如果模式为3，则永远不会访问高于3的档位。

图13所示的界面根据变速表的油门位置来确定升档边界，该表是根据变速表进行查询的。降档边界使用几乎相同的界面外，如果用户了带有锁止离合器的液力变矩器，则类似的界面定锁止和解锁控制时间表。表5总结了那些计划表界面。当变速箱速度超过指定水平或节气门位置下降到指定水平以下时，会升档。图14显示了一个示例升档图，其升档边界为3档至4档。在此图中，当前档位为0.6（60％），变速箱输出转速为2000 rpm，当前档位为3档。如果在保持相同的变速箱速度的情况下将油门位置减小到0.38以下，或者在保持相同的油门位置的情况下将变速箱的速度提高到2600 rpm以上，则会发生升档。当变速箱的速度降低到指定水平以下或节气门位置上升到指定水平以上时，就会降档。图15显示了一个示例降档图，其降档边界为4档至3档。在此图中，当前油门位置为0.6（60％），变速器输出转速为2000 rpm。如果将油门位置增加到0.82以上并保持相同的变速箱速度，或者如果变速箱的速度下降到1200 rpm以下并保持相同的油门位置，则将发生降档。

图13. 变速箱换挡界面

图 14. 升档示意图

图 15. 降档示意图

这些参数和表功能在图16所示的界面上定义，用户设置如下所述.该界面不涉及CVT设置的链接，该链接应与另一个界面“变速箱（扩展）”链接。

图16.变速箱界面

①用于选择外部或内部降档时间表的下拉列表（关键字= OPT_SHIFT_INTERNAL）。选择外部变速表②后，用于升档表和降档表的数据链接③被隐藏。②链接到Powertrain: UpshiftSchedule 数据集. 关联表的根关键字是UPSHIFT_TRANS（请参阅表5）③链接到Powertrain: DownshiftSchedule 数据集. 关联表的根关键字是DOWNSHIFT_TRANS（请参阅表5）④在自动变速器的变矩器中包括一个锁止离合器的复选框，选中该复选框会显示两个链接（⑤和⑥），以定义锁止离合器的锁止和解锁控制参数。同样，使用锁止离合器参数（⑦和⑧）。在主动力总成界面上链接了手动离合器时，必须取消选中此框

表5.变速和锁止离合器控制关键字摘要

⑤链接到Powertrain: LockupSchedule 数据集。关联表的根关键字是LOCK_AT（请参阅表5。）⑥链接到Powertrain: UnlockSchedule 数据集. 关联表的根关键字是UNLOCK_AT(see Table 5.)⑦锁止离合器的最大扭矩容量 (关键字 = M_LOCKUP_CLUTCH_CAP).⑧复选框，用于使用离合器扭矩容量的一阶时间延迟（关键字= OPT_CLUTCH_DELAY）。选中后，将显示额外的数据字段（⑨和⑩），它们指定时间常数。如果未选中，离合器扭矩将立即响应而不会延迟。

⑨离合器结合的动态时间常数 (关键字 = TC_CLUTCH_ENGAGE).⑩离合器脱离的动态时间常数 (关键字 = TC_CLUTCH_DISENGAGE)⑪用于选择外部或内部变速器传动比的下拉列表（关键字= OPT_TR_GEAR_INTERNAL）。⑫换档持续时间，即从一个齿轮切换到另一个齿轮的过渡时间，用于使用液压变矩器自动变速器（关键字= T_SHIFT）。 ⑬传动系齿轮比（关键字= R_GEAR_TR_REVERSE，R_GEAR_TR（IGEAR））。前进档必须为正，倒档必须为负。

⑭GVFVBWQB ITR_REVERSE，ITR_NEUTRAL，ITR（IGEAR））。所有值都应为正。对于前轮和后轮驱动，等效惯量是施加在相应差速器上的惯性负载。对于兼时和全时四轮驱动，等效惯性是分动箱上的惯性负载，并且驱动轴假定为零惯性.⑮每个档位的行驶和滑行效率（关键字= R_EFF_TR_F（IGEAR），R_EFF_TR_F_REVERSE，R_EFF_TR_R（IGEAR），R_EFF_TR_R_REVERSE）.

使用此界面（请参见图17）来指定最多18个齿轮的自动/手动变速器或无级变速器（CVT）的属性。但是，对于不超过18个齿轮的变速器，所有数学计算与上一节所述的计算相同。

图 17.变速箱界面(扩展版)

①用于指定传动齿轮类型的下拉列表（关键字= OPT_TR_GEAR_INTERNAL）。选择的选项确定直接显示在下面的传输类型：

最多18个齿轮：指定每个齿轮号的齿轮比，惯量和效率（在图17中选择此项），

无级变速器（CVT）：通过使用表格指定齿轮比，惯性和效率（有关更多详细信息，请参见下一节“无级变速器（CVT）ContinuouslyVariableTransmission (CVT), ”），以及

外部齿轮比：通过外部输入变量指定齿轮比，惯性和效率。

②齿轮数控制以定义变速箱中的档数（关键字= NGEARS）。数学模型将忽略任何涉及高于该数字的档位的参数，并且该界面上的所有控件都将被隐藏。③传动系齿轮比（关键字= R_GEAR_TR_REVERSE，R_GEAR_TR（IGEAR））。前进档必须为正，倒档必须为负.④传动系惯性（关键字= ITR_REVERSE，ITR_NEUTRAL，ITR（IGEAR））。所有值都应为正。对于前轮驱动和后轮驱动，等效惯性是相应差速器上施加的惯性负载。对于兼时和全时四轮驱动，等效惯性是分动箱上的惯性负载，并且驱动轴假定为零惯性.⑤每个档位的驱动效率（关键字= R_EFF_TR_F_REVERSE，R_EFF_TR_F（IGEAR））。当动力从变速器输入轴传递到输出轴时（在正常操作中，当发动机为车轮提供动力时），输入轴的扭矩乘以该系数（公式23）。它考虑了摩擦和其他损失。⑥每个齿轮的滑行效率（关键字= R_EFF_TR_R_REVERSE，R_EFF_TR_R（IGEAR））。当动力从变速器输出轴传递到输入轴时（当发动机提供制动效果时），输入轴的扭矩除以该系数（公式23）。它造成了摩擦和其他损失.⑦用于选择外部或内部换挡时刻的下拉列表（关键字= OPT_SHIFT_INTERNAL）。选择外部变速表后，将隐藏每个档的变速表的数据链接⑨。⑧换档持续时间（传统），这是使用液压变矩器（关键字= T_SHIFT）自动变速箱从一个档切换到另一档的过渡时间。 ⑨链接到动力总成：换挡序列数据集Powertrain: Shift Schedule。每个链接的数据集都提供了与链接相关的齿轮之间升档和降档的标准（请参见表6）。⑩在自动变速器的变矩器中包括一个锁止离合器复选框。选中该框会显示每个档的链接，以定义锁止离合器的锁定和解锁控制条件。在主动力总成界面上链接了手动离合器时，必须取消选中此框。⑪锁止离合器的最大扭矩容量（关键字= M_LOCKUP_CLUTCH_CAP）。⑫复选框，用于使用离合器扭矩容量的一阶时间延迟（关键字= OPT_CLUTCH_DELAY）。选中后，将显示额外的数据区域（⑬和⑬），它们指定时间常数。如果未选中，则离合器扭矩会立即响应而不会延迟。⑬接合离合器的动态时间常数（关键字= TC_CLUTCH_ENGAGE）。⑭离合器分离的动态时间常数 (关键字 = TC_CLUTCH_DISENGAGE).⑮ 链接到动力总成：AT离合器离合器结合时刻数据集。仅当选中上述框时，这些链接才可见。每个链接的数据集均提供了用于与该链接关联的齿轮接合和分离变矩器锁止离合器的标准（请参见表6）。

表6.换档和锁止离合器控制关键字总结（针对18个齿轮）

T_SHIFT_DOWN

UNLOCK_AT

当变速箱为无级变速（CVT）时，除变速比（Ntrans）作为连续变速比之外，大多数方程与前面小节中的齿轮传动情况下描述的方程（23-26）相同，均是油门位置和变速器输出速度的函数，例如：

公式中 Ntrans_inst 是不涉及任何时间延迟的即时传动比。应用于变速箱的实际传动比由一阶动态时间延迟表示，例如:

公式中Tc_cvt 是动态时间常数, Ntrans 针对每个数值计算时间步长进行集成和更新. 继而，传动效率（Etrans 和Etrans_rev）和传动惯性（Itrans）也随当前传动齿轮比的函数而连续变化。

公式中Icvt_input_pulley 和 Icvt_output_pulley CVT输入和输出轴的转动惯量。由于传动比会随时间变化，因此变速器输入的角加速度可以是：

变速箱输出速度为:如果离合器滑转

或(离合器锁止)

公式34与公式24相似，但包含一个附加项，它带有变速齿轮比的时间导数。如果变速箱齿轮比连续变化（时间可微分），例如CVT，则变速箱输出速度由公式34而不是公式24计算。在Powertrain:Transmission(Extended) 界面, 选择, Continuously variable transmission (CVT), 在下列列表①, 界面的外观会发生变化，如图18所示，以指定无级变速箱（CVT）的属性。

图18. CVT设置的变速箱外观（扩展）界面设置

①用于指定传动齿轮类型的下拉列表（关键字= OPT_TR_GEAR_INTERNAL）。选择的选项确定直接显示在其下方的传输类型:

最高到18个挡位:指定每个挡位速比、转动惯量和效率。

无级变速箱 (CVT): 使用表格(此项的设置在图18中)指定挡位速比、转动惯量和效率

外部的挡位速比: 通过外部输入变量，指定挡位速比、转动惯量和效率。

②扩展倒档的CVT设置复选框（关键字= OPT_CVT_REVERSE）。如果选中此框，则将隐藏变速比，惯性和倒车效率的常数值，这些值通过“动力总成：CVT齿轮比”的链接定义数据集Powertrain: CVT Gear Ratio（请参阅表7）。

③链接到Powertrain：CVT齿轮比数据集，然后链接到Powertrain：CVT效率数据集（请参阅表7）。④输入轮惯性（关键字= ICVT_INPUT_PULLEY）。⑤输出轮惯性(关键字= ICVT_OUTPUT_PULLEY)。⑥CVT动态时间常数 (关键字=TC_RGEAR_CVT)。

表7.无级变速比和效率控制关键字总结

R_EFF_CVT_R

VehicleSim求解器具有各种差速系统，可以分别在前，后和中央位置进行设置不同形式的差速器。表8总结了差速器系统类型。

表8.可用的差分系统

通常，粘性联轴器是指使用某些液压机构作为差速器系统一部分的对速度敏感的限滑差速器。该系统可以限制一个车轮打滑或驱动轴（4WD）一端打滑。粘性耦合通过扭矩差定义为速度差的非线性函数，使用表格。粘性耦合器可用于前，后和中央差速器。

图19：差速器上的离合器（前或后）

机械摩擦机制适用于前，后和中央差速器，如图19所示。离合器将扭矩从打滑侧传递到另一侧–因此，它可以限制一个车轮或驱动轴（4WD）一端打滑。通过离合器最大可用扭矩来定义，该扭矩是离合器控制位置的非线性函数，可通过简单的控制律或通过VS命令，Simulink或外部代码的外部信号进行控制。简单控制律采用输出转矩总和的非线性函数。因此，该系统可以充当扭矩感应滑差限制装置。它与限滑差速器（LSD）非常相似。

限滑差速器

限滑差速器（LSD）包含机械摩擦离合器，该离合器与差速离合器非常相似。通常，离合器由弹簧预加载以提供初始扭矩，该初始扭矩在一个车轮打滑时保持最小的牵引力。如图20所示，当输出扭矩的总和增加时，离合器的负载也会增加。预加载策略有两种：一种是预加载和增加负载的总和，另一种是预加载的最大值并增加负载。每条线的斜率是由以下公式定义的扭矩偏差比（TBR）：

在发动机制动的加速和减速期间，TBR可能有所不同–因此，针对每种情况分别定义了TBR。LSD特性的另一种表达形式是锁紧率（L.R.），由以下公式定义:

图20：扭矩偏置比（TBR）的定义

图21显示了使用锁定比率的LSD特性。如该图所示，当输出转矩的总和增加时，转矩差增大。

图21：锁定比率（L. R.）的定义

前后差速上的LSD用TBR表示，中心差速用L.R表示.

横摆控制差速器在差速器上并联使用两个离合器和减速齿轮，如图22所示。差速器的每个输出轴均通过扭矩反馈扭矩。减速器连接至离合器，该离合器从差速器的相反侧连接至输出轴。松开离合器后，反馈路径断开，系统用作正常的自由差速器。如果任一离合器已加载，扭矩就会从一侧传递到另一侧，从而绕过差速器。由于减速齿轮，两个轴被迫以不同的速度运转。因此，左侧或右侧离合器的选择性控制允许控制车辆的横摆运动。在分动箱上使用这种类型的系统可以控制前轮和后轮之间的扭矩分配。

图 22 横摆控制差速器

双离合系统可在前后轴上使用。该系统包括一个位于轮轴中间的变速箱以及每个车轮和变速箱之间的两个离合器，如图23所示。

图23：双离合器（前轴或后轴）差速器。

如果离合器断开（空转），则驱动扭矩不会传递到车轮上。离合器还可包括粘性效应，该粘性效应将扭矩传递到车轮，该扭矩由变速箱输出和车轮之间的速度差确定。通常，非全时四轮驱动的前轴或后轴采用双离合器系统，其分动箱可能一直被锁定，如图24所示。该系统本质上是前轮驱动车辆，后排的两个双离合器都是自由的。每当后排双离合器接合时，系统便成为非全时4WD。双离合器系统中的左右离合器可通过不同方式控制，以影响车辆的横摆运动。

图24：示例设置-非全时4轮驱动中的前LSD /后双离合器

在四轮驱动车型中，变速器输出扭矩通过分动器分配到前后驱动轴。从分动器到驱动轴的扭矩传递说明如下。

当分动箱锁定时，变速器输出轴角速度wg 由前后驱动轴的转速定义，例如：

变速箱输出轴旋转角f g由前后驱动轴的旋转角定义，例如：

前后驱动轴的扭矩分配如下。前驱动轴扭矩为:

公式Tlock_trcase 是由于前后桥的扭转而产生的扭矩，例如:

后驱动轴扭矩为:

当分动器未锁定时，变速器输出轴角速度wg由前后驱动轴的转速以及分动箱的传动比 Ntrcase定义，例如:

变速箱输出轴旋转角由前后驱动轴的旋转角和分动箱Ntrcase的齿轮比确定，例如:

前后的扭矩分配如下。前驱动轴扭矩为:

其中，Etrcase是发动机驱动车轮时分动箱的效率，而Etrcase_rev是车轮驱动发动机时分动箱的效率。表格函数ftrcase是前后之间的扭矩差，是速度差的函数。Tbias_to_rea是后轮的扭矩偏置，其值的范围在0到1之间。Tclutch_trcase是分动器离合器上的扭矩，这将在下一个小节中进行介绍。传递到后驱动轴的扭矩为:

Tclutch_trcase 机械离合器的扭矩, 在离合器锁止和打滑的情况下，通过不同的方程式计算得出。 首先，区分这些状态并根据以下操作条件切换到其他状态。

其中 dwclutch_trcase是前后驱动轴差 (wgF-wgR) 和 dwclutch_trcase_old 是 dwclutch_trcase上一步计算的结果。条件“（（dwclutch_trcase_old * dwclutch_trcase）