基于ADAMS和MATLAB的电动汽车两档变速器的联合仿真

孙 骏，张海宁

（合肥工业大学 机械工程学院，合肥 230009）

基于ADAMS和MATLAB的电动汽车两档变速器的联合仿真

孙 骏，张海宁

（合肥工业大学 机械工程学院，合肥 230009）

本文通过对某电动汽车两档变速器的动力系统在ADAMS中建立虚拟样机，将此模型导入MATLAB/Simulink模块里进行联合仿真，对汽车的加速性能进行了研究。仿真结果表明，ADAMS虚拟样机模型基本与实际情况相符，可为变速器的设计提供依据。联合仿真的方法也能大大缩短变速器设计周期和减低设计成本，提高产品的竞争力。

变速器；虚拟样机模型；联合仿真

1 前言

ADAMS，即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。在汽车变速器动力系统设计中，根据变速器的结构特性在ADAMS/View模块中搭建三维模型，通过添加各种约束限制构建之间的相对运动，建立变速器的动力学虚拟样机模型。

利用MATLAB/Simulink模块组建电动汽车整车简化模型，通过对该模型仿真，观察变速器的运动规律及整车的动力性能，并结合绘制的速度曲线对仿真结果进行分析，进一步解决仿真过程中出现的问题。

2 ADAMS动力学虚拟样机模型的建立

某电动汽车两档变速器示意图如图1所示。

根据上图所示，利用UG进行三维建模，将三维模型导入ADAMS建立如图2所示的变速器ADAMS动力学虚拟样机模型，并添加约束，设置输入输出变量，再生成adams_sub。

3 简化整车模型的建立

3.1 简化电机模型

电机模型复杂，由于条件限制，本文对电机模型进行了适当简化。由于电机的特性曲线是根据电机台架试验的试验数据，经过适当处理所得，表征电机运行状态及运行性能。电机的特性曲线是电机转速和输出转矩的函数，本文采用电机特性曲线建立look—up图，电机的模型如图3。

3.2 车辆行驶动力学简化模型

建立汽车的动力学简化模型，就是确定汽车沿着行驶方向的运动状况。为此需要掌握沿汽车行驶方向作用于汽车的各种外力，即驱动力与行驶阻力。根据这些力的平衡关系建立汽车行驶方程式，就可以估算汽车的速度和加速度。

汽车驱动力方程为：

式中：Ttq为电机输出转矩，N.m；ig为变速器的传动比；iO为 主减速器的传动比；ηT为传动系的机械效率；R为车轮半径，m。汽车在水平道路上行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力。当汽车在坡道上上坡行驶时，还必须克服重力沿坡道的分力，称为坡道阻力。汽车加速行驶时还要克服加速阻力。因此汽车行驶总阻力为：

滚动阻力的计算公式为：

在良好的路面上轿车轮胎的滚动阻力系数可以用下面的经验公式估算出来：

空气阻力的计算公式为：

式中：CD为空气阻力系数；A为汽车的迎风面积，m2。坡道阻力的计算公式为：

加速阻力的计算公式为：

式中：δ为旋转质量惯性力偶矩后的汽车旋转质量换算系数，主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关系，考虑到由于旋转组件角动量等效质量的增加，轿车可按照以下经验公式计算δ：

本文建立的车辆行驶动力学简化模型如图4所示。

3.3 简化整车模型

将上面所建立的电机模型、ADAMS动力学虚拟样机生成的adams_sub模型、车辆行驶动力学模型连接起来，形成简化整车模型如图5所示。

4 联合仿真及结果分析

利用上面建立的简化整车模型，设置仿真参数对上述模型进行运动学仿真。在联合仿真过程中，应该使Simulink的仿真步长一致，否则会导致仿真失败，这里同时设为1 ms。

4.1 直线加速性能对比

加速性能仿真，仿真时间20 s，取加速踏板信号为1，仿真结果如图6。

表1 不同档位传动比情况

如图6所示，装配两档变速器的汽车在加速踏板信号为1的情况下，汽车全力加速至60 km/ h用时9.8秒，而采用固定速比传动系统整车0~60 km/h加速时间为12.2 s，可见采用两档变速器汽车加速性能有明显提升；汽车在车速30 km/h由一档换入二档，换挡时间约为0.5 s，速度稍有降低是因为换挡过程中动力中断的原因。根据图7所示输出轴转速，以及输入轴转速可以计算出所建立的ADAMS变速器模型在两个档位下的传动比，表1是ADAMS变速器模型的传动比与实际档位传动比的对比。由表1中数值可看出差值很小，这说明ADAMS模型是比较准确的。

4.2 换挡时刻对加速性能的影响

车辆保持最佳动力性换挡原理如图8所示。曲线BAB和CAC分别是变速器一档和二档的牵引力特性曲线，A点为两档牵引力曲线的交点，由图可以看出在这点两档对应车速和牵引力都相等。由此可见，在A点出换挡牵引力波动最小，换挡冲击最小，车辆加速波动最小，汽车的加速性能最好，A点为最佳换挡点。

分别设置换挡点为VA、VB、VC进行仿真，仿真结果如图9所示。换挡点在VA时汽车加速至60 km/h用时9.8 s，换挡点在VB时汽车加速至60 km/h用时10.4 s，换挡点在Vc时汽车加速至60 km/h用时11.2 s。可见，在最佳换挡点VA换挡有利于提高汽车加速性能。

5 结论

采用两档变速器取代常用的固定速比传动系统后，整车的动力性能以及整车的运行效率有明显改善，并且降低了对电动机的要求。此外，本文利用ADAMS和MATLAB软件成功地对某电动汽车两档变速器动力系统进行了联合仿真分析，仿真结果表明，ADAMS虚拟样机模型基本与实际情况相符，提供了一种综合性的设计分析方法。对变速器虚拟样机模型、电机模型和车辆行驶力学模型进行独立的设计、调试和联合仿真，如果发现问题回到各自的模型中修改，然后再联合仿真，而且通过ADAMS软件建立的虚拟样机模型接近实际的物理模型，通过MATLAB软件加以分析计算，这为以后的物理样机试验提供了非常可靠地依据，大大提高了设计效率，缩短了开发周期，降低了开发产品的成本，获得了优化的系统整体性能。

[1]陈无畏,时陪成,高立新,等.ADAMS和MATLAB的EPS和整车系统的联合仿真[J].农业机械学报,2007,38(2):21-25.

[2]廖衔,赵韩,张炳力.基于ADAMS和MATLAB的自动变速器联合仿真[J].汽车科技,2010,2:40-42.

[3]余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2011.

[4]黄伟,王耀南,冯坤,张军.纯电动汽车两档自动变速器研究开发[J].汽车技术,2011(10):17-20.

[5]王望予.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2011.

[6]李华,樊炳辉,刘强.ADAMS和MATLAB联合仿真研究[J].科技资讯,2007(9)：152.

[7]童毅,鹿笑冬,欧阳明高.面向汽车动力系统控制的传动系统模型简化与分析[J].汽车工程,2002,24(5):380-383.

[8]廖衔.汽车自动变速器虚拟样机与控制系统的联合仿真研究[D].硕士学位论文,合肥工业大学,2010.

[9]姬芬竹,高峰,周荣.纯电动汽车传动系参数匹配的研究[J].汽车科技，2005(6):22-24.

专家推荐

邓祖国：

本文利用ADAMS和MATLAB软件成功地对某电动汽车两档变速器动力系统进行了联合仿真分析，仿真结果表明，ADAMS虚拟样机模型基本与实际情况相符,提供了一种综合性的设计分析方法。

Co-simulation of Two Speed Transmission Virtual Prototype Base on ADAMS and MATLAB

SUN Jun, ZHANG Hai-ning
（School of Mechanical and Vehicle Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China）

A virtual prototype model about one transmission dynamic system was established by using ADAMS/View, then the model was imported to MATLAB and co-simulation was completed in MATLAB/Simulink and the acceleration of vehicle performance is studied.The simulation results showed that the ADAMS virtual prototype model of transmission was in accord with real situation and provided the basis for the design of the transmission.And the co-simulation of transmission greatly shortened the product cycle and reduced the cost and improved the competitiveness of the product.

transmission; virtual prototype model; co-simulation

U461.2

A

1005-2550（2014）05-0012-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2014.05.003

2014-03-10

项目名称：奇瑞A01纯电驱动量产车型开发与产业化技术；国家863计划资助项目（项目编号：2013BAG08B00）。