机械传动履带车辆起步加速过程仿真

邸建国

（大连理工大学机械工程学院，辽宁 大连 116024）

加速性能是衡量履带车辆作战能力的重要指标[1]。通常该指标的好坏，需要在完成实车道路试验之后才能评价。这样，不但周期长，成本高，而且容易在设计阶段遗漏较好的方案，得不到车辆最优性能。因此，在车辆设计阶段，就有必要根据设计参数，采用计算机仿真方法，对其性能进行预测，这样将大大提高设计效率，缩短设计时间，在性能方面也能得到最优结果[2]。

本文以某轻型机械传动履带车辆为研究对象，根据其动力传动系统（如图1所示）组成部件的工作原理或试验数据，建立了模块化仿真模型，并利用该模型对履带车辆起步加速过程进行了仿真分析。

图1 动力传动系统简图

1 发动机模型

该履带车辆发动机，采用全程调速柴油机，其工作过程复杂，动态过程难以用数学表达式来描述，因此采用试验测试的方法，测得其稳态特性，再利用试验测试结果将发动机简化为具有延迟的一阶惯量系统[3]。在稳态工况下，发动机输出转矩，是油门开度和转速的函数，即一个油门开度值和一个转速值，确定一个转矩值，对于非测试点的转矩值，可通过线性插值的方法得到。

2 传动系统部件模型

如图1所示，履带车辆机械传动系统主要由传动箱、主离合器、变速箱、侧减速器等部件构成。对于传动箱和侧减速器，本文只考虑传动比和传动效率，在传动系模型中为一比例常数，可将其考虑到其他部件模型中，故在此不再单独建立模型。

2.1 主离合器模型

主离合器主要在车辆起步和换挡过程中起作用，它依靠主动、从动片之间的摩擦力矩来传递动力，并通过分离与接合，来控制车辆动力传动系统的工作状态[4]。本文假设主离合器接合和分离是在瞬时完成的，且接合后滑摩过程中传递的摩擦力矩恒为主离合器最大摩擦力矩。主离合器滑摩过程的动力学方程可表示为：

式中，

Ie为主离合器主动部分转动惯量；

Ic为主离合器被动部分转动惯量；

ωe为主离合器主动部分角速度；

ωc为主离合器被动部分角速度；

Te为输入到主离合器主动部分的转矩；

Tc为换算到主离合器被动部分的阻力矩；

Tm为主离合器最大摩擦力矩。

当滑摩过程结束，即主离合器的主动和被动部分完全接合时，主离合器可被视为一传动轴，其传递转矩为发动机输出转矩。

2.2 变速箱模型

变速箱采用六档定轴式变速箱，假设变速箱内部各构件为刚性元件，转动惯量分别等效到输入、输出端，故它可简化为由换档机构控制的可变转矩和转速的变换器[5]。当变速箱置于某一档时，其动力学方程可表示为

式中，

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Tg为变速箱输出转矩；

Tb为变速箱输入转矩；

igi为变速箱第i档传动比；

ηgi为变速箱第i档传动效率；

nb为变速箱输入转速；

ng为变速箱输出转速。

2.3 换挡控制模型

2.4 车辆—地面系统模型

发动机输出转矩，经过传动系统传递到主动轮上，并通过履带与地面的相互作用形成车辆驱动力与行驶阻力关系，其动力学方程可表示为

式中，

Ft为车辆驱动力；

Ff为行驶总阻力；

δ为旋转质量增加系数；

m为车辆总质量；

v为行驶车速。

3 建模与仿真

根据以上分析，在MATLAB/Simulink仿真环境下，建立动力传动系统各部件模块化仿真模型，并依据车辆实际结构搭建整车仿真模型，如图2所示。

图2 动力传动系统仿真模型

3.1 仿真条件

已知履带车辆总质量、发动机不同油门开度下的性能特性、变速箱各档传动比及传动效率、主动轮半径、迎风面积等参数；设定发动机初始转速为1000 r/min，油门开度为100%，车辆在水平路面上直驶时等效地面阻力系数为0.04，不考虑履带滑转。

3.2 仿真结果

用所建模型对车辆1档起步加速过程进行仿真，图3～图6是仿真得到的发动机转速、主离合器主动和被动部分转速、车速及加速度随时间变化曲线。由图中曲线可知，车辆在起步时，由于负载作用，发动机转速有所下降，由1000 r/min降到750 r/min；在0.3 s时，主离合器主动和被动部分转速达到一致，即主离合器完全接合，此时发动机转速开始迅速增大；在1.6 s时，行驶车速达到换档车速，在延迟0.5 s后，变速箱档位由1档换为2档，由于换档时动力中断，因此在换档过程中车速有所下降，当换档完成后，车速逐渐增大；在3.9 s和6.4 s时，变速箱挡位分别换为3档和4档，车辆加速度值随着档位的升高而不断下降；车辆由1档起步加速到32 km/h的时间为8.9 s，与实车测试结果比较接近。

图3 发动机转速变化曲线

图4 主离合器主、被动部分转速变化曲线

图5 车速变化曲线

图6 加速度变化曲线

4 结束语

起步加速过程，是履带车辆的一个典型加速过程，本文根据履带车辆动力传动系统各部件工作原理或试验数据，建立了某轻型机械传动履带车辆起步加速过程性能仿真模型，通过仿真计算，得到了发动机转速、车速、加速度等参数的变化规律。仿真结果表明，该模型能够准确、有效地模拟履带车辆起步加速过程，在一定程度上可代替或减少复杂、昂贵的实车道路试验。

[1]毕小平，韩 树，马志雄，等.履带车辆加速性能和燃油消耗量的仿真模型[J].内燃机工程，2002，23(3)：1-4.

[2]骆清国，张永锋.机械传动车辆起步及连续加速过程性能仿真研究[J].车用发动机，2004，(2)：28-31.

[3]方志强，王红岩，王良曦.基于MATLAB/Simulink的履带车辆动力传动系统模块化建模与仿真[J].测试技术学报，2004，（18）：23-26.

[4]王玉海，宋 健，李兴坤.离合器动态过程建模与仿真[J].公路交通科技，2004，21(10)：121-125.

[5]杨世文，郑慕侨，闫清东，等.履带车辆动力传动系统仿真研究[J].车辆与动力技术，2003，(2)：1-5.