PAGE29電動(dòng)汽車掛擋過程仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u18577電動(dòng)汽車掛擋過程仿真分析案例 1232521.1接合套同步過程仿真模型建立 1202631.2接合套與接合齒圈轉(zhuǎn)速差對(duì)沖擊影響分析 287741.3接合套軸向速度對(duì)沖擊影響分析 3174931.4接合套控制策略仿真驗(yàn)證與控制方式優(yōu)化 51.1接合套同步過程仿真模型建立本文以建立了接合套與接合齒圈嚙合過程的AMESIM仿真模型如圖2-6所示。圖2-6接合套運(yùn)動(dòng)過程仿真模型為分析接合套運(yùn)動(dòng)過程，設(shè)置碰撞前接合套與接合齒圈轉(zhuǎn)速差為20rpm，碰撞前接合套套軸向速度為0.2m/s，得到仿真結(jié)果如圖2-7所示圖2-7接合套運(yùn)動(dòng)過程仿真結(jié)果從仿真結(jié)果可以看出，接合套與接合齒圈在接合套位移5.5mm后發(fā)生第一次碰撞，碰撞過后，由接合套的接觸力可以看到，接合套與接合齒圈發(fā)生短暫脫離，兩者轉(zhuǎn)速差通過碰撞大大減?。浑S后由接合套位移曲線可以看到，接合套在換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下繼續(xù)軸向移動(dòng)，進(jìn)入接合套與接合齒圈齒面摩擦階段，由于接合套軸向速度和齒面角度的存在，在齒面摩擦階段結(jié)束后，使得倆者轉(zhuǎn)速差增高，在0.38s時(shí)接合套與接合齒圈發(fā)生了第二次碰撞即二次沖擊，隨后，接合套通過換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下逐漸進(jìn)入擋位，完成掛擋?？梢钥闯鰭鞊鯖_擊主要由接合套首次與第二次沖擊引起，故為研究如何降低換擋沖擊，下面繼續(xù)對(duì)影響接合套與接合齒圈碰撞過程的因素進(jìn)行仿真分析。1.2接合套與接合齒圈轉(zhuǎn)速差對(duì)沖擊影響分析根據(jù)對(duì)接合套運(yùn)動(dòng)過程的詳盡分析可知，接合套與接合齒圈在階段二碰撞前的轉(zhuǎn)速差對(duì)兩者發(fā)生的碰撞過程產(chǎn)生影響從而影響換擋沖擊，故對(duì)接合套與接合齒圈的轉(zhuǎn)速差不同時(shí)對(duì)換擋沖擊的影響做仿真分析。遂以碰撞前接合套軸向速度固定為0.02m/s，分別以兩者轉(zhuǎn)速差20,rpm，40rpm，60rpm進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果如圖2-8,2-9所示。圖2-8轉(zhuǎn)速差不同時(shí)接合套位移結(jié)果圖2-9轉(zhuǎn)速差不同時(shí)碰撞接觸力結(jié)果由掛擋過程的碰撞接觸力仿真結(jié)果可以看出，在接合套與接合齒圈轉(zhuǎn)速差在20-60rpm范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速差的減小，階段二發(fā)生的接合套與接合齒圈的碰撞接觸力降低；由掛擋過程接合套位移的仿真結(jié)果可以看出，隨著轉(zhuǎn)速差的減小，接合套從與接合齒圈發(fā)生碰撞到最終達(dá)到入檔位置的時(shí)間逐漸降低；由轉(zhuǎn)速差為0rpm時(shí)的仿真結(jié)果可以看出，相比轉(zhuǎn)速差為20rpm時(shí)過小的轉(zhuǎn)速差并沒有繼續(xù)降低接觸力，故轉(zhuǎn)速差不宜過小。綜上可以得出，接合套與接合齒圈的轉(zhuǎn)速差應(yīng)保持在較小的范圍20rpm左右以降低掛擋沖擊，而由第一小節(jié)對(duì)AMT換擋過程中的調(diào)速過程分析可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制決定著掛擋時(shí)接合套與接合齒圈的轉(zhuǎn)速差，而調(diào)速過程由于存在控制器之間的通訊延遲而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速控制效果較差，引起接合套與接合齒圈轉(zhuǎn)速差的不穩(wěn)定，故為提高換擋品質(zhì)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制算法進(jìn)行優(yōu)化十分有必要。1.3接合套軸向速度對(duì)沖擊影響分析根據(jù)對(duì)接合套運(yùn)動(dòng)過程的詳盡分析可知，接合套發(fā)生碰撞前的軸向速度影響著階段二發(fā)生的碰撞過程和階段四發(fā)生的二次沖擊，故對(duì)接合套以不同的軸向速度與接合齒圈發(fā)生碰撞時(shí)對(duì)換擋沖擊的影響進(jìn)行仿真分析，設(shè)置接合套與接合齒圈轉(zhuǎn)速差為固定20rpm，分別以碰撞前接合套軸向速度0.2m/s,0.3m/s,0.4m/s進(jìn)行仿真，得到結(jié)果如圖2-10,2-11所示。圖2-10接合套軸向速度不同時(shí)位移結(jié)果圖2-11接合套軸向速度不同時(shí)接觸力結(jié)果由掛擋過程的碰撞接觸力仿真結(jié)果可以看出，接合套與接合齒圈碰撞前的軸向速度增加時(shí)，接合套運(yùn)動(dòng)過程中階段二發(fā)生的接合套與接合齒圈第一次碰撞和階段四發(fā)生的第二次沖擊的接觸力變大；由掛擋過程接合套位移的仿真結(jié)果可以看出，軸向速度增加時(shí)，接合套從開始掛擋到最終達(dá)到入檔位置的時(shí)間逐漸降低，即掛擋時(shí)間逐漸縮短。故根據(jù)仿真結(jié)果，為提高換擋品質(zhì)即降低換擋沖擊和縮短掛擋時(shí)間，對(duì)接合套的控制可以提出以下策略：接合套應(yīng)在發(fā)生第一次碰撞前，接合套應(yīng)以較大的軸向速度移動(dòng)以縮短完成整個(gè)掛擋行程所用的時(shí)間，而在即將與接合齒圈發(fā)生第一次碰撞時(shí)，由仿真結(jié)果分析可知：碰撞時(shí)速度越高，接觸力越大，故接合套應(yīng)降低軸向速度，以便在碰撞時(shí)保持較低的軸向速度，降低碰撞接觸力；對(duì)于第一次碰撞之后掛擋沖擊的降低，根據(jù)對(duì)接合套運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)力學(xué)分析可得，二次沖擊是由于接合套與接合齒圈齒面摩擦完成后，接合套齒圈與接合套的轉(zhuǎn)速差增大，產(chǎn)生第二次碰撞，而接合套齒圈與接合套的轉(zhuǎn)速差是由接合套通過存在角度的齒面將軸向速度傳遞給接合齒圈的轉(zhuǎn)速度而產(chǎn)生的，故在齒面摩擦階段，接合套應(yīng)以較慢的軸向速度完成，以降低階段結(jié)束后兩者的轉(zhuǎn)速差，降低沖擊；而在齒面摩擦階段結(jié)束后，接合套應(yīng)以較快速度完成入檔，縮短掛擋時(shí)間。1.4接合套控制策略仿真驗(yàn)證與控制方式優(yōu)化1.4.1接合套控制方式選取由上一小節(jié)得到了接合套的控制策略，為實(shí)現(xiàn)該控制策略，首先對(duì)接合套的控制方式進(jìn)行選?。煌ǔ?duì)接合套的控制方式為開環(huán)控制，即對(duì)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換擋電機(jī)施加最大電壓以驅(qū)動(dòng)接合套迅速完成掛擋過程，由前面分析可知，此控制結(jié)果的接觸力較大，故不宜采用。而對(duì)于新提出的優(yōu)化掛擋沖擊的接合套控制策略，由于該控制策略是對(duì)接合套運(yùn)動(dòng)過程中的各個(gè)階段采取不同的控制，故需對(duì)接合套的狀態(tài)進(jìn)行檢測，判斷接合套處于的運(yùn)動(dòng)階段，然后對(duì)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)階段施加對(duì)應(yīng)的控制量，而開環(huán)控制方式并無接合套狀態(tài)信息的反饋，即無法施加正確的控制量，無法完成對(duì)接合套控制策略的實(shí)現(xiàn)。故對(duì)接合套控制方式選取能對(duì)接合套狀態(tài)信息進(jìn)行檢測，并且可通過對(duì)理想目標(biāo)軌跡進(jìn)行跟隨來輸出相應(yīng)控制量的閉環(huán)控制方式。根據(jù)對(duì)接合套運(yùn)動(dòng)過程制定的控制策略，可得到閉環(huán)控制的目標(biāo)跟隨軌跡如圖2-12所示。圖2-12閉環(huán)控制目標(biāo)速度曲線由圖2-12中目標(biāo)軌跡曲線可以看出，在0s-0.3s時(shí)間內(nèi)，在接合套與接合齒圈第一次碰撞前，接合套以較快的速度移動(dòng)，在即將碰撞時(shí)接合套軸向速度降低，以降低；在0.3s-0.43s時(shí)間內(nèi)，接合套在齒面摩擦階段以較低的軸向速度向前運(yùn)動(dòng)，以降低摩擦階段結(jié)束后產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速差，降低二次沖擊；最后，在0.43s以后，接合套與接合齒圈轉(zhuǎn)速差相同，接合套齒已進(jìn)入接合齒圈內(nèi)，故以較快速度推動(dòng)接合套完成掛擋。綜上，得到了根據(jù)控制策略制定的閉環(huán)控制目標(biāo)軌跡，下面通過對(duì)接合套的閉環(huán)控制對(duì)控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到仿真結(jié)果如圖2-13,2-14所示。圖2-13接合套實(shí)際位移曲線圖2-14掛擋過程接觸力仿真結(jié)果由仿真結(jié)果可以看到，在接合套發(fā)生第一次碰撞前，控制策略通過對(duì)接合套加速后減速的控制，在與未使用控制策略在t=0.28s同一時(shí)刻發(fā)生碰撞即用時(shí)相同的情況下，降低了碰撞時(shí)的軸向速度，降低了第一次碰撞的接觸力；在碰撞之后的齒面摩擦階段控制策略控制接合套以較低的軸向速度完成，降低了齒面摩擦結(jié)束后的轉(zhuǎn)速差，降低了后續(xù)沖擊，而在接合套入擋階段，加速完成，縮短了掛擋時(shí)間。綜上可以得出，使用的控制策略與未使用控制策略在掛擋時(shí)間相同的情況下，通過對(duì)接合套的閉環(huán)控制，降低了掛擋沖擊，驗(yàn)證了控制策略的有效性。1.4.2閉環(huán)控制目標(biāo)參數(shù)選取上一小節(jié)通過閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)接合套的控制策略有效降低了掛擋沖擊，但是對(duì)于以速度為目標(biāo)軌跡的閉環(huán)控制，仍存在一定問題；由于換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作過程和掛擋過程工況復(fù)雜，時(shí)常會(huì)對(duì)接合套的運(yùn)動(dòng)過程如自由運(yùn)動(dòng)階段和齒面摩擦階段產(chǎn)生干擾，而接合套實(shí)際速度受到擾動(dòng)時(shí)將大大影響控制策略的效果，還可能引發(fā)沖擊，接合套的運(yùn)動(dòng)過程受擾動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果如圖2-15,2-16所示。圖2-15以速度閉環(huán)控制受擾動(dòng)時(shí)仿真結(jié)果圖2-16以速度閉環(huán)控制受擾動(dòng)時(shí)接觸力仿真結(jié)果可以看出，接合套在第一次碰撞前的自由運(yùn)動(dòng)階段受到干擾后，接合套繼續(xù)以目標(biāo)速度進(jìn)行移動(dòng)，但干擾導(dǎo)致速度降低使得接合套位移相比未干擾情況下的位移存在滯后，該滯后導(dǎo)致了受擾動(dòng)的接合套到達(dá)與接合齒圈發(fā)生碰撞的位置d=5.35mm更晚，速度更低，雖然碰撞接觸力降低，但是滯后有可能導(dǎo)致更低的速度引起掛擋的失敗；在齒面摩擦階段，接合套受到擾動(dòng)速度降低，軸向位移相比目標(biāo)速度下減少，齒面摩擦階段完成進(jìn)度降低，而當(dāng)t=0.063s時(shí)，目標(biāo)軌跡狀態(tài)下已完成齒面摩擦階段，故施加較大換擋力，而實(shí)際情況中接合套在擾動(dòng)過后雖然保持了目標(biāo)速度，但因軸向總位移減少而未完成摩擦階段，此時(shí)在較大換擋力的作用下，由對(duì)嚙合過程的階段四分析可知：以較大的軸向速度完成齒面摩擦階段時(shí)，二次沖擊增大，其碰撞力如圖2-17所示，在t=0.055s處齒面摩擦階段結(jié)束后的碰撞力遠(yuǎn)高于正常情況下t=0.045s處的碰撞力。綜上，可得到速度閉環(huán)控制存在若接合套運(yùn)動(dòng)過程中受到擾動(dòng)后將導(dǎo)致接合套各階段的控制策略對(duì)接合套作用失效或引起反作用而導(dǎo)致更大沖擊的問題。而由于決定接合套運(yùn)動(dòng)過程各階段開始與完成的是接合套當(dāng)時(shí)處在位置，當(dāng)控制接合套達(dá)到控制策略理想狀態(tài)中各階段開始的指定位置時(shí)，即可保證控制策略正確實(shí)施，故為解決運(yùn)動(dòng)過程受擾動(dòng)的問題，采用對(duì)目標(biāo)位置跟隨的閉環(huán)控制方式，并制定了目標(biāo)位移曲線如2-17，其中，設(shè)置發(fā)生第一次碰撞時(shí)接合套位置d=5.35mm，齒面摩擦階段結(jié)束時(shí)接合套位置d=5.835mm，即接合套受到擾動(dòng)時(shí)，通過對(duì)目標(biāo)位置的跟隨，仍可到達(dá)各階段的位置，隨后施加正確的控制策略，完成對(duì)掛擋沖擊的優(yōu)化。此外，在制定目標(biāo)位移曲線時(shí)，由于擾動(dòng)的存在，在擾動(dòng)過后系統(tǒng)需根據(jù)目標(biāo)位置與實(shí)際位置的差值對(duì)接合套施加控制量以重新完成跟隨，但對(duì)接合套施加的控制量有可能無法驅(qū)動(dòng)接合套到達(dá)目標(biāo)位置，或到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)其速度與理想速度不同，影響控制策略的效果；故針對(duì)這種情況，可在目標(biāo)位移曲線制定時(shí)，將在重要位置點(diǎn)之前的位置曲線放緩，即降低位置曲線上升的斜率，以較少的掛擋時(shí)間增加為代價(jià)，增加擾動(dòng)恢復(fù)的時(shí)間，降低擾動(dòng)過后實(shí)際與目標(biāo)位置的差值，使得接合套可順利達(dá)到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，保證控制策略對(duì)換擋沖擊的優(yōu)化效果。綜上，得到了目標(biāo)位移曲線，下面對(duì)位置閉環(huán)控制進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2-18所示。圖2-17目標(biāo)位移曲線圖2-18位置閉環(huán)與速度閉環(huán)位移曲線從結(jié)果可以看出，在接合套的自由運(yùn)動(dòng)過程中，在0s-0.02s中接合套受到擾動(dòng)脫離了對(duì)目標(biāo)軌跡的跟隨，在0.02s-0.028s階段，擾動(dòng)結(jié)束，接合套實(shí)際根據(jù)位置與目標(biāo)位置存在的差值輸出控制量，在碰撞前到達(dá)目標(biāo)位置且以期望的速度與接合齒圈發(fā)生碰撞；在齒面摩擦階段，接合套受到擾動(dòng)速度降低，脫離了對(duì)目標(biāo)位置的跟隨，但在根據(jù)目標(biāo)軌跡對(duì)入擋階段施加較大換擋力之前，接合套在擾動(dòng)結(jié)束后以較快的速度完成了齒面摩擦階段，進(jìn)入了入檔，避免了在齒面摩擦階段對(duì)接合套施加較大換擋力，以導(dǎo)致二次沖擊較大。綜上可以得出，以位置為目標(biāo)的閉環(huán)控制解決了以速度為目標(biāo)的閉環(huán)控制受擾動(dòng)后而易使控制策略失效的問題，使接合套可以在正確的位置以正確的速度完成掛擋，提高了掛擋的穩(wěn)定性，防止了意外沖擊的產(chǎn)生。但對(duì)于位置閉環(huán)控制的控制精度，仍對(duì)掛擋沖擊產(chǎn)生影響，根據(jù)前面的分析，接合套在各階段的狀態(tài)決定著換擋沖擊，而位置閉環(huán)控制的控制精度決定了是否可以控制接合套的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)達(dá)到目標(biāo)理想狀態(tài)，從而影響控制策略的效果，影響換擋沖擊；并且位置閉環(huán)控制的控制性能決定了系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性，即受擾動(dòng)時(shí)位置偏離的程