一种车辆换挡模拟系统及方法与流程

本发明属于新能源汽车驾驶控制的技术领域，具体涉及一种车辆换挡模拟系统及方法。

背景技术：

随着新能源汽车行业的快速发展，纯电动控制系统在汽车工业领域具有越来越广泛的应用前景，而目前商用车中电动控制系统在换挡时往往还沿用汽油驱动车辆的换挡模式。

现有技术中常见的离合器换挡系统多选择滑片式离合器，因此离合器结合和分离过程系统中所传递的扭矩和转速变化为连续性的；而犬牙式离合器传递过程为刚性传递，且犬牙式离合器在结合控制过程中还存在一定的概率特性；由于犬牙式离合器的刚性连接特性，因此要针对其换挡过程中存在的一定的扭矩冲击特性进行模拟，而这种刚性冲击过程的模拟过程复杂、参数较多，因此模拟难度较大；同时该系统存在的换挡电机的轴向运行与换挡单机的耦合，且离合器的结合过程存在的概率性增加了模拟的难度。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的缺陷与不足，本发明提供了一种车辆换挡模拟系统及方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一种车辆换挡模拟系统，其特征在于：包括换挡电机(1)、变速控制单元(2)、系统板卡(3)、第一模拟器(4)、第二模拟器(5)、选挡控制单元(8)；其中，

驾驶员在第二模拟器(5)中输入驾驶需求；

第二模拟器(5)与选挡控制单元(8)连接以向选挡控制单元(8)发送驾驶需求，选挡控制单元(8)根据驾驶需求生成对应的扭矩需求指令和换挡需求指令；

选挡控制单元(8)与变速控制单元(2)通过can总线连接以向变速控制单元(2)发送扭矩需求指令和换挡需求指令；

变速控制单元(2)与换挡电机(1)连接以按照扭矩需求指令控制换挡电机(1)提供换挡扭矩；

系统板卡(3)与变速控制单元(2)连接以对应接收换挡需求指令并生成换挡需求信号；

系统板卡(3)与第一模拟器(4)连接以将换挡需求信号发送至第一模拟器(4)，第一模拟器(4)按照换挡需求信号执行对应换挡动作；

第一模拟器(4)与第二模拟器(5)通过信号同步线连接。

进一步地，所述第一模拟器(4)内部包括换挡毂控制模块(4-1)、离合器控制模块(4-2)、传动控制模块(4-3)、及电机控制模块(4-4)；换挡毂控制模块(4-1)根据接收到的换挡需求信号控制换挡机构对离合器的轴向驱动力；离合器控制模块(4-2)确定离合器的轴向位移；传动控制模块(4-3)根据离合器的轴向位移选择驱动扭矩的传输路径；电机控制模块(4-4)根据驱动扭矩的传输路径将对应电机的输出扭矩传递到第二模拟器(5)以驱动车辆运行。

进一步地，所述第二模拟器(5)包括驾驶员控制模块(5-1)和车辆控制模块(5-2)；驾驶员控制模块(5-1)接收驾驶员施加的钥匙开关、档位信息、加速踏板和制动踏板的驾驶需求操作；车辆控制模块(5-2)根据第一模拟器(4)发送的输出扭矩实现车辆运行。

进一步地，所述离合器控制模块(4-2)包括啮合判断单元、轴向控制单元、及离合器结合单元；

在啮合判断单元中，根据以下条件判断啮合是否成立：

其中，

θ1为离合器中啮合套的对齿角度；

θ2为啮合齿轮的对齿角度；

α为离合器中啮合套的每个齿轮中齿面所占的角度；

z为离合器中啮合套的齿数；

当上式成立时，k＝1，啮合判断单元判定啮合套与啮合齿轮啮合成立；

当上式不成立时，k＝0，啮合判断单元判定啮合套与啮合齿轮啮合不成立；

在轴向控制单元中，轴向运动过程满足：

其中，

m为离合器移动端的总质量；

s为离合器移动端的轴向位移；

fact为执行器向离合器移动端提供的轴向驱动力；

fr为离合器移动端轴向运行中的阻力；

同时离合器移动端轴向运行中的阻力fr为：

其中，

ff1为啮合套轴向位移产生的摩擦力；

ff2为齿面接触产生的摩擦力；

kax为啮合齿轮的轴向刚度；

dax为啮合套的轴向阻尼；

s为离合器中啮合套实际的轴向位移；

s0为啮合套与啮合齿轮接触时对应的啮合套的轴向位移；在离合器结合单元中，离合器的传递扭矩为：

其中，

μd为啮合套与啮合齿轮接触位置的齿端面摩擦系数；

a为啮合套与啮合齿轮接触位置的平均面积；

fp为啮合套与啮合齿轮接触位置的齿端面存在的压力；

krx为啮合套齿面的转动刚度；

drx为啮合套齿面的转动阻尼；

θ3为啮合套转动接触面对应的角度位移，

θ4为啮合齿轮转动接触面对应的角度位移；

其中，啮合套与啮合齿轮接触位置的齿端面存在的压力fp为：

进一步地，所述传动控制模块(4-3)中，

1)第一电机的动态离合器驱动端的运行状态为：

2)第二电机的动态离合器驱动端的运行状态为：

3)车辆端的运行状态为：

其中，

jem1为从第一电机到第一啮合套的传动轴的转动惯量；

θem1为第一啮合套的角度位置；

jem2为从第二电机到第二啮合套的传动轴的转动惯量；

θem2为第二啮合套的角度位置；

jveh为车辆等效到输出轴的转动惯量；

θveh为变速箱输出轴端的角度位移；

tff，al、tff，ar分别表示第一啮合套a在其左端、右端对应传输的扭矩；

tff，cul、tff，cur分别表示第二啮合套cu在其左端、右端对应传输的扭矩；

i1为从第一啮合套a的左端啮合齿到输出轴的速比；

i2为从第一啮合套a的右端啮合齿到输出轴的速比；

i3为从第二啮合套cu的右端啮合齿到输出轴的速比；

ta为从第一电机传递到啮合套的扭矩；

tcu为从第二电机传递到啮合套的扭矩；

tload为车辆阻力折算到驱动端的摩擦力矩，摩擦力矩表示为：

其中，

m为车辆的载重；

g为重力加速度；

β为车辆坡道角度；

μ为滚阻系数；

a为迎风面积，

cw为风阻系数，

v为车速；

r为车轮半径；

ifd为动力总成传动比。

进一步地，所述电机控制模块(4-4)中每个电机的输出扭矩满足：

tem1＝min(tem1，dmnd，tem1，min)(9)，

tem2＝min(tem2，dmnd，tem2，min)(10)，

其中，

tem1为第一电机实际输出的扭矩；

tem1，min为第一电机当前最小输出扭矩；

tem1，dmnd为驾驶需求指令要求第一电机输出的扭矩；

tem2为第二电机实际输出的扭矩；

tem2，min为第二电机当前最小输出扭矩；

tem2，dmnd为驾驶需求指令要求第二电机输出的扭矩。

进一步地，所述车辆换挡模拟系统还包括第一状态显示上位机(6)和第二状态显示上位机(7)，

其中，第一状态显示上位机(6)与第一模拟器(4)连接以实时显示并监控第一模拟器(4)内部各模块的工作过程；第二状态显示上位机(7)与第二模拟器(5)连接以实时显示并监控第二模拟器(4)内部各模块的工作过程。

进一步地，包括以下步骤：

1)第二模拟器(5)中的驾驶员控制模块接收驾驶员施加的包括有钥匙开关、档位信息、加速踏板和制动踏板的驾驶需求操作；

2)选挡控制单元(8)根据驾驶员的驾驶需求，转化成对应的扭矩需求指令和换挡需求指令并发送至变速控制单元(2)；

3)变速控制单元(2)根据扭矩需求指令控制换挡电机，并向系统板卡(3)发送换挡需求指令，

4)系统板卡(3)接收换挡需求指令，并将其发送至第一模拟器(4)内部的换挡毂控制模块中，换挡毂控制模块控制换挡机构对离合器的轴向驱动力；

5)离合器控制模块确定离合器的轴向位移；

6)传动控制模块根据离合器的轴向位移选择驱动扭矩的传输路径；

7)电机控制模块根据驱动扭矩的传输路径将对应电机的输出扭矩传递到第二模拟器(5)以驱动车辆运行。

8)第一状态显示上位机(6)实时监测并显示换挡电机的驱动扭矩及对应转速、离合器的换挡过程及轴向位移，以及系统对应的故障信息；第二状态显示上位机(7)实时监测并显示驾驶员的驾驶需求操作对应的信息，以及车辆的行驶信息。

本发明相对于现有技术所取得的有益效果为：

1)针对整个系统的运行，来仿真整个新能源汽车动力系统在整车车辆行驶环境下的工作过程，且能够针对采用犬牙式离合器的新能源汽车的滑档过程及对应参数进行全程监测及显示，仿真模拟过程趋近真实过程，显示直观、结果准确、能够为后期新能源汽车中采用犬牙式离合器的换挡过程的进一步优化提供有效的理论及参数依据。

2)通过换挡控制单元及选挡控制单元、以及第一模拟器和第二模拟器，能够对换挡部件整体换挡过程实现调试和仿真；也能够针对其中单个部件实现单独测试，测试准确、使用灵活，可根据不同模拟需要采用不同的模拟方式，适用范围广。

附图说明

图1为现有技术中一种采用犬牙式离合器的双电机双离合器的动力系统的结构示意图；

图2为本发明一种车辆换挡模拟系统的结构示意图；

图3-5为本发明中离合器相互分离、端面接触、以及相互结合的结构示意图；

图6为本发明中离合器结合时的结构示意图。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

如图1所示，为现有技术中一种采用犬牙式离合器的双电机双离合器的动力系统的结构示意图，选挡控制单元根据驾驶员意图向变速控制单元发送目标档位信息，而变速控制单元同时向选挡控制单元发送当前档位信息，变速控制单元根据驾驶需求发别控制第一电机及第二电机输出的驱动扭矩、以及换挡电机输出的换挡扭矩，换挡电机依次通过拨叉和换挡毂控制第一啮合套a和第二啮合套cu的左右移动，从而实现不同档位不同速比的输出。

如图2所示为本发明一种车辆换挡模拟系统，包括换挡电机1、变速控制单元2、系统板卡3、第一模拟器4、第二模拟器5、第一状态显示上位机6、第二状态显示上位机7、及选挡控制单元8；其中，

驾驶员在第二模拟器5中输入驾驶需求；

第二模拟器5与选挡控制单元8连接以向选挡控制单元8发送驾驶需求，选挡控制单元8根据驾驶需求生成对应的扭矩需求指令和换挡需求指令；

选挡控制单元8与变速控制单元2通过can总线连接以向变速控制单元2发送扭矩需求指令和换挡需求指令；

变速控制单元2与换挡电机1连接以按照扭矩需求指令控制换挡电机1提供换挡扭矩；

系统板卡3与变速控制单元2连接以对应接收换挡需求指令并生成换挡需求信号；

系统板卡3与第一模拟器4连接以将换挡需求信号发送至第一模拟器4，第一模拟器4按照换挡需求信号执行对应换挡动作；

第一状态显示上位机6与第一模拟器4连接以实时显示并监控第一模拟器4内部各模块的工作过程；

第二状态显示上位机7与第二模拟器5连接以实时显示并监控第二模拟器4内部各模块的工作过程；

第一模拟器4与第二模拟器5通过信号同步线连接。

具体地，所述第一模拟器4内部包括换挡毂控制模块4-1、离合器控制模块4-2、传动控制模块4-3、及电机控制模块4-4；换挡毂控制模块4-1根据接收到的换挡需求信号控制换挡机构对离合器的轴向驱动力；离合器控制模块4-2确定离合器的轴向位移；传动控制模块4-3根据离合器的轴向位移选择驱动扭矩的传输路径；电机控制模块4-4根据驱动扭矩的传输路径将对应电机的输出扭矩传递到第二模拟器5以驱动车辆运行。

具体地，所述第二模拟器5包括驾驶员控制模块5-1和车辆控制模块5-2；驾驶员控制模块5-1接收驾驶员施加的钥匙开关、档位信息、加速踏板和制动踏板的驾驶需求操作；车辆控制模块5-2根据第一模拟器4发送的输出扭矩实现车辆运行。

具体地，本发明的技术方案中的离合器选用犬牙式离合器，因此需要根据执行器的力、负载扭矩和驱动扭矩实时仿真出犬牙式离合器的运行状态，包括离合器位移、驱动端转速、负载端转速等。具体输入输出接口如图1所示，同时如图3-5所示，在本发明的技术方案中，驱动端与换挡机构连接啮合套a，负载端连接啮合齿轮b。

离合器在运行过程中有三种状态：分离状态、端面接触状态和结合状态。

当离合器处于完全分离状态时，如图3所示，轴向位移直接受执行器的推力影响，离合器两端的转速分别受负载扭矩和驱动扭矩控制。

当离合器处于端面接触状态时，如图4所示，啮合套轴向位移与啮合齿轮接触面接触产生形变，而离合器两端的转速瞬间受摩擦力影响。

当离合器处于结合状态时，如图5所示，在实现扭矩传递的过程中，执行器的轴向运行会受到离合器两端产生压力的影响。

因此对于犬牙式离合器换挡系统是一个非线性的运行状态，而且离合器结合还存在一定的随机性。

所述离合器控制模块中，包括啮合判断单元、轴向控制单元、及离合器结合单元；

离合器运行过程中，齿的位置随着转速不断变化,因此需要对驱动端和负载端齿的位置进行实时判断。

由于影响齿轮啮合的是齿端面的位置，因此在该技术方案中定义齿端面的边缘处为基点，实时计算驱动端基点的位置θ1和负载端基点的位置θ2。将齿轮的齿端和齿槽作为一个周期基点则随着转动呈周期性变化。

在啮合判断单元中，根据以下条件判断啮合是否成立

其中，如图6所示，

θ1为离合器中啮合套的对齿角度；

θ2为啮合齿轮的对齿角度；

α为离合器中啮合套的每个齿轮中齿面所占的角度；

z为离合器中啮合套的齿数；

当上式成立时，k＝1，啮合判断单元判定啮合套与啮合齿轮啮合成立；

当上式不成立时，k＝0，啮合判断单元判定啮合套与啮合齿轮啮合不成立；

在轴向控制单元中，轴向运动过程满足

其中，

m为离合器移动端的总质量；

s为离合器移动端的轴向位移；

fact为执行器向离合器移动端提供的轴向驱动力；

fr为离合器移动端轴向运行中的阻力；

同时离合器在轴向运行过程所受阻力为：

其中，

ff1为啮合套轴向位移产生的摩擦力；

ff2为齿面接触产生的摩擦力；

kax为啮合齿轮的轴向刚度；

dax为啮合套的轴向阻尼；

s为离合器中啮合套实际的轴向位移；

s0为啮合套与啮合齿轮接触时对应的啮合套的轴向位移；

在离合器结合单元中，离合器的传递扭矩为

其中，

μd为啮合套与啮合齿轮接触位置的齿端面摩擦系数；

a为啮合套与啮合齿轮接触位置的平均面积；

fp为啮合套与啮合齿轮接触位置的齿端面存在的压力；

krx为啮合套的齿面的转动刚度；

drx为啮合套的齿面的转动阻尼；

θ3为啮合套转动接触面对应的角度位移，

θ4为啮合齿轮转动接触面对应的角度位移；

其中，啮合套与啮合齿轮接触位置的齿端面存在的压力为

具体地，所述传动控制模块中，

1)第一电机的动态离合器驱动端的运行状态为：

2)第二电机的动态离合器驱动端的运行状态为：

3)车辆端的运行状态为：

其中，

jem1为从第一电机到第一啮合套的传动轴的转动惯量；

θem1为第一啮合套的角度位置；

jem2为从第二电机到第二啮合套的传动轴的转动惯量；

θem2为第二啮合套的角度位置；

jveh为车辆等效到输出轴的转动惯量；

θveh为变速箱输出轴端的角度位移；

tff，al、tff，ar分别表示第一啮合套a在其左端、右端对应传输的扭矩；

tff，cul、tff，cur分别表示第二啮合套cu在其左端、右端对应传输的扭矩；

i1为从第一啮合套a的左端啮合齿到输出轴的速比；

i2为从第一啮合套a的右端啮合齿到输出轴的速比；

i3为从第二啮合套cu的右端啮合齿到输出轴的速比；

ta为从第一电机传递到啮合套的扭矩；

tcu为从第二电机传递到啮合套的扭矩；

tload为车辆阻力折算到驱动端的摩擦力矩，摩擦力矩表示为

其中，

m为车辆的载重；

g为重力加速度；

β为车辆坡道角度；

μ为滚阻系数；

a为迎风面积，

cw为风阻系数，

v为车速；

r为车轮半径；

ifd为动力总成传动比。

具体地，电机为车辆控制系统的扭矩来源，其直接响应变速控制单元的扭矩需求指令，在响应指令的过程中实现电能和机械能之间的转化。

所述电机控制模块4-4中每个电机的输出扭矩满足

tem1＝min(tem1，dmnd，tem1，min)(9)

tem2＝min(tem2，dmnd，tem2，min)(10)

其中，

tem1为第一电机实际输出的扭矩；

tem1，min为第一电机当前最小输出扭矩；

tem1，dmnd为驾驶需求指令要求第一电机输出的扭矩；

tem2为第二电机实际输出的扭矩；

tem2，min为第二电机当前最小输出扭矩；

tem2，dmnd为驾驶需求指令要求第二电机输出的扭矩。

第一模拟器、第二模拟器分别采用ni的仿真模拟系统，并分别通过以太网与第一状态显示上位机、第二状态显示上位机相连，第一、第二状态显示上位机将编译的模块下载到第一模拟器、第二模拟器中运行。

为了确保能够输出离合器结合瞬间动态运行过程，因此需要对离合器控制模块单独运行，系统运行的步长需要设置的非常短。系统分核运行，离合器单独在一个核内运行，其他模块在另一个核内运行，并确保两个核运行时数据同步。

实时上传各模拟器的运行数据，方便系统运行过程的观测。也能够实时对模块的关键参数进行修改和优化。

实时模拟仿真出来的结果通过不同的板卡与外部信号进行连接，为了保证系统模拟量的实时响应速度，采用fpga板卡将信号快速转化成模拟量和数字量输出。

此外，还可以通过can通讯板卡模拟实际车辆的器收发报文(除vcu和tcu以外的控制器)，采用电阻板卡对箱体内温度传感器进行模拟。

系统能够真实模拟出双电机双离合器驱动系统在实时控制中的运行状态，能够及时接收外界控制信号，换挡执行系统可以为模拟的换挡执行系统，也可以为实际的换挡执行系统。

所实现的功能如下：

1)该系统能够模拟出变速箱系统换挡过程中各驱动电机和车辆运行状态之间的关系；

2)该系统能够模拟出变速箱的实时换挡过程，换挡电机和驱动电机的扭矩相互影响的控制效果，能够模拟出系统中由于扭矩突变而产生的转速震荡；

3)该系统能够模拟出犬牙式离合器进齿的随机性过程，方便控制系统的设计和后期优化；

4)该系统能够模拟出零部件发生故障时系统的运行状态变化。

具体地，本发明还提供一种车辆换挡模拟方法，包括以下步骤：

1)第二模拟器5中的驾驶员控制模块接收驾驶员施加的包括有钥匙开关、档位信息、加速踏板和制动踏板的驾驶需求操作；

2)选挡控制单元8根据驾驶员的驾驶需求，转化成对应的扭矩需求指令和换挡需求指令并发送至变速控制单元2；

3)变速控制单元2根据扭矩需求指令控制换挡电机，并向系统板卡(3)发送换挡需求指令，

4)系统板卡3接收换挡需求指令，并将其发送至第一模拟器4内部的换挡毂控制模块中，换挡毂控制模块控制换挡机构对离合器的轴向驱动力；

5)离合器控制模块确定离合器的轴向位移；

6)传动控制模块根据离合器的轴向位移选择驱动扭矩的传输路径；

7)电机控制模块根据驱动扭矩的传输路径将对应电机的输出扭矩传递到第二模拟器5以驱动车辆运行；

8)第一状态显示上位机6实时监测并显示换挡电机的驱动扭矩及对应转速、离合器的换挡过程及轴向位移，以及系统对应的故障信息；第二状态显示上位机7实时监测并显示驾驶员的驾驶需求操作对应的信息，以及车辆的行驶信息。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。