本發(fā)明涉及一種汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)?zāi)M方法，尤其涉及一種汽車變速器臺(tái)架敲擊試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)周期扭矩(扭振)模擬方法。

背景技術(shù)：

近年來汽車的NVH問題越來越多的引起工程師的關(guān)注，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的周期性波動(dòng)會(huì)引起傳動(dòng)系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而產(chǎn)生噪聲，降低零部件的使用壽命。如果變速器齒輪設(shè)計(jì)不當(dāng)，發(fā)動(dòng)機(jī)周期扭矩脈動(dòng)會(huì)引起變速器的敲擊聲，從而影響汽車的NVH品質(zhì)。利用實(shí)物發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行NVH試驗(yàn)具有諸多缺點(diǎn)，1)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油為易燃物，且其工作過程中易產(chǎn)生著火等危險(xiǎn)因素，同時(shí)其排放的廢氣也不利于環(huán)保。2)NVH試驗(yàn)主要測量被試變速器的噪聲問題，而在試驗(yàn)中實(shí)物發(fā)動(dòng)機(jī)的較高的噪聲會(huì)影響變速器NVH的測試。3)在傳動(dòng)系開發(fā)的初始階段，通常情況下與其匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)也在開發(fā)測試中，因此很難獲得發(fā)動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)在室內(nèi)臺(tái)架上對傳動(dòng)系進(jìn)行NVH等性能測試。綜上所述，利用高動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行室內(nèi)傳動(dòng)系臺(tái)架試驗(yàn)具有安全環(huán)保、試驗(yàn)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。

如果要在室內(nèi)臺(tái)架上復(fù)現(xiàn)因發(fā)動(dòng)機(jī)周期扭轉(zhuǎn)振動(dòng)引起的NVH問題，就需要一個(gè)高精度的扭振模型(模擬活塞連桿的慣量扭矩及各缸的燃燒扭矩)。發(fā)動(dòng)機(jī)扭振模擬系統(tǒng)包括一個(gè)低慣量高動(dòng)態(tài)特性的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和一個(gè)滿足實(shí)時(shí)控制要求的扭振模型(模擬活塞連桿的慣量扭矩及各缸的燃燒扭矩)。發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩周期脈動(dòng)頻率很高，如一個(gè)4缸2沖程發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為900r/min，則其點(diǎn)火頻率為30Hz，又經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)一個(gè)完整的周期扭振波形至少需要12個(gè)點(diǎn)才能完整地再現(xiàn)出來，所以要對轉(zhuǎn)速為900r/min時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)周期扭矩振動(dòng)進(jìn)行模擬，其通信頻率或控制周期至少要達(dá)到30×12＝360Hz，如果發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為6000r/min，則其通信頻率或控制周期應(yīng)達(dá)到2400Hz，因此發(fā)動(dòng)機(jī)模型的計(jì)算速度應(yīng)滿足實(shí)時(shí)控制要求。精確的發(fā)動(dòng)機(jī)模型在很多文獻(xiàn)中都有論述，如黑箱模型和基于物理結(jié)構(gòu)的模型等，由于這些模型需要大量的發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)數(shù)據(jù)或詳細(xì)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，這些參數(shù)在傳動(dòng)系試驗(yàn)中不易獲得，而且傳統(tǒng)的物理模型在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性時(shí)復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算很難滿足高動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)的要求，因此這些模型不適用于傳動(dòng)系臺(tái)架的動(dòng)態(tài)模擬。因此迫切需要提供一種滿足高動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制要求的發(fā)動(dòng)機(jī)扭振模擬方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種汽車變速器臺(tái)架敲擊試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)周期扭矩模擬方法，精確度高，實(shí)時(shí)性高，計(jì)算量小，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)周期扭矩(扭振)模擬時(shí)的高動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這樣的：一種汽車變速器臺(tái)架敲擊試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)周期扭矩模擬方法，其特征在于：包括如下步驟：

1)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的固有參數(shù)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)“油門開度—轉(zhuǎn)速—扭矩”模型，通過該“油門開度—轉(zhuǎn)速—扭矩”模型能根據(jù)輸入的油門開度或轉(zhuǎn)速信號(hào)，獲得與之對應(yīng)的扭矩信號(hào)，即獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的平均扭矩T_M；

2)建立慣量扭矩解算模型，獲得慣量扭矩T_I：

發(fā)動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件所產(chǎn)生的往復(fù)慣性力為：

式中：m為活塞和連桿的總質(zhì)量，x為活塞行程，表示活塞加速度；

由于往復(fù)慣性力通過連桿作用在曲柄銷上，在曲軸上產(chǎn)生周期性變化的力矩，從而引起軸系的慣量扭振，因此：

式中L為連桿長度，r為曲柄半徑，α為曲柄轉(zhuǎn)角，β為連桿與曲柄銷中心與曲軸旋轉(zhuǎn)中心線的夾角，λ為曲柄半徑與連桿長度比；

從而得到活塞加速度(近似公式)：

式中ω_c為曲柄旋轉(zhuǎn)角速度；

由此得到往復(fù)慣性力為：

P_I＝-mrω_c²(cosα+λcos2α)；

由往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的力矩為：

其中，發(fā)動(dòng)機(jī)固有的參數(shù)(m、L、r、α、β、λ、以及ω_c)在實(shí)驗(yàn)前根據(jù)需要模擬的發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)輸入到慣量扭矩解算模型中；

同時(shí)，根據(jù)慣量扭矩解算模型獲得慣性扭矩最大幅值A(chǔ)₁；

3)在發(fā)動(dòng)機(jī)測試臺(tái)階上測試被模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒壓力，同時(shí)通過轉(zhuǎn)速編碼器測量曲軸的轉(zhuǎn)角；根據(jù)被模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在對應(yīng)工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，得到被模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中的瞬時(shí)氣缸工作容積；根據(jù)瞬時(shí)氣缸工作容積和對應(yīng)的燃燒壓力，畫出示功圖，獲得燃燒扭矩最大幅值A(chǔ)₂：

4)對平均扭矩T_M，慣量扭矩最大幅值A(chǔ)₁，以及燃燒扭矩最大幅值A(chǔ)₂進(jìn)行擬合，同時(shí)考慮被模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)量，計(jì)算出其慣量扭矩頻率f₁、燃燒扭矩頻率f₂，同時(shí)考慮點(diǎn)火提前角得到發(fā)動(dòng)機(jī)扭振曲線，即總的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)扭矩T_en：

式中：t為發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)扭矩模擬周期。

進(jìn)一步地，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)為多缸發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，首先通過步驟1)—步驟5)上述方法得到平均扭矩、慣量扭矩最大幅值以及燃燒扭矩最大幅值，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)慣量扭矩頻率、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火燃燒頻率和點(diǎn)火提前角進(jìn)行擬合，從而得到發(fā)動(dòng)機(jī)總的瞬態(tài)周期扭矩。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明把發(fā)動(dòng)機(jī)平均扭矩、慣量扭矩最大幅值以及燃燒扭矩最大幅值，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)慣量扭矩頻率、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火燃燒頻率和點(diǎn)火提前角進(jìn)行擬合，從而得到發(fā)動(dòng)機(jī)總的瞬態(tài)周期扭矩，各數(shù)學(xué)模型計(jì)算量小，從而節(jié)省了系統(tǒng)運(yùn)行資源，精確度高，實(shí)時(shí)性高，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)周期扭矩脈動(dòng)(扭振)模擬時(shí)的高動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)。

2、本發(fā)明提供的發(fā)動(dòng)機(jī)扭振模擬方法能夠模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在不同缸數(shù)、不同曲軸和飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下的扭振特性，易于移植到不同的控制器中，較好地滿足了臺(tái)架高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的控制需求。

附圖說明

圖1為汽車傳動(dòng)系試驗(yàn)臺(tái)架的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩MAP圖。

圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)活塞結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖。

圖5發(fā)動(dòng)機(jī)扭振曲線示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例：本發(fā)明主要應(yīng)用于室內(nèi)汽車傳動(dòng)系試驗(yàn)臺(tái)架，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)周期扭矩(即扭振)，目標(biāo)是為變速器等傳動(dòng)系部件的性能測試提供一個(gè)逼真的發(fā)動(dòng)機(jī)工況條件，以達(dá)到離合器、變速器等傳動(dòng)系部件的性能測試的目的；并且精確度高，實(shí)時(shí)性高，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)周期扭矩脈動(dòng)(扭振)模擬時(shí)的高動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)。

具體實(shí)施時(shí)，如：對汽車變速器敲擊試驗(yàn)中變速器傳動(dòng)性能進(jìn)行測試，該試驗(yàn)臺(tái)架如圖1所示，其包括上位機(jī)1、驅(qū)動(dòng)器2、永磁同步電機(jī)3、交流異步電機(jī)4、離合器、待測變速器5、編碼器6以及轉(zhuǎn)速扭矩傳感器7，其中，永磁同步電機(jī)3通過離合器與待測變速器5的輸入端相連，以驅(qū)動(dòng)待測變速器5；待測變速器5的輸出端接交流異步電機(jī)4，同時(shí)在待測試變速器輸入、輸出端分別連接轉(zhuǎn)速扭矩傳感器7用來采集測試數(shù)據(jù)，兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)回饋信號(hào)由安裝在兩個(gè)電機(jī)上的編碼器6獲得。為了滿足快速響應(yīng)的閉環(huán)控制要求，在進(jìn)行測試之前，輸入發(fā)動(dòng)機(jī)的物理尺寸參數(shù)和壓縮比等燃燒參數(shù)，在試驗(yàn)過程中，本汽車試驗(yàn)臺(tái)架發(fā)動(dòng)機(jī)扭振模擬方法根據(jù)輸入的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、臺(tái)架編碼器6反饋的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和油門踏板開度信號(hào)計(jì)算出總的發(fā)動(dòng)機(jī)周期扭矩脈動(dòng)目標(biāo)曲線，發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器2，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器2驅(qū)動(dòng)電機(jī)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程的周期扭矩脈動(dòng)，為被試變速器等傳動(dòng)系部件提供一個(gè)逼真的發(fā)動(dòng)機(jī)周期扭矩脈動(dòng)的工作環(huán)境，便于在室內(nèi)臺(tái)架上對被試變速器的NVH等性能進(jìn)行測試。

參見圖2—圖5，本汽車變速器臺(tái)架敲擊試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)周期扭矩模擬方法，包括如下步驟：

1)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的固有參數(shù)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)“油門開度—轉(zhuǎn)速—扭矩”模型，發(fā)動(dòng)機(jī)“油門開度—轉(zhuǎn)速—扭矩”模型的建立為現(xiàn)有技術(shù)，通常根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)“油門開度—轉(zhuǎn)速—扭矩”MAP圖進(jìn)行建立。通過該“油門開度—轉(zhuǎn)速—扭矩”模型能根據(jù)輸入的油門開度或轉(zhuǎn)速信號(hào)，獲得與之對應(yīng)的扭矩信號(hào)，即獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的平均扭矩T_M。

2)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的固有參數(shù)，建立慣量扭矩解算模型，獲得慣量扭矩T_I：

發(fā)動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件所產(chǎn)生的往復(fù)慣性力為：

式中：m為活塞和連桿的總質(zhì)量，x為活塞行程，表示活塞加速度；

由于往復(fù)慣性力通過連桿作用在曲柄銷上，在曲軸上產(chǎn)生周期性變化的力矩，從而引起軸系的慣量力矩，活塞行程可以由下式得出：

式中L為連桿長度，r為曲柄半徑，α為曲柄轉(zhuǎn)角，β為連桿與曲柄銷中心與曲軸旋轉(zhuǎn)中心線的夾角，λ為曲柄半徑與連桿長度比；

從而得到活塞加速度(近似公式)：

式中ω_c為曲柄旋轉(zhuǎn)角速度；

由此得到往復(fù)慣性力為：

P_I＝-mrω_c²(cosα+λcos2α)；

由往復(fù)慣性力所產(chǎn)生的力矩為：

其中，發(fā)動(dòng)機(jī)固有的參數(shù)(m、L、r、α、β、λ、以及ω_c)在實(shí)驗(yàn)前根據(jù)需要模擬的發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)輸入到慣量扭矩解算模型中；

同時(shí)，根據(jù)慣量扭矩解算模型獲得慣性扭矩最大幅值A(chǔ)₁。

3)在發(fā)動(dòng)機(jī)測試臺(tái)階上測試被模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒壓力，同時(shí)通過轉(zhuǎn)速編碼器測量曲軸的轉(zhuǎn)角；根據(jù)被模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在對應(yīng)工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，得到被模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中的瞬時(shí)氣缸工作容積；根據(jù)瞬時(shí)氣缸工作容積和對應(yīng)的燃燒壓力，畫出示功圖，獲得燃燒扭矩最大幅值A(chǔ)₂。

4)對平均扭矩T_M，慣量扭矩最大幅值A(chǔ)₁，以及燃燒扭矩最大幅值A(chǔ)₂進(jìn)行擬合，同時(shí)考慮被模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)量，計(jì)算出其慣量扭矩頻率f₁、燃燒扭矩頻率f₂，同時(shí)考慮點(diǎn)火提前角得到發(fā)動(dòng)機(jī)扭振曲線，即總的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)扭矩T_en：

其中：對于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，慣量力矩頻率＝曲軸頻率×缸數(shù)；燃燒扭矩頻率＝曲軸頻率×缸數(shù)/2；

式中：曲軸頻率由曲軸轉(zhuǎn)速計(jì)算獲得，曲軸轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速編碼器測量所得；t為發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)扭矩模擬周期。

由于上述過程獲得的是單杠發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩，因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)為多缸發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，首先通過步驟1)—步驟4)上述方法得到各單缸的扭矩，然后根據(jù)缸數(shù)和發(fā)火順序進(jìn)行扭矩疊加，從而獲得發(fā)動(dòng)機(jī)總的扭矩信號(hào)。

現(xiàn)有傳動(dòng)系臺(tái)架上發(fā)動(dòng)機(jī)扭振信號(hào)一般由基于物理結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)模型提供，由于這些模型需要大量的發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)數(shù)據(jù)或詳細(xì)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，這些參數(shù)在傳動(dòng)系臺(tái)架試驗(yàn)中不易獲得，而且傳統(tǒng)的物理模型在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性時(shí)復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算很難滿足高動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)的要求，因此這些模型不適用于傳動(dòng)系臺(tái)架的發(fā)動(dòng)機(jī)扭振模擬。而本發(fā)明的發(fā)動(dòng)機(jī)扭振模擬方法，把發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩分為平均扭矩、慣性扭矩和燃燒扭矩，從而分別對平均扭矩、慣性扭矩和燃燒扭矩進(jìn)行數(shù)學(xué)模型解算，并且各數(shù)學(xué)模型計(jì)算量小，從而有效節(jié)省了系統(tǒng)運(yùn)行資源，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)周期扭振模擬過程中，對扭振模型的實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求。

最后需要說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制技術(shù)方案，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，那些對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。