传动系统的建模仿真 有效减少能量损失

众多汽车制造厂商都竭尽全力提高他们所生产汽车的燃油经济性，而实现节油的主要方法是提升发动机的性能，以降低不必要的能量损失。另外不得不注意的是传动系统同样存在巨大的能量损失，大批工程师一直致力于获得传动系统能量损失的具体数据以及研发可以提高能量传递效率的结构，最终造就了现在传动系统领域发展的生机勃勃，优化的设计和全新的系统结构层出不穷。

通过建模和仿真的手段来研发传动系统为新产品的开发提供了一条全新思路，省去了传统设计生产实体零部件的加工时间和原材料的成本，缩短了新传动系统的研发周期。根据研发人员的设计需求，把变速箱齿比等参数输入到建模仿真软件中，然后就会输出车辆性能、产品成本、燃油经济性等数据；微观上讲，软件会根据这些需求参数来自主选择变速箱和电子控制单元（ECU）的搭配，以做到降低能量损失。

用来仿真传动系统的传统方法是信号流建模软件，信号流模块包括积分电路、输入信号增益控制系统、信号反馈系统和其他牵涉数学计算的系统模块。工程师们首先要确定哪些是仿真的传动系统所需的输入量，哪些是输出量，以及能量流动的方向，然后以数学公式的形式来表达这些量；一旦这些变量出现变化，就必须在建模仿真软件中编辑全新的公式，这导致了一个棘手问题的出现：传动系统中能量流动方向会因为正常的驾驶操作而经常改变，比如离合器的结合与分离直接影响能量的流动方向，这些变化需要很多公式来表达，增加了很多工作量。

为了解决上述问题，近些年来仿真技术也得到了长足的发展，其中最为出色的是Maplesoft公司的MapleSim软件，采用了不同的建模方法。抛弃原来每次都要编写数学公式来表示各个模块组件的方式，而是选择软件研发过程中在组件中嵌入相关公式，以简化研发人员的操作；Modelica就是此软件中使用的面向对象的语言，用来描述各个组件以及他们之间的联系。举例来说，在信号流环境下阻尼器看起来像是积分器、加法器和反馈组件的结合体，拓扑与传统的物理系统差别很大；而在MapleSim环境下，阻尼器看起来像是减震弹簧与阻尼装置的结合体，弹簧特性遵循胡克定律F=-k·x，会根据已知条件的不同自主判定输出位置和弹力大小。这种软件改进的意义是十分重大的，在信号流建模软件中已知作用力或加速度大小要采用两种不同的公式来计算，而在MapleSim中一套公式就能够处理，降低了工程师开发仿真程序的时间，进一步提高了传动系统的研发效率。
不论仿真还是实际生产的传动系统，其电子控制单元是为了让传动系统满足动力性能的需求，变速箱与电子控制单元是相辅相成的。硬件回路仿真（HIL）是为了测试电子控制单元的性能表现而采用的，把电子控制单元与硬件回路仿真软件相连接，让电子控制单元产生与真实传动系统相连接的效果，通过硬件回路仿真工作台上的dSpaceorNational仪器记录下相关信息。为了完成一次成功的仿真，硬件回路仿真软件中的传动系统模块应当以较小的离散化时间 ∆t运行，才能让电子控制单元与传动系统连接，甚至仿真∆t要比实际车辆的∆t更小，以满足其他性能的需求。
基于Modelica语言的模块，由于对组件进行了事先的公式插入工作，而大大减少了仿真过程的计算量，比起传统的信息流建模仿真，速度提高了近10倍，而且还能保证数据的准确性。

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