CarSim仿真快速入門(九)—車輛動力系統(tǒng)建模(2)

變矩器

扭矩通過液力變矩器或機械離合器從發(fā)動機傳遞到變速器。如果選擇了液力變矩器，則特性表（ftr）給出了變矩器輸出側(cè)的轉(zhuǎn)矩（Ttcout），它是作為速比（Stc）的函數(shù)的轉(zhuǎn)矩比（Ttcout?/ Ttcin）乘以輸入側(cè)的扭矩T：

變矩器輸入側(cè)的扭矩(Ttcin)等于特性表（ftki）給出的發(fā)動機扭矩負(fù)載，它是反扭矩容量因子（1 / K）與速比的函數(shù)，（?Stc?= wtco?/ we），乘以發(fā)動機角速度。

通常，變矩器的特征在于扭矩容量因子（K），但是，考慮到發(fā)動機制動，很難直接用K來描述模型，因為通常K趨向于無窮大，當(dāng)?趨近于1時，因此，容量由1 /K的表描述為wtco/we。當(dāng)wtco/we?> 1時，假定K的符號為負(fù)，變速器上的扭矩從而施加了滯后作用，最終是車輪上的扭矩。如果使用鎖止變矩器，則將機械離合器與此液壓方程式平行應(yīng)用。下一部分將對此進(jìn)行說明。鎖止時間表在“傳輸”部分中進(jìn)行了描述。這些液壓變矩器計算中涉及的上述參數(shù)和表格功能在圖10的界面上使用以下描述的界面項目進(jìn)行設(shè)置①變矩器容量與速度比的函數(shù)成反比（根關(guān)鍵字= INV_CAP_TC）。②轉(zhuǎn)矩放大率與速度比的函數(shù)關(guān)系（根關(guān)鍵字= RM_TC）.③變矩器輸入軸的旋轉(zhuǎn)慣量（關(guān)鍵字= ITC_INPUT_SHAFT）④變矩器輸出軸的旋轉(zhuǎn)慣量（關(guān)鍵字= ITC_OUTPUT_SHAFT).

圖10.變矩器界面

機械離合器

扭矩通過液力變矩器或機械離合器從發(fā)動機傳遞到變速器。在VehicleSim車輛模型中，液壓變矩器上的機械離合器和鎖止離合器采用相同的方程式。

打滑或者鎖止條件

離合器有兩種狀態(tài)：打滑或鎖止。在這兩種狀態(tài)之間，用于計算扭矩和自由度的方程式是不同的。首先，通過以下操作條件來區(qū)分這些狀態(tài)。

如果當(dāng)前打滑則

If abs(Tclutch _ cap?) >?abs(Tclutch _ lock?) AND (dwclutch*dwclutch_old?) <?0.0

 

然后' 變成鎖止'也可' 保持打滑'? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (16)

也(當(dāng)前鎖止)

If abs(Tclutch_cap*1.02) >?abs(Tclutch_lock?)

然后'保持鎖止'也可'變?yōu)榇蚧?

其中dwclutch是離合器輸入板和輸出板之間的速度差（we-wtco），而dwclutch_old是從一個計算步驟開始的dclutch。?條件“(dwclutch_old x dwclutch) < 0.0”這一術(shù)語表示離合器的速度差反向到另一個方向。Tclutch_cap表示離合器的扭矩容量，由表函數(shù)定義為：

Clutch_displacement是來自駕駛員控制的輸入值（0 – 1）。Tclutch_lock表示理論上計算出的鎖止離合器上的扭矩負(fù)載，其值由下式計算

 

在等式16的當(dāng)前鎖定條件下，離合器扭矩容量乘以1.02的原因是，靜態(tài)摩擦被認(rèn)為比動態(tài)摩擦大2％?？傮w而言，當(dāng)離合器打滑時，如果扭矩容量（Tclutch_cap）大于扭矩負(fù)載（Tclutch_lock），并且輸入/輸出離合器片之間的速度差反向至另一個方向，則離合器將被鎖定。離合器鎖定時，如果扭矩負(fù)載（Tclutch_lock）超過扭矩容量（Tclutch_cap）的2％以上，則離合器開始打滑。

扭矩計算和自由度換算

當(dāng)離合器打滑時

如果離合器打滑，則對發(fā)動機的反作用扭矩（Ttcin）和對變速器輸入軸的扭矩（Ttcout）相同，例如

其中sign是第一項的符號（Tclutch_cap）取決于第二項（dwclutch）的符號函數(shù)。?如果dwclutch為正，則Ttcin?在這種情況下也為正。

離合器鎖定時（去除發(fā)動機的自由度）

如果離合器被鎖定，則將離合器扭矩與發(fā)動機扭矩相同，將發(fā)動機曲軸的自由度移除，并將離合器的兩側(cè)視為“一個單元”。因此，方程式9和10被忽略，發(fā)動機的角加速度和角速度被視為：

但是，僅當(dāng)離合器鎖定時，才會通過發(fā)動機慣性項來補償用于繪圖的離合器扭矩，例如：

Ttcout*還用于衡量變速箱，分動箱和差速器的行駛效率或滑行效率

圖11.機械離合器的界面

用戶設(shè)置

①復(fù)選框，用于使用離合器扭矩容量的一階時間延遲（關(guān)鍵字= OPT_CLUTCH_DELAY）。選中后，將顯示指定時間常數(shù)的其他數(shù)據(jù)字段（②和③）。如果未選中，則離合器扭矩會立即響應(yīng)而不會延遲。

②離合器接合的動態(tài)時間常數(shù)(關(guān)鍵字= TC_CLUTCH_ENGAGE).③離合器分離的動態(tài)時間常數(shù)(關(guān)鍵字= TC_CLUTCH_DISENGAGE).④離合器輸入軸的旋轉(zhuǎn)慣量 (關(guān)鍵字 = ITC_INPUT_SHAFT).⑤離合器輸出軸的旋轉(zhuǎn)慣量 (關(guān)鍵字= ITC_OUTPUT_SHAFT).⑥表格數(shù)據(jù)，表示機械離合器根據(jù)控制可獲得的最大扭矩（根關(guān)鍵字= CLUTCH_TORQUE）。當(dāng)控制為1（或更大）時，離合器分離，從而在兩個軸之間不傳遞扭矩。

變速箱

圖12. VehicleSim變速箱模型的示意圖：齒輪變速箱（上圖）和空檔時斷開（下圖）

討論

圖12顯示了變速箱的兩種狀態(tài)，上圖為變速檔（倒檔，1檔或更高的變速檔），而底圖為空檔。當(dāng)變速箱處于齒輪嚙合狀態(tài)時，它具有一個自由度，即變速箱的扭轉(zhuǎn)力。另一方面，當(dāng)變速器處于空檔時，它具有額外的自由度，這就是扭矩傳遞裝置輸出軸的旋轉(zhuǎn)。變速箱輸出軸扭矩（Tg）由扭力彈簧減震器給定，例如:

整個傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)剛度（Kdriveline）和阻尼系數(shù)（Ddriveline）由公式6給出。如下所述，關(guān)于變速箱的旋轉(zhuǎn)和扭矩的其他方程式根據(jù)齒輪變速或空擋，或主離合器是否接合或分離（總共4種情況）而變化。

齒輪傳動箱

當(dāng)變速器帶齒輪時，變速器齒輪比（Ntrans）與選定的齒輪號或無級變速相關(guān)。變速箱變速箱的輸出扭矩（Tgrout）由扭矩傳遞裝置的輸出扭矩（Ttcout）、傳動比和效率決定，取決于發(fā)動機是驅(qū)動車輪還是被車輪驅(qū)動，例如：

其中Etrans是引擎驅(qū)動車輪時的效率（乘）。另一方面，Etrans_rev是車輪驅(qū)動發(fā)動機時的效率（除法）。根據(jù)通過變速器的扭矩方向切換這兩個效率。?變速箱輸出速度給出如下:如果離合器打滑

或 (離合器鎖止)

如果離合器處于鎖定狀態(tài)，則發(fā)動機、扭矩傳遞裝置輸出軸和變速箱都被視為一個單元 (Ttcout?= Te).扭矩傳遞裝置輸出的角速度wtco由變速箱輸出角速度wgrout乘以變速箱速比得出，例如:

扭矩傳遞裝置輸出的旋轉(zhuǎn)角ftco由變速箱輸出的旋轉(zhuǎn)角fgrout,乘以變速箱速比得出，例如:

變速箱空擋

另一方面，如果變速箱處于空檔（請參見圖12的底部圖），則變速箱的輸出轉(zhuǎn)速為：

此外，扭矩傳遞裝置的輸出軸具有獨立的自由度。它的速度由下式給出：離合器處于打滑：

 

或 (離合器鎖止)

 

在任何情況下（變速箱是齒輪傳動還是空擋），變速箱輸出旋轉(zhuǎn)角均由下式給出：

換擋順序

變速箱的檔位部分取決于變速箱的工作模式。該模式詳細(xì)描述為在界面Control: Shifting (Closed Loop)中指定的時間的開環(huán)函數(shù)，當(dāng)模式為-1時，將調(diào)用變速器的倒檔。當(dāng)模式為0時，變速器處于空檔：其輸出扭矩為零。模式1表示將變速箱確定為時間的開環(huán)函數(shù)，如界面控制：Control: Shifting (OpenLoop)。模式2至7使齒輪根據(jù)鏈接到變速箱界面的升檔和降檔時間表自動進(jìn)行換檔。此外，通過指定允許的最高檔位來仿真18檔的變速器。例如，如果模式為3，則永遠(yuǎn)不會訪問高于3的檔位。

圖13所示的界面根據(jù)變速表的油門位置來確定升檔邊界，該表是根據(jù)變速表進(jìn)行查詢的。降檔邊界使用幾乎相同的界面外，如果用戶了帶有鎖止離合器的液力變矩器，則類似的界面定鎖止和解鎖控制時間表。表5總結(jié)了那些計劃表界面。當(dāng)變速箱速度超過指定水平或節(jié)氣門位置下降到指定水平以下時，會升檔。圖14顯示了一個示例升檔圖，其升檔邊界為3檔至4檔。在此圖中，當(dāng)前檔位為0.6（60％），變速箱輸出轉(zhuǎn)速為2000 rpm，當(dāng)前檔位為3檔。如果在保持相同的變速箱速度的情況下將油門位置減小到0.38以下，或者在保持相同的油門位置的情況下將變速箱的速度提高到2600 rpm以上，則會發(fā)生升檔。當(dāng)變速箱的速度降低到指定水平以下或節(jié)氣門位置上升到指定水平以上時，就會降檔。圖15顯示了一個示例降檔圖，其降檔邊界為4檔至3檔。在此圖中，當(dāng)前油門位置為0.6（60％），變速器輸出轉(zhuǎn)速為2000 rpm。如果將油門位置增加到0.82以上并保持相同的變速箱速度，或者如果變速箱的速度下降到1200 rpm以下并保持相同的油門位置，則將發(fā)生降檔。

圖13. 變速箱換擋界面

圖 14. 升檔示意圖

圖 15. 降檔示意圖

用戶設(shè)置

這些參數(shù)和表功能在圖16所示的界面上定義，用戶設(shè)置如下所述.該界面不涉及CVT設(shè)置的鏈接，該鏈接應(yīng)與另一個界面“變速箱（擴展）”鏈接。

圖16.變速箱界面

①用于選擇外部或內(nèi)部降檔時間表的下拉列表（關(guān)鍵字= OPT_SHIFT_INTERNAL）。選擇外部變速表②后，用于升檔表和降檔表的數(shù)據(jù)鏈接③被隱藏。②鏈接到Powertrain: UpshiftSchedule 數(shù)據(jù)集. 關(guān)聯(lián)表的根關(guān)鍵字是UPSHIFT_TRANS（請參閱表5）③鏈接到Powertrain: DownshiftSchedule 數(shù)據(jù)集. 關(guān)聯(lián)表的根關(guān)鍵字是DOWNSHIFT_TRANS（請參閱表5）④在自動變速器的變矩器中包括一個鎖止離合器的復(fù)選框，選中該復(fù)選框會顯示兩個鏈接（⑤和⑥），以定義鎖止離合器的鎖止和解鎖控制參數(shù)。同樣，使用鎖止離合器參數(shù)（⑦和⑧）。在主動力總成界面上鏈接了手動離合器時，必須取消選中此框

 

表5.變速和鎖止離合器控制關(guān)鍵字摘要

數(shù)據(jù)庫名稱	跟關(guān)鍵字	索引	描述
Powertrain: Upshift Schedule	UPSHIFT_TRANS	IGEAR	使用油門位置和變速器輸出速度的齒輪升檔時間表。
Powertrain: Downshift Schedule	DOWNSHIFT_TRANS	IGEAR	使用油門位置和變速器輸出速度的齒輪降檔時間表。
Powertrain: Lockup Schedule	LOCK_AT	IGEAR	離合器鎖止使用節(jié)氣門位置和變速箱輸出速度。
Powertrain: Unlock Schedule	UNLOCK_AT	IGEAR	離合器未鎖止使用節(jié)氣門位置和變速箱輸出速度。

⑤鏈接到Powertrain: LockupSchedule 數(shù)據(jù)集。關(guān)聯(lián)表的根關(guān)鍵字是LOCK_AT（請參閱表5。）⑥鏈接到Powertrain: UnlockSchedule 數(shù)據(jù)集. 關(guān)聯(lián)表的根關(guān)鍵字是UNLOCK_AT(see Table 5.)⑦鎖止離合器的最大扭矩容量 (關(guān)鍵字 = M_LOCKUP_CLUTCH_CAP).⑧復(fù)選框，用于使用離合器扭矩容量的一階時間延遲（關(guān)鍵字= OPT_CLUTCH_DELAY）。選中后，將顯示額外的數(shù)據(jù)字段（⑨和⑩），它們指定時間常數(shù)。如果未選中，離合器扭矩將立即響應(yīng)而不會延遲。

⑨離合器結(jié)合的動態(tài)時間常數(shù) (關(guān)鍵字 = TC_CLUTCH_ENGAGE).⑩離合器脫離的動態(tài)時間常數(shù) (關(guān)鍵字 = TC_CLUTCH_DISENGAGE)?用于選擇外部或內(nèi)部變速器傳動比的下拉列表（關(guān)鍵字= OPT_TR_GEAR_INTERNAL）。?換檔持續(xù)時間，即從一個齒輪切換到另一個齒輪的過渡時間，用于使用液壓變矩器自動變速器（關(guān)鍵字= T_SHIFT）。??傳動系齒輪比（關(guān)鍵字= R_GEAR_TR_REVERSE，R_GEAR_TR（IGEAR））。前進(jìn)檔必須為正，倒檔必須為負(fù)。

?GVFVBWQB ITR_REVERSE，ITR_NEUTRAL，ITR（IGEAR））。所有值都應(yīng)為正。對于前輪和后輪驅(qū)動，等效慣量是施加在相應(yīng)差速器上的慣性負(fù)載。對于兼時和全時四輪驅(qū)動，等效慣性是分動箱上的慣性負(fù)載，并且驅(qū)動軸假定為零慣性.?每個檔位的行駛和滑行效率（關(guān)鍵字= R_EFF_TR_F（IGEAR），R_EFF_TR_F_REVERSE，R_EFF_TR_R（IGEAR），R_EFF_TR_R_REVERSE）.

變速箱(擴展版)

使用此界面（請參見圖17）來指定最多18個齒輪的自動/手動變速器或無級變速器（CVT）的屬性。但是，對于不超過18個齒輪的變速器，所有數(shù)學(xué)計算與上一節(jié)所述的計算相同。

圖 17.變速箱界面(擴展版)

①用于指定傳動齒輪類型的下拉列表（關(guān)鍵字= OPT_TR_GEAR_INTERNAL）。選擇的選項確定直接顯示在下面的傳輸類型：

最多18個齒輪：指定每個齒輪號的齒輪比，慣量和效率（在圖17中選擇此項），

無級變速器（CVT）：通過使用表格指定齒輪比，慣性和效率（有關(guān)更多詳細(xì)信息，請參見下一節(jié)“無級變速器（CVT）ContinuouslyVariableTransmission (CVT), ”），以及

外部齒輪比：通過外部輸入變量指定齒輪比，慣性和效率。

②齒輪數(shù)控制以定義變速箱中的檔數(shù)（關(guān)鍵字= NGEARS）。數(shù)學(xué)模型將忽略任何涉及高于該數(shù)字的檔位的參數(shù)，并且該界面上的所有控件都將被隱藏。③傳動系齒輪比（關(guān)鍵字= R_GEAR_TR_REVERSE，R_GEAR_TR（IGEAR））。前進(jìn)檔必須為正，倒檔必須為負(fù).④傳動系慣性（關(guān)鍵字= ITR_REVERSE，ITR_NEUTRAL，ITR（IGEAR））。所有值都應(yīng)為正。對于前輪驅(qū)動和后輪驅(qū)動，等效慣性是相應(yīng)差速器上施加的慣性負(fù)載。對于兼時和全時四輪驅(qū)動，等效慣性是分動箱上的慣性負(fù)載，并且驅(qū)動軸假定為零慣性.⑤每個檔位的驅(qū)動效率（關(guān)鍵字= R_EFF_TR_F_REVERSE，R_EFF_TR_F（IGEAR））。當(dāng)動力從變速器輸入軸傳遞到輸出軸時（在正常操作中，當(dāng)發(fā)動機為車輪提供動力時），輸入軸的扭矩乘以該系數(shù)（公式23）。它考慮了摩擦和其他損失。⑥每個齒輪的滑行效率（關(guān)鍵字= R_EFF_TR_R_REVERSE，R_EFF_TR_R（IGEAR））。當(dāng)動力從變速器輸出軸傳遞到輸入軸時（當(dāng)發(fā)動機提供制動效果時），輸入軸的扭矩除以該系數(shù)（公式23）。它造成了摩擦和其他損失.⑦用于選擇外部或內(nèi)部換擋時刻的下拉列表（關(guān)鍵字= OPT_SHIFT_INTERNAL）。選擇外部變速表后，將隱藏每個檔的變速表的數(shù)據(jù)鏈接⑨。⑧換檔持續(xù)時間（傳統(tǒng)），這是使用液壓變矩器（關(guān)鍵字= T_SHIFT）自動變速箱從一個檔切換到另一檔的過渡時間。?⑨鏈接到動力總成：換擋序列數(shù)據(jù)集Powertrain: Shift Schedule。每個鏈接的數(shù)據(jù)集都提供了與鏈接相關(guān)的齒輪之間升檔和降檔的標(biāo)準(zhǔn)（請參見表6）。⑩在自動變速器的變矩器中包括一個鎖止離合器復(fù)選框。選中該框會顯示每個檔的鏈接，以定義鎖止離合器的鎖定和解鎖控制條件。在主動力總成界面上鏈接了手動離合器時，必須取消選中此框。?鎖止離合器的最大扭矩容量（關(guān)鍵字= M_LOCKUP_CLUTCH_CAP）。?復(fù)選框，用于使用離合器扭矩容量的一階時間延遲（關(guān)鍵字= OPT_CLUTCH_DELAY）。選中后，將顯示額外的數(shù)據(jù)區(qū)域（?和?），它們指定時間常數(shù)。如果未選中，則離合器扭矩會立即響應(yīng)而不會延遲。?接合離合器的動態(tài)時間常數(shù)（關(guān)鍵字= TC_CLUTCH_ENGAGE）。?離合器分離的動態(tài)時間常數(shù) (關(guān)鍵字 = TC_CLUTCH_DISENGAGE).??鏈接到動力總成：AT離合器離合器結(jié)合時刻數(shù)據(jù)集。僅當(dāng)選中上述框時，這些鏈接才可見。每個鏈接的數(shù)據(jù)集均提供了用于與該鏈接關(guān)聯(lián)的齒輪接合和分離變矩器鎖止離合器的標(biāo)準(zhǔn)（請參見表6）。

表6.換檔和鎖止離合器控制關(guān)鍵字總結(jié)（針對18個齒輪）

鏈接窗口名稱	跟關(guān)鍵字	索引	描述
Powertrain: Shift Schedule	UPSHIFT_TRANS DOWNSHIFT_TRANS ?T_SHIFT_UP T_SHIFT_DOWN	IGEAR	與節(jié)氣門位置和變速箱輸出端轉(zhuǎn)速相關(guān)的升降檔表
Powertrain: AT Clutch Schedule	LOCK_AT and UNLOCK_AT	IGEAR	與節(jié)氣門位置和變速箱輸出端轉(zhuǎn)速相關(guān)的離合器鎖止和未鎖止表

 

無級變速器 (CVT)

當(dāng)變速箱為無級變速（CVT）時，除變速比（Ntrans）作為連續(xù)變速比之外，大多數(shù)方程與前面小節(jié)中的齒輪傳動情況下描述的方程（23-26）相同，均是油門位置和變速器輸出速度的函數(shù)，例如：

公式中 Ntrans_inst?是不涉及任何時間延遲的即時傳動比。應(yīng)用于變速箱的實際傳動比由一階動態(tài)時間延遲表示，例如:

公式中Tc_cvt?是動態(tài)時間常數(shù), Ntrans?針對每個數(shù)值計算時間步長進(jìn)行集成和更新.?繼而，傳動效率（Etrans?和Etrans_rev）和傳動慣性（Itrans）也隨當(dāng)前傳動齒輪比的函數(shù)而連續(xù)變化。

公式中Icvt_input_pulley?和?Icvt_output_pulley?CVT輸入和輸出軸的轉(zhuǎn)動慣量。由于傳動比會隨時間變化，因此變速器輸入的角加速度可以是：

變速箱輸出速度為:如果離合器滑轉(zhuǎn)

或(離合器鎖止)

公式34與公式24相似，但包含一個附加項，它帶有變速齒輪比的時間導(dǎo)數(shù)。如果變速箱齒輪比連續(xù)變化（時間可微分），例如CVT，則變速箱輸出速度由公式34而不是公式24計算。在Powertrain:Transmission(Extended)?界面, 選擇, Continuously variable transmission (CVT), 在下列列表①, 界面的外觀會發(fā)生變化，如圖18所示，以指定無級變速箱（CVT）的屬性。

圖18. CVT設(shè)置的變速箱外觀（擴展）界面設(shè)置

①用于指定傳動齒輪類型的下拉列表（關(guān)鍵字= OPT_TR_GEAR_INTERNAL）。選擇的選項確定直接顯示在其下方的傳輸類型:

最高到18個擋位:指定每個擋位速比、轉(zhuǎn)動慣量和效率。

無級變速箱 (CVT): 使用表格(此項的設(shè)置在圖18中)指定擋位速比、轉(zhuǎn)動慣量和效率

外部的擋位速比: 通過外部輸入變量，指定擋位速比、轉(zhuǎn)動慣量和效率。

②擴展倒檔的CVT設(shè)置復(fù)選框（關(guān)鍵字= OPT_CVT_REVERSE）。如果選中此框，則將隱藏變速比，慣性和倒車效率的常數(shù)值，這些值通過“動力總成：CVT齒輪比”的鏈接定義數(shù)據(jù)集Powertrain: CVT Gear Ratio（請參閱表7）。

③鏈接到Powertrain：CVT齒輪比數(shù)據(jù)集，然后鏈接到Powertrain：CVT效率數(shù)據(jù)集（請參閱表7）。④輸入輪慣性（關(guān)鍵字= ICVT_INPUT_PULLEY）。⑤輸出輪慣性(關(guān)鍵字= ICVT_OUTPUT_PULLEY)。⑥CVT動態(tài)時間常數(shù) (關(guān)鍵字=TC_RGEAR_CVT)。

表7.無級變速比和效率控制關(guān)鍵字總結(jié)

庫界面名稱	根路徑	索引	描述
Powertrain: CVT Gear Ratio	R_GEAR_CVT	ICVT	CVT齒輪比與節(jié)氣門位置和變速器輸出速度的關(guān)系。索引指驅(qū)動（正向）或反向。
Powertrain: CVT Efficiencies	R_EFF_CVT_F ?and R_EFF_CVT_R	ICVT	CVT的行駛效率和滑行效率分別取決于變速箱速比。索引指驅(qū)動器（正向）或相反。

 

各種差速系統(tǒng)概述

VehicleSim求解器具有各種差速系統(tǒng)，可以分別在前，后和中央位置進(jìn)行設(shè)置不同形式的差速器。表8總結(jié)了差速器系統(tǒng)類型。

表8.可用的差分系統(tǒng)

系統(tǒng)名稱	位置	相應(yīng)的GUI窗口
粘性聯(lián)軸器	前	動力系統(tǒng)：前差速器
后	動力系統(tǒng)：后差速器
中央	動力系統(tǒng)：分動器
差速離合器	前/后	動力總成：限滑差速器（前或后），從每個差速器界面鏈接。
中央	動力總成：中間的限滑差速器，從分動箱界面鏈接。
橫擺差速控制	前/后/中	動力總成：偏航控制差速器，從每個差速器或分動器界面鏈接
雙離合	前	動力總成：前雙離合器差速器，從前輪驅(qū)動界面鏈接。
后	動力總成：后雙離合差速器，從后輪驅(qū)動鏈接。

 

粘性聯(lián)軸器

通常，粘性聯(lián)軸器是指使用某些液壓機構(gòu)作為差速器系統(tǒng)一部分的對速度敏感的限滑差速器。該系統(tǒng)可以限制一個車輪打滑或驅(qū)動軸（4WD）一端打滑。粘性耦合通過扭矩差定義為速度差的非線性函數(shù)，使用表格。粘性耦合器可用于前，后和中央差速器。

圖19：差速器上的離合器（前或后）

差速離合器

機械摩擦機制適用于前，后和中央差速器，如圖19所示。離合器將扭矩從打滑側(cè)傳遞到另一側(cè)–因此，它可以限制一個車輪或驅(qū)動軸（4WD）一端打滑。通過離合器最大可用扭矩來定義，該扭矩是離合器控制位置的非線性函數(shù)，可通過簡單的控制律或通過VS命令，Simulink或外部代碼的外部信號進(jìn)行控制。簡單控制律采用輸出轉(zhuǎn)矩總和的非線性函數(shù)。因此，該系統(tǒng)可以充當(dāng)扭矩感應(yīng)滑差限制裝置。它與限滑差速器（LSD）非常相似。

限滑差速器

限滑差速器（LSD）包含機械摩擦離合器，該離合器與差速離合器非常相似。通常，離合器由彈簧預(yù)加載以提供初始扭矩，該初始扭矩在一個車輪打滑時保持最小的牽引力。如圖20所示，當(dāng)輸出扭矩的總和增加時，離合器的負(fù)載也會增加。預(yù)加載策略有兩種：一種是預(yù)加載和增加負(fù)載的總和，另一種是預(yù)加載的最大值并增加負(fù)載。每條線的斜率是由以下公式定義的扭矩偏差比（TBR）：

在發(fā)動機制動的加速和減速期間，TBR可能有所不同–因此，針對每種情況分別定義了TBR。LSD特性的另一種表達(dá)形式是鎖緊率（L.R.），由以下公式定義:

圖20：扭矩偏置比（TBR）的定義

圖21顯示了使用鎖定比率的LSD特性。如該圖所示，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩的總和增加時，轉(zhuǎn)矩差增大。

圖21：鎖定比率（L. R.）的定義

前后差速上的LSD用TBR表示，中心差速用L.R表示.

橫擺控制差速器

橫擺控制差速器在差速器上并聯(lián)使用兩個離合器和減速齒輪，如圖22所示。差速器的每個輸出軸均通過扭矩反饋扭矩。減速器連接至離合器，該離合器從差速器的相反側(cè)連接至輸出軸。松開離合器后，反饋路徑斷開，系統(tǒng)用作正常的自由差速器。如果任一離合器已加載，扭矩就會從一側(cè)傳遞到另一側(cè)，從而繞過差速器。由于減速齒輪，兩個軸被迫以不同的速度運轉(zhuǎn)。因此，左側(cè)或右側(cè)離合器的選擇性控制允許控制車輛的橫擺運動。在分動箱上使用這種類型的系統(tǒng)可以控制前輪和后輪之間的扭矩分配。

圖 22?橫擺控制差速器

雙離合差速器

雙離合系統(tǒng)可在前后軸上使用。該系統(tǒng)包括一個位于輪軸中間的變速箱以及每個車輪和變速箱之間的兩個離合器，如圖23所示。

圖23：雙離合器（前軸或后軸）差速器。

如果離合器斷開（空轉(zhuǎn)），則驅(qū)動扭矩不會傳遞到車輪上。離合器還可包括粘性效應(yīng)，該粘性效應(yīng)將扭矩傳遞到車輪，該扭矩由變速箱輸出和車輪之間的速度差確定。通常，非全時四輪驅(qū)動的前軸或后軸采用雙離合器系統(tǒng)，其分動箱可能一直被鎖定，如圖24所示。該系統(tǒng)本質(zhì)上是前輪驅(qū)動車輛，后排的兩個雙離合器都是自由的。每當(dāng)后排雙離合器接合時，系統(tǒng)便成為非全時4WD。雙離合器系統(tǒng)中的左右離合器可通過不同方式控制，以影響車輛的橫擺運動。

圖24：示例設(shè)置-非全時4輪驅(qū)動中的前LSD /后雙離合器

分動器

在四輪驅(qū)動車型中，變速器輸出扭矩通過分動器分配到前后驅(qū)動軸。從分動器到驅(qū)動軸的扭矩傳遞說明如下。

鎖止(非全時4WD)

當(dāng)分動箱鎖定時，變速器輸出軸角速度wg 由前后驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速定義，例如：

變速箱輸出軸旋轉(zhuǎn)角f g由前后驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)角定義，例如：

前后驅(qū)動軸的扭矩分配如下。前驅(qū)動軸扭矩為:

 

公式Tlock_trcase?是由于前后橋的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的扭矩，例如:

后驅(qū)動軸扭矩為:

自由或粘性耦合器(全時4WD)

當(dāng)分動器未鎖定時，變速器輸出軸角速度wg由前后驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速以及分動箱的傳動比?Ntrcase定義，例如:

變速箱輸出軸旋轉(zhuǎn)角由前后驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)角和分動箱Ntrcase的齒輪比確定，例如:

前后的扭矩分配如下。前驅(qū)動軸扭矩為:

其中，Etrcase是發(fā)動機驅(qū)動車輪時分動箱的效率，而Etrcase_rev是車輪驅(qū)動發(fā)動機時分動箱的效率。表格函數(shù)ftrcase是前后之間的扭矩差，是速度差的函數(shù)。Tbias_to_rea是后輪的扭矩偏置，其值的范圍在0到1之間。Tclutch_trcase是分動器離合器上的扭矩，這將在下一個小節(jié)中進(jìn)行介紹。傳遞到后驅(qū)動軸的扭矩為:

 

機械離合器

Tclutch_trcase?機械離合器的扭矩, 在離合器鎖止和打滑的情況下，通過不同的方程式計算得出。?首先，區(qū)分這些狀態(tài)并根據(jù)以下操作條件切換到其他狀態(tài)。

其中 dwclutch_trcase是前后驅(qū)動軸差?(wgF-wgR) 和 dwclutch_trcase_old?是 dwclutch_trcase上一步計算的結(jié)果。條件“（（dwclutch_trcase_old?*?dwclutch_trcase）<0.0”）表示離合器的速度差反向到另一個方向。Tclutch_trcase_cap表示離合器的扭矩容量，由表函數(shù)定義為。

Clutch_trcase_displacement 是從外部控制輸入或其它表格輸入的值(0-1), 這是扭矩敏感極限滑移，即LSD。Tclutch_trcase_lock表示理論上計算的鎖止離合器上的扭矩負(fù)載，其值由下式計算：

My_load?是每個車輪的扭矩負(fù)載，其中包括輪胎力，力矩和制動扭矩引起的扭矩。總體而言，如果扭矩容量（Tclutch_trcase_cap）大于扭矩負(fù)載（Tclutch_trcase_lock），并且前后驅(qū)動軸之間的速度差反向至另一個方向，則離合器將被鎖定。另一方面，當(dāng)離合器鎖定時，如果離合器扭矩（Tclutch_trcasep如下所述）超過扭矩容量（Tclutch_trcase_cap），則離合器開始打滑。

當(dāng)離合器被鎖止時，離合器扭矩是:

當(dāng)離合器滑轉(zhuǎn)時：

 

公式中?sign 是符號計算函數(shù)，其第一參數(shù)?(Tclutch_trcase_cap) 取決于第二個參數(shù)(dwclutch_trcase)。當(dāng) dwclutch_trcase?為正, Tclutch_trcase同樣是正.

 

用戶設(shè)置

這些分動器參數(shù)和表函數(shù)在圖25的界面上定義。

圖 25 分動器設(shè)置界面

該界面中涉及的所有參數(shù)和數(shù)據(jù)表均采用與前后差分界面相同的關(guān)鍵字。但是，使用差異索引IDIFF在這些界面之間區(qū)分這些關(guān)鍵字：1是前差速器，2是后差速器，3是分動器。①轉(zhuǎn)矩差作為速度差的函數(shù)（根關(guān)鍵字= M_DIFF_VISC（IDIFF））。僅當(dāng)未選中“始終鎖定Always Locked”②框時，才顯示此表和相應(yīng)的圖。（此表不用于仿真鎖定的差速器。）②始終鎖止復(fù)選框 (關(guān)鍵字 = OPT_LOCKED_DIFF(IDIFF)). 選中此框以指定鎖定的差速器。選中后，將隱藏粘性差分表和曲線圖③。選裝機械離合器差速器的數(shù)據(jù)鏈接始終處于鎖定狀態(tài)。③鏈接到Powertrain: DifferentialClutch 數(shù)據(jù)集. 離合器連接前后輸出軸，除非差速器始終鎖定（如復(fù)選框所示②）. 或者, 鏈接到Powertrain: LimitedSlip Differential for Center Case, 或Powertrain: Yaw ControlDifferential.④分?jǐn)?shù)比：后驅(qū)動軸上的扭矩占比（關(guān)鍵字= R_REAR_BIAS（IDIFF））。該比率通常為0.5，導(dǎo)致驅(qū)動扭矩均勻地分配到前后驅(qū)動軸上。但是，用戶可以使用其他值來模擬非對稱微分。（可接受值的范圍是0到1）。如果差速器始終處于鎖定狀態(tài)②，則此字段是隱藏的。⑤分動箱的齒輪比（關(guān)鍵字= R_GEAR_DIFF（IDIFF））。這是輸入軸旋轉(zhuǎn)速度除以輸出旋轉(zhuǎn)速度。⑥扭轉(zhuǎn)剛度（關(guān)鍵字= LOCKED_DIFF_K（IDIFF））。將前驅(qū)動軸和后驅(qū)動軸與扭力彈簧和減震器相連可仿真差速器鎖定狀態(tài)。這就是彈簧的剛度。⑦扭轉(zhuǎn)阻尼（關(guān)鍵字= LOCKED_DIFF_DAMP（IDIFF））。將前驅(qū)動軸和后驅(qū)動軸與扭力彈簧和減震器相連可仿真差速器鎖定狀態(tài)。這是線性阻尼常數(shù)。⑧驅(qū)動效率比（關(guān)鍵字= R_EFF_F_DIFF（IDIFF））。當(dāng)獲得在正常加速度下施加到車輪的扭矩時（公式39、41、44和45），輸入軸的扭矩乘以該系數(shù)。⑨滑行效率比（關(guān)鍵字= R_EFF_R_DIFF（IDIFF））。當(dāng)獲得在減速（發(fā)動機阻力）條件下施加到車輪的扭矩時（公式39、41、44和45），輸入軸的扭矩除以該系數(shù)。

差速器

前后橋使用相同的差速器模型。以下使用前軸說明。變速箱輸出軸（或四輪驅(qū)動輸出的分動箱輸出）角速度wg?由左右驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速和齒輪比Ndiff_F定義，例如：

變速器輸出軸旋轉(zhuǎn)角fg由左右驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)角和齒輪比Ndiff_F定義，例如:

扭矩分配（始終鎖定）

當(dāng)差速器系統(tǒng)鎖定時，傳遞到左輪的扭矩為:

公式中Ediff_F?is發(fā)動機驅(qū)動車輪時差速器的效率，Ediff_F_rev是車輪拖滯發(fā)動機的效率。Tlock_F?是前橋扭轉(zhuǎn)引起的扭矩, 例如:

傳遞到右輪的扭矩是:

扭矩分配（自由差速器或液力耦合器）

扭矩通過自由差速器或液力耦合器差動系統(tǒng)傳遞到左輪:

表格函數(shù)flsd是左右之間的轉(zhuǎn)矩差，作為速度差的函數(shù)。Tclutch_diff?是差速器離合器上的扭矩，這將在下一部分中介紹。傳遞到右輪上的力矩:

機械離合器

Tclutch_diff?機械離合器的扭矩, 其在鎖止和滑轉(zhuǎn)時計算公式不同。首先，通過以下操作條件區(qū)分這些狀態(tài)并切換到其他狀態(tài)。

其中dwclutch_diff是左右車輪之間的速度差(wwhLF-wwhRF)，而dwclutch_diff_old是一個計算步驟之前的dwclutch_diff。條件項“(dwclutch_diff_old?x dwclutch_diff) < 0.0”表示離合器的速度差反向到另一個方向。Tclutch_diff_cap表示離合器的扭矩容量，由表函數(shù)定義為:

Clutch_diff_displacement是來自外部控制或另一個表的輸入值（0 – 1），這是扭矩敏感的極限滑差，即LSD。Tclutch_diff_lock表示理論上計算出的鎖止離合器上的扭矩負(fù)載，其值由以下公式計算：

公式中 My_load?是每個車輪的扭矩負(fù)載，其中包括輪胎力，力矩和制動扭矩引起的扭矩。
總體而言，如果扭矩容量（Tclutch_diff_cap）大于扭矩負(fù)載（Tclutch_diff_lock），并且左右車輪之間的速度差反向至另一個方向，則離合器將被鎖定。另一方面，如果離合器轉(zhuǎn)矩（Tclutch_diff后述）超過轉(zhuǎn)矩容量（Tclutch_diff_cap），則離合器開始打滑。

 

離合器鎖止時，離合器扭矩公式如下:

當(dāng)離合器滑轉(zhuǎn):

其中sign是第一項的符號（Tclutch_diff_cap）依賴于第二項（dwclutch_diff）的符號函數(shù)。?當(dāng)dwclutch_diff為正時，在這種情況下，Tclutch_diff也為正。

用戶設(shè)置

這些差分參數(shù)和表函數(shù)在圖26所示的界面上定義。該界面中涉及的所有參數(shù)和數(shù)據(jù)表均采用與前后差速器界面相同的關(guān)鍵字。但是，使用差速器索引IDIFF在這些界面之間區(qū)分這些關(guān)鍵字：1是前差速器，2是后差速器，3是分動箱。①轉(zhuǎn)矩差作為速度差的函數(shù)（根關(guān)鍵字= M_DIFF_VISC（IDIFF））。僅當(dāng)未選中“始終鎖定 Always Locked”②框時，才顯示此表和相應(yīng)的圖。（該表不用于仿真鎖止的差速器。）②始終鎖止 (關(guān)鍵字= OPT_LOCKED_DIFF(IDIFF))復(fù)選框. 選中此框以指定鎖定的差速器。選中后，將隱藏液力差速器表和曲線圖⑤。選裝機械離合器差速器的數(shù)據(jù)鏈路始終處于鎖定狀態(tài)。③扭轉(zhuǎn)剛度（關(guān)鍵字= LOCKED_DIFF_K（IDIFF））。將左，右車輪與扭力彈簧和減震器相連可仿真差速器鎖定狀態(tài)。這就是彈簧的剛度。

圖26：差動齒輪的界面

 

④扭轉(zhuǎn)阻尼（關(guān)鍵字= LOCKED_DIFF_DAMP（IDIFF））。將左，右車輪與扭力彈簧和減震器相連可仿真差速器鎖定狀態(tài)。這是線性阻尼常數(shù).

⑤鏈接到Powertrain: Differential Clutch 數(shù)據(jù)集, Powertrain: Limitted Slip Differential (Front or Rear) 數(shù)據(jù)集, 或Powertrain: Yaw Control Differential 數(shù)據(jù)集. 除非差速器始終處于鎖定狀態(tài)（如復(fù)選框②所示），否則離合器將連接左右輸出軸。

⑥驅(qū)動效率比（關(guān)鍵字= R_EFF_F_DIFF（IDIFF））。當(dāng)獲得在正常加速度下施加到車輪的扭矩時，驅(qū)動軸的扭矩乘以該系數(shù)（公式54、56、57和58。)⑦慣性效率比（關(guān)鍵字= R_EFF_R_DIFF（IDIFF））。當(dāng)獲得在減速（發(fā)動機阻力）條件下施加在車輪上的扭矩時，將驅(qū)動軸的扭矩除以該系數(shù)（公式54、56、57和58）。)⑧前差速器的齒輪比（關(guān)鍵字= R_GEAR_DIFF（IDIFF））。這是輸入軸旋轉(zhuǎn)速度除以兩個半軸的平均輸出旋轉(zhuǎn)速度.⑨驅(qū)動軸到前差速器的旋轉(zhuǎn)慣量（關(guān)鍵字= IDS（IDIFF））.⑩前差速器半軸到左輪的旋轉(zhuǎn)慣量（關(guān)鍵字= IHS_L（IDIFF））。?前差速器半軸到右輪的旋轉(zhuǎn)慣量（關(guān)鍵字= IHS_R（IDIFF））。

驅(qū)動輪計算

如“變速箱”部分中所述，傳動系統(tǒng)慣性在變速箱的中間分為兩部分。一側(cè)（發(fā)動機側(cè)）具有自己的自由度，其慣性用于計算變速器輸入速度。另一側(cè)（車輪側(cè)）的慣性用于計算車輪速度。如果涉及分動器（在四輪驅(qū)動的情況下），則前驅(qū)動軸和后驅(qū)動軸的慣性力矩為：

如果動力總成不涉及分動器（前輪驅(qū)動或后輪驅(qū)動），則驅(qū)動軸的慣性矩為：

計算每個車輪的角加速度時應(yīng)考慮驅(qū)動軸慣性。例如，如果在前軸上采用開放式差速器，則左右車輪加速度為：

公式中My_load_LF?和?My_load_RF是分別由于輪胎力/力矩和制動扭矩而在左右前輪上產(chǎn)生的扭矩負(fù)載。例如My_load_LF?表達(dá)式:

公式中FxLF?輪胎縱向力, hwc + ZLF?車輪半徑, MyresisLF瞬時輪胎阻力矩?MybkF?制動力矩。傳動軸的角加速度是左右車輪加速度的平均值，例如:

將方程68代入66，則左右車輪加速度為:

 

公式69適用于開環(huán)式前差速器的情況。以下方程式適用于四個車輪的所有差速系統(tǒng)：