Adams FMI聯(lián)合仿真助力福特汽車優(yōu)化燃油經(jīng)濟(jì)性和NVH性能

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2023年3月14日 16:41

Adams FMI聯(lián)合仿真助力福特汽車優(yōu)化燃油經(jīng)濟(jì)性和NVH性能的圖1

項(xiàng)目背景

在車輛設(shè)計(jì)過程中，NVH性能和燃油經(jīng)濟(jì)性往往必須相互權(quán)衡。例如，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于2000轉(zhuǎn)/分鐘，車輛處于高速檔位時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)拖拽現(xiàn)象。在這種情況下，當(dāng)駕駛員踩下油門時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)很難給車輛提供動(dòng)力，同時(shí)產(chǎn)生的扭矩相對(duì)較小，因此加速度較低。由于發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速和高負(fù)載下的低點(diǎn)火頻率，拖拽會(huì)產(chǎn)生高能級(jí)的低頻輸入。這些低頻輸入經(jīng)常被駕駛員和乘客感受到，比如座椅導(dǎo)軌振動(dòng)、方向盤振動(dòng)和艙內(nèi)轟鳴聲。

工程師試圖控制拖拽的主要方法之一是通過液力變矩器，該變矩器利用流體聯(lián)軸器將發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩傳遞并放大到變速器。液力變矩器由泵、渦輪、葉輪和包含在充滿傳動(dòng)液的腔內(nèi)的定子組成，此外還有鎖止離合器和阻尼器組件。

離合器由電子控制，以提供所需的滑移水平。在需要時(shí)，離合器會(huì)鎖住，并在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器之間提供直接連接，從而達(dá)到接近100%的效率和最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性。在閉鎖模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩波動(dòng)會(huì)直接傳遞到變速器，有可能導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。滑動(dòng)變矩器可增加阻尼，降低傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩激勵(lì)的敏感性，并改善NVH性能。另一方面，由于流體聯(lián)軸器和離合器摩擦，滑移增加了損失，降低了燃油經(jīng)濟(jì)性。

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挑戰(zhàn)

在開發(fā)一種新車型時(shí)，工程師們要負(fù)責(zé)滿足各種經(jīng)常相互沖突的性能目標(biāo)。燃油經(jīng)濟(jì)性和NVH性能是最重要的兩類目標(biāo)。對(duì)于拖拽，NVH工程師通常負(fù)責(zé)保持變速器輸出軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值低于目標(biāo)值。NVH團(tuán)隊(duì)自然更喜歡大的滑移，以幫助實(shí)現(xiàn)他們的目標(biāo)，而負(fù)責(zé)燃油經(jīng)濟(jì)性的團(tuán)隊(duì)則希望滑移盡可能低，以實(shí)現(xiàn)他們的目標(biāo)。到目前為止，直到在產(chǎn)品開發(fā)過程的后期階段，一輛原型車被制造出來并進(jìn)行了測試，才有可能高精度地確定扭轉(zhuǎn)振動(dòng)振幅。然而，在這個(gè)后期階段，設(shè)計(jì)被凍結(jié)了，更改成本相當(dāng)高，可能會(huì)推遲生產(chǎn)。福特正在尋找一種方法來模擬不同液力變矩器設(shè)計(jì)的影響，以便工程師能夠在設(shè)計(jì)和開發(fā)階段進(jìn)行智能權(quán)衡。

解決方案

福特工程師利用Adams的控制聯(lián)合仿真來支持功能模型重用接口(FMI)工具，該工具獨(dú)立于模型交換或聯(lián)合仿真的開放標(biāo)準(zhǔn)，以應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。FMI標(biāo)準(zhǔn)使得從一組數(shù)字組裝的物理定律和控制系統(tǒng)模型創(chuàng)建虛擬產(chǎn)品成為可能。模型的FMI實(shí)例稱為功能模型單元(FMU)。FMU是一個(gè)格式化文件，包含XML格式的模型描述文件、動(dòng)態(tài)鏈接庫和模型數(shù)據(jù)文件。FMI可用于模型交換或協(xié)同仿真。

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Adams FMI支持將Matlab或Easy5的Adams控制聯(lián)合仿真擴(kuò)展到所有使用FMI聯(lián)合仿真標(biāo)準(zhǔn)的軟件。在這種情況下，福特的工程師使用Adams 3D傳動(dòng)系統(tǒng)和整車模型作為聯(lián)合仿真主模型，使用AMESim1D變矩器滑移控制器模型作為聯(lián)合仿真從模型，目標(biāo)是優(yōu)化變矩器滑移，以滿足車輛的拖載NVH目標(biāo)，同時(shí)最大限度地提高燃油經(jīng)濟(jì)性。在Adams/Driveline中創(chuàng)建了一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)模型，包括一臺(tái)帶有三個(gè)支架的I4汽油渦輪增壓直噴(GTDI)發(fā)動(dòng)機(jī)，一個(gè)帶鎖止離合器的液力變矩器，一個(gè)帶內(nèi)軸和行星齒輪組的六速變速箱，以及一個(gè)帶有差速器、連接軸、半軸、萬向節(jié)和車輪的前傳動(dòng)系統(tǒng)。

該傳動(dòng)系統(tǒng)模型使用Adams/Car集成到整車模型中。整車模型包括底盤、懸架、轉(zhuǎn)向、剎車和車輪子系統(tǒng)。AMESim變矩器模型是一個(gè)比例-積分-導(dǎo)數(shù)(PID)控制器，根據(jù)實(shí)際滑移量和期望滑移量之間的差異，提供對(duì)變矩器離合器的法向力。

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結(jié)果

福特全球動(dòng)力總成N VH主管Mario Felice表示：“我們在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的廣泛范圍內(nèi)運(yùn)行了不同的滑移轉(zhuǎn)速值的模型。”“模擬結(jié)果表明，30 rpm或更低的滑移轉(zhuǎn)速將無法滿足NVH目標(biāo)，而40 rpm或更大的滑移轉(zhuǎn)速將滿足目標(biāo)。仿真結(jié)果表明，40 rpm的滑移是滿足NVH目標(biāo)的最優(yōu)值，并將導(dǎo)致與燃油經(jīng)濟(jì)性的最佳權(quán)衡。”

工程師們進(jìn)一步研究了離合器減振器行為和液力變矩器滑移所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振幅的降低。他們還將方向盤和座椅軌道的振動(dòng)與0轉(zhuǎn)/分和40轉(zhuǎn)/分的滑移進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，通過滑移變矩器，方向盤和座椅軌道的振動(dòng)大幅度降低。

Felice表示：“下一步將包括通過對(duì)液壓系統(tǒng)建模，提高液力變矩器模型的復(fù)雜性，以提供更準(zhǔn)確的法向力隨時(shí)間的函數(shù)預(yù)測。”“我們還計(jì)劃用物理測試結(jié)果來驗(yàn)證該模型。然后，我們將把聯(lián)合仿真集成到設(shè)計(jì)過程中，以便在產(chǎn)品開發(fā)周期的早期就可以優(yōu)化液力變矩器的設(shè)計(jì)。”

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