基于mscadams的动力传动系统建模与仿真

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1、2002年MSC.Software中国用户论文集基于MSC.ADAMS的动力传动系统建模与仿真洪清泉程颖覃文洁廖日东（北京理工大学车辆与交通工程学院CAD室）摘要：根据动力传动系统的组成及工作原理，在MSC.ADAMS中分别建立了发动机、液力变矩器、齿轮传动、离合器的动力学模型，并组装成动力传动系统虚拟样机，采用仿真剧本进行总体仿真。结果表明，利用MSC.ADAMS进行动力传动系统仿真具有一定的优越性。关键词：动力传动系统，发动机，液力变矩器，齿轮传动，离合器，仿真剧本动力传动系统是一个典型的多体、多工况、多激励系

2、统，其组成包括发动机、液力变矩器、齿轮传动、离合器等子系统，各子系统仍是复杂的多刚体－柔体系统，其工作过程包括起步、换挡、制动、加速、减速等工况，其受力包括发动机的周期性激励，路面的随机激励，齿轮系统内部激励等。如何建立动力传动系统的动态模型并仿真其工作过程，对动力传动系统的匹配计算、强度校核、优化设计、疲劳分析、一体化控制具有十分重要的意义。本文根据MSC.ADAMS提供的各种建模方法，结合其它软件，实现了动力传动系统一定程度上的虚拟仿真。1发动机考虑到发动机的曲轴系当量转动惯量较大，且在不同曲轴转角时发生变化，

3、对整体动态特性影响不能忽略，直接采用发动机稳态外特性和部分特性不能充分描述发动机在动态工况下的真实输出转矩，因此将发动机动力学模型分解为转矩发生器子模型和曲轴系子模型。在转矩发生器子模型中，将发动机的稳态特性转矩作为施加在曲轴系上的指示转矩，暂不考虑其瞬态特性，将来可以考虑建立详细的燃烧及控制模型。在MSC.ADAMS中利用Akima曲面拟合技术，将某型号柴油发动机的一组部分特性曲线（如图1）拟合为部分特性曲面。根据部分特性曲面，插值出任意油门开度和发动机转速下的指示转矩值：式中ωe为发动机转速，α为油门开度，su

4、rface_engine为发动机特性曲面，0表示输出插值点坐标值。2002年MSC.Software中国用户论文集图1发动机部分特性图2曲轴系多刚体模型曲轴系包括曲轴以及连于其上的活塞、连杆、飞轮等构件，根据需要可将曲轴系建为不同的模型。当把曲轴系简化为一当量转动惯量时，可采用多刚体系统模型（如图2），其各刚体质量、质心位置及转动惯量通过在CAD软件（如Pro/E）中建立精确实体模型得到。要考虑曲轴系振动对整个动力传动系统的影响，可将曲轴另建为柔性体。柔性曲轴可利用有限元分析软件（如ANSYS）建立曲轴的有限元模型

5、，进行模态分析计算出曲轴的前n阶模态，将产生的模态中性文件（.mnf文件）输入MSC.ADAMS中建立。当只考虑曲轴系的转动惯量时，发动机的净输出转矩：式中为曲轴系阻力矩，为驱动车辆各种辅助泵所消耗转矩，为曲轴系当量转动惯量，为曲轴角加速度。2液力变矩器采用广泛应用于车辆上的三元件向心涡轮液力变矩器作为研究对象，忽略液力变矩器在偶合器工况下工作时的导轮惯性力矩，则其动态系统力学模型如图3所示。2002年MSC.Software中国用户论文集图3液力变矩器动态系统力学模型2002年MSC.Software中国用户论文

6、集图4液力变矩器原始特性图5发动机与液力变矩器共同工作模型框图图3中、、、为非稳定工况下的泵轮轴动态转矩、泵轮动态液力转矩、泵轮构件当量转动惯量、泵轮转速；、、、为非稳定工况下的涡轮轴动态转矩、涡轮动态液力转矩、涡轮构件当量转动惯量、涡轮转速。根据图3建立数学模型：忽略循环圆内液体循环流量变化、忽略泵轮和涡轮中工作液体转动惯量以及机械损失，则：＝＝式中λ为泵轮动态力矩系数，ρ为工作液体密度，为循环圆直径，k为动态变矩比。根据文献3，当液力变矩器非稳定工况下的泵轮转速变化在－52rad/≤dω/dt≤52rad/时，

7、液力变矩器的动态特性与静态特性的相对偏差在4.5%以内，可以用静态特性代替动态特性。此外,假定液力变矩器原始特性在各种工况下保持不变。因此，在进行仿真时，根据液力变矩器的原始特性曲线（如图4），直接利用Akima插值方法确定当前速比下的动态和值。2002年MSC.Software中国用户论文集通常，发动机与液力变矩器通过结合共同工作，可视为一种新的动力装置，其模型框图如图5。在MSC.ADAMS中，用固定铰连接液力变矩器的泵轮和发动机的飞轮，利用MSC.ADAMS中的runtimefunction、dataelem

8、ents和systemelements定义模型，采用仿真剧本控制各开关。利用此模型进行某全程调速柴油机和某正透穿液力变矩器共同工作仿真，能方便得出全程调速柴油机与液力变矩器共同工作的一些动态特性，如图6、7所示。（限于篇幅，各模型的表达式、程序代码及多数仿真结果省略；限于实验条件，仿真结果尚无实验结果对比，但与理论分析是一致的。下同。）图6发动机与液力变矩器