Степени свободы автомобильной трансмиссии
О степенях свободы автомобильной трансмиссии и ограничениях
Идентификация вращательных степеней свободы (DoFs) важна для создания и анализа автомобильной трансмиссии, особенно сложная система со многими ограничениями и внешними приведениями в действие. Simulink® представляет автомобильную трансмиссию DoFs и другие системные переменные Simscape™ как состояния, среди всех состояний модели, включая чистые состояния Simulink.
Этот раздел объясняет, как идентифицировать автомобильную трансмиссию DoFs, ограничения указателя, и извлечь истинный или независимый DoFs из полной схемы автомобильной трансмиссии.
Базовые элементы схемы автомобильной трансмиссии:
Строки связи
Ограничения, включая ветвления
Динамические элементы
Датчики и источники
Приведение в действие автомобильных трансмиссий с источниками движения и запись движений с датчиками движения
Завершение DoFs
Идентифицируйте степени свободы
В модели Simscape Driveline™ механические движения могут быть вращательными или переводными: движение вокруг или вдоль одной оси. Самый простой способ идентифицировать степень свободы (DoF) автомобильной трансмиссии от угловой или линейной скорости. Степень свободы представляет одну, отличную угловую или линейную скорость. Каждая степень свободы отвечает на крутящие моменты и силы, действующие на инерцию и массы, составляющие автомобильную трансмиссию. Интеграция уравнений Ньютона движения определяет угловые и линейные движения. Механические DoFs являются свойствами вращающейся инерции и масс перевода. Это, тем не менее, сопоставимо и более просто идентифицировать одну степень свободы Simscape Driveline как ось автомобильной трансмиссии с ее связанной инерцией и массами.
Чтобы идентифицировать и считать DoFs в автомобильной трансмиссии, посмотрите на схему Simscape Driveline начиная с ее механических строк связи сначала, прежде, чем рассмотреть ее блоки. Блоки автомобильной трансмиссии изменяют DoFs, представленный строками связи:
Генерация закручивает и силы, которые действуют относительно между осями автомобильной трансмиссии
Добавление ограничений между осями автомобильной трансмиссии
Наложение внешне приводимых в действие крутящих моментов, сил и движений
Для основных правил строк связи и портов, смотрите, Создают Модель Ходовой части.
Задайте основные степени свободы
Основная единица движения автомобильной трансмиссии является степенью свободы, представленной неповрежденной механической строкой связи. Такие строки представляют идеализированные невесомые и совершенно твердые оси автомобильной трансмиссии.
Представленный блоками Инерции, вращающиеся тела с инерцией твердо присоединены и вращаются с их осями. Представленный Массовыми блоками, переводящие тела с массами твердо присоединены и переводят вдоль их осей. Одна строка связи или набор разветвленных строк связи представляют или вращательное или переводное движение и должны быть соединены или с вращательными или с переводными портами.
Оси автомобильной трансмиссии как основные степени свободы — механические порты
Строка связи, привязанная портами коннектора физической сети
, представляет идеализированную ось автомобильной трансмиссии. Строка связи осуществляет ограничение, которое два связанных компонента автомобильной трансмиссии вращают или переводят в той же угловой или линейной скорости, соответственно.
Вы измеряете угловую или линейную скорость оси с блоком Ideal Rotational Motion Sensor или Ideal Translational Motion Sensor.
Определение Относительных и Абсолютных Углов и Положений. Относительный угол или положение иногда необходимы, чтобы вычислить внутренне сгенерированные крутящие моменты или силы между парами осей (см., Задают Связанные Степени свободы). Чтобы определить относительный угол или положение, блок датчика движения интегрирует относительную угловую или линейную скорость пары осей и добавляет результат в начальный относительный угол или положение, заданное в диалоговом окне блока.
Можно задать абсолютный угол поворота или положение перевода для одной оси, когда вы измеряете ее движение с датчиком движения, соединяя другой порт физического соединения датчика к Механической Вращательной Ссылочной или Механической Переводной Ссылке. Датчик задает абсолютный угол или положение путем интеграции скорости оси и добавления угла абсолютной ссылки или положения, которое вы обеспечиваете в диалоговом окне датчика движения.
Вращение инерции и перевод масс, присоединенных к осям автомобильной трансмиссии
Вы не можете подвергнуть строку связи автомобильной трансмиссии, отдельно, ни к каким крутящим моментам или силам, потому что она испытывает недостаток в инерции или массе. Другой базовый элемент, чтобы создать функционирующую модель автомобильной трансмиссии является одним или несколькими блоками Инерции, одним или несколькими Массовыми блоками или обоими. В действительной механической системе вращение (или скольжение) тела несут обе инерции (или масса) и DoFs.
Вы присоединяете Инерцию и Массы к механическим строкам связи путем ветвления строк. Присоединенная инерция или массы подвергаются любому крутящему моменту, или сила передается строкой связи. Строка связи налагает ограничение, которое все присоединенное к одной строке должно вращать или двигать в той же скорости.
Ось автомобильной трансмиссии, переходящая правила и ограничения
Вы можете строки штепсельного разъема. Можно соединить конец любого ответвления строки связи автомобильной трансмиссии к механическому устройству, сохраняющему порт подключения только. Набор неповрежденных, перешедших строк связи представляет одну степень свободы.
Разветвленные строки связи и угловые скоростные ограничения
Задайте связанные степени свободы
Можно соединить две независимых оси автомобильной трансмиссии, представляя две независимых степени свободы (DoFs), внутренним динамическим элементом. Динамический элемент генерирует крутящий момент или силу от относительного угла, положения или движения этих двух осей. Этот крутящий момент или сила действуют между этими двумя осями, которые остаются независимый DoFs, и которые передают крутящий момент или силу к их соответствующей присоединенной инерции или массам.
Динамические элементы — внутренняя генерация крутящего момента и силы
Кроме механизмов, большинство блоков библиотеки Simscape Driveline является динамическими элементами, как механические вращательные и переводные блоки библиотеки Simscape Foundation. Эти блоки генерируют внутренние крутящие моменты и силы. На блоке с двумя портами сохранения механического устройства, одним крутящим моментом или силой применяется с положительным знаком к одной оси и знаком минус к другой оси. В этой фигуре крутящий момент применяется одинаково и противоположно к стержню и осям случая Крутильного Демпфера Spring.
На блоках больше чем с двумя портами сохранения механического устройства общие крутящие моменты или втекающие силы и из блока все еще суммируют, чтобы обнулить, но крутящий момент или сила разделены между портами более комплексным способом, который зависит от динамики автомобильной трансмиссии.
Сожмите и Подобные Муфте элементы — условные связи
Муфта или подобный муфте элемент являются условным или динамическим ограничением.
Если разблокировано, муфта соединяет две оси автомобильной трансмиссии и может наложить относительный крутящий момент между ними, оставив эти две оси независимыми. Разблокированная муфта или незанята, не налагая крутящего момента вообще; или занятое, внушительное кинетическое трение как функция относительной скорости двух связанных осей.
Если муфта блокирует и применяет только статическое трение между двумя связанными осями, эти две оси более не независимы. Вместо этого они действуют как одна ось, вращающаяся на том же уровне. Смотрите Задают Ограниченные Степени свободы.
Несколько другой, подобные муфте блоки также имеют блокировку и разблокирование кулонового трения:
Задайте ограниченные степени свободы
Определенные элементы автомобильной трансмиссии связывают оси автомобильной трансмиссии способом, который устраняет их свободу переместиться независимо. Такие элементы налагают ограничения на движения связанных осей. Ограниченная ось более не независима от других осей и не рассчитывает к общим сетевым или независимым движениям автомобильной трансмиссии. Такие ограничения удаляют независимые степени свободы (DoFs) из системы.
Не все ограничения независимы. Закрывающиеся разветвленные строки связи в циклы делают некоторые из ограничений в циклах избыточными. Количество эффективных или независимых ограничений является количеством ограничений, являющихся результатом блоков минус количество независимых замкнутых кругов строки связи автомобильной трансмиссии.
За исключением муфт и подобных муфте элементов, ограничения автомобильной трансмиссии являются безусловными или статическими ограничениями; то есть, неизменный по симуляции.
Блокировка оси автомобильной трансмиссии
Соединение строки связи автомобильной трансмиссии к блоку Mechanical Rotational Reference или Mechanical Translational Reference замораживает движение соответствующей оси автомобильной трансмиссии. Это не может переместиться, и его угловая или линейная скорость ограничивается быть нулем во время симуляции. Такая ось не имеет никакой связанной независимой степени свободы.
Блокировка двух осей автомобильной трансмиссии вместе с муфтой или Подобным Муфте элементом
Пока условия для блокировки допустимы, заблокированная муфта или подобный муфте элемент ограничивают две связанных оси автомобильной трансмиссии вращаться или скользить вместе. Эти две оси остаются отличными, но только один представляет независимую степень свободы. Другой зависит.
Даже если это продолжает применять кинетическое трение между осями, разблокированная муфта или подобный муфте элемент больше не налагают ограничение. Вместо этого это действует как динамический элемент. Смотрите Задают Связанные Степени свободы.
Связь осей автомобильной трансмиссии с механизмами
Механизм, связывающийся между двумя или больше осями автомобильной трансмиссии, уменьшает независимый DoFs автомобильной трансмиссии внушительными ограничениями. Природа тех ограничений зависит от механизма, который вы используете. Блоки механизма с двумя связанными осями налагают одно такое ограничение и уменьшают эти две оси до одной независимой степени свободы.
Механизмы мультиоси налагают больше чем одно ограничение. Например, планетарный механизм налагает два ограничения на три оси, уменьшая оси до одной независимой степени свободы. (Это количество не включает четвертую, внутреннюю степень свободы, планетарное колесо, которое не соединяется с осью с механическим портом.)
Замкнутые циклы, эффективные ограничения и ограничительная непротиворечивость
Фактическое ограничительное количество, чтобы определить количество DoFs является количеством эффективных или независимых ограничений. Когда строки связи формируют замкнутые циклы, проявляют дополнительную заботу в подсчете ограничений в схеме автомобильной трансмиссии. Присутствие замкнутых циклов в схеме уменьшает эффективное ограничительное количество путем рендеринга некоторых избыточных ограничений:
N constr = N bconstr – цикл N
| N constr | Количество независимых ограничений |
| N bconstr | Количество ограничений от блоков |
| Цикл N | Количество независимых циклов |
Можно надежно считать количество независимых циклов путем подсчета основных циклов. Основные циклы не имеют никаких подциклов. Можно проследить основной цикл только с одним путем. Путем подсчета только основных циклов, вы стараетесь не сверхсчитать циклы тем перекрытием.
Например, эта схема имеет два независимых цикла.
В этой схеме можно чертить три цикла: два внутренних цикла, левые и правые, и внешний цикл. Внешний цикл охватывает оба внутренних цикла.
В этой схеме существует два независимых цикла, потому что только два - основной принцип. Внешний цикл не является основным принципом.
Непротиворечивость Ограничений. Пока все скорости, ограниченные с методической точностью, точки разветвления равны по целому циклу, замкнутый цикл представляет избыточное из ограничений, содержавших в нем. (См., что Ось Автомобильной трансмиссии Переходит Правила и Ограничения.) Скорости, не непосредственно соединенные строками, должны также быть сопоставимыми, если, например, они передаются через механизмы.
Если скорости вдоль замкнутого цикла не могут быть сделаны сопоставимыми, автомобильная трансмиссия сверхограничивается и не может переместиться.
Приведите в действие, распознайтесь, и оконечные степени свободы
Можно использовать Simscape Driveline и связанные блоки только с одним портом коннектора автомобильной трансмиссии, чтобы породить или отключить строку физического соединения. Завершение строки связи ограничивает степень свободы.
Такие блоки включают:
Инерция и Масса, которые принимают крутящий момент и обеспечивают и отвечают ускорением.
Механическая Вращательная Ссылочная и Механическая Переводная Ссылка, которые основывают DoFs, чтобы обнулить скорость.
Кузов, который неявно соединяет автомобильную трансмиссию, чтобы основываться.
Эти блоки не должны заканчивать строку связи, но могут вместо этого быть отклонены строка связи.
Направленность степеней свободы
Строки связи автомобильной трансмиссии не имеют никакой свойственной направленности. Направление движения и потока крутящего момента определяется динамикой автомобильной трансмиссии, когда вы моделируете модель.
Эффект приведения в действие крутящего момента и силы на степенях свободы
Соединение Идеального Источника Крутящего момента или Идеального Источника Силы в строку связи автомобильной трансмиссии добавляет крутящий момент или силу, заданную входом физического сигнала в ту ось автомобильной трансмиссии. Такое приведение в действие не имеет никакого эффекта на количество системы DoFs. Оси автомобильной трансмиссии передают крутящие моменты и силы к их связанной Инерции и Массам. Автомобильная трансмиссия свободна ответить на эти наложенные крутящие моменты или силы. Движение моделируется путем интеграции ускорений автомобильной трансмиссии (результат наложенных крутящих моментов и сил), чтобы получить скорости автомобильной трансмиссии.
Эффект приведения в действие движения на степенях свободы
Соединение Идеального Углового Скоростного Источника или Идеального Переводного Скоростного Источника к оси автомобильной трансмиссии удаляет свободу той оси ответить на крутящие моменты или силы. Вместо этого это задает движение оси во время симуляции от входа физического сигнала приведения в действие. В отличие от приведения в действие крутящего момента, приведение в действие движения удаляет независимую степень свободы из системы.
Для получения дополнительной информации о приведении в действие автомобильной трансмиссии с крутящими моментами, силы и движения, видят Приведение в действие Автомобильной трансмиссии.
Считайте независимые степени свободы
Определить количество независимых степеней свободы (DoFs) в вашей автомобильной трансмиссии:
Считайте все непрерывные, неповрежденные строки связи автомобильной трансмиссии (группирующий соединенные наборы разветвленных трубопроводов) во фрагменте Simscape Driveline вашей диаграммы модели. Вызовите общее количество таких строк N CL.
Эти строки соединяют два порта коннектора автомобильной трансмиссии или оконечный на одном механическом порте коннектора
. Для получения дополнительной информации смотрите, Задают Основные Степени свободы и Приводят в действие, Смысл и Оконечные Степени свободы.Считайте все ограничения, являющиеся результатом блоков, которые налагают ограничения на их связанные оси автомобильной трансмиссии. Вызовите общее количество таких ограничений N bconstr.
Обычно, каждый такой блок налагает одно ограничение, но комплексные механизмы налагают больше чем один. Для получения дополнительной информации смотрите, Задают Ограниченные Степени свободы.
Считайте количество независимых циклов, цикла N. Эффективным количеством ограничений является N constr = N bconstr – цикл N. Для получения дополнительной информации смотрите Замкнутые циклы, Эффективные Ограничения и Ограничительную Непротиворечивость.
Считайте все приведения в действие движения в своей автомобильной трансмиссии путем подсчета каждого исходного блока движения. Вызовите общее количество таких приведений в действие движения N mact. Для получения дополнительной информации смотрите, Приводят в действие, Смысл и Оконечные Степени свободы.
Номер степень свободы N независимого DoFs в вашей автомобильной трансмиссии:
Степень свободы N = N CL – N constr – N mact = N CL – [N bconstr – цикл N] – N mact
Необходимое (несмотря на то, что не достаточный) условие для движения автомобильной трансмиссии и успешной симуляции автомобильной трансмиссии - то, что степень свободы N положительна. Считайте вращательный и переводный DoFs отдельно.
Условные степени свободы с муфтами и Подобными Муфте элементами
В отличие от других компонентов автомобильной трансмиссии, муфты и подобные муфте элементы могут претерпеть прерывистое изменение состояния во время симуляции. В целом количество независимого DoFs автомобильной трансмиссии не является постоянным во время ее движения. Каждое изменение состояния одной или нескольких муфт изменяет независимое количество степени свободы. Взятый в целом, различные коллективные состояния муфт автомобильной трансмиссии могут иметь различный общий сетевой DoFs. Чтобы понять автомобильную трансмиссию полностью, исследуйте каждое возможное коллективное состояние ее состояний муфты, чтобы идентифицировать ее независимый DoFs и возможно недопустимые настройки.
Считайте степени свободы в простой автомобильной трансмиссии с муфтой
Рассмотрите модель sdl_transmission_2spd передачи 2D скорости.
Простая передача
Эта система имеет пять очевидных DoFs, представленные этими осями автомобильной трансмиссии:
Разветвленная ось с блоком Inertia Drive Shaft
Разветвленная ось с блоком Inertia Output Shaft
Ось, соединяющая разгар, сжимает блок (муфта для высокого расписания муфты) к блоку Gear High
Ось, соединяющая низкий механизм, сжимает блок (муфта для низкого расписания муфты) к блоку Gear Low
Ось, соединяющая Тормозную колодку Муфты с блоком Mechanical Rotational Reference (вращательная земля)
Существует очевидный замкнутый цикл, сформированный блоками механизма и блоками муфты механизма. Этот цикл действителен, только если заблокированы оба блока муфты механизма.
Фактическое количество независимого DoFs зависит от состояния муфт. Модель не имеет никаких источников движения, таким образом, мы должны рассмотреть только механизмы и муфты как ограничения:
Эти два блока механизмов всегда действуют, поэтому приводя к двум вездесущим ограничениям.
Пятая ось всегда соединяется с корпусом (вращательная земля).
Эти три ограничения уменьшают пять DoFs до двух DoFs.
Теперь рассмотрите муфты.
Рассмотрите сначала случай, где Тормозная колодка Муфты отключена (свободная).
Если и муфта разгара и низкие блоки муфты механизма разблокированы, система имеет два независимых DoFs, один слева от блоков муфты механизма и другого между блоками муфты механизма и Тормозной колодкой Муфты.
Если один из этих, которые блокирует муфта механизма, заблокирован, дополнительное ограничение уменьшает систему до одной независимой степени свободы, всего слева от Тормозной колодки Муфты. (Расписание управления муфтой настраивается, чтобы препятствовать тому, чтобы оба из этих блоков муфты были заблокированы одновременно.)
Если Тормозная колодка Муфты включена, расписание управления муфтой сохраняет два блока муфты механизма отключенными.
Если Тормозная колодка Муфты разблокирована, автомобильная трансмиссия имеет два независимых DoFs: слева от механизма сжимают блоки и между блоками муфты механизма и Тормозной колодкой Муфты.
Если Тормозная колодка Муфты заблокирована, система уменьшается до одной степени свободы, слева от блоков муфты механизма. Все справа от блоков муфты механизма заблокировано к корпусу.
Эта таблица и абстрактная схема обобщают возможности, доступные в этой модели.
| Тормозите включение | Сожмите блокировку | Независимый DoFs |
|---|---|---|
| Тормоз отключен | Разблокированы оба блока муфты механизма | Два: Слева и справа от механизма сжимают блоки |
| Один блок муфты механизма заблокирован | Один: Слева от Тормозной колодки Муфты | |
| Тормоз включен | Сожмите разблокированную Тормозную колодку | Два: Слева и справа от механизма сжимают блоки |
| Сожмите заблокированную Тормозную колодку | Один: Слева от механизма сжимают блоки |
Степени свободы в простой передаче
Нефизические настройки
Проект расписания муфты, реализованный в подсистеме Расписания Муфты, исключает нефизические настройки. Это достойно рассмотрения их так или иначе ради полного понимания проекта автомобильной трансмиссии. Для получения дополнительной информации о проблемах муфты, смотрите, что Автомобильная трансмиссия Поиска и устранения неисправностей Моделирует и Проблемы Симуляции и Моделирует Передачи.
Обе Заблокированные Муфты Механизма, Разблокированный Тормоз Муфты. Эта настройка создает конфликт DoFs и уменьшает независимый DoFs до одного. Ось автомобильной трансмиссии справа от блоков муфты механизма пытается вращаться на двух различных уровнях, как требуется двумя различными передаточными отношениями. Две заблокированных муфты осуществляют два дополнительных ограничения на два остающихся DoFs, но формируют замкнутый цикл, номинально оставляя одну свободу в механизме. Из-за конфликта степени свободы, пытаясь моделировать такую настройку приводит к ошибке Simscape Driveline.
Если бы эти два Механизма имели идентичные передаточные отношения, DoFs не конфликтовал бы, и симуляция запустилась бы без ошибки.
Одна Заблокированная Муфта Механизма, Заблокированный Тормоз Муфты. Эта настройка также создает конфликт DoFs и приводит к нулевому DoFs. Две заблокированных муфты осуществляют два дополнительных ограничения на два остающихся DoFs и не оставляют свободы в механизме. Управляемый осью автомобильной трансмиссии налево, ось автомобильной трансмиссии между блоками муфты механизма пытается вращаться, но находит себя заблокированным к Механической Вращательной Ссылке. Попытка моделировать такую настройку приводит к ошибке Simscape Driveline.
Обе Заблокированные Муфты Механизма, Заблокированный Тормоз Муфты. Эта настройка также сверхограничивается. Три заблокированных муфты осуществляют два эффективных ограничения на остающиеся два DoFs (после принятия во внимание замкнутого цикла) и приводят к степени свободы N = 0. Кроме того, ось автомобильной трансмиссии справа от блоков муфты механизма пытается вращаться на двух различных ненулевых уровнях, в то время как остающийся заблокированный к Механической Вращательной Ссылке, создавая два отличных конфликта степени свободы.