Идентификация вращательных степеней свободы (число степеней свободы) важна для создания и анализа автомобильной трансмиссии, особенно сложная система со многими ограничениями и внешними приведениями в действие. Simulink® представляет число степеней свободы автомобильной трансмиссии и другие системные переменные Simscape™ как состояния, среди всех состояний модели, включая чистые состояния Simulink.
Этот раздел объясняет, как идентифицировать число степеней свободы автомобильной трансмиссии, ограничения указателя, и извлечь истинное или независимое число степеней свободы из полной схемы автомобильной трансмиссии.
Базовые элементы схемы автомобильной трансмиссии:
Линии связи
Ограничения, включая ответвления
Динамические элементы
Датчики и источники
Приведение в действие автомобильных трансмиссий с источниками движения и запись движений с датчиками движения
Завершение числа степеней свободы
В модели Simscape Driveline™ механические движения могут быть вращательными или поступательными: 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. Механическое число степеней свободы является 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 число степеней свободы в автомобильной трансмиссии, посмотрите на схему Simscape Driveline начиная с ее механических линий связи сначала, прежде, чем рассмотреть ее блоки. Блоки автомобильной трансмиссии изменяют число степеней свободы, представленное линиями связи:
Генерация закручивает и силы, которые действуют относительно между осями автомобильной трансмиссии
Добавление ограничений между осями автомобильной трансмиссии
Наложение внешне приводимых в движение крутящих моментов, сил и движений
Для основных правил линий связи и портов, смотрите, Создают Модель Ходовой части.
Основная единица движения автомобильной трансмиссии является степенью свободы, представленной неповрежденной механической линией связи. Такие линии 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 линия связи или набор разветвленных линий связи представляют или вращательное или поступательное движение и должны быть соединены или с вращательными или с поступательными портами.
Линия связи, привязанная портами коннектора физической сети
, представляет идеализированную ось автомобильной трансмиссии. Линия связи осуществляет ограничение, которое два связанных компонента автомобильной трансмиссии вращают или переводят при 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 Mechanical Rotational Reference или Mechanical Translational Reference. 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.
Вы не можете подвергнуть линию 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 Inertia, одним или несколькими блоками Mass или обоими. В действительной механической системе вращение (или скольжение) тела несут обе инерции (или масса) и число степеней свободы.
Вы присоединяете Инерцию и Массы к механическим линиям связи путем ответвления линий. Присоединенная инерция или массы подвергаются любому крутящему моменту, или сила передается линией связи. Линия связи налагает ограничение, которое все присоединенное к одной строке должно вращать или двигать при той же скорости.
Вы можете линии штепсельного разъема. Можно соединить конец любой ветви линии связи автомобильной трансмиссии к механическому устройству, сохраняющему порт подключения только. Набор неповрежденных, перешедших линий связи представляет одну степень свободы.
Разветвленные линии связи и ограничения скорости вращения
Можно соединить две независимых оси автомобильной трансмиссии, представляя две независимых степени свободы (число степеней свободы), 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 независимое число степеней свободы, и которые передают крутящий момент или силу к их соответствующей присоединенной инерции или массам.
Кроме механизмов, большинство библиотечных блоков Simscape Driveline является динамическими элементами, как вращательное механическое устройство и поступательные 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 этом рисунке 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.
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 трения Кулона:
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 (число степеней свободы) из системы.
Не все ограничения независимы. Закрывающиеся разветвленные линии 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 линии связи автомобильной трансмиссии.
За исключением муфт и подобных муфте элементов, ограничения автомобильной трансмиссии являются безусловными или статическими ограничениями; то есть, неизменный по симуляции.
Соединение линии связи автомобильной трансмиссии с блоком 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.
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.
Механизм, связывающийся между двумя или больше осями автомобильной трансмиссии, уменьшает независимое число степеней свободы 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.)
Фактическое ограничительное количество, чтобы определить количество числа степеней свободы является количеством эффективных или независимых ограничений. Когда линии 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 контур. Внешний контур охватывает оба внутренних цикла.
В этой схеме существует два независимых цикла, потому что только два - основной принцип. Внешний контур 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 линиями, 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.
Можно использовать Simscape Driveline и связанные блоки только с одним портом коннектора автомобильной трансмиссии, чтобы породить или отключить линию физического соединения. Завершение линии связи ограничивает степень свободы.
Такие блоки включают:
Inertia и Mass, которые принимают крутящий момент и обеспечивают и отвечают ускорением.
Mechanical Rotational Reference и Mechanical Translational Reference, которые основывают число степеней свободы, чтобы обнулить скорость.
Vehicle Body, который неявно соединяет автомобильную трансмиссию, чтобы основываться.
Эти блоки не должны заканчивать линию связи, но могут вместо этого быть отклонены линия связи.
Линии связи автомобильной трансмиссии не имеют никакой свойственной направленности. Направление движения и потока крутящего момента определяется динамикой автомобильной трансмиссии, когда вы симулируете модель.
Соединение Ideal Torque Source или Ideal Force Source в линию связи автомобильной трансмиссии добавляет крутящий момент или силу, заданную входом физического сигнала в ту ось автомобильной трансмиссии. Такое приведение в действие не оказывает влияния на количество системного числа степеней свободы. 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 симулировано путем интеграции ускорений автомобильной трансмиссии (результат наложенных крутящих моментов и сил), чтобы получить скорости автомобильной трансмиссии.
Соединение Ideal Angular Velocity Source или Ideal Translational Velocity Source 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.
Определить количество независимых степеней свободы (число степеней свободы) в вашей автомобильной трансмиссии:
Считайте все непрерывные, неповрежденные линии связи автомобильной трансмиссии (группирующий соединенные наборы разветвленных трубопроводов) во фрагменте Simscape Driveline вашей диаграммы модели. Вызовите общее количество таких линий N CL.
Эти линии 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 движение, 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 движение, Смысл и Оконечные Степени свободы.
Номер степень свободы N независимого числа степеней свободы 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 вращательное и поступательное число степеней свободы отдельно.
В отличие от других компонентов автомобильной трансмиссии, муфты и подобные муфте элементы могут претерпеть прерывистое изменение состояния во время симуляции. В общем случае количество независимого числа степеней свободы 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 различное общее сетевое число степеней свободы. Чтобы изучить автомобильную трансмиссию полностью, исследуйте каждое возможное коллективное состояние ее состояний муфты, чтобы идентифицировать ее независимое число степеней свободы и возможно недопустимые настройки.
Рассмотрите модель sdl_transmission_2spd передачи 2D скорости.
Простая передача
Эта система имеет пять очевидных чисел степеней свободы, представленных 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) с блоком Gear High
Ось, соединяющая низкий механизм, сжимает блок (муфта для низкого расписания муфты) с блоком 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 числа степеней свободы 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 давая к двум вездесущим ограничениям.
Пятая ось всегда соединяется с корпусом (вращательная земля).
Эти три ограничения уменьшают пять чисел степеней свободы до двух чисел степеней свободы.
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 числа степеней свободы, 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 числа степеней свободы: 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 | Независимое число степеней свободы |
|---|---|---|
| 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
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 числа степеней свободы и уменьшает независимое число степеней свободы 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 числа степеней свободы, но формируют замкнутый цикл, номинально оставляя одну свободу в механизме. Из-за конфликта степени свободы, пытаясь симулировать такую настройку приводит к ошибке Simscape Driveline.
Если бы эти два Механизма имели идентичные передаточные отношения, число степеней свободы не конфликтовало бы, и симуляция запустилась бы без ошибки.
Одна Заблокированная Муфта Механизма, Заблокированный Тормоз Муфты. Эта настройка также создает конфликт числа степеней свободы, и выражения обнуляют число степеней свободы. Две заблокированных муфты осуществляют два дополнительных ограничения на два остающихся числа степеней свободы 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 Ссылке Вращательного механического устройства. Попытка симулировать 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 числа степеней свободы (после принятия во внимание замкнутого цикла) и дают 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 Ссылке Вращательного механического устройства, создавая два отличных конфликта степени свободы.
