解析基于实时仿真模型的宝马高动态性能发动机测试平台

就时间和质量而言，满足现代发动机日益增加的开发成本的唯一途径是采用最现代的设计方法、合适的基础设备和最优的软件。

由于不断增加的成本压力、以及减少测试试驾和样车数量的要求，把测试从车辆转向试验台的必要性变得越来越重要。针对这些要求，宝马公司结合基于部件的Simpack real-time模型，建立了高动态性能发动机测试平台。

“基于部件”指的是模型中包含每个详细部件，例如，悬架通过悬架摆臂、衬套、减震器等部件建模，而不是使用静态查找表用来描述悬架性能。本文中“高动态性能”指的是车辆纵向动力学仿真，频率范围可以达到大约15Hz, 其中能观察到负载发生变化后典型的车辆顿挫振荡（如图1）。为了把车辆操控性能直接作用到发动机测试台，必须使用真实车辆性能进行精确模拟。这个相对高频范围内的real-time应用所必要的模型保真度通过在该测试台中使用详细的、基于部件的Simpack real-time模型来实现。这些real-time模型的参数只使用原始设计数据，而不用测试或者MBS前处理数据。


图1 负载变换后的加速度：测试台帮助找到最优设置

这些要求通过Simpackreal-time模型（“online”）即可实现。高度详细的Simpack MBS模型（“offline”）早已应用在宝马公司产品研发初期阶段，这也是real-time模型的基础。该real-time模型大大增加的部件详情（相比其它real-time模型）使其可以应用到研发过程的初级阶段。而且还可以在测试台上进行详细的、基于部件的参数变化计算。所有这些都有助于降低开发成本，同时在研发初级阶段获得更真实的结果。


图2 宝马高动态性能发动机测试台系统配置

宝马应用和测试台方案

高动态性能发动机测试台包括具有控制单元（DME）的发动机，其通过一个连接轴连接到电机上。根据车辆模型的不同，可以添加变速箱控制单元（EGS）。该连接轴是专门设计用于每种发动机类型，考虑其刚度和阻尼，以调整测试台机械固有频率达到理想值。
因为只有发动机和控制单元真实存在试验台上，必须借助仿真模型再现车辆中的其它部件。车辆对于发动机激励的响应是通过紧密耦合的电机来表示的，该电机能直接从车辆模型接收其要求数据。详细的、基于部件的Simpack real-time模型在这个测试台仿真方案中提供了这个重要部分（如图2）。


图3 宝马完整的Simpack real-time模型侧视图

为了充分利用宝马公司在实际变速箱控制单元集成方面已具备的技术专长，模型包含了宝马变速箱模型。因此，宝马的测试台环境和Simpack车辆模型之间的接口可以在变速箱模型的输出数据中体现。在这个连接中，Simpack模型提供旋转角度的相关信息，作为测试台的输入，而Simpack模型的输入是从变速箱得到的相应扭矩。

Simpack real-time仿真模型

为了满足在相关频率范围内的模型有效性的要求（图4）和基于部件的标定要求，必须使用相应的详细MBS模型。


图4 宝马高动态性能发动机测试台中Simpack real-time模型覆盖的频率范围

由于负载变化产生的车辆动态激振现象是动力传动系统和车桥激振之间复杂的相互作用而成。因此，模型必须能够提供对空间的详细描述以及对传动系、3D车轮悬架激振和车轴托架或差速器壳体激振之间动态耦合效应的详细描述。这意味着，换句话说，通常的方法即利用准静态建模方法（例如，使用来自平顺性测量的查找表）的real-time驾驶动力学模型无法考虑车桥激振，不能采用。选择的是完全基于部件的MBS建模方法，其中所有与激振相关的部件作为独立的MBS元件建模。当前使用的Simpack real-time模型（包含物体、铰接和力元）有超过100个自由度（见图3和5）。这个方法具有如下显著的优势：


图5 宝马完整的Simpack real-time模型后视图

模型精确，其中包含了与驾驶动力学应用相关的高频范围的内容。
完全基于设计数据的模型参数。不要求实际和/或虚拟测试数据（例如，对车辆驱动类型如RWD、FWD和AWD没有限制）。
可以利用已有的用于Simpack“离线”振动舒适性模型的数据库文件，节省建模工作量。
可以直接在测试台上对单个车辆硬件性能的影响进行参数灵敏度分析，不需要其它MBS前处理（例如，车桥部件质量、传动系惯量、橡胶支撑特性）。


图6 宝马 Simpack real-time模型2D拓扑图

应用Simpack real-time模型的拓扑图实例参见图6.
Simpack不需要输出模型或代码，不需要编译，可以直接利用Simpack所创建的MBS模型进行实时仿真。支持并行计算、能显示模型实时仿真动画、支持置换变量输出及全参数化动力学模型。Simpack real-time模型和硬件实时机之间的通信采用UDP网络协议或者通过共享内存实现。

模型生成和标定的实现过程

除了模型生成和确保数值稳定性外，对基于仿真的开发方案进行有效、可靠应用前的模型标定过程可能是最大和最昂贵的挑战。开发过程中越早使用仿真方法，获得用于对比的车辆测试数据就越少，这就使基于仿真的开发变得更加重要。在这个应用中，通过基于用于整车振动分析的Simpack离线模型进行整个模型的生成和标定，实现模拟真实的仿真。宝马公司在车辆非常初期的开发阶段就使用这些仿真模型。
通过这种方法，可以使用相同的模型和参数数据库实现“离线”和“在线”模型之间的协同效应。修改模型参数能直接从“离线”传递到“在线”模型，不需要额外的前处理操作或数据重复输入（图7）。


图7 宝马公司Simpack“离线”和“在线”模型生成和参数传递过程

高动态性能发动机测试台应用实例：来自动态脉冲的正载荷变化

车辆纵向动力学的详细模型允许应用负载变化等情况。对驾驶性能的影响可以在车辆中直接预测，同时标定工程师可以在测试台通过测试操作对它们进行评估。设定的标准通过目标确定，例如测量顿挫振荡的数量和/或幅值数据。车辆模型和测试台之间的数据对比如图8所示。


图8 由动态脉冲引起正负载变化的标定：车辆-测试台数据对比

结论



这个使用详细的、基于部件的Simpack real-time模型的高动态性能发动机测试台的发动机标定方法已经成功应用。把这些工作提前到研发过程的早期阶段，此时还没有测试车辆，为及早实现标定目标和降低成本提供了相当大的潜力。

此外，对车辆硬件特性进行灵敏度分析的功能，为后续在高动态性能发动机测试平台上优化标定工作开辟了许多新的可能。