شبیه‌سازی خودروهای مجهز به جعبه‌دنده دستی یکی از کاربردهای مهم نرم‌افزار MATLAB و محیط Simscape Driveline در تحلیل سیستم‌های انتقال قدرت و دینامیک طولی خودرو است. جعبه‌دنده دستی با تغییر نسبت انتقال، امکان تنظیم گشتاور و سرعت چرخشی منتقل‌شده از موتور به چرخ‌ها را فراهم می‌کند. این قابلیت به خودرو اجازه می‌دهد در شرایط مختلف رانندگی، از شروع حرکت و شتاب‌گیری گرفته تا حرکت با سرعت ثابت، عملکرد مناسبی داشته باشد.

در این شبیه‌سازی، یک خودروی کامل مجهز به جعبه‌دنده دستی چهارسرعته مدل‌سازی می‌شود. ساختار مدل شامل موتور، سامانه انتقال قدرت، مجموعه کلاچ، سازوکار انتخاب دنده، مدل تایرها و بدنه خودرو است. یکی از ویژگی‌های مهم این مثال، ارائه دو نسخه متفاوت از جعبه‌دنده است. نسخه تفصیلی با استفاده از اجزای مکانیکی واقعی‌تر، رفتار هم‌دورکننده‌ها و کلاچ‌های دندانه‌ای را بازنمایی می‌کند؛ در مقابل، نسخه انتزاعی با ساختاری ساده‌تر و محاسبات سریع‌تر، برای شبیه‌سازی‌های بلادرنگ و کاربردهای Hardware-in-the-Loop مناسب است.

هدف از این شبیه‌سازی، بررسی عملکرد جعبه‌دنده دستی، تحلیل سرعت محورهای مختلف سامانه انتقال قدرت، مطالعه نحوه درگیری دنده‌ها و مقایسه دقت و سرعت محاسباتی دو روش مدل‌سازی است. همچنین می‌توان از این مدل برای تنظیم الگوریتم‌های کنترلی، بررسی رفتار خودرو در چرخه‌های رانندگی و تخمین مصرف سوخت استفاده کرد.

معرفی ساختار کلی مدل خودرو

مدل ارائه‌شده، یک سامانه یکپارچه از اجزای اصلی خودرو را در محیط Simscape Driveline پیاده‌سازی می‌کند. در چنین مدلی، اجزای مکانیکی از طریق اتصالات فیزیکی به یکدیگر مرتبط هستند و انتقال گشتاور و حرکت دورانی میان آن‌ها بر اساس روابط مکانیکی محاسبه می‌شود. برخلاف مدل‌هایی که صرفاً از روابط ریاضی ساده‌شده استفاده می‌کنند، در این روش می‌توان اجزایی مانند کلاچ، چرخ‌دنده، محور و تایر را با در نظر گرفتن رفتار فیزیکی آن‌ها شبیه‌سازی کرد.

در ساختار کلی خودرو، موتور منبع تولید توان مکانیکی است. توان تولیدشده از طریق کلاچ به جعبه‌دنده منتقل می‌شود و پس از تغییر نسبت انتقال، به اجزای پایین‌دست سامانه انتقال قدرت می‌رسد. در نهایت، گشتاور به چرخ‌ها منتقل می‌شود و نیروی طولی ایجادشده در محل تماس تایر با سطح جاده، حرکت خودرو را امکان‌پذیر می‌کند.

اجزای اصلی این مدل را می‌توان به صورت زیر دسته‌بندی کرد:

• موتور: تولیدکننده گشتاور و توان مکانیکی موردنیاز برای حرکت خودرو.
• کلاچ: ایجاد یا قطع ارتباط مکانیکی میان موتور و جعبه‌دنده و تسهیل تعویض دنده.
• جعبه‌دنده دستی چهارسرعته: تغییر نسبت انتقال توان بر اساس دنده انتخاب‌شده.
• هم‌دورکننده‌ها: کاهش اختلاف سرعت چرخشی اجزای موردنظر پیش از درگیری کامل دنده.
• کلاچ‌های دندانه‌ای: ایجاد اتصال مکانیکی میان اجزای چرخ‌دنده پس از انتخاب دنده مناسب.
• مدل تایر: بازنمایی رفتار تایرها و ارتباط میان حرکت دورانی چرخ و حرکت طولی خودرو.
• مدل بدنه خودرو: محاسبه حرکت طولی با در نظر گرفتن نیروهای مؤثر بر خودرو.

ارتباط میان این اجزا سبب می‌شود که اثر تغییر دنده، عملکرد کلاچ و تغییر ورودی موتور بر رفتار کلی خودرو قابل بررسی باشد. برای مثال، هنگام افزایش سرعت خودرو، انتخاب نسبت انتقال مناسب به حفظ دور موتور در محدوده مطلوب کمک می‌کند. از سوی دیگر، انتخاب دنده نامناسب ممکن است باعث افزایش دور موتور، کاهش توان کششی در چرخ‌ها یا افت شتاب خودرو شود.

نسبت دنده‌های جعبه‌دنده دستی

جعبه‌دنده این خودرو از چهار نسبت انتقال مشخص استفاده می‌کند. نسبت‌های تعریف‌شده برای دنده‌های اول تا چهارم به ترتیب برابر با 3.581، 2.022، 1.384 و 1 هستند. این مقادیر نشان‌دهنده تفاوت نحوه انتقال سرعت و گشتاور در وضعیت‌های مختلف جعبه‌دنده هستند.

دنده	نسبت انتقال	ویژگی عملکردی
دنده اول	3.581	افزایش گشتاور خروجی و مناسب برای شروع حرکت
دنده دوم	2.022	مناسب برای ادامه شتاب‌گیری در سرعت‌های بالاتر
دنده سوم	1.384	ایجاد تعادل میان سرعت خروجی و گشتاور منتقل‌شده
دنده چهارم	1	انتقال با نسبت یک‌به‌یک در جعبه‌دنده

برای درک عملکرد این نسبت‌ها، فرض کنید نسبت انتقال به صورت نسبت سرعت چرخشی ورودی به سرعت چرخشی خروجی تعریف شده باشد. در این صورت، رابطه ایده‌آل سرعت به شکل زیر خواهد بود:

\[
i=\frac{\omega_{\mathrm{in}}}{\omega_{\mathrm{out}}}
\]

در این رابطه، \(i\) نسبت انتقال، \(\omega_{\mathrm{in}}\) سرعت زاویه‌ای محور ورودی و \(\omega_{\mathrm{out}}\) سرعت زاویه‌ای محور خروجی است. برای نمونه، در دنده اول با نسبت انتقال 3.581، سرعت محور خروجی جعبه‌دنده در حالت ایده‌آل تقریباً برابر با سرعت محور ورودی تقسیم بر 3.581 خواهد بود.

در یک جعبه‌دنده ایده‌آل، افزایش نسبت انتقال موجب کاهش سرعت خروجی و افزایش گشتاور خروجی می‌شود. رابطه تقریبی گشتاور در چنین شرایطی به صورت زیر بیان می‌شود:

\[
T_{\mathrm{out}}\approx \eta iT_{\mathrm{in}}
\]

در این رابطه، \(T_{\mathrm{in}}\) گشتاور ورودی، \(T_{\mathrm{out}}\) گشتاور خروجی و \(\eta\) بازده انتقال قدرت است. در حالت ایده‌آل، بازده برابر یک در نظر گرفته می‌شود؛ اما در مدل‌های واقعی‌تر، تلفات مکانیکی و اصطکاک می‌توانند مقدار گشتاور خروجی را کاهش دهند.

باید توجه داشت که رابطه فوق به تعریف نسبت انتقال وابسته است. همچنین نسبت‌های اعلام‌شده برای این مدل مربوط به جعبه‌دنده هستند و نباید آن‌ها را بدون در نظر گرفتن سایر اجزای انتقال قدرت، مانند دیفرانسیل، با نسبت نهایی انتقال قدرت خودرو یکسان دانست.

مدل‌سازی هم‌دورکننده‌ها و کلاچ‌های دندانه‌ای

یکی از ویژگی‌های مهم جعبه‌دنده دستی، استفاده از هم‌دورکننده‌ها برای تسهیل درگیری دنده‌ها است. در هنگام تعویض دنده، ممکن است سرعت چرخشی چرخ‌دنده موردنظر با سرعت محور یا قطعه‌ای که قرار است به آن متصل شود، متفاوت باشد. اگر این اختلاف سرعت بدون سازوکار مناسب به درگیری مستقیم منجر شود، امکان ایجاد ضربه مکانیکی، سایش، صدا و دشواری در تعویض دنده وجود دارد.

هم‌دورکننده با ایجاد اصطکاک کنترل‌شده، اختلاف سرعت میان اجزای موردنظر را کاهش می‌دهد. پس از نزدیک شدن سرعت‌ها به یکدیگر، کلاچ دندانه‌ای می‌تواند اتصال مکانیکی را برقرار کند. در نتیجه، انتقال گشتاور از مسیر انتخاب‌شده انجام می‌شود.

در این شبیه‌سازی، چهار هم‌دورکننده به عنوان عناصر اصلی انتخاب دنده در نظر گرفته شده‌اند. مدل‌سازی این اجزا با استفاده از بلوک‌های Cone Clutch و Dog Clutch انجام می‌شود. بلوک Cone Clutch رفتار کلاچ مخروطی و انتقال گشتاور ناشی از تماس اصطکاکی را بازنمایی می‌کند. بلوک Dog Clutch نیز برای مدل‌سازی اتصال مکانیکی دندانه‌ای میان اجزای دوار به کار می‌رود.

ترکیب این دو جزء امکان بررسی فرایند انتخاب دنده را فراهم می‌کند. ابتدا هم‌دورکننده برای کاهش اختلاف سرعت وارد عمل می‌شود و سپس اتصال دندانه‌ای برقرار می‌گردد. نحوه زمان‌بندی و نیروی اعمال‌شده به این اجزا می‌تواند بر کیفیت تعویض دنده و پاسخ دینامیکی خودرو تأثیر بگذارد.

از دیدگاه شبیه‌سازی، مدل‌سازی دقیق این فرایند اهمیت زیادی دارد؛ زیرا درگیری و آزاد شدن کلاچ‌ها می‌تواند تغییرات ناگهانی در وضعیت اتصال مکانیکی ایجاد کند. چنین تغییراتی در حل عددی معادلات سیستم نیز اثر می‌گذارند و ممکن است زمان محاسبات را افزایش دهند. به همین دلیل، در کنار مدل تفصیلی، نسخه ساده‌شده‌ای از جعبه‌دنده نیز ارائه شده است.

زیرسامانه اتصال پدال کلاچ

پدال کلاچ یکی از ورودی‌های مهم راننده در خودروهای مجهز به جعبه‌دنده دستی است. عملکرد این پدال تعیین می‌کند که ارتباط میان موتور و جعبه‌دنده تا چه اندازه برقرار یا قطع باشد. هنگام فشردن پدال، کلاچ از حالت درگیری کامل خارج می‌شود و امکان تغییر وضعیت جعبه‌دنده فراهم می‌گردد. پس از انتخاب دنده، آزاد کردن تدریجی پدال باعث برقراری دوباره ارتباط مکانیکی می‌شود.

در مدل خودرو، زیرسامانه‌ای برای بازنمایی سازوکار اتصال پدال کلاچ در نظر گرفته شده است. این بخش ارتباط میان ورودی راننده و عملکرد مکانیکی کلاچ را مدل می‌کند. بنابراین، اثر تغییر وضعیت پدال بر انتقال گشتاور موتور به سامانه انتقال قدرت قابل بررسی خواهد بود.

از نظر دینامیکی، جدا شدن موتور از جعبه‌دنده می‌تواند موجب کاهش یا قطع گشتاور منتقل‌شده به چرخ‌ها شود. این وضعیت در هنگام تعویض دنده اهمیت ویژه‌ای دارد. اگر کلاچ پیش از انتخاب دنده به اندازه کافی آزاد نشود، ممکن است درگیری اجزا با دشواری همراه باشد. همچنین در صورت آزاد شدن ناگهانی کلاچ، تغییر سریع گشتاور می‌تواند به ضربه در مجموعه انتقال قدرت منجر شود.

شبیه‌سازی زیرسامانه پدال کلاچ این امکان را فراهم می‌کند که تأثیر نحوه عملکرد راننده بر پاسخ خودرو بررسی شود. برای مثال، می‌توان رفتار سیستم را هنگام فشردن کامل پدال، تغییر دنده و آزادسازی مجدد آن تحلیل کرد. البته دقت نتایج به ساختار مکانیکی انتخاب‌شده، پارامترهای اجزا و نحوه تعریف ورودی‌ها وابسته است.

نسخه انتزاعی جعبه‌دنده

نسخه انتزاعی یا ساده‌شده جعبه‌دنده با هدف کاهش پیچیدگی محاسباتی ارائه شده است. در این روش، به جای مدل‌سازی جداگانه تمام چرخ‌دنده‌ها، هم‌دورکننده‌ها و کلاچ‌های دندانه‌ای، از یک چرخ‌دنده با نسبت انتقال متغیر استفاده می‌شود. نسبت انتقال این جزء از طریق یک سیگنال ورودی تعیین می‌شود و متناسب با دنده انتخاب‌شده تغییر می‌کند.

در این ساختار، وضعیت خلاص نیز با استفاده از یک کلاچ بازنمایی می‌شود. به این ترتیب، لازم نیست تمام جزئیات مکانیکی جعبه‌دنده واقعی به صورت مستقل در مدل وجود داشته باشند. مدل ساده‌شده همچنان می‌تواند اثر تغییر نسبت انتقال بر سرعت و گشتاور خروجی را نمایش دهد، اما بسیاری از جزئیات مربوط به فرایند درگیری فیزیکی دنده‌ها را حذف می‌کند.

مهم‌ترین مزیت این روش، کاهش تعداد عناصر و محدودیت‌های عددی ناشی از تغییر وضعیت اتصال‌های مکانیکی است. در مدل تفصیلی، باز و بسته شدن کلاچ‌ها و تغییر وضعیت تماس‌ها می‌تواند ناپیوستگی‌هایی در رفتار سیستم ایجاد کند. حذف تقریباً تمام این ناپیوستگی‌ها در نسخه انتزاعی باعث می‌شود شبیه‌سازی با سرعت بیشتری انجام شود.

در صورتی که پارامترهای مدل ساده‌شده به درستی تنظیم شوند، خروجی آن می‌تواند با نتایج مدل تفصیلی تطابق مناسبی داشته باشد. این ویژگی برای بررسی پاسخ کلی خودرو، ارزیابی الگوریتم‌های کنترلی و اجرای تعداد زیادی شبیه‌سازی در زمان محدود مفید است.

با این حال، نسخه انتزاعی جایگزین کاملی برای تمام کاربردهای مدل تفصیلی نیست. این مدل رفتار کلی نسبت انتقال را بازنمایی می‌کند، اما برای تحلیل دقیق نیروی تماس هم‌دورکننده، رفتار کلاچ مخروطی یا جزئیات لحظه‌ای درگیری دندانه‌ها، استفاده از مدل تفصیلی مناسب‌تر است.

نسخه تفصیلی جعبه‌دنده

نسخه تفصیلی شامل چرخ‌دنده‌ها، کلاچ‌های دندانه‌ای و کلاچ‌های مخروطی است. در این مدل، سازوکار فیزیکی تغییر دنده با جزئیات بیشتری نمایش داده می‌شود و رفتار اجزای مکانیکی در هنگام انتخاب دنده قابل بررسی است.

یکی از مزایای این نسخه، فراهم کردن امکان مطالعه دقیق‌تر پاسخ سیستم هنگام تغییر وضعیت کلاچ‌ها است. در هنگام تعویض دنده، سرعت شفت‌ها، نیروهای اعمال‌شده به هم‌دورکننده‌ها و وضعیت اتصال اجزای انتقال قدرت تغییر می‌کنند. مدل تفصیلی امکان مشاهده این تغییرات و بررسی اثر پارامترهای مکانیکی بر آن‌ها را فراهم می‌سازد.

این نسخه برای تنظیم و ارزیابی الگوریتم‌های کنترلی جعبه‌دنده و تخمین مصرف سوخت در چرخه‌های رانندگی نیز مناسب است. هنگامی که هدف، بررسی جزئیات عملکرد انتقال قدرت باشد، در نظر گرفتن رفتار واقعی‌تر اجزای مکانیکی می‌تواند اطلاعات ارزشمندتری فراهم کند.

در مقابل، وجود اجزای بیشتر و تغییر وضعیت اتصالات مکانیکی باعث می‌شود محاسبات این مدل سنگین‌تر باشد. در نتیجه، زمان اجرای شبیه‌سازی ممکن است در مقایسه با نسخه انتزاعی افزایش یابد. انتخاب میان دو مدل باید بر اساس هدف مطالعه، دقت موردنیاز و محدودیت زمانی محاسبات صورت گیرد.

زیرسامانه هم‌دورکننده شماره یک

در این مدل، زیرسامانه‌ای اختصاصی برای هم‌دورکننده شماره یک در نظر گرفته شده است. این زیرسامانه ساختار داخلی هم‌دورکننده را نمایش می‌دهد و امکان بررسی و تغییر اجزای تشکیل‌دهنده آن را فراهم می‌کند.

مدل‌سازی اختصاصی هم‌دورکننده از این نظر اهمیت دارد که رفتار آن تنها به نسبت انتقال چرخ‌دنده‌ها محدود نیست؛ بلکه فرایند کاهش اختلاف سرعت و برقراری اتصال مکانیکی نیز در عملکرد آن نقش دارد. تغییر پارامترهایی مانند ویژگی‌های اصطکاکی، شرایط درگیری و مشخصات مکانیکی اجزا می‌تواند پاسخ گذرای سیستم را تغییر دهد.

محیط Simscape Driveline علاوه بر امکان ساخت مدل اختصاصی، بلوک‌های آماده‌ای برای هم‌دورکننده‌های تک‌مخروطی و دومخروطی نیز فراهم می‌کند. استفاده از این بلوک‌ها می‌تواند روند ساخت مدل را ساده‌تر کند. در مقابل، پیاده‌سازی اختصاصی برای زمانی مناسب است که به بررسی ساختار داخلی یا تغییر ویژگی‌های مدل نیاز داشته باشیم.

برای تحلیل عملکرد هم‌دورکننده، می‌توان سرعت اجزای متصل‌شونده، نیروهای واردشده و زمان موردنیاز برای رسیدن به شرایط مناسب درگیری را بررسی کرد. چنین تحلیل‌هایی به درک بهتر رفتار جعبه‌دنده هنگام تعویض دنده کمک می‌کنند؛ هرچند اعتبار نتایج به میزان جزئیات مدل و پارامترهای تعریف‌شده وابسته است.

مدل‌سازی بدنه خودرو و تایرها

زیرسامانه بدنه خودرو وظیفه محاسبه دینامیک طولی خودرو را بر عهده دارد. این بخش ارتباط میان گشتاور منتقل‌شده به چرخ‌ها و حرکت خطی خودرو را برقرار می‌کند. مدل تایر نیز رفتار چرخ‌ها را در تماس با سطح جاده بازنمایی می‌کند و در محاسبه نیروی کششی مؤثر است.

برای بررسی حرکت طولی خودرو، می‌توان از قانون دوم نیوتن استفاده کرد. یک نمایش ساده از معادله حرکت به صورت زیر است:

\[
m\frac{dv}{dt}=F_{\mathrm{traction}}-F_{\mathrm{resistance}}
\]

در این رابطه، \(m\) جرم خودرو، \(v\) سرعت طولی، \(F_{\mathrm{traction}}\) نیروی کششی تولیدشده در محل تماس تایرها با جاده و \(F_{\mathrm{resistance}}\) مجموع نیروهای مقاوم در برابر حرکت است.

نیروهای مقاوم ممکن است شامل مقاومت غلتشی تایرها، مقاومت آیرودینامیکی و مؤلفه نیروی گرانش در مسیرهای شیب‌دار باشند. در یک مدل ساده، می‌توان تنها بخشی از این نیروها را لحاظ کرد؛ اما برای تخمین دقیق‌تر عملکرد خودرو در شرایط رانندگی واقعی، انتخاب مدل مناسب برای نیروهای مقاوم اهمیت زیادی دارد.

نیروی کششی نیز به گشتاور چرخ، شعاع مؤثر تایر و شرایط تماس تایر با سطح جاده وابسته است. در یک تقریب ساده و با فرض نبود لغزش قابل‌توجه، نیروی کششی را می‌توان از تقسیم گشتاور چرخ بر شعاع مؤثر تایر تخمین زد. با این حال، در شرایطی که محدودیت اصطکاک یا لغزش تایر اهمیت داشته باشد، باید از مدل دقیق‌تری برای ارتباط میان گشتاور، سرعت چرخ و نیروی تماس استفاده کرد.

مدل بدنه و تایر در این شبیه‌سازی برای اجرای چرخه‌های رانندگی و بررسی پاسخ خودرو به تغییرات ورودی راننده کافی است. چرخه رانندگی مجموعه‌ای از تغییرات سرعت در طول زمان است که می‌تواند شرایطی مانند شتاب‌گیری، حرکت با سرعت ثابت و کاهش سرعت را بازنمایی کند. با استفاده از چنین ورودی‌هایی، می‌توان عملکرد جعبه‌دنده و الگوریتم‌های کنترلی را در شرایط متنوع بررسی کرد.

تحلیل ورودی‌های راننده و نیروهای هم‌دورکننده

یکی از مجموعه نتایج شبیه‌سازی، نمودارهای مربوط به ورودی‌های راننده و نیروهای اعمال‌شده به اجزای انتقال قدرت است. در نمودار بالایی، نیروهای واردشده به هم‌دورکننده‌ها برای انتخاب دنده فعال نمایش داده می‌شوند. نمودار پایینی نیز ورودی‌های مربوط به دریچه گاز و کلاچ را نشان می‌دهد.

این نمودارها امکان بررسی ارتباط میان فرمان راننده و عملکرد جعبه‌دنده را فراهم می‌کنند. برای مثال، هنگام تعویض دنده، وضعیت کلاچ تغییر می‌کند و نیروهای مربوط به هم‌دورکننده دنده موردنظر اعمال می‌شوند. پس از تکمیل فرایند انتخاب دنده، انتقال گشتاور از مسیر جدید برقرار می‌شود.

در تحلیل این نمودارها باید به ترتیب زمانی رویدادها توجه کرد. تغییر ورودی کلاچ، اعمال نیرو به هم‌دورکننده و تغییر وضعیت دنده، بخش‌هایی از یک فرایند دینامیکی مرتبط هستند. بررسی هم‌زمان این متغیرها به شناسایی رفتار مناسب یا نامناسب سیستم کمک می‌کند.

برای مثال، اگر هدف بررسی کیفیت تعویض دنده باشد، می‌توان زمان اعمال نیرو به هم‌دورکننده را با تغییرات سرعت محورهای ورودی و خروجی مقایسه کرد. همچنین تغییرات ورودی دریچه گاز و کلاچ را می‌توان برای تحلیل شرایط موتور در طول تعویض دنده بررسی کرد. در این فرایند، باید توجه داشت که صرف مشاهده یک قله در نمودار نیرو به معنای بروز مشکل نیست؛ تفسیر صحیح به مقیاس زمانی، پارامترهای مدل و وضعیت مکانیکی سیستم بستگی دارد.

بررسی سرعت محورهای سامانه انتقال قدرت

گروه دیگری از نتایج، سرعت چرخشی محورهای مختلف در مجموعه انتقال قدرت را نمایش می‌دهد. این نمودارها برای درک نحوه انتقال حرکت از موتور به جعبه‌دنده و سپس به خروجی سیستم اهمیت دارند.

یکی از نتایج اصلی مدل آن است که سرعت محور خروجی جعبه‌دنده با سرعت چرخ‌دنده‌ای که هم‌دورکننده آن در وضعیت درگیری قرار دارد، ارتباط پیدا می‌کند. به بیان دیگر، انتخاب هر دنده مسیر انتقال قدرت و رابطه سرعت میان محورهای مختلف را تعیین می‌کند.

هنگامی که دنده اول فعال است، نسبت انتقال بزرگ‌تر موجب می‌شود سرعت خروجی جعبه‌دنده نسبت به سرعت ورودی کمتر باشد. با انتخاب دنده‌های بالاتر، نسبت انتقال کاهش می‌یابد و سرعت خروجی به سرعت ورودی نزدیک‌تر می‌شود. در دنده چهارم با نسبت یک، سرعت ورودی و خروجی جعبه‌دنده در حالت ایده‌آل برابر هستند.

البته این برابری به معنای برابر بودن سرعت موتور و چرخ‌های خودرو نیست؛ زیرا اجزای دیگری مانند دیفرانسیل و تایرها نیز بر رابطه میان سرعت موتور و سرعت خطی خودرو تأثیر می‌گذارند. همچنین در زمان تعویض دنده، جدا شدن موقت مسیر انتقال گشتاور و فرایند هم‌دور شدن اجزا ممکن است موجب تغییرات گذرا در سرعت محورها شود.

یکی دیگر از ویژگی‌های مورد توجه در نتایج، حفظ دور موتور در محدوده مناسب هنگام شتاب‌گیری خودرو است. انتخاب دنده مناسب کمک می‌کند موتور در محدوده سرعت چرخشی موردنظر کار کند. این موضوع از نظر عملکرد موتور، پاسخ شتاب‌گیری و مصرف سوخت اهمیت دارد. با این حال، محدوده مطلوب دور موتور به مشخصات موتور، منحنی گشتاور و توان و شرایط بار وابسته است و نمی‌توان یک محدوده ثابت را برای تمام خودروها در نظر گرفت.

مقایسه نتایج نسخه انتزاعی و تفصیلی

یکی از مهم‌ترین اهداف این مثال، مقایسه رفتار دو نسخه جعبه‌دنده است. نسخه تفصیلی با استفاده از اجزای مکانیکی متعدد، رفتار هم‌دورکننده‌ها و کلاچ‌های دندانه‌ای را به صورت مستقیم مدل می‌کند. در مقابل، نسخه انتزاعی با یک چرخ‌دنده دارای نسبت انتقال متغیر و یک کلاچ برای نمایش وضعیت خلاص، ساختار ساده‌تری دارد.

نتایج ارائه‌شده نشان می‌دهند که پاسخ دو مدل، در صورت تنظیم مناسب پارامترها، شباهت زیادی دارد. این موضوع بیانگر آن است که برای بسیاری از تحلیل‌های سطح سیستم، می‌توان از مدل ساده‌شده استفاده کرد، بدون آنکه افت قابل‌توجهی در دقت نتایج کلی ایجاد شود.

با وجود این شباهت، نباید انتظار داشت که دو مدل در تمام متغیرها و تمام لحظات زمانی خروجی کاملاً یکسانی تولید کنند. مدل تفصیلی می‌تواند تغییرات ناشی از درگیری اجزای مکانیکی، رفتار اصطکاکی و ناپیوستگی‌های انتقال قدرت را با جزئیات بیشتری نشان دهد. مدل انتزاعی این جزئیات را ساده‌سازی می‌کند و بیشتر بر رفتار کلی نسبت انتقال تمرکز دارد.

به همین دلیل، انتخاب مدل باید بر اساس هدف شبیه‌سازی انجام شود. اگر هدف بررسی جزئیات مکانیکی تعویض دنده باشد، نسخه تفصیلی گزینه مناسب‌تری است. اما اگر هدف، ارزیابی پاسخ کلی خودرو، توسعه کنترل‌کننده یا اجرای سریع تعداد زیادی آزمایش باشد، نسخه انتزاعی می‌تواند انتخاب مؤثرتری باشد.

ویژگی	نسخه انتزاعی	نسخه تفصیلی
ساختار جعبه‌دنده	چرخ‌دنده با نسبت انتقال متغیر و کلاچ	چرخ‌دنده‌ها، کلاچ‌های مخروطی و کلاچ‌های دندانه‌ای
پیچیدگی مدل	کمتر	بیشتر
سرعت اجرای شبیه‌سازی	بالاتر در شرایط مشابه	معمولاً پایین‌تر به دلیل جزئیات بیشتر
بررسی جزئیات درگیری دنده‌ها	محدود	مناسب‌تر
تحلیل پاسخ کلی خودرو	مناسب	مناسب
کاربرد در شبیه‌سازی بلادرنگ	مناسب‌تر	وابسته به پیچیدگی مدل و توان محاسباتی
تنظیم الگوریتم‌های کنترلی	مناسب برای ارزیابی سریع سیستم	مناسب برای بررسی اثر جزئیات مکانیکی

کاربرد نسخه انتزاعی در شبیه‌سازی Hardware-in-the-Loop

یکی از کاربردهای مهم نسخه ساده‌شده، استفاده در شبیه‌سازی Hardware-in-the-Loop یا HIL است. در این روش، یک کنترل‌کننده سخت‌افزاری واقعی به مدل شبیه‌سازی‌شده سیستم متصل می‌شود. مدل باید بتواند رفتار سیستم فیزیکی را در بازه‌های زمانی مشخص محاسبه کند تا کنترل‌کننده، ورودی‌ها و خروجی‌های موردنیاز خود را دریافت کند.

در کاربردهای خودرویی، کنترل‌کننده واقعی ممکن است شامل واحد کنترل موتور یا سامانه‌های کنترلی مرتبط با انتقال قدرت باشد. مدل شبیه‌سازی‌شده وظیفه دارد پاسخ موتور، جعبه‌دنده و خودرو را در برابر فرمان‌های کنترلی محاسبه کند. سپس خروجی‌های مدل به کنترل‌کننده بازگردانده می‌شوند و چرخه تعامل میان کنترل‌کننده و مدل ادامه پیدا می‌کند.

برای اجرای موفق این فرایند، سرعت محاسبات و پایداری عددی اهمیت زیادی دارند. مدل‌های دارای ناپیوستگی‌های فراوان یا تعداد زیاد اجزای مکانیکی ممکن است برای اجرای بلادرنگ به منابع محاسباتی بیشتری نیاز داشته باشند. نسخه انتزاعی با حذف تقریباً تمام ناپیوستگی‌های مربوط به ساختار تفصیلی جعبه‌دنده، شرایط مناسب‌تری برای اجرای سریع فراهم می‌کند.

البته مناسب بودن مدل برای HIL تنها به ساده بودن آن وابسته نیست. زمان اجرای هر گام محاسباتی، تنظیم حل‌گر، نرخ نمونه‌برداری، روش تبادل داده با سخت‌افزار و دقت موردنیاز نیز باید بررسی شوند. بنابراین، پیش از استفاده عملی، لازم است مدل در شرایط هدف آزمایش و اعتبارسنجی شود.

کاربرد شبیه‌سازی در تخمین مصرف سوخت

شبیه‌سازی خودرو مجهز به جعبه‌دنده دستی می‌تواند برای بررسی مصرف سوخت نیز استفاده شود. انتخاب دنده بر سرعت موتور و گشتاور موردنیاز آن تأثیر می‌گذارد و این دو متغیر از عوامل مهم در تعیین مصرف سوخت هستند. در بسیاری از شرایط، انتخاب نسبت انتقال مناسب به موتور کمک می‌کند در محدوده کاری مطلوب‌تری فعالیت کند.

برای انجام چنین تحلیلی، خودرو در معرض یک چرخه رانندگی قرار می‌گیرد. این چرخه می‌تواند شامل تغییرات سرعت، توقف، شتاب‌گیری و حرکت با سرعت ثابت باشد. مدل، پاسخ خودرو را در برابر ورودی‌های راننده محاسبه می‌کند و متغیرهایی مانند سرعت خودرو، دور موتور و بار موتور قابل بررسی خواهند بود.

برای تخمین کمی مصرف سوخت، وجود یک مدل مناسب برای رفتار مصرف سوخت موتور ضروری است. صرف داشتن مدل مکانیکی خودرو و جعبه‌دنده، بدون اطلاعات مربوط به مصرف سوخت موتور، برای محاسبه دقیق مصرف کافی نیست. در صورت در دسترس بودن مدل مصرف سوخت، می‌توان مصرف لحظه‌ای را در طول چرخه رانندگی محاسبه و سپس مقدار کل مصرف را به دست آورد.

از این رو، مدل ارائه‌شده زیرساخت مناسبی برای بررسی اثر انتخاب دنده و الگوریتم‌های کنترلی بر عملکرد خودرو فراهم می‌کند. دقت تخمین مصرف سوخت نهایی به کیفیت مدل موتور، شرایط رانندگی و پارامترهای تعریف‌شده وابسته خواهد بود.

مراحل بررسی و اجرای شبیه‌سازی در MATLAB

برای استفاده از این مثال، ابتدا باید محیط MATLAB و محصولات موردنیاز برای اجرای مدل، به‌ویژه Simulink و Simscape Driveline، در دسترس باشند. سپس می‌توان مثال خودرو مجهز به جعبه‌دنده دستی را در محیط نرم‌افزار باز کرد و ساختار آن را بررسی نمود.

فرایند پیشنهادی برای تحلیل مدل شامل مراحل زیر است:

1. باز کردن مدل اصلی: مدل خودرو را در محیط Simulink باز کنید و ارتباط میان موتور، کلاچ، جعبه‌دنده، تایرها و بدنه خودرو را بررسی نمایید.
2. بررسی نسبت دنده‌ها: مقادیر 3.581، 2.022، 1.384 و 1 را شناسایی کنید و ارتباط آن‌ها را با سرعت محور ورودی و خروجی بررسی نمایید.
3. مطالعه زیرسامانه کلاچ: مسیر انتقال فرمان پدال کلاچ به سازوکار مکانیکی را دنبال کنید و نقش آن را در قطع و برقراری انتقال گشتاور بشناسید.
4. بررسی هم‌دورکننده‌ها: ساختار Cone Clutch و Dog Clutch را مطالعه کنید و نحوه مشارکت آن‌ها در انتخاب دنده را بررسی نمایید.
5. اجرای نسخه تفصیلی: مدل را اجرا کنید و نمودارهای نیروهای هم‌دورکننده، ورودی‌های راننده و سرعت محورهای انتقال قدرت را مشاهده نمایید.
6. اجرای نسخه انتزاعی: از پیوندهای موجود در مدل برای انتخاب نسخه ساده‌شده استفاده کنید و شبیه‌سازی را با شرایط ورودی مشابه اجرا نمایید.
7. مقایسه نتایج: سرعت محور خروجی، پاسخ سرعت خودرو و رفتار کلی انتقال قدرت را در دو نسخه مقایسه کنید.
8. بررسی عملکرد محاسباتی: زمان اجرای دو نسخه و میزان جزئیات موردنیاز برای هدف موردنظر را ارزیابی نمایید.

نام دقیق گزینه‌های موجود برای تغییر نسخه مدل و تنظیمات اجرایی ممکن است به نسخه نرم‌افزار بستگی داشته باشد. در مثال اصلی، انتخاب نسخه موردنظر از طریق پیوندهای موجود در مدل انجام می‌شود. بنابراین، بهتر است برای تغییر ساختار، ابتدا راهنمای همان مثال و توضیحات زیرسامانه‌ها بررسی شود.

نکات مهم در تفسیر نتایج

برای دستیابی به نتایج معتبر، لازم است تفاوت میان رفتار ایده‌آل اجزای انتقال قدرت و رفتار مدل مکانیکی در نظر گرفته شود. روابط ساده نسبت انتقال، سرعت و گشتاور برای درک اصول عملکرد جعبه‌دنده مفید هستند؛ اما در هنگام تعویض دنده، رفتار گذرا، اصطکاک و تغییر وضعیت کلاچ‌ها ممکن است سبب شوند نتایج لحظه‌ای با روابط ایده‌آل تفاوت داشته باشند.

همچنین باید توجه داشت که مقایسه نسخه انتزاعی و تفصیلی زمانی معنا دارد که شرایط اولیه، ورودی راننده، پارامترهای مؤثر و سناریوی رانندگی تا حد امکان یکسان باشند. اگر شرایط اجرای دو مدل متفاوت باشد، اختلاف نتایج لزوماً ناشی از میزان جزئیات مدل نیست.

در تحلیل سرعت محورها نیز باید نقش سایر اجزای انتقال قدرت در نظر گرفته شود. برای مثال، نسبت انتقال جعبه‌دنده تنها بخشی از رابطه میان دور موتور و سرعت خودرو را تعیین می‌کند. نسبت دیفرانسیل، شعاع مؤثر تایر و میزان لغزش چرخ‌ها نیز بر این رابطه تأثیر دارند.

در نهایت، اگر هدف استفاده از مدل برای تخمین مصرف سوخت یا تنظیم کنترل‌کننده باشد، لازم است پارامترهای مدل با اطلاعات معتبر سازگار شوند. مدل ساده‌تر می‌تواند برای ارزیابی اولیه مناسب باشد، اما تصمیم‌گیری نهایی در کاربردهای حساس ممکن است به اعتبارسنجی با مدل تفصیلی یا داده‌های آزمایشگاهی نیاز داشته باشد.

جمع‌بندی

شبیه‌سازی خودرو مجهز به جعبه‌دنده دستی چهارسرعته در MATLAB و Simscape Driveline، نمونه‌ای کاربردی از مدل‌سازی یکپارچه موتور، کلاچ، جعبه‌دنده و دینامیک طولی خودرو است. این مدل با استفاده از چهار نسبت انتقال 3.581، 2.022، 1.384 و 1، امکان بررسی عملکرد دنده‌ها و تأثیر انتخاب نسبت انتقال بر سرعت محورهای مختلف را فراهم می‌کند.

در نسخه تفصیلی، هم‌دورکننده‌ها با استفاده از بلوک‌های Cone Clutch و Dog Clutch مدل‌سازی شده‌اند تا رفتار مکانیکی انتخاب و درگیری دنده‌ها با جزئیات بیشتری قابل مطالعه باشد. این نسخه برای بررسی رفتار گذرا، تحلیل نیروهای واردشده به اجزای انتقال قدرت و تنظیم الگوریتم‌های کنترلی مناسب است.

در مقابل، نسخه انتزاعی از یک چرخ‌دنده با نسبت انتقال متغیر و یک کلاچ برای نمایش وضعیت خلاص استفاده می‌کند. این ساختار ساده‌تر، تقریباً تمام ناپیوستگی‌های مربوط به مدل تفصیلی را حذف می‌کند و در صورت تنظیم مناسب می‌تواند نتایجی مشابه از نظر رفتار کلی سیستم ارائه دهد. به همین دلیل، برای شبیه‌سازی سریع و کاربردهای Hardware-in-the-Loop گزینه مناسبی به شمار می‌رود.

در مجموع، این مثال نشان می‌دهد که انتخاب سطح جزئیات مدل باید متناسب با هدف شبیه‌سازی انجام شود. برای مطالعه دقیق سازوکار مکانیکی تعویض دنده، مدل تفصیلی اطلاعات بیشتری فراهم می‌کند؛ اما برای تحلیل رفتار کلی خودرو، ارزیابی سریع کنترل‌کننده‌ها و اجرای چرخه‌های رانندگی، نسخه انتزاعی می‌تواند با هزینه محاسباتی کمتر، نتایج مفیدی ارائه دهد.