曾 浩，鄭廣勇，張彩霞，孔 薇

（重慶長安汽車股份有限公司動力研究院，重慶 401133）

前言

全負(fù)荷動力性、經(jīng)濟(jì)性和駕駛性為評價汽車縱向動力學(xué)性能的3個重要指標(biāo)。其中，駕駛性反映了駕駛員在汽車縱向行駛過程中人車交互作用下的主觀感覺。整車開發(fā)過程中，一般是全負(fù)荷動力性、經(jīng)濟(jì)性開發(fā)到一定程度后，在道路上對駕駛性進(jìn)行主觀評價和調(diào)校，故而經(jīng)常出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的控制策略與駕駛性相矛盾的問題，進(jìn)而導(dǎo)致工作反復(fù)、周期和成本增加。因此，在整車開發(fā)早期對駕駛性進(jìn)行仿真，并結(jié)合其它使用特性進(jìn)行綜合評價，從而確定最佳的匹配方案和控制策略就非常必要。

目前，對于全負(fù)荷動力性和經(jīng)濟(jì)性的仿真技術(shù)已發(fā)展的非常成熟，形成了一套完善的仿真和評價體系［1-2］。對于駕駛性，國外相關(guān)車企與技術(shù)服務(wù)商已展開了相關(guān)研究，如AVL公司開發(fā)的VSM軟件對動力總成、發(fā)動機(jī)懸置等進(jìn)行建模，考慮發(fā)動機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)和懸置振動特性等，可對不同工況下的駕駛性進(jìn)行仿真分析，并將仿真結(jié)果導(dǎo)入AVL DRIVE進(jìn)行駕駛性能評估［3］?？得魉构纠肧imulink建立了簡化的發(fā)動機(jī)瞬態(tài)模型，并集成于AVL CRUISE的整車模型中，可模擬特定工況的駕駛性能［4］。國內(nèi)雖有部分研究機(jī)構(gòu)對駕駛性仿真進(jìn)行了嘗試［5-6］，但基本都是基于穩(wěn)態(tài)分析，側(cè)重于對仿真結(jié)果的處理和評價，而忽略了對發(fā)動機(jī)實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)矩模擬，對發(fā)動機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩控制策略方面模擬稍顯不足，真正在整車開發(fā)過程中得到實(shí)際應(yīng)用的并不多。

本文中以駕駛性主觀和客觀指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系為依據(jù)，重點(diǎn)介紹一種基于發(fā)動機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩控制的駕駛性仿真方法，并利用仿真手段對駕駛性進(jìn)行虛擬標(biāo)定，最后進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，并對虛擬標(biāo)定的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 駕駛性仿真建模思路

駕駛性仿真必須具備兩個前提。

（1）駕駛性評價多為主觀感受，而仿真結(jié)果為客觀數(shù)據(jù)，需建立兩者之間的對應(yīng)關(guān)系。經(jīng)研究與總結(jié)，將駕駛性的主觀評價轉(zhuǎn)換為客觀的加速度數(shù)據(jù)，構(gòu)建一套較完善的駕駛性主、客觀對應(yīng)關(guān)系和評價體系，為駕駛性仿真奠定基礎(chǔ)。本文中將這種與主觀目標(biāo)對應(yīng)的特定加速度特征稱為加速度DNA。

（2）駕駛性表現(xiàn)與發(fā)動機(jī)實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)矩直接相關(guān)，所以必須能夠?qū)Πl(fā)動機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行模擬。在傳統(tǒng)動力性、經(jīng)濟(jì)性仿真模擬中，輸出轉(zhuǎn)矩為穩(wěn)態(tài)的發(fā)動機(jī)臺架測試數(shù)據(jù)，而這種方法的輸出轉(zhuǎn)矩與整車運(yùn)行時的實(shí)際輸出最大差異在于發(fā)動機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)和控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)矩的限制及修正，故須對發(fā)動機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩控制策略進(jìn)行詳細(xì)建模，用以計(jì)算整車實(shí)際動力輸出情況。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，起步和加速工況在駕駛性評價工況中的重要性占比超過80%，其它工況占比不超過20%，故從起步和加速工況中挑選出兩個與動力換擋相關(guān)的典型駕駛性工況，分別為定油門原地起步加速工況和定車速TIP IN加速工況。

定油門原地起步加速工況主要評價指標(biāo)［7］包括加速度達(dá)到設(shè)定評價值a1所對應(yīng)的響應(yīng)時間t1和最大加速度a2，如圖1所示。根據(jù)主客觀對應(yīng)關(guān)系確定的滿足駕駛性要求的加速度DNA，加速度隨車速變化關(guān)系落在上下限之間視為滿足駕駛性要求，如圖2所示。

圖1 定油門原地起步加速工況評價指標(biāo)

圖2 定油門原地起步加速工況加速度DNA

定車速TIP IN加速工況主要評價指標(biāo)包括加速度達(dá)到設(shè)定評價值a3時對應(yīng)的響應(yīng)時間t3和最大加速度a4，如圖3所示。根據(jù)主客觀對應(yīng)關(guān)系確定的滿足駕駛性要求的加速度DNA，定車速時加速度隨油門開度變化關(guān)系落在上下限之間視為滿足駕駛性要求，如圖4所示。

圖3 定車速TIP IN加速工況評價指標(biāo)

圖4 定車速TIP IN加速工況加速度DNA

2 駕駛性仿真模型的建立與校正

2.1 駕駛性數(shù)學(xué)模型

根據(jù)驅(qū)動力阻力平衡方程，在平直路面行駛時，加速度動力學(xué)方程［8］為

式中：a為汽車加速度；Ttq為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩；ig為變速器各擋速比；i0為主減速比；η為變速器效率；r為輪胎滾動半徑；m為整車質(zhì)量；g為重力加速度；f為輪胎滾動阻力系數(shù)；ρa(bǔ)ir為空氣密度；CD為空氣阻力系數(shù)；A為汽車迎風(fēng)面積；v為車速；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

由式（1）可知，決定加速度的因素除了變速器和整車結(jié)構(gòu)參數(shù)外，最主要的因素是發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，所以加速度仿真精度很大程度上取決于對發(fā)動機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩的仿真精度，所以建立發(fā)動機(jī)瞬態(tài)模型和轉(zhuǎn)矩控制模型非常必要。

2.2 駕駛性仿真模型

2.2.1 輸入條件

本文中研究對象為某SUV乘用車，車型的基本參數(shù)如表1所示。

表1 車輛基本參數(shù)

2.2.2 轉(zhuǎn)矩控制模型

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩控制部分加入了濾波、控制和安全限制等功能，在計(jì)算發(fā)動機(jī)真實(shí)轉(zhuǎn)矩輸出時必須予以考慮。轉(zhuǎn)矩控制模型主要包括需求轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊、TIP OUT控制模塊、怠速轉(zhuǎn)矩模塊、TIP IN控制模塊和儲備轉(zhuǎn)矩模塊，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)矩控制模型

2.2.3 發(fā)動機(jī)瞬態(tài)模型

對增壓汽油機(jī)而言，轉(zhuǎn)矩輸出的大小與進(jìn)氣量強(qiáng)相關(guān)，實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)過程很大程度是進(jìn)氣的響應(yīng)過程。所以發(fā)動機(jī)瞬態(tài)模型主要以模擬進(jìn)氣響應(yīng)為主，建立燃燒系統(tǒng)的平均值模型，同時與進(jìn)氣相關(guān)的進(jìn)排氣管路、增壓器、節(jié)氣門、廢氣旁通閥和防喘振閥等部件需要建立詳細(xì)的物理模型，并加入節(jié)氣門、廢氣旁通閥和防喘振閥的實(shí)際控制邏輯，模型如圖6所示。

圖6 發(fā)動機(jī)瞬態(tài)模型

2.2.4 駕駛性仿真模型

在發(fā)動機(jī)瞬態(tài)模型和轉(zhuǎn)矩控制模型的基礎(chǔ)上加入駕駛員模塊、變速器及其控制模塊、整車模塊，形成具有計(jì)算瞬態(tài)特性能力的整車駕駛性仿真模型，如圖7所示。此模型可用于仿真整車的實(shí)際加速度，從而進(jìn)行駕駛性特征分析。

圖7 駕駛性仿真模型

2.3 模型校正

仿真模型須經(jīng)過試驗(yàn)結(jié)果的校正，且仿真與試驗(yàn)誤差需滿足穩(wěn)態(tài)仿真在5%以內(nèi)，瞬態(tài)響應(yīng)仿真在10%以內(nèi)，才能用于下一步的性能預(yù)測和仿真分析。

以典型瞬態(tài)響應(yīng)過程—原地起步加速工況為例，將考慮瞬態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩控制策略的駕駛性模型以及基于發(fā)動機(jī)臺架穩(wěn)態(tài)測試數(shù)據(jù)的常規(guī)模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖8所示。從圖中可以看出，常規(guī)模型計(jì)算輸出的轉(zhuǎn)矩與實(shí)際情況差異較大，進(jìn)而導(dǎo)致加速度與試驗(yàn)差異較大；駕駛性模型輸出結(jié)果與試驗(yàn)趨勢一致，加速度趨勢和大小與試驗(yàn)基本相當(dāng)。

圖8 原地起步加速工況仿真與試驗(yàn)對比

表2為定油門原地起步加速工況的仿真與試驗(yàn)的關(guān)鍵指標(biāo)對比，仿真與試驗(yàn)誤差在10%內(nèi)，滿足精度要求。

表2 定油門原地起步加速工況關(guān)鍵指標(biāo)對比

盡管駕駛性仿真模型考慮了轉(zhuǎn)矩控制和發(fā)動機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)因素，但考慮到模型運(yùn)行速度的因素，對與駕駛性影響不大的因素盡量簡化，這也是仿真與試驗(yàn)的主要誤差來源。如圖8中A點(diǎn)由于仿真和試驗(yàn)的液力變矩器增轉(zhuǎn)矩差異引起加速度偏差，B點(diǎn)由于仿真和試驗(yàn)換擋控制差異引起加速度差異。這些誤差雖然存在，但不是決定駕駛性的關(guān)鍵因素，不會影響轉(zhuǎn)矩傳遞和加速度隨時間變化的基本規(guī)律。整個仿真模型經(jīng)過校正后可將誤差控制在10%以內(nèi)，仿真與試驗(yàn)趨勢性一致，能夠反映整車駕駛性的主要特征，用于下一步虛擬標(biāo)定。

3 駕駛性虛擬標(biāo)定

影響駕駛性的眾多因素中，除了硬件配置外，比較重要的是油門特性和換擋規(guī)律的標(biāo)定策略［9］。標(biāo)定策略不僅直接影響駕駛性，還對全負(fù)荷動力性、經(jīng)濟(jì)性有著重要影響。本文中以下討論是在全負(fù)荷動力性、經(jīng)濟(jì)性達(dá)到整車性能要求的基礎(chǔ)上，通過對油門特性和換擋規(guī)律的虛擬標(biāo)定對駕駛性進(jìn)一步優(yōu)化。

目標(biāo)車型為滿足客戶對整車性能的不同訴求，設(shè)定了NORMAL、ECO和SPORT 3種駕駛模式。NORMAL為常規(guī)模式，同時考慮全負(fù)荷動力性、經(jīng)濟(jì)性和駕駛性等；ECO為經(jīng)濟(jì)模式，需滿足特定用戶對經(jīng)濟(jì)性的訴求，主要考慮經(jīng)濟(jì)性；SPORT為運(yùn)動模式，滿足特定用戶對于動力性的訴求，主要考慮駕駛性。

以NORMAL模式為主，詳細(xì)討論虛擬標(biāo)定的過程和結(jié)果分析，然后直接給出ECO和SPORT模式的虛擬標(biāo)定優(yōu)化結(jié)果。

3.1 NORMAL模式虛擬標(biāo)定

3.1.1 油門特性虛擬標(biāo)定

油門特性為一組定油門開度下輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的特性曲線，該特性直接影響整車加速感覺［10］。

以上文中所述的定油門原地起步加速度DNA為目標(biāo)，首先預(yù)設(shè)油門特性，然后通過迭代優(yōu)化可得出滿足不同油門開度下加速度DNA的油門特性。10%～40%油門開度時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩隨著油門開度增大而增大；當(dāng)油門開度大于等于50%時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到外特性，如圖9所示。

圖9 NORMAL油門特性標(biāo)定圖

3.1.2 換擋規(guī)律虛擬標(biāo)定

換擋規(guī)律通常分為經(jīng)濟(jì)性區(qū)域（小油門開度）、駕駛性區(qū)域（中油門開度）和全負(fù)荷動力性區(qū)域（大油門開度）3個部分，根據(jù)性能需求分別進(jìn)行優(yōu)化［11］。

經(jīng)濟(jì)性區(qū)域重點(diǎn)考慮燃油經(jīng)濟(jì)性，通常定義為0～30%油門開度部分，以循環(huán)工況油耗最低為目標(biāo)，以NVH轉(zhuǎn)速限值、液力變矩器最低閉鎖轉(zhuǎn)速等為約束條件，進(jìn)行最經(jīng)濟(jì)換擋規(guī)律優(yōu)化。

全負(fù)荷動力性區(qū)域重點(diǎn)考察加速能力，通常定義為90%～100%油門開度部分，以相鄰擋位最大加速度交點(diǎn)換擋的原則制定。

本文中主要討論駕駛性，故將經(jīng)濟(jì)性和全負(fù)荷動力性優(yōu)化作為駕駛性優(yōu)化的前置工作，完成優(yōu)化并得到最優(yōu)結(jié)果后作為駕駛性優(yōu)化的輸入，重點(diǎn)關(guān)注對應(yīng)駕駛性換擋規(guī)律的30%～80%油門開度部分，優(yōu)化設(shè)置如下。

（1）目標(biāo)：滿足如上文中所述的加速度DNA，包括定油門原地起步加速工況和定車速TIP IN加速工況。

（2）約束條件：a.考慮平順性，駕駛性部分須與經(jīng)濟(jì)性和全負(fù)荷動力性確定的換擋規(guī)律部分平滑過渡；b.考慮升、降擋轉(zhuǎn)速一致性；c.考慮升、降擋轉(zhuǎn)速延遲等避免頻繁換擋。

按照以上設(shè)置，經(jīng)過優(yōu)化迭代，得出初版換擋規(guī)律，然后進(jìn)行綜合性能校核。全負(fù)荷動力性和駕駛性相互不受影響，駕駛性和經(jīng)濟(jì)性在30%油門開度左右相互影響，須進(jìn)行均衡優(yōu)化，在滿足加速度DNA前提下，尋求經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，最終可求出同時滿足3種性能的綜合換擋規(guī)律，如圖10所示。

圖10 NORMAL換擋規(guī)律標(biāo)定圖

將換擋規(guī)律代入駕駛性仿真模型，可得到定油門原地起步加速工況和定車速TIP IN加速工況的加速度數(shù)據(jù)，經(jīng)驗(yàn)證，加速度滿足DNA要求。

3.2 ECO和SPORT模式虛擬標(biāo)定

用相同的流程和方法，對ECO和SPORT兩種模式進(jìn)行駕駛性標(biāo)定，因優(yōu)化過程和約束方法與NORMAL模式類似，下文中僅討論優(yōu)化結(jié)果。

3.2.1 ECO和SPORT模式目標(biāo)設(shè)定

因NORMAL模式能滿足整車駕駛的常規(guī)需求，所以另外兩種模式就盡量滿足個性化需求，需滿足以下兩點(diǎn)要求。

（1）定油門原地起步加速工況：ECO模式位于加速度DNA下限，SPORT模式位于加速度DNA上限，如圖11所示。

（2）定車速TIP IN加速工況：ECO模式加速度不高于NORMAL模式，SPORT模式加速度不低于NORMAL模式。

圖11 3種模式加速度目標(biāo)示意圖

3.2.2 ECO和SPORT模式駕駛性標(biāo)定結(jié)果

用3.1節(jié)中描述的方法，對另兩種模式下的油門特性和換擋規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化。

從油門特性的標(biāo)定結(jié)果可知，相同油門開度時，ECO模式轉(zhuǎn)矩最小，NORMAL模式次之，SPORT模式轉(zhuǎn)矩最大；ECO模式轉(zhuǎn)矩達(dá)到外特性時油門開度最大，NORMAL模式次之，SPORT模式油門開度最小，如圖12所示。

圖12 ECO、NORMAL、SPORT 3種模式油門特性對比

從換擋規(guī)律標(biāo)定結(jié)果可知，相同油門開度時，ECO模式升擋車速最小，NORMAL模式次之，SPORT模式升擋車速最大；相同車速時，SPORT模式降擋油門開度最小，NORMAL模式次之，ECO模式降擋油門開度最大，如圖13所示。

圖13 ECO、NORMAL、SPORT 3種模式換擋規(guī)律對比

4 性能預(yù)測和試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 經(jīng)濟(jì)性和全負(fù)荷動力性

由表3可知，基于NEDC工況，ECO模式較NORMAL模式油耗低0.22 L／100 km，SPORT模式較NORMAL模式油耗高0.43 L／100 km。通過對比分析，仿真與試驗(yàn)趨勢一致，3種模式經(jīng)濟(jì)性的仿真與試驗(yàn)誤差小于3%。

表3 3種模式NEDC工況油耗試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，ECO模式較NORMAL模式動力性弱約6%，SPORT模式與NORMAL模式全負(fù)荷動力性相當(dāng)。通過對比分析，仿真與試驗(yàn)趨勢一致，3種模式動力性的仿真與試驗(yàn)誤差小于4%。

表4 3種模式全負(fù)荷動力性試驗(yàn)結(jié)果

4.2 駕駛性

4.2.1 定油門原地起步加速工況

以30%油門原地起步加速工況為例進(jìn)行說明，3種模式加速度滿足預(yù)設(shè)的加速度DNA目標(biāo)；ECO模式相對于NORMAL模式響應(yīng)時間增加約26.8%，加速能力弱約9.4%；SPORT模式相對于NORMAL模式響應(yīng)時間減少24.4%，加速能力優(yōu)15.8%；3種模式的仿真與試驗(yàn)趨勢一致，關(guān)鍵性能指標(biāo)仿真誤差小于8%，結(jié)果如圖14和表5所示。

圖14 3種模式30%油門原地起步加速工況加速度對比

表5 3種模式30%油門原地起步加速工況關(guān)鍵指標(biāo)對比

4.2.2 定車速TIP IN加速工況

以70 km／h-TIP IN加速工況為例進(jìn)行說明，ECO模式加速度小于NORMAL模式，SPORT模式加速度大于NORMAL模式。當(dāng)油門開度小于50%時，主要依靠轉(zhuǎn)矩差異以實(shí)現(xiàn)不同模式的加速度差異；當(dāng)油門開度大于50%時，主要依靠降擋以實(shí)現(xiàn)不同模式的加速度差異。3種模式的仿真與試驗(yàn)趨勢一致，關(guān)鍵性能指標(biāo)仿真誤差小于8%，如圖15和表6所示。

圖15 3種模式70 km／h-TIP IN加速工況最大加速度對比

表6 3種模式70 km／h-TIP IN加速工況關(guān)鍵指標(biāo)對比

由仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比可知，仿真與試驗(yàn)較吻合，趨勢一致，綜合誤差控制在8%以內(nèi)，仿真結(jié)果可靠，充分驗(yàn)證了基于駕駛性仿真分析方法的虛擬標(biāo)定方法切實(shí)可行，滿足整車性能開發(fā)要求。

5 結(jié)論

基于GT-SUITE軟件，考慮發(fā)動機(jī)瞬態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩控制策略，建立了整車駕駛性仿真分析方法，該方法可對駕駛性部分典型工況進(jìn)行仿真分析，且仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較吻合，綜合誤差控制在8%以內(nèi)，仿真結(jié)果可靠。

基于駕駛性仿真方法，綜合考慮全負(fù)荷動力性、經(jīng)濟(jì)性和駕駛性，對油門特性和換擋規(guī)律進(jìn)行虛擬標(biāo)定，可獲得滿足不同駕駛需求的標(biāo)定方案。因此，在整車開發(fā)早期對駕駛性進(jìn)行仿真和虛擬標(biāo)定，并結(jié)合全負(fù)荷動力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合優(yōu)化，不僅能確定最佳的匹配方案和控制策略，還能減少開發(fā)周期、降低開發(fā)成本。