郁逸楨，鄭長江

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

車輛的動力性和燃油經(jīng)濟性是綜合評估汽車性能的重要指標。王銳[1]通過對比某車型的動力性理論數(shù)據(jù)和Cruise軟件仿真結(jié)果得出，仿真分析精確度高于理論計算。朱路生[2]針對輕型卡車建模仿真,對比分析了Mule車和標桿車型,確認了Mule車性能指標優(yōu)于標桿車型，具備細分市場的差異化競爭力。王琳[3]基于Cruise軟件仿真分析了某款手動擋汽車，并將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比研究，驗證了動態(tài)建模仿真分析應用于產(chǎn)品開發(fā)研究的可行性。采用軟件仿真并配合試驗研究，在整車動力性和經(jīng)濟性評價方面取得了較好的應用效果。然而，現(xiàn)有基于Cruise軟件對車輛傳動系統(tǒng)的進行優(yōu)化的研究較少，且大部分僅通過調(diào)節(jié)變速器一擋或最高擋的傳動比進行優(yōu)化分析，本文通過設置不同的變速器各擋位傳動比參數(shù)及主減速器比參數(shù)，進行組合優(yōu)化，更進一步的優(yōu)化了傳動系統(tǒng)，綜合提升了車輛的動力性和燃油經(jīng)濟性。

1 理論基礎

1.1 動力性評價指標

動力是汽車最基本最重要的性能。評價車輛動力性的幾項重要指標即最高車速、加速時間、最大爬坡度[4-6]。

(1)最高車速：在水平且條件良好的路面上車輛所能達到的最高行駛速度，即無風條件下車輛在平坦路面行駛時，行駛阻力和驅(qū)動力平衡時的車速[7]。

(2)加速時間:通常使用汽車的加速時間來表示汽車的加速能力，它能很大程度上影響車輛的平均行駛車速。加速時間分為原地起步加速時間與超車加速時間[9]。

由運動學可知:

(1)

(2)

式中,t表示車輛的加速時間,s；u表示車輛的行駛速度,km/h；a表示車輛最高擋或直接擋加速度,m/s；u1表示車輛起始加速的速度,km/h；u2表示車輛加速終止的速度,km/h。

可通過圖解積分求得車輛的加速時間。

(3)最大爬坡度imax：車輛滿載(或某一載荷質(zhì)量)時在水平良好路面的上坡能力。通常情況下，車輛1擋的最大爬坡度即汽車的最大爬坡度[10]。則最大爬坡度為：

imax=tanαmax。

(3)

式中,αmax表示最大爬坡角度。

1.2 燃油經(jīng)濟性評價指標

汽車的燃油經(jīng)濟性即在不影響車輛動力性能時，以較少的油耗進行經(jīng)濟行駛的能力[11]。車身形狀、發(fā)動機排量與功率、變速器傳動比、主減速器傳動比等結(jié)構(gòu)參數(shù)都能一定程度的影響汽車的燃油經(jīng)濟性[12]。通常使用車輛行駛100 km的燃油消耗量這一指標來評價車輛的燃油經(jīng)濟性。

等速百公里燃油消耗法的優(yōu)勢在于測量較為簡單，同時不可避免的劣勢即這種方法并不能非常全面的做出評價，它忽略了車輛在運行過程中路況、天氣等自然因素的變化[13]。尤其是在城市中行駛時，車速穩(wěn)定在某一定值基本是不可能的，車輛由于復雜的路況會頻繁的加速、減速、怠速、起步、停車。所以,等速百公里油耗法測量得出的結(jié)論是相對片面的。實際的行駛過程中，由于城市路況的復雜性，車輛完全處于等速行駛的狀態(tài)是不現(xiàn)實的。因此綜合多種行駛工況的循環(huán)工況燃，油消耗量用以評價整車的經(jīng)濟性是非常符合實際，更加真實可信。

2 整車仿真模型的建立

奧地利的李斯特內(nèi)燃機及測試設備公司主導研發(fā)的Cruise軟件是現(xiàn)在用戶最多、運用程度最廣的仿真軟件之一。

Cruise軟件采用了模塊化的設計方法，將車輛的零部件和總成設計為獨立的模塊，按照車輛動力的傳遞路線來搭建整車模型，從而對車輛的動力性、經(jīng)濟性等進行分析和預測[15]。

搭建Cruise整車模型的步驟如下：

(1)分析車輛的各個組成部件及其結(jié)構(gòu)布置，搜集所需參數(shù)。

(2)根據(jù)車輛實際情況，將元件庫中選中的整車、輪胎、發(fā)動機、主減速器、差速器、離合器等子模塊拖拽到相應的編輯區(qū)域，修改調(diào)整各參數(shù)數(shù)值。

(3)綜合考慮整車各部件間的結(jié)構(gòu)關(guān)系和數(shù)字信號傳遞流程，對發(fā)動機、主減速器等部件進行機械和信號連接，并進行相應的檢查校核。

(4)根據(jù)研究需要設置計算任務，如車輛加速性能、循環(huán)工況等。

(5)運行計算任務并分析仿真結(jié)果。

搭建整車模型的工作流程如圖1所示，整車模型如圖2所示。

圖1 基于Cruise軟件建模工作流程圖Fig.1 Workflow of software modeling based on Cruise

圖2 整車模型的搭建Fig.2 Vehicle model building

在搭建完成的整車模型各個模塊中輸入相應的參數(shù)，如表1所示。

為在Cruise仿真軟件中計算各指標，本文布置的任務包括：

(1)循環(huán)行駛工況：用于計算車輛的經(jīng)濟性及排放性能。

表1 某緊湊型轎車的整車基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of a compact car

(2)爬坡性能：該任務屬于靜態(tài)計算，可得出整車在滿載的狀態(tài)下各個擋位的最大爬坡度，并得到相應曲線。

(3)穩(wěn)態(tài)行駛：該任務可計算車輛各擋位的性能和最高車速。

(4)全負荷加速：該任務下設各擋位的最大加速度計算、原地起步連續(xù)換擋加速度計算、超車加速度計算三個子任務。

(5)巡航行駛工況：通過計算可得往返兩城之間的總油耗量和排放情況。

3 整車動力性、經(jīng)濟性仿真結(jié)果分析

3.1 動力性仿真

(1)最高車速：車輛的最高車速受發(fā)動機功率、最大轉(zhuǎn)矩和傳動系傳動比等因素的限制?；贑ruise軟件仿真可求得車輛在各個擋位下的最高車速，車輛在1擋時的最高速度可達50 km/h，此時轉(zhuǎn)速為4 870 r/min；車輛的最高車速即最高擋位6擋時的最大速度187 km/h，此時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為4 820 r/min。

(2)最大加速度：Full Load Acceleration in all Gears板塊中將顯示各個擋位的最大加速度仿真計算結(jié)果。車輛在一擋時的加速度最大，其數(shù)值為4.03 m/s2，此時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為4 286 r/min。車輛的最大加速度隨著擋位的升高逐步降低，2擋時的最大加速度可達2.72 m/s2，3擋之后的最大加速度降低明顯，6擋時的最大加速度只有0.63 m/s2，所以車輛在高速上以高擋位定速巡航時需要進行超車時車輛會積極降擋，以求得較大的加速度。加速度曲線如圖3所示。

圖3 各擋位的最大加速度曲線圖Fig.3 Maximum acceleration curve of each gear

(3)原地起步連續(xù)換擋加速時間：車輛從0 km/h加速至60 km/h所用時間為6.84 s，達到60 km/h時發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 625 r/min，從0 km/h加速至100 km/h所用時間為13 s，達到100 km/h時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為4 376 r/min，加速能力處于良好的水準，與實際測得的加速時間相差不大。原地起步加速時間曲線如圖4所示。

圖4 原地起步連續(xù)換擋加速時間曲線Fig.4 Acceleration time curve of continuous shift from starting in place

3.2 燃油經(jīng)濟性性仿真

(1)等速百公里油耗

仿真結(jié)果顯示次高擋以80 km/h等速行駛時燃油消耗量為5.45 L/100 km,120 km/h等速行駛時燃油消耗量為7.12 L/100 km。分析圖中相應數(shù)據(jù)可得出結(jié)論：當車速相同時，整車可掛入的擋位中，當掛入的擋位越高，其轉(zhuǎn)速較低，油耗較小。車輛等速百公里燃油消耗如表2所示。

表2 各擋位等速百公里燃油消耗量結(jié)果Tab.2 Fuel consumption results of 100 km at constant speed in each gear

(2)UDC循環(huán)工況燃油消耗

城市循環(huán)工況(urban driving cycle，UDC)即多工況循環(huán)下的油耗量，其數(shù)值可近似等同于車輛在市區(qū)內(nèi)行駛時真實的燃油消耗量。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)顯示:此過程的平均燃油消耗量為12.87 L/100 km。

(3)NEDC循環(huán)工況燃油消耗

新歐洲沿車法規(guī)循環(huán)工況(new european driving cycle，NEDC)則是將城市區(qū)域內(nèi)的循環(huán)工況與城市郊外的循環(huán)工況相結(jié)合。較之UDC工況，NEDC工況的優(yōu)勢在于顯示的燃油消耗量更加真實。由于是通過計算機仿真軟件Cruise來進行模擬計算的，通常可以將駕駛?cè)藛T帶來的誤差，例如換擋時間、車速控制、反應時間等人為的因素忽略掉。理論上的計算結(jié)果將更加準確。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)顯示:車輛在行駛過程中的平均燃油消耗量為9.47 L/100 km。

車輛發(fā)動機處于NEDC循環(huán)工況下的十四工況圖如圖5所示。

圖5 NEDC循環(huán)工況發(fā)動機十四工況圖Fig.5 Fourteen working condition diagram of NEDC cycle engine

分析圖5中圓圈分布的密集程度及數(shù)值大小，可以得出車輛發(fā)動機的大部分工作點集中在1 050～2 650 r/min這一轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，說明NEDC工況下發(fā)動機的利用率較高，發(fā)動機整體工況改善明顯。

3.3 仿真結(jié)果對比分析

動力性仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比如表3。經(jīng)濟性計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比如表4。其中表3、表4中的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)來源于工信部試驗場實車測試。

表3 動力性仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比Tab.3 Comparison of dynamic simulation results and test results

根據(jù)表3，最高車速的誤差率是2.75%，0～60 km/h和0～100 km/h加速時間誤差分別是0.11 s和0.3 s，誤差率最大為2.26%，最大加速度誤差為0.08 m/s2,動力性方面的模擬計算值與試驗場實車檢驗得出的數(shù)值誤差小于3%。

表4 經(jīng)濟性仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比Tab.4 Comparison of economic simulation results and test results

根據(jù)表4，經(jīng)濟性試驗由于復雜的路況、車況和以及駕駛員不同的駕駛習慣，計算誤差稍大，但最大誤差也在5%以內(nèi)，且衡量燃油經(jīng)濟性最真實有效的NEDC循環(huán)工況燃油消耗指標誤差率僅為1.5%，故本文建立的緊湊型車Cruise仿真模型計算精度較高。

4 動力傳動系統(tǒng)優(yōu)化匹配

車輛傳動系的傳動比分為兩類：主傳動器的傳動比及變速器的各擋位的傳動比。本文通過綜合改變變速器各擋位的傳動比以及主減速器的傳動比來提高汽車的動力性和經(jīng)濟性。本文參考幾款主流的動力傳動系統(tǒng)參數(shù)范圍，選定了三組不同的變速器和三組不同的主減速器，一款變速器搭配一款主減速器，從而分別組合成9組方案來對比傳動方案的動力性和經(jīng)濟性性能。變速器各擋位傳動比設置參數(shù)如表5所示，主減速器傳動比設置方案如表6所示，傳動方案組合如表7所示。

表5 變速器各擋位傳動比參數(shù)Tab.5 Transmission ratio parameters of each gear of transmission

表6 主減速器傳動比參數(shù)Tab.6 Transmission ratio parameters of main reducer

表7 傳動方案Tab.7 Transmission scheme

基于Cruise軟件對組合而成的9組傳動方案進行仿真模擬分析，在對整車動力性能及燃油經(jīng)濟性能進行評價時，選取下列評價指標進行模擬計算，各方案的汽車動力性和經(jīng)濟性的仿真結(jié)果如表8。

表8 各方案的汽車動力性和經(jīng)濟性仿真結(jié)果 Tab.8 Simulation results of vehicle power and economy of each scheme

對表8中的數(shù)據(jù)進行分析計算，可以看出方案3、方案5、方案6充分考慮了車輛的燃油經(jīng)濟性，較為節(jié)省燃油。方案1、方案4、方案7則充分保障了車輛的動力性能。綜合考慮家用車的日常行駛路況及需求，應對車輛的燃油經(jīng)濟性提出較高的要求。

方案3、方案5、方案6在0～100 km/h加速時間、最高車速及最大加速度方面均表現(xiàn)良好，符合國家相關(guān)要求及日常家用需要。綜合對比各燃油經(jīng)濟性指標，確定方案6為最優(yōu)方案，即變速器2(一擋傳動比為4.28,二擋傳動比為2.793, 三擋傳動比為1.484,四擋傳動比為1.0,五擋傳動比為0.717,六擋傳動比為0.60)，主減速器3(主減速器傳動比為3.90)。方案6在保證了動力性的同時，節(jié)省燃油更多，在動力性減弱1.82%的情況下，提升了6.97%的經(jīng)濟性，更為符合目前節(jié)能減排的趨勢。將9種方案與原方案相互對比，最終得出方案6為最佳優(yōu)化方案，最終實現(xiàn)整車動力傳動系統(tǒng)的匹配優(yōu)化。

5 結(jié)論

本文以某種緊湊型轎車為樣車，通過Cruise軟件搭建其整車仿真模型，并選取相關(guān)的動力性和燃油經(jīng)濟性評價指標進行模擬計算與分析。利用Cruise軟件進行相關(guān)仿真效率高、計算精確度高。當輸入?yún)?shù)準確時，動力性計算指標最大誤差在3%以內(nèi)，燃油經(jīng)濟性最大誤差在5%以內(nèi)。本文通過調(diào)節(jié)變速器各擋位的傳動比參數(shù)以及主減速器傳動比參數(shù)來優(yōu)化車輛傳動系統(tǒng)的總體傳動效率，提高車輛性能?；贑ruise軟件的仿真計算，可得出結(jié)論：優(yōu)化后的NEDC循環(huán)工況下(誤差率1.5%，精度較高)的油耗量為8.81 L/100 km，較原方案下降了0.66 L/100 km，改善率為6.97%。最大加速度、最高車速等數(shù)據(jù)與原方案相比略有下降，不過仍滿足標準。在車輛動力性得到保證的同時，使燃油經(jīng)濟性得到較大的提升，符合當前我國低碳發(fā)展的趨勢，本文的傳動系統(tǒng)優(yōu)化取得了一定成效。Cruise軟件可具體應用到車型的設計開發(fā)與更新?lián)Q代之上，降低研發(fā)經(jīng)費，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期與時間成本。