基于Cruise的汽車動力經濟性影響因素研究

張季琴，王立星，張東峰

（1.寧夏大學機械工程學院，寧夏 銀川 750021，

2.南京汽車集團有限公司汽車工程研究院，江蘇 南京 210000）

基于Cruise的汽車動力經濟性影響因素研究

張季琴1，王立星2，張東峰1

（1.寧夏大學機械工程學院，寧夏 銀川 750021，

2.南京汽車集團有限公司汽車工程研究院，江蘇 南京 210000）

本論文基于Cruise仿真軟件，研究了汽車質量(m)、空氣阻力系數（CD）以及主減速器傳動比（i0）這三個因素對汽車動力性和燃油經濟性的影響，通過正交試驗原理進行數據處理，獲得了這三個因素對于汽車動力經濟性的影響的主次水平表，并獲得試驗范圍內的最優組合。結果表明空氣阻力系數對汽車動力性影響較大，而汽車質量對燃油經濟性影響較大，符合理論研究結果，對汽車動力經濟性的設計以及優化提供一個參考。

動力性；燃油經濟性；正交試驗；Cruise；優化設計

CLC NO.:U461.2Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)12-14-04

引言

近年來隨著經濟的持續發展，國民生活水平大幅提高，輕型乘用車的應用越來越廣泛。動力性是滿足汽車行駛要求的最基本的性能，隨著石油副產品價格提升，人們對汽車燃油經濟性也提出了更高的要求[1]。

汽車的動力性和燃油經濟性受到很多因素影響，隨著計算機技術的發展，采用建模仿真進行動力性、燃油經濟性計算已成為一個重要手段。通過建立仿真模型，能夠很好地仿真系統性能，從而靈活調整設計方案，合理優化參數，降低研究費用，縮短開發周期[2]。

本文應用汽車領域應用比較廣泛的Cruise軟件，基于某輕型乘用車研究了汽車整備質量、空氣阻力系數以及主減速器傳動比對其動力性、經濟性的影響情況，利用正交試驗原理進行數據處理，獲得了這三種因素對汽車動力性、經濟性的影響程度主次水平表，在試驗范圍內獲得了最優組合為汽車的改進提供一個思路。

1、方案設計

根據影響汽車動力性和經濟性的因素，在仿真模型中改

變有關參數，對其動力性和燃油經濟性進行仿真計算，通過正交試驗原理處理數據，即可獲得各種因素對汽車動力性和燃油經濟性的影響因子和重要程度水平表。

1.1 動力經濟性影響因素

動力性和燃油經濟性是兩個難以調和的矛盾，兩者相互作用，互相影響[3]，如何保證動力性的同時盡可能降低燃油消耗是近年來各汽車公司研究的重點。對于汽車設計，保證動力性和燃油經濟性必須使得汽車滿足行駛方程式[4]（式1）及燃油經濟性的計算公式（式2），如下所示：

式中：eP、Ttq、Qs—發動機功率、發動機轉矩、百公里油耗；

r、f、m、b—滾動半徑、摩擦系數、汽車質量、燃油消耗率；

i0、ig—主減速器傳動比、變速器傳動比；

ηT、δ—傳動效率、旋轉質量換算系數；

CD、A—空氣阻力系數、迎風面積；

ρ、g—燃油密度、重力加速度。

由式（1）、（2）得，影響車輛動力經濟性的因素有發動機本身性能、輪胎滾動半徑、摩擦系數、空氣阻力系數、迎風面積等，本論文研究汽車質量、空氣阻力系數及主減速器傳動比對汽車動力經濟性的影響。

1.2 正交試驗及因素水平表

正交試驗是利用“正交表”進行科學的安排和分析多因素實驗的方法[5]。由以上分析確定研究因素為汽車質量、空氣阻力系數、主減速器傳動比，根據正交試驗原理，確定試驗指標、因素水平表，選定正交表。

本論文選取動力性和燃油經濟性的試驗指標為最高車速（uamax）和循環油耗（），確定研究因素為：汽車質量(m)、空氣阻力系數(CD)、主減速器傳動比(i0)

由因素水平表可知，該試驗為三因素二水平試驗，考慮到各個因素之間的交互作用，選擇(27)正交表[6]，數據處理時根據正交表（如表2所示）進行。

表1 因素水平表

2、仿真計算

CRUISE是針對汽車整車及部件性能的仿真軟件，可以用于車輛的動力性、燃油經濟性以及排放性能的仿真，利用其模塊化的建模理念可以直觀便捷的搭建不同布置結構的車輛模型。可進行整車動力性、經濟性、排放性等3大項包括最高車速、最大爬坡度、循環油耗等10小項的計算[7]。本論文對仿真模型的最高車速及綜合循環消耗進行仿真。利用計算中心的“component variation”模塊，對試驗樣本進行仿真。

2.1仿真模型建立

本論文以排量為2.4L的某前置前驅輕型乘用車為例，利用Cruise軟件建立仿真模型。該車采用發動機前置前驅，采用手動5擋手動機械變速箱，軸距2550mm、風阻系數0.32、汽車總重1930Kg、迎風面積1.88m2。仿真模型如圖1所示：

2.2 計算任務設置

根據試驗方案需要對汽車最高車速以及循環工況進行測試，根據仿真要求制定計算任務，分別是：循環測試（Cycle Run）用于測試循環工況下的燃油經濟性；恒速驅動（Constant

Drive）用于最高車速動力性測試。進入Cruise模型計算中心，進行計算任務制定，圖2所示為計算任務最高車速的制定。同理制定循環工況油耗計算任務。

計算任務制定好以后，進入計算中心（calculation center）的匹配計算功能（component variation）[8]，將試驗因素按照如表1要求添加到匹配變量中，添加后如圖 3所示，共需8輪計算。

2.3 仿真結果

計算完成后可以在結果管理器中查看計算結果，在變量數據集(variation Cube)里面可以直觀的看到試驗樣本的優劣情況，在表格（table）中可以查看具體數據。由圖4可以看出，最高車速最高的是樣本A2B2C2，在表格中可以看到該組合的最高車速達到237.82km/h。燃油經濟性的結果同理可得，此處不再贅述。

表2 試驗結果分析表

3、數據處理及分析

將仿真結果帶入正交表進行計算得表2。利用極差分析法將各因素兩個水平的最高車速和燃油消耗求和，得出各個水平的最高車速和燃油消耗的極差。

根據試驗指標，對汽車動力性和燃油經濟性進行分析，結果表明：

3.1 最高車速分析

對于最高車速影響最大的因素為空氣阻力系數。由數據分析表明降低空氣阻力系數6.25%，最高車速可提高2.28%。各因素間的兩兩交互作用不明顯，極差分別為：0.55、0.11、0.07，三因素之間不存在交互作用。根據試驗指標車最高速越高動力性強的原則，獲得最優組合A2B2C2。

3.2 綜合循環油耗分析

對于綜合循環油耗響最大的因素為汽車質量。由數據分析表明降低汽車質量5.18%，即可降低油耗1.11%。主減速器傳動比對燃油消耗的影響次之，極差為0.11，空氣阻力系數對燃油消耗的影響較小，極差值僅為0.01。汽車質量與空氣阻力系數及主減速器傳動比的交互作用對燃油消耗影響較小，極差值僅為0.01，三因素之間不長存在交互作用。根據試驗指標燃油消耗越低經濟性越好的原則，獲得最優組合A2B2C2。

綜上所述，汽車動力性和燃油經濟性均受到汽車質量、空氣阻力系數及主減速器傳動比的影響，其中空氣阻力系數對汽車動力性的影響最大，汽車質量對燃油經濟性的影響最

大，根據分析獲得試驗范圍內的最優組合為A2B2C2，即當汽車質量為1830Kg，空氣阻力系數為0.30，主減速器傳動比為2.6時獲得最佳的動力經濟性。

4、結論

（1）空氣阻力系數對于動力性來講為主要因素，降低空氣阻力系數6.25%能夠提高最高車速2.28%；汽車質量對于燃油經濟性來講為主要因素，降低汽車質量5.18%能夠降低燃油消耗1.11%。汽車質量、空氣阻力系數、主減速器傳動比三者之間不存在交互作用，兩兩之間的交互作用也不明顯，屬次要因素。

（2）降低汽車質量、空氣阻力系數、主減速器傳動比能夠改善汽車動力經濟性。試驗范圍內獲得的最優組合為A2B2C2，即當汽車質量為即當汽車質量為1830Kg，空氣阻力系數為0.30，主減速器傳動比為2.6時獲得最佳的動力經濟性，符合理論研究結果。

（3）該優化設計汽車參數的方法可以為汽車設計和改善提供一定的思路，獲得的影響汽車動力經濟性的因素主次水平表可為以后此類研究提供一個參考。實際設計中通過改變哪些因素來提高動力經濟性還需綜合考慮生產經濟成本及容許參數范圍。

[1] 呂傳志,王立星. 整車動力經濟性計算仿真與驗證分析[J]. 輕型汽車技術,2014,04∶34-36.

[2] 李智永,張才三.面向對象的車輛動力傳動系統仿真研究[J].車輛與傳動技術,2003,24(2)∶35 -39.

[3] 王立星，邵奎柱，王 玨. 依維柯客車動力經濟性影響因素及靈敏度分析[J].輕型汽車技術,2014.18-21.

[4] 余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社,2009∶16-46.

[5] 崔漢濤，尹冬晨，曲從輝．基于正交試驗的機械部件加工研究[J]．河北建筑科技學院學．2006，23(4)：68-69.

[6] 楊忠平．試驗優化設計[M]．楊凌：西北農林科技大學出版社．2003．1-33.

[7] 王銳,何洪文. 基于Cruise的整車動力性能仿真分析[J]. 車輛與動力術,2009,02∶24-26+36.

[8] 李軍. 基于Cruise的某型大客車動力傳動系統優化匹配研究[D].吉林大學,2013.

5、結論

（1）若噴嘴的孔徑不變，隨著啟噴壓力的增大，柴油液滴的平均直徑和特征直徑都相應的減小，與發散度相關的參數相對尺寸范圍也會變小，液滴的數目尺寸分布曲線會向左偏移，因此柴油的霧化效果變好。

（2）若啟噴壓力不變，隨著噴嘴孔徑的減小，柴油液滴的平均直徑與特征直徑都相應的減小，液滴的相對尺寸范圍也變小，液滴的數目尺寸分布曲線會向左偏移。說明隨噴嘴孔徑的減小，柴油的霧化效果得到提升。

參考文獻：

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[2] 曹建明，武濤，程前，等. 柴油與LPG/柴油雙燃料噴霧特性的對比[J]. 交通運輸工程學報，2003,3(2)∶40-44.

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Reach of Vehicle dynamic performance and fuel economy Influences based on Cruise

Zhang Jiqin1, Wang Lixing2, Zhang Dongfeng1
（1.College of Mechanical Engineering ,Ning Xia University, NingXia YinChuan 750021, 2. Nanjing Automobile Group Co., Ltd. Automotive Engineering Institute, Jiangsu Nanjing 210000）

In order to find out the effects of vehicle dynamic performance and fuel economy caused by changing the vehicle parameter which includes vehicle quality (m), air resistance coefficient (CD), and the main reducer gear ratio (i0), the essay conducts a simulation model based on Cruise software, and processes dates according orthogonal experiment principle, finally find out the primary and secondary one, in addition the optimal combination. The result indicates that air resistance coefficient plays a crucial role in improving vehicle dynamic performance while vehicle quality plays a key role on vehicle fuel economy. Which in accordance with the theoretical research results. Therefore a reference is provided in the future reach on design and optimization vehicle dynamic performance and fuel economy.

dynamic performance; fuel economy; orthogonal experiment; Cruise; optimize design

U461.2

A

1671-7988(2014)12-14-04

張季琴，碩士研究生，就職于寧夏大學機械工程學院，主要從事汽車理論教學與研究工作。