汽車發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的匹配計算分析

潘存福

（上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545007）

汽車發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的匹配計算分析

潘存福

（上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州 545007）

研究汽車發(fā)動機和傳動系統(tǒng)需要從汽車整車動力性和燃油經(jīng)濟性出發(fā)，對汽車發(fā)動機與傳動系的匹配進行了分析，并據(jù)此提出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計方法。本文使用Cruise軟件建立手動前置后驅(qū)整車模型，并運用該軟件對整車動力性和燃油經(jīng)濟性進行模擬計算，然后對計算結(jié)果進行全面分析，以檢測其性能匹配的好壞情況。

發(fā)動機；傳動系統(tǒng)；性能匹配；計算分析

0 引言

發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的匹配研究是汽車界的重大研究課題，二者之間的匹配程度，直接影響整車的動力性和燃油經(jīng)濟性。所以汽車發(fā)動機與傳動系的合理匹配，要根據(jù)車輛的使用條件和要求，通過改進發(fā)動機、選擇適當(dāng)?shù)膫鲃酉祬?shù)，最后使發(fā)動機的經(jīng)常工作區(qū)盡量與理想工作區(qū)相吻合，以達到整車動力性和燃油經(jīng)濟性的改善。

1 整車動力性能評價

汽車的動力性是指汽車在良好路面上直線行駛時由汽車受到的縱向外力決定的、所能達到的平均行駛速度。動力性通常是汽車各種性能中最基本、最重要性能，主要由汽車的最高車速和汽車的加速時間以及汽車的最大爬坡度三方面的指標(biāo)來進行評價。最高車速是指在水平良好的路面（混凝土或瀝青）上汽車能達到的最高行駛車速；加速時間表示汽車的加速能力，汽車的上坡能力是用滿載（或某一載質(zhì)量）時汽車在良好的路面上的最大爬坡度表示的。

2 基于Cruise的整車性能分析

2.1 Cruise軟件介紹

Cruise 軟件是基于全面滿足汽車開發(fā)全過程要求的思想而設(shè)計的。它具有：（1）模塊化的概念可進行各種汽車和動力總成配置的分析；（2）智能化的司機模型根據(jù)人體反應(yīng)真實地再現(xiàn)車輛的行駛；（3）發(fā)動機的冷啟動模型考慮了高等摩擦和熱力學(xué)效應(yīng)；（4）黑盒子功能可嵌入用戶自定義的模塊和控制算法等4個特點。該軟件既能計算純運動學(xué)模型，也能計算運動學(xué)/動力學(xué)混合模型，計算可以是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的，也可以是瞬態(tài)的。

2.2 模型建立

2.2.1 整車模型

在車輛建模器窗口下，從模塊庫中選擇適當(dāng)模塊建立整車模型，（如圖1所示）。

圖1 手動前置后驅(qū)整車模型

2.2.2 信號連接

模塊機械連接完成之后，要建立模塊之間的信號連接，（各個模塊之間具體的信號連接如圖2所示）。

圖2 模型信號連接

2.3 參數(shù)輸入

由于車輛模型的建立參考了Cruise軟件本身自帶的Man RWD模型，所以缺少很多模塊的數(shù)據(jù)，而大部分?jǐn)?shù)據(jù)是可以直接從原模型中導(dǎo)入的。

2.4 計算任務(wù)建立

Cruise 中包含了七個計算任務(wù)，這些計算任務(wù)可分別模擬整車的動力性、經(jīng)濟性和排放性。在建立計算任務(wù)的時候，要設(shè)置很多參數(shù)包括行駛工況、駕駛員、換擋規(guī)律、車載狀態(tài)、起動設(shè)置等信息。這些參數(shù)的設(shè)置不同得到的曲線和結(jié)果有很大差別。

2.5 結(jié)果分析

2.5.1 整車動力性分析

圖3 各檔最大爬坡性能曲線

（1）Climbing Performance without Slip 各擋最大爬坡度計算任務(wù)。在計算最大爬坡性能的時候，輪胎的滑移是否有限制對計算的結(jié)果是有影響的。路面附著系數(shù)最大值為1，而普通路面大約為0.7-0.8 左右，要保證該車型既有較好的爬坡性能又有較好的經(jīng)濟性,就要使1擋對應(yīng)的最大爬坡度的最大值落在附著系數(shù)0.7 和0.8 這兩條藍線之間,這樣即能達到較好的動力性能和良好的燃油經(jīng)濟性。在改變動力總成主要參數(shù)觀察整車爬坡性能和經(jīng)濟性變化的同時,還要受到輪胎和地面附著條件的限制。圖3中1擋對應(yīng)的最大爬坡度要大于41.3494％,但是大于41.3494％的部分在附著系數(shù)0.8之外,一般路面的附著系數(shù)應(yīng)不大于0.8,所以爬坡度在41.3494％以上的部分是沒有意義的。

（2）Acceleration in all Gears, without Slip 各擋最大加速度計算任務(wù)。根據(jù)下表我們可以總結(jié)出以下結(jié)論,該車在1擋出現(xiàn)最大加速度為4.16855 m/s2對應(yīng)的車速為46.2527 km/h,發(fā)動機轉(zhuǎn)速為4270 r/min。另外從圖4中我們還可以看出當(dāng)加速度為零時,和速度軸有一個交點,在該點處驅(qū)動力和行駛阻力相等,所以對應(yīng)的車速為最高車速230 km/h。

圖4 各擋對應(yīng)最大加速度曲線

各擋對應(yīng)的最大加速度m/s2

2.5.2 燃油經(jīng)濟性分析

（1）Cycle Run循環(huán)行駛工況下的燃油經(jīng)濟性分析。在Cycle Run任務(wù)計算過程中出現(xiàn)了一系列的問題,在計算過程中的行駛模式的選擇對計算結(jié)果是有影響的,而不同的行駛模式在計算任務(wù)中對應(yīng)的計算模式是不同的,如standard manual對應(yīng)的計算模式有Quasi-stationary S，Quasi-stationary1，Quasi-stationary2等等。

圖5 standard manual-Quasi-stationary S 模式下的燃油消耗時間分配圖

通過Cycle Run循環(huán)行駛工況下的燃油經(jīng)濟性分析得知，在standard manual-Quasi-stationary S 模式下的整車燃油經(jīng)濟性遠(yuǎn)離最佳燃油經(jīng)濟區(qū)，故此車匹配不屬于最佳匹配，還有待進一步改進完善。

圖6 不同擋位不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的百公里油耗

（2）Constant Drive 穩(wěn)態(tài)行駛下的燃油經(jīng)濟性分析。Constant Drive 主要進行穩(wěn)態(tài)性能分析,能夠模擬不同條件下的整車百公里油耗。該車在5擋,發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1600 r/min附近,燃油經(jīng)濟性最好。

3 結(jié)束語

在過去動力傳動系統(tǒng)的匹配,由于測試手段和計算工具的限制,一直都采用定性分析和簡單計算,靠大量積累的試驗數(shù)據(jù)和反復(fù)測試的結(jié)果進行設(shè)計,試驗周期長、試制費用高。通過Cruise軟件建立了汽車整車模型、發(fā)動機模型以及傳動系統(tǒng)等各大模型，對發(fā)動機與傳動系統(tǒng)進行了全面而深入的計算分析以便于更好地應(yīng)用于整車的設(shè)計開發(fā)。

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潘存福，男，本科，工程師，主要從事：發(fā)動機質(zhì)量方面的工作。