基于Cruise的整車最優匹配仿真分析

蘇天晨

（華晨汽車工程研究院）

對于汽車而言，動力總成匹配的合理性程度越高，越能發揮發動機的自身性能，不但大大提高整車的動力性，而且使發動機運行在相對較好的高效區內，減少燃油消耗量。由于動力性與經濟性本身是相互矛盾的，很多情況下不可兼顧，文章基于Cruise軟件對一款現有轎車存在的油耗較高的問題進行匹配優化仿真分析，最終在不減弱動力性的前提下降低燃油消耗量，以滿足法規要求。

1 發動機最優工作曲線

1.1 最優工作曲線的確定方法

確定發動機最優工作曲線的方法一般有3種:1）基于發動機功率；2）基于發動機轉速；3）基于發動機最低比油耗[1]。

由于基于發動機轉速的最優工作曲線，在滿足車速的需求時不一定能滿足整車功率的需求，適合于具有擁有另一動力源的混合動力汽車；而基于發動機最低比油耗的最優工作曲線，在滿足最低油耗時，不一定能滿足車速和整車功率的需求；因此只有基于發動機功率的最優工作曲線適合具有變速器的傳統汽車，因為當不能滿足車速時可以通過變速器提供其允許范圍內的合適傳動比來實現發動機轉速與需求車速之間的速度匹配。

因此文章采用基于發動機功率的方法來確定發動機的最優工作曲線。

1.2 基于發動機功率的最優工作曲線

將某發動機輸出功率下發動機效率最高的發動機工作點，作為發動機在該輸出功率下的最優工作點，并將整個發動機輸出功率范圍內各輸出功率下的發動機最優工作點連成線，即得到基于發動機功率的發動機最優工作線。具體計算方法如下。

1）在發動機最小輸出功率（Pmin）至發動機最大輸出功率（Pmax）范圍內，均勻取m個功率點，即:P1，P2，…，Pk，…，Pm，其中:P1=Pmin，Pm=Pmax，k=1，2，…，m。

2）對于第k個功率點，繪制發動機輸出功率為Pk時的等功率曲線EkFk，該等功率曲線上各點的發動機轉速（ω）和轉矩（T）滿足ωT=Pk。發動機等功率曲線應限制在發動機轉速范圍[ωmin，ωmax]內及發動機最大轉矩曲線M1Mn下方。計算EkFk曲線上各發動機工作點的發動機效率:

3）將Pk下，ηk,i的最大值所對應的發動機工作點Qk（ωi，ηmax，Pk/ωi，ηmax）作為Pk時的最優工作點。

4）按上述方法，確定發動機在各輸出功率P1，P2，…，Pm下的最優工作點Q1，Q2，…，Qm，將其順序相連，可得基于發動機功率的發動機最優工作線Q1Qm[2]。

以某款發動機為例所作出的發動機最優工作曲線Q1Qm，如圖1所示。

2 建立仿真分析模型

仿真模型中所用到的整車參數，如表1所示。

表1 仿真所需整車參數

2.1 整車模型

文章基于Cruise 軟件平臺搭建的整車動力傳動系模型，如圖2所示。

2.2 仿真結果

運行仿真，仿真結果與目標值對比，如表2所示。

表2 現有車型的仿真結果

從表2中可以看出，在動力性方面，其計算值均能滿足目標值；在經濟性方面，循環工況的油耗值均超過目標值，其中NEDC 工況中，大部分發動機工作點距發動機最佳工作曲線較遠，如圖1所示（藍色空圈為NEDC 下發動機工作點）。為使發動機工作點更接近發動機最優工作曲線，只能將變速器的總速比降低，但是降低速比又會使動力性下降，因此新開發變速器速比應有減有增，以滿足動力性和經濟性的平衡。

3 優化匹配分析

文章采用已經開發的4 款變速器及6 款主減速比對整車的動力性經濟性進行匹配優化，其變速器個擋位速比和主減速比的數值，如表3和表4所示。

表3 現有車型可選變速器速比

表4 現有車型可用主減速比

3.1 仿真結果

利用Cruise 所搭建的整車模型對上述參數進行動力性經濟性仿真，仿真結果，如表5所示。

表5 現有車型的匹配仿真結果

3.2 仿真結果分析

3.2.1 否定指標

無論哪一項設計目標都是代表了整車的性能，因此所有計算結果都必須滿足設計目標。在表5中，沒有滿足設計目標的組合就必須被否定。

3.2.2 目標函數的建立

基于表5中的仿真結果，通過最高車速和1 擋最大爬坡度這2 項否決指標判別后，整車動力傳動系匹配優化主要通過起步換擋0～100 km/h 加速能力、5 擋超車60～100 km/h 加速能力和NEDC 循環工況的燃料消耗等結果進行尋優。

根據特定問題所追求的目標，用設計變量的數學函數關系式來表達它，這就是優化設計的目標函數。文章以動力性和燃料經濟性為雙目標函數，采用線性加權組合的方法將其轉換成單一目標函數，建立整車的參數優化模型，如式（2）所示。

式中:r1，r2——動力性和燃料經濟性加權因子；

D（x）——動力性能；

Qs（x）——燃料經濟性能。

3.2.3 性能最優匹配

為了消除量綱的影響，首先需要進行各參數的無量綱變換。假設參數x 的均值是，方差 δ，則x 按式（3）轉換為y:

然后使用式（2）進行加權評分，最終各傳動系匹配結果的評分，如表6所示。

表6 現有車型的優化匹配結果

因為汽車的加速性能和燃料經濟性能的取值都已經取為絕對值，因此取最大值評分1.955 為最優結果。圖3示出新動力總成發動機NEDC 工況下工作點。

綜合以上分析的動力性與經濟性仿真結果，匹配A4-B2 動力傳動系的汽車既有良好的動力性，也具有不錯的經濟性，整車性能較好，從發動機工作點與發動機最優曲線的關系（圖4）也可以看出，在NEDC 工況下的發動機工況點也更接近發動機最優工作曲線，因此可選擇該匹配到此款車上。

4 結論

文章利用Cruise 軟件，通過最優工作曲線的確定以及應用加權評分法所得到的動力傳動系的最優匹配是A4-B2，不僅保證了良好的動力性能，也使現有車型能夠滿足燃油消耗量的目標值，為現有車型重新匹配出更加合理的動力總成。