基于Trucksim的整車動力性能仿真分析

吳濤，焦靜，范學瓊，曾麗華

（1.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200；2.輕工業鐘表研究所，陜西 西安 710032；3.第四軍醫大學放射醫學教研室，陜西 西安 710032）

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基于Trucksim的整車動力性能仿真分析

吳濤1,3，焦靜2，范學瓊1，曾麗華3

（1.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200；2.輕工業鐘表研究所，陜西 西安 710032；3.第四軍醫大學放射醫學教研室，陜西 西安 710032）

利用Trucksim軟件對某重型商用車進行建模及動力性能仿真，將仿真結果與理論計算值進行比較和分析。結果表明，采用Trucksim建模仿真得到的動力性指標結果均比理論計算結果更加準確。

重型牽引車；Trucksim；參數化建模；動力性；仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.022

CLC NO.: U469.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-63-03

前言

動力性是汽車各種性能中最基本、最重要的性能,，涉及到設計開發過程中車載發動機功率和轉矩、各檔傳動比等參數的選擇， 更在很大程度上決定了汽車這一高效率運輸工具的運輸效率之高低[1]。

目前，整車動力性計算仍常采用理論公式計算的基本方法[2]。理論計算的方法雖然簡單，但計算量較大，且得到的結果也僅為理論值，與實際情況存在一定誤差。而隨著科學的進步和計算機技術的發展，采用計算機輔助工程（CAE）進行整車建模、動力性仿真計算已成為汽車動力系統匹配設計的一個強有力手段。借助CAE對車輛實際工作狀況進行仿真分析，能夠很好地預測各種條件下的系統性能，從而可以事先靈活地調整設計方案，合理優化參數，而且能夠大大降低開發成本，縮短新產品研制周期[3]。

Trucksim 是由美國機械仿真公司 Mechanical Simulation Corporation開發的一種動態模擬汽車整車動力學的仿真軟件，它采用面向特性的參數化建模手段，用于仿真及分析輕型貨車、大客車、重型半掛車、重型卡車、多軸軍用汽車，其中包括具有雙輪、非對稱轉向系統、多軸以及單個或多個拖車的情況等車輛，對駕駛員操縱（轉向、制動、加速）、3D路面及空氣動力學輸入的響應，主要用來預測和仿真汽車整車的操縱穩定性、制動性、平順性、動力性和經濟性等。鑒于此，本文選用Trucksim軟件對某重型商用車進行動力性能建模仿真，并與理論計算結果進行了比較。結果表明，利用Trucksim軟件進行動力性能分析，能夠在提高效率的同時，使獲得的較理論計算值更接近于實際情況的結果。

1、Trucksim軟件整車動力系統建模

1.1Trucksim車輛模型的建立

Trucksim是用于分析車輛系統動力學的專業軟件，其工作界面和組成如圖1所示。其將整車分為車體、空氣動力學、轉向系統、輪胎、懸架、氣壓制動系統和動力傳動系統，且通過輸入此七大子系統的特性參數和特性曲線開展建模仿真。

圖1　Trucksim工作界面和組成

在Trucksim中建立動力性仿真模型所需要的參數，主要包括車輛模型和路面模型。文中以Trucksim內部2A Euro Cab Over標準4×2牽引車為研究對象，該車配備300KW國Ⅳ柴油發動機，10檔機械變速器，斯太爾雙級減速驅動橋，汽車總質量50000Kg。根據重卡結構和功能，利用Trucksim軟件建立的整車仿真模型應由牽引頭和半掛車組成，牽引車的布置形式為發動機前置單橋后輪驅動，機械變速器，半掛車按三軸考慮。其中，車輛的輪胎、轉向系、制動系及懸架采用軟件的默認設置，最終建立的車輛仿真模型如圖2所示，主要參數見表1。

圖2　Trucksim中建立的整車仿真模型

表1　2A Euro Cab Over車輛模型主要參數

1.2Trucksim道路模型的建立

Trucksim道路模型由路面幾何特性、路面摩擦系數以及路面的影像和周圍環境組成。路面的幾何特性由路面中心線平面的水平幾何特性（構造路面的形狀）、中心線平面的垂直幾何特性（構造路面起伏狀態）、關于中心線函數的路譜特性（構造路面上任一點的特性）疊加組成。根據動力性仿真需求，以爬坡行駛工況為例，對其仿真路面設置過程進行描述，將該仿真路面分為長度為 20m平直路段，圓弧半徑約為2m、長度為3m過度路段和長度為60m坡道路段三部分，利用道路的幾何尺寸和坡道弧度關系可以計算得出路面中心線平面的垂向幾何特性，且設置路面摩擦系數均為0.85，路段全長約為80m，以此生成的爬坡行駛工況路面三維模型如圖3所示。

圖3　路面中心線垂向幾何特性三維模型

2、利用所建模型進行仿真及分析

基于前述建立的重型牽引汽車動力學模型，為使仿真動畫更加形象，在三維軟件3DMAX中對Trucksim已有汽車外形進行修改，建立與實車相似的汽車外形，參考實車試驗標準，對動力學模型的動力性能開展原地起步連續換擋加速時間、最高車速和最大爬坡度3項的仿真計算和分析。

2.1計算原地起步連續換擋加速性能和最高車速

仿真路面采用長度為 1200m平直長路段。仿真參數設置：初速度設為0km/h，油門開度設為1.0，即使汽車以0km/h的初速度全油門加速，擋位設置為由換擋規律控制，轉向盤轉角不進行設置。

按照以上設置，進行仿真運算，輸出相應的仿真結果，如圖4-5所示。由圖4可以看出，汽車加速時間和加速距離均較短，有良好的原地起步加速性能，得到的由0km/h加速到70km/h的加速時間結果為60.75s。用理論公式在MATLAB環境下編程計算，得到由0km/h加速到70km/h的加速時間結果為53.2s。原型車進行多次實際路面加速度測試，所得到的平均結果為59s，由此可見采用Trucksim建模仿真得到的加速性能結果比理論計算更加準確。同樣，從圖5最高車速試驗仿真曲線中可以直接得到整車的最高車速為124.4km/h。而用理論公式在MATLAB環境下編程計算，得到的最高車速結果為 136.9km/h。相比于實際測試得到的 122km/h的最高車速，可見Trucksim建模仿真得到的結果較理論計算值更接近于實際測量結果。

圖4　原地起步連續換擋加速性能試驗仿真曲線

圖5　最高車速試驗仿真曲線

2.2計算最大爬坡度

仿真路面采用圖3所示的坡道路段。仿真參數設置：初速度設為0km/h，油門開度設為1.0，使汽車以0km/h的初速度全油門加速，擋位設為1擋，轉向盤轉角不進行設置，路段坡度設置只需將路面中心線的垂直幾何特性替換成相應的坡度形狀即可。

按照以上設置，首先進行15deg和 10deg坡道試驗仿真，結果15deg坡道仿真試驗車輛未能通過。然后，按照此通過情況，分別選取12deg、13deg和14deg進行三個不同坡度角下的爬陡坡試驗。為控制仿真運算時間，設定仿真時長為40s，若汽車在仿真時長內未通過測試路段且車速逐漸降低，則可增大仿真時長重新進行仿真。由于篇幅關系，在此僅給出坡度角為12deg、13deg和14deg的仿真曲線，如圖6-7所示。

由于爬坡前的平直路段長 20m，過渡路段長 3m，故汽車從22m開始進入坡道，國標規定至少沿坡道行駛25m，即圖中位移47m處，可視為通過該坡道。由圖可以看出，汽車能爬上的最大坡度約為14deg，24.9%。利用理論公式計算，得到最大爬坡度為32.1%。原型車實測給出的結果為26.4%。可見Trucksim建模仿真得到的結果與實際試驗值更接近。

圖6　12deg、13deg、14deg坡道試驗車速曲線

圖7　12deg、13deg、14deg坡道試驗距離曲線

3、結論

利用Trucksim軟件進行整車動力學計算，不僅計算結果與實際測量結果十分相近，而且整車建模便捷、仿真時間較短、整車和部件的參數配置清晰直觀。仿真過程無須反復公式計算推導，卻可以方便地得到比公式計算更豐富、更便于觀測的結果。另外在檢查錯誤和修改參數方面，Trucksim也比理論計算有很大的優勢。

[1] 余志生. 汽車理論[M]. 北京：機械工業出版社, 2007.

[2] 羅衛東, 邱望標. 汽車動力性和燃油經濟性的計算機仿真與傳動系參數優化設計[J].現代機械,2008, 2:32-34.

[3] 高大威,金振華,盧青春. 基于Matlab的燃料電池汽車動力系統仿真[J]. 系統仿真學報, 2005,17(8):1899-1901.

Simulation and Analysis on Vehicle Power Performance with Trucksim

Wu Tao1,3, Jiao Jing2, Fan Xueqiong1, Zeng Lihua3
（1. Shaanxi Heavy-Duty Truck Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200; 2. Horological Research Institute of Light Industry, Shaanxi Xi'an 710032; 3.Department of Radiation Medicine, The Fourth Military Medical University, Shaanxi Xi'an 710032）

In this paper, a new method for a heavy-duty commercial vehicles of power performance calculation with software Trucksim is introduced. The simulation results are compared with the ones got by theoretical formulas, where the results got by Trucksim are proved more precise.

Heavy-duty truck; Trucksim; Parameters of assembly; Power performance; Simulation

陜西省自然科學基金項目（2015JM8454）；總后衛生部項目（BWS14J035）。

U469.2

A

1671-7988 （2016）06-63-03

吳濤，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。