基于CRUISE的FSAE賽車動力性能匹配優化研究

毛鴻

邵陽職業技術學院 湖南省邵陽市 422000

1 引言

在FSAE賽車的各項性能的影響因素中，發動機及其與動力傳動系統的合理匹配對其動力性能有著直接的影響。優化匹配動力傳動系統參數是改善發動機性能、提高整車綜合性能的有效途徑之一。在傳統動力傳動系統匹配方法開發周期長、成本高的情況下，使用AVL公司開發的CRUSIE軟件能夠有效對車輛的動力性、經濟性進行預測和評估，為新車的研發節省大量的試驗費用，有效縮短開發周期[1-3]。

本論文以邵陽學院2015年參賽賽車為基礎模型，對賽車動力系統的重要參數進行了計算，并在CRUISE軟件中建立了賽車的整車模型，基于賽車參數對建好的模型進行了仿真分析，并對賽車的相關動力傳動系統參數進行了優化，提高賽車的動力性能。

2 FSAE賽車計算

邵陽學院方程式賽車選用的是本田宏達CBR600rr這款自然吸氣發動機，排量為599毫升，氣缸布置形式為直列四缸，發動機噴油方式為電控式進氣道多點噴射。本田宏達CBR600rr發動機變速箱為6速手動變速箱，其各檔位變速比如表1所示。

發動機進氣量被限制后，最大功率P為47 kw，此時發動機轉速n為11000rpm。對發動機轉矩的最大值取最大轉矩44（N·m），對應的發動機轉速為9000rpm，根據經驗各級傳動效率統一取值為0.9，得到發動機的各檔位驅動力及最大行駛速度見表2。

3 整車模型的建立

FSAE賽車的結構布置為發動機后輪后驅，使用六速手動變速器，其他布置和傳統汽車類似。在CRUISE中建立各部件模塊，各模塊之間需要進行物理連接以及數據信號連接，連接后建立的模型如圖1所示，在進行物理連接時要考慮動力傳遞的方向性，在進行數據總線連接時，應考慮到信號在各個零部件之間的輸入及輸出方向[4-5]。在建立好賽車模型后，還應對每個模塊輸入相應的參數進行設定。

4 模型驗證及仿真

針對全負荷加速性能計算任務，選擇各檔起步最大加速度計算任務、原地起步連續換擋加速性能計算任務進行仿真分析。在這里，需要用到的設置是測試點設置，在測試點設置中設置起點、終點、測試間隔。完成后對模型進行仿真計算，可得到賽車到達每個測試點所需時間。

巡航行駛工況計算主要任務有兩個：建立賽道模型、測試賽車圈速。本文選取上海卡丁車世界賽道來建立賽道模型。測得賽道長度和每個彎道曲率，通過實測得出賽車車速隨時間變化的數據表，將數據錄入巡航行駛工況即完成賽道模型的建立。

表1 CBR600rr發動機各檔位變速比

表2 發動機各擋位驅動力及最大行駛速度

圖1 賽車整車模型

仿真任務建立好后，即可FSAE賽車進行仿真計算。通過仿真，我們得到了賽車每檔的對應最大加速度，如表3所示。

表3 賽車模型仿真結果

仿真結果與實驗數據的比較見表4，可知：所得仿真結果與實驗結果的偏差不大，在誤差允許的范圍內，滿足仿真精度要求。因此該模型的建立是準確的，可以作為后續研究的參考。

5 優化方案

本文選用 GATBX 優化工具對參數進行優化編程，并且Cruise 軟件的矩陣計算功能可以同時仿真多個參數的任意組合對整車性能的影響，使用起來也很方便[6]。以主減速比和各檔傳動比作為變量，建立目標函數，用MATLAB軟件對其進行優化計算，得到賽車優化前后0-75米加速時間的結果對比如表5所示。

表4 仿真結果與實驗結果

表5 賽車優化前后0-75米加速時間表

通過優化前后的結果對比可以看出，優化后FSAE賽車的加速時間比優化前降低了3.7%，賽車在0-75米加速的項目成績有所提升，選擇賽車動力系統參數的優化方案如表6所示。

繼續選擇主減速比作為仿真變量，主減速比最優值大約在6.1左右，取其變化范圍為5～7，間隔取0.1，對每個變速比下的FSAE賽車動力性能進行仿真計算，分析其動力性能與主減速比的變化關系，所得關系曲線如圖2所示，從圖中可以看出，FSAE 賽車的0-75 米加速時間隨著主減速比的增加呈現先下降后上升的趨勢，并在主減速比為 6.2 附近時達到了加速時間最小值點，因此所選擇的賽車動力傳動系統參數匹配方案是合理的。

表6 賽車動力參數傳動比優化方案

圖2 主減速比與0-75米加速時間的關系

6 結語

本論文以邵陽學院2015年參賽賽車為基礎，通過AVL—CRUISE軟件對其建模，并針對0-75米連續換擋加速時間比賽項目對賽車模型進行仿真計算，經過驗證該模型可靠，可作后續研究。基于該模型研究了主減速比對賽車加速性能的影響，得到了主減速比與賽車加速時間的關系圖，提出了一套賽車傳動系參數優化方案，驗證了所選方案能有效降低賽車的0-75米加速時間，提高FSAE賽車的加速性能。