基于Cruise的乘用車動力性經(jīng)濟(jì)性仿真及優(yōu)化

黃凡

摘 要：汽車動力性經(jīng)濟(jì)性是汽車性能開發(fā)的重要內(nèi)容。本文首先闡述了動力性經(jīng)濟(jì)性計算理論，然后以某型乘用車為例，對初步選定的動力傳動系統(tǒng)參數(shù)，利用Cruise軟件進(jìn)行了整車動力性、經(jīng)濟(jì)性仿真；根據(jù)仿真計算結(jié)果，對整車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化，在滿足整車動力性要求的前提下，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性能力，使其滿足國家第四階段油耗限值的要求。論文對乘用車動力性經(jīng)濟(jì)性開發(fā)具有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：Cruise；動力性經(jīng)濟(jì)性；仿真

中圖分類號：U462.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）04-0008-06

Abstract： The dynamic nature and economical efficiency is an important content of performance development of automobile. This paper described the calculation theory of the dynamic nature and economical efficiency firstly， then taked a car for example， maked the simulation of the dynamic nature and economical efficiency by Cruise software to the powertrain parameters selected； based on the simulation results， the optimization scheme is designed on the power matching of the vehicle accordingly， under the premise that meeting the demand of vehicle power requirements， improved the fuel economy ability， to meet the fourth stage of the fuel consumption limit. The paper has a certain guiding role on the development of dynamic nature and economical efficiency of passenger vehicle.

Key Words： Cruise； Dynamic nature and economical efficiency； Simulation

1 概述

汽車的動力性是汽車各種性能中最基本、最重要的一項性能，也是汽車開發(fā)過程中重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。研究如何在滿足汽車動力性的前提下，提高汽車的經(jīng)濟(jì)性是汽車動力性經(jīng)濟(jì)性研究的重要內(nèi)容。隨著國家第四階段油耗限值（2016-2020）的實施，新的標(biāo)準(zhǔn)對乘用車燃油經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求。當(dāng)前，采用先進(jìn)的分析方法開展汽車動力性經(jīng)濟(jì)性研究，成為汽車生產(chǎn)企業(yè)的重要任務(wù)。

Cruise軟件是奧地利AVL公司開發(fā)的一款用來研究汽車動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能及制動性能的高級模擬分析軟件。它可用于汽車開發(fā)過程中的動力傳動系統(tǒng)的匹配，汽車性能預(yù)測和整車仿真計算。在車輛設(shè)計前期，根據(jù)初步選定的動力傳

動系統(tǒng)參數(shù)，利用Cruise軟件進(jìn)行動力性、經(jīng)濟(jì)性仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，能顯著縮短車輛開發(fā)周期，提高整車動力性經(jīng)濟(jì)性開發(fā)能力。

2 動力性經(jīng)濟(jì)性計算方法

2.1 動力性

汽車的動力性主要由三個指標(biāo)來評定：

1）汽車的最高車速vmax；

2）汽車的最大爬坡度imax；

3）汽車的加速時間t。

a.最高車速

2.2 經(jīng)濟(jì)性

當(dāng)前，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性實際中常用循環(huán)工況下的綜合燃油消耗量來評價。現(xiàn)在世界上關(guān)于輕型車排放油耗試驗的試驗工況主要有三個：歐盟的NEDC工況，美國的FTP75工況以及日本的JC08工況等。各循環(huán)工況一般都可以細(xì)分并簡化為若干個怠速，等加速，等速，以及等減速等階段。根據(jù)各細(xì)分階段的燃油消耗量可計算整個循環(huán)工況下的燃油消耗量。

3 基于Cruise的動力性、經(jīng)濟(jì)性仿真

3.1 計算任務(wù)概述

某型乘用車為前置前驅(qū)車型，分MT、AT兩種配置。根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，MT為基礎(chǔ)車型，考慮在發(fā)動機(jī)參數(shù)不變的情況下擴(kuò)展AT車型。整車動力性設(shè)計指標(biāo)如下：

（1）最高車速vamax≥200km/h；

（2）最大爬坡度tanαmax≥30%；

（3）0～100 km/h加速時間t≤10s；

初步選定的發(fā)動機(jī)性能參數(shù)：發(fā)動機(jī)最大功率/轉(zhuǎn)速127kw/6000rpm；發(fā)動機(jī)最大扭矩/轉(zhuǎn)速 236Nm/4300rpm。主減速器速比3.0，MT車型變速箱各檔參數(shù)如表1所示。

根據(jù)整車設(shè)計任務(wù)要求，AT車型考慮在MT車型基礎(chǔ)上擴(kuò)展，若變速箱各檔速比不變，加裝液力變矩器。選定的液力變矩器帶閉鎖功能，耦合工況速比為0.9（k=1），啟動變矩系數(shù)K=2.43（i=0）。

其它已知參數(shù)：車輛整備質(zhì)量1450kg，最大設(shè)計總質(zhì)量1930kg；迎風(fēng)面積1.88m2；空氣阻力系數(shù)為0.32；滾動阻力系數(shù)按公式計算f=0.0076+0.000056v；輪胎滾動半徑0.312m。

3.2 整車仿真模型的建立

根據(jù)整車動力傳動方案，分別建立MT、AT車型CRUISE整車仿真分析模型，輸入整車及各功能模塊相應(yīng)參數(shù)，并添加機(jī)械、信息連接。

3.3 主要計算任務(wù)的設(shè)置

根據(jù)乘用車動力性、經(jīng)濟(jì)性相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求，設(shè)定以下Cruise計算任務(wù)：

a. 穩(wěn)態(tài)行駛性能分析

根據(jù)《GB/T 12544-2012 汽車最高車速試驗方法》[2]，車輛載荷狀態(tài)設(shè)置為半載，MT車型換檔策略設(shè)置為按車速換檔，AT車速按變速箱控制程序換檔，利用Cruise計算各檔最高車速。

b. 爬坡性能分析

根據(jù)《GB/T 12539-1990汽車爬陡坡試驗方法》[3]，車輛載荷設(shè)置為滿載，分考慮附著系數(shù)、不考慮附著系數(shù)兩種情況，MT車型換檔策略設(shè)置為按車速換檔，AT車速按變速箱控制程序換檔，仿真計算各檔理論最大爬坡度、最大爬坡度。

c.全負(fù)荷加速性能計算

根據(jù)《GB/T 12543-2009 汽車加速性能試驗方法》[4]，車輛載荷設(shè)置為半載，MT車型換檔策略設(shè)置為按發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速換檔，AT車速按變速箱控制程序換檔，計算各檔最大加速度、0～100km/h原地起步連續(xù)換檔加速時間、次高檔80～140 km/h超車加速時間。

d.循環(huán)行駛工況

參考《GB/T 12545.1-2008 乘用車燃料消耗量實驗方法》[5]，采用當(dāng)前國內(nèi)乘用車廣泛采用的NEDC循環(huán)，車輛載荷設(shè)置為半載，換檔策略統(tǒng)一設(shè)置為按循環(huán)工況路譜換檔，計算循環(huán)工況下的燃油消耗量。

3.4 動力性、經(jīng)濟(jì)性仿真

采用單一矩陣計算方法，運(yùn)行Cruise軟件，完成仿真計算。仿真分析結(jié)果部分圖表如圖4～圖8所示。

4 仿真結(jié)果分析及優(yōu)化

4.1 仿真結(jié)果分析

該車型Cruise動力性經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果匯總?cè)绫?所示。由仿真結(jié)果可以看出，該車型動力性各項指標(biāo)均超過設(shè)定值，動力性能符合設(shè)計要求。

該乘用車整備質(zhì)量1.45t，參考《GB 19578-2014乘用車燃料消耗量限值》[6]，整備質(zhì)量為1.43t～1.54t的手動檔車型，燃料限值為7.7 L/100km；整備質(zhì)量為1.43t～1.54t的自動檔車型，燃料限值為8.0 L/100km，根據(jù)NEDC循環(huán)工況油耗值可得，該車型滿足目標(biāo)燃油經(jīng)濟(jì)性要求，但其油耗值與目標(biāo)限值較為接近，實際測量時可能存在誤差，需要進(jìn)行燃燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化。

4.2 燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化方案

該車型動力性指標(biāo)遠(yuǎn)超過設(shè)定值，整車動力匹配偏向動力性，可考慮從優(yōu)化主減速比開始。對于MT車型，可考慮將主減速比降到2.75，仿真計算得循環(huán)工況油耗值下降到7.51 L/100km，同時加速時間變長，但仍高于目標(biāo)設(shè)定值；若主減速比繼續(xù)下降至2.5，仿真計算得循環(huán)工況油耗值為7.48 L/100km，油耗值變化不大，而原地起步加速時間將加大，動力性指標(biāo)降低；反之，若主減速比增高到3.25，則仿真計算得循環(huán)工況油耗值升高至7.73L/100km。故相對于該MT車型的最優(yōu)主減速比可取2.75。

對于AT車型，將主減速比降到2.75，仿真計算得AT車型循環(huán)工況油耗值不降反升至7.61 L/100km；反之，若主減速比增大到3.25，仿真計算得AT車型循環(huán)工況油耗值下降到7.47 L/100km，同時加速時間變長，但仍高于目標(biāo)值；若將主減速比繼續(xù)增大到3.5，仿真計算得循環(huán)工況油耗值升至7.52 L/100km，故相對于該AT車型的最優(yōu)主減速比為3.25。

4.3 試驗結(jié)果對比

最終，主減速比優(yōu)化之后，根據(jù)工信部綜合油耗測試結(jié)果，該車型（包括MT、AT車型）NEDC循環(huán)工況油耗值均達(dá)標(biāo)，其數(shù)值分別為7.60L/100km（MT車型）和7.70L/100km（AT車型）。誤差主要是由于駕駛員駕駛習(xí)慣的差異性及實際試驗環(huán)境的復(fù)雜性引起的，但整體看油耗試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果較為接近，誤差在可接受的范圍內(nèi)。

5 總結(jié)

本文根據(jù)某型乘用車初步選定的動力傳動系統(tǒng)參數(shù)，利用Cruise軟件進(jìn)行了動力性經(jīng)濟(jì)性仿真，根據(jù)仿真結(jié)果開展了燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化，在滿足整車動力性的前提下有效地降低了車輛的油耗值。

在車輛開發(fā)前期階段，根據(jù)初步選定的動力傳動系統(tǒng)參數(shù)，利用Cruise軟件進(jìn)行動力性經(jīng)濟(jì)性仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果開展相應(yīng)的優(yōu)化，該方法能有效地縮短車輛開發(fā)周期，提高開發(fā)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]余志生.汽車?yán)碚揫M].第五版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]GB/T 12544-2012 汽車最高車速試驗方法.

[3]GB/T 12539-1990 汽車爬陡坡試驗方法.

[4]GB/T 12543-2009 汽車加速性能試驗方法.

[5]GB-T-12545.1-2008 乘用車燃料消耗量實驗方法.

[6]GB 19578-2014乘用車燃料消耗量限值.