基于Cruise的乘用車動力性經濟性仿真及優化

黃凡

摘 要：汽車動力性經濟性是汽車性能開發的重要內容。本文首先闡述了動力性經濟性計算理論，然后以某型乘用車為例，對初步選定的動力傳動系統參數，利用Cruise軟件進行了整車動力性、經濟性仿真；根據仿真計算結果，對整車動力傳動系統參數進行了相應的優化，在滿足整車動力性要求的前提下，提高了燃油經濟性能力，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濟性開發具有一定的指導作用。

關鍵詞：Cruise；動力性經濟性；仿真

中圖分類號：U462.3 文獻標識碼：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，也是汽車開發過程中重點考慮的內容。研究如何在滿足汽車動力性的前提下，提高汽車的經濟性是汽車動力性經濟性研究的重要內容。隨著國家第四階段油耗限值（2016-2020）的實施，新的標準對乘用車燃油經濟性提出了更高的要求。當前，采用先進的分析方法開展汽車動力性經濟性研究，成為汽車生產企業的重要任務。

Cruise軟件是奧地利AVL公司開發的一款用來研究汽車動力性、燃油經濟性、排放性能及制動性能的高級模擬分析軟件。它可用于汽車開發過程中的動力傳動系統的匹配，汽車性能預測和整車仿真計算。在車輛設計前期，根據初步選定的動力傳

動系統參數，利用Cruise軟件進行動力性、經濟性仿真，并根據仿真結果進行相應的優化，能顯著縮短車輛開發周期，提高整車動力性經濟性開發能力。

2 動力性經濟性計算方法

2.1 動力性

汽車的動力性主要由三個指標來評定：

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 經濟性

當前，汽車的燃油經濟性實際中常用循環工況下的綜合燃油消耗量來評價。現在世界上關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。各循環工況一般都可以細分并簡化為若干個怠速，等加速，等速，以及等減速等階段。根據各細分階段的燃油消耗量可計算整個循環工況下的燃油消耗量。

3 基于Cruise的動力性、經濟性仿真

3.1 計算任務概述

某型乘用車為前置前驅車型，分MT、AT兩種配置。根據設計任務要求，MT為基礎車型，考慮在發動機參數不變的情況下擴展AT車型。整車動力性設計指標如下：

（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；

初步選定的發動機性能參數：發動機最大功率/轉速127kw/6000rpm；發動機最大扭矩/轉速 236Nm/4300rpm。主減速器速比3.0，MT車型變速箱各檔參數如表1所示。

根據整車設計任務要求，AT車型考慮在MT車型基礎上擴展，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K=2.43（i=0）。

其它已知參數：車輛整備質量1450kg，最大設計總質量1930kg；迎風面積1.88m2；空氣阻力系數為0.32；滾動阻力系數按公式計算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參數，并添加機械、信息連接。

3.3 主要計算任務的設置

根據乘用車動力性、經濟性相應標準法規要求，設定以下Cruise計算任務：

a. 穩態行駛性能分析

根據《GB/T 12544-2012 汽車最高車速試驗方法》[2]，車輛載荷狀態設置為半載，MT車型換檔策略設置為按車速換檔，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《GB/T 12539-1990汽車爬陡坡試驗方法》[3]，車輛載荷設置為滿載，分考慮附著系數、不考慮附著系數兩種情況，MT車型換檔策略設置為按車速換檔，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.全負荷加速性能計算

根據《GB/T 12543-2009 汽車加速性能試驗方法》[4]，車輛載荷設置為半載，MT車型換檔策略設置為按發動機轉速換檔，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原地起步連續換檔加速時間、次高檔80～140 km/h超車加速時間。

d.循環行駛工況

參考《GB/T 12545.1-2008 乘用車燃料消耗量實驗方法》[5]，采用當前國內乘用車廣泛采用的NEDC循環，車輛載荷設置為半載，換檔策略統一設置為按循環工況路譜換檔，計算循環工況下的燃油消耗量。

3.4 動力性、經濟性仿真

采用單一矩陣計算方法，運行Cruise軟件，完成仿真計算。仿真分析結果部分圖表如圖4～圖8所示。

4 仿真結果分析及優化

4.1 仿真結果分析

該車型Cruise動力性經濟性仿真結果匯總如表2所示。由仿真結果可以看出，該車型動力性各項指標均超過設定值，動力性能符合設計要求。

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

4.2 燃油經濟性優化方案

該車型動力性指標遠超過設定值，整車動力匹配偏向動力性，可考慮從優化主減速比開始。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，但仍高于目標設定值；若主減速比繼續下降至2.5，仿真計算得循環工況油耗值為7.48 L/100km，油耗值變化不大，而原地起步加速時間將加大，動力性指標降低；反之，若主減速比增高到3.25，則仿真計算得循環工況油耗值升高至7.73L/100km。故相對于該MT車型的最優主減速比可取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，但仍高于目標值；若將主減速比繼續增大到3.5，仿真計算得循環工況油耗值升至7.52 L/100km，故相對于該AT車型的最優主減速比為3.25。

4.3 試驗結果對比

最終，主減速比優化之后，根據工信部綜合油耗測試結果，該車型（包括MT、AT車型）NEDC循環工況油耗值均達標，其數值分別為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慣的差異性及實際試驗環境的復雜性引起的，但整體看油耗試驗數據與仿真結果較為接近，誤差在可接受的范圍內。

5 總結

本文根據某型乘用車初步選定的動力傳動系統參數，利用Cruise軟件進行了動力性經濟性仿真，根據仿真結果開展了燃油經濟性優化，在滿足整車動力性的前提下有效地降低了車輛的油耗值。

在車輛開發前期階段，根據初步選定的動力傳動系統參數，利用Cruise軟件進行動力性經濟性仿真，并根據仿真結果開展相應的優化，該方法能有效地縮短車輛開發周期，提高開發效率。

參考文獻：

[1]余志生.汽車理論[M].第五版.北京：機械工業出版社，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.