某中型卡車的動力匹配及仿真計算

金旭，杜憲峰，劉厚全，程貴剛

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121001）

前言

在對汽車性能的分析方面，人工計算由于設計周期、結果精確度和成本的限制，極大的消耗了財力、人力并延長了研發時間，正逐漸被相應的軟件所取代。奧地利公司所研發的 AVL-Cruise 軟件就是近年涌現出的一款用于車輛整車動力學仿真研究的軟件[1]。本文根據給定汽車數據計算匹配發動機和動力系統傳動比，并基于 AVL-Cruise 軟件搭建整車動力系統的仿真模型，對車輛動力性能進行仿真計算分析。

1 某中型卡車特征參數

某一中型卡車部分參數以及進行動力匹配設計需滿足的整車動力性要求如表1 所示。

表1 整車部分基本參數及動力性設計要求

2 動力系統參數匹配與選型

2.1 發動機的最大功率及最大轉矩的確定

一般情況下發動機功率應滿足汽車以最高車速行駛時的需求[2]，即：

式中，Pemax為發動機的最大功率；ηt為傳動效率；ma為汽車總重量；g 為重力加速度；fr為滾動阻力系數；uamax為最高車速；CD為空氣阻力系數；A 為汽車正面投影面積。

式中，Temax為發動機最大轉矩；α 為轉矩適應系數；Pe為發動機額定功率；np為對應轉速。

2.2 發動機的選型

經過計算以及資料查詢，最終選中某國五型柴油發動機，參數如表2 所示。

表2 發動機參數

2.3 各檔速比的理論計算

傳動系的總傳動比是各部件傳動比的乘積，即：

式中，ig為變速器速比；i0為主減速比；ic為分、副減器速比。

變速器的最高檔位一般為直接檔，故而減速器速比即為車輛傳動系統的最小傳動比，而最大傳動比是由變速器最低檔位與減速器的速比相乘得到[3]。以下公式可求出變速器1檔位傳動比的取值范圍。

根據汽車以最大爬坡度勻速緩慢行駛時所需轉矩的條件有：

式中，αmax道路最大坡度角；rr為車輪滾動半徑。

根據驅動車輪與路面的附著條件有：

式中，φ 為附著系數；G2 為車輛滿載并且停在水平面上時，車輛驅動橋上的垂向載荷。

因本次設計的動力匹配的車型為中型卡車，故采用相對簡單的五檔變速器即可滿足要求。按等比級數計算并適當調寬低速檔位間隔，最終獲取傳動系參數如表2-3 所示。

表3 傳動系參數

3 動力系統模型的建立及動力性的仿真計算

3.1 整車動力系統仿真模型

依據動力匹配結果以及相同車型部分參數，建立整車動力系統的仿真模型如圖1 所示。

圖1 整車仿真模型

動力性能對任何一種車輛都是最重要的、基礎的性能，其直接影響車輛性能的評估，對汽車動力性的評價標準，主要從三方面進行評價，即最高車速、加速時間、最大爬坡度[3]。

3.2 最高車速仿真分析

圖2 是車輛在水平路面穩態行駛時不同檔位對應的的發動機轉速與車速之間的關系。五檔位時車速最高為101.24 km/h，滿足大于95km/h 的設計要求。

圖2 發動機轉速-車速關系

3.3 加速時間仿真分析

如圖3 是各個檔位所能達到的加速度變化曲線，可以看出隨著檔位提高車輛的加速度就會相對降低。設計車輛在一檔位時有最大加速度2.19m/s2。圖4 為車輛起步加速的仿真結果。可以看出0～60km 的加速僅僅花費26.2s，滿足設計要求。

圖3 各檔加速度曲線

圖4 原地起步加速時間

3.4 最大爬坡度仿真分析

圖5 所示為該汽車不同檔位對應的的爬坡度表現，可以看出檔位越低爬坡度性能表現越好。仿真結果中的一檔最大爬坡度為33.18%，滿足大于30%的設計要求。

圖5 各檔爬坡度-速度曲線

4 結束語

本次對某中型卡車進行動力匹配設計及性能仿真計算的研究，內容總結如下：

（1）根據給定車輛參數及要求算出了本車所需的發動機功率扭矩轉速等參數，根據計算出的參數選定了發動機型號。選定了變速器檔位數，以等比級數為基礎再次進行微調得到了各檔傳動比，完成動力匹配設計。

（2）以AVL-Cruise 軟件為平臺，結合匹配計算設計結果及相同車型車輛的部分物理參數，搭建了整車動力系統的仿真模型。

（3）基于模型仿真計算了車輛的動力性能，結果表明本次的動力匹配設計較為成功。