某中型卡車的動(dòng)力匹配及仿真計(jì)算

金旭，杜憲峰，劉厚全，程貴剛

（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

前言

在對(duì)汽車性能的分析方面，人工計(jì)算由于設(shè)計(jì)周期、結(jié)果精確度和成本的限制，極大的消耗了財(cái)力、人力并延長(zhǎng)了研發(fā)時(shí)間，正逐漸被相應(yīng)的軟件所取代。奧地利公司所研發(fā)的 AVL-Cruise 軟件就是近年涌現(xiàn)出的一款用于車輛整車動(dòng)力學(xué)仿真研究的軟件[1]。本文根據(jù)給定汽車數(shù)據(jù)計(jì)算匹配發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)比，并基于 AVL-Cruise 軟件搭建整車動(dòng)力系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)車輛動(dòng)力性能進(jìn)行仿真計(jì)算分析。

1 某中型卡車特征參數(shù)

某一中型卡車部分參數(shù)以及進(jìn)行動(dòng)力匹配設(shè)計(jì)需滿足的整車動(dòng)力性要求如表1 所示。

表1 整車部分基本參數(shù)及動(dòng)力性設(shè)計(jì)要求

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與選型

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率及最大轉(zhuǎn)矩的確定

一般情況下發(fā)動(dòng)機(jī)功率應(yīng)滿足汽車以最高車速行駛時(shí)的需求[2]，即：

式中，Pemax為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率；ηt為傳動(dòng)效率；ma為汽車總重量；g 為重力加速度；fr為滾動(dòng)阻力系數(shù)；uamax為最高車速；CD為空氣阻力系數(shù)；A 為汽車正面投影面積。

式中，Temax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；α 為轉(zhuǎn)矩適應(yīng)系數(shù)；Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率；np為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)的選型

經(jīng)過(guò)計(jì)算以及資料查詢，最終選中某國(guó)五型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，參數(shù)如表2 所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

2.3 各檔速比的理論計(jì)算

傳動(dòng)系的總傳動(dòng)比是各部件傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的最小傳動(dòng)比，而最大傳動(dòng)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(dòng)比的取值范圍。

根據(jù)汽車以最大爬坡度勻速緩慢行駛時(shí)所需轉(zhuǎn)矩的條件有：

式中，αmax道路最大坡度角；rr為車輪滾動(dòng)半徑。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)車輪與路面的附著條件有：

式中，φ 為附著系數(shù)；G2 為車輛滿載并且停在水平面上時(shí)，車輛驅(qū)動(dòng)橋上的垂向載荷。

因本次設(shè)計(jì)的動(dòng)力匹配的車型為中型卡車，故采用相對(duì)簡(jiǎn)單的五檔變速器即可滿足要求。按等比級(jí)數(shù)計(jì)算并適當(dāng)調(diào)寬低速檔位間隔，最終獲取傳動(dòng)系參數(shù)如表2-3 所示。

表3 傳動(dòng)系參數(shù)

3 動(dòng)力系統(tǒng)模型的建立及動(dòng)力性的仿真計(jì)算

3.1 整車動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型

依據(jù)動(dòng)力匹配結(jié)果以及相同車型部分參數(shù)，建立整車動(dòng)力系統(tǒng)的仿真模型如圖1 所示。

圖1 整車仿真模型

動(dòng)力性能對(duì)任何一種車輛都是最重要的、基礎(chǔ)的性能，其直接影響車輛性能的評(píng)估，對(duì)汽車動(dòng)力性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，主要從三方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，即最高車速、加速時(shí)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(wěn)態(tài)行駛時(shí)不同檔位對(duì)應(yīng)的的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車速之間的關(guān)系。五檔位時(shí)車速最高為101.24 km/h，滿足大于95km/h 的設(shè)計(jì)要求。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-車速關(guān)系

3.3 加速時(shí)間仿真分析

如圖3 是各個(gè)檔位所能達(dá)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(huì)相對(duì)降低。設(shè)計(jì)車輛在一檔位時(shí)有最大加速度2.19m/s2。圖4 為車輛起步加速的仿真結(jié)果。可以看出0～60km 的加速僅僅花費(fèi)26.2s，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 各檔加速度曲線

圖4 原地起步加速時(shí)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(duì)應(yīng)的的爬坡度表現(xiàn)，可以看出檔位越低爬坡度性能表現(xiàn)越好。仿真結(jié)果中的一檔最大爬坡度為33.18%，滿足大于30%的設(shè)計(jì)要求。

圖5 各檔爬坡度-速度曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本次對(duì)某中型卡車進(jìn)行動(dòng)力匹配設(shè)計(jì)及性能仿真計(jì)算的研究，內(nèi)容總結(jié)如下：

（1）根據(jù)給定車輛參數(shù)及要求算出了本車所需的發(fā)動(dòng)機(jī)功率扭矩轉(zhuǎn)速等參數(shù)，根據(jù)計(jì)算出的參數(shù)選定了發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)。選定了變速器檔位數(shù)，以等比級(jí)數(shù)為基礎(chǔ)再次進(jìn)行微調(diào)得到了各檔傳動(dòng)比，完成動(dòng)力匹配設(shè)計(jì)。

（2）以AVL-Cruise 軟件為平臺(tái)，結(jié)合匹配計(jì)算設(shè)計(jì)結(jié)果及相同車型車輛的部分物理參數(shù)，搭建了整車動(dòng)力系統(tǒng)的仿真模型。

（3）基于模型仿真計(jì)算了車輛的動(dòng)力性能，結(jié)果表明本次的動(dòng)力匹配設(shè)計(jì)較為成功。