基于AVL-CRUISE 軟件的巴哈賽車動力傳動系統匹配仿真

安徽萬通高級技工學校 廖光宙，衣天培

中國汽車工程學會在2015年將Baja（巴哈）賽事引入中國，為賽事提供統一的動力性能基礎，所有參賽車均必須使用相同的發動機：一臺四沖程、風冷、排量為305 mL的百力通Baja發動機。由于動力系統的限制性，為了提高賽車的競技性，賽車設計必須追求較大的比功率。對于Baja賽車來說，在發動機相同的情況下，對于動力與傳動系統各部件之間的匹配調校顯得尤為重要，良好的動力匹配可以讓賽車適應不同的工況及賽事，保證賽車良好的動力性。傳統的動力傳動系統匹配調試時間較長，設計周期長，試驗研究成本高，為加快賽車研發速度，減少賽車研發時間，需要利用軟件建立賽車整車仿真模型，并對賽車動力與傳動系統進行循環工況、最大爬坡度、全負荷加速性、制動性及最大牽引力等進行仿真計算，可以節省大量的調試時間。

AVL-CRUISE是奧地利AVL公司開發的車輛性能仿真分析軟件，與ADVISOR及GT-power等動力學仿真軟件相比，AVL-CRUISE可預先根據設定的動力性指標，進行動力參數匹配計算和動力總成匹配計算。萬通汽車教育參加了2017中國汽車工程學會巴哈大賽，取得了年度總成績一等獎，襄陽站總成績一等獎、4 h耐力賽第一名、單圈計時賽第三名，烏蘭察布站單圈計時第二名、爬坡第二名的優異成績。本文根據萬通汽車教育2017年 Baja越野賽車整車參數和性能指標對2018年萬通Baja越野賽車的發動機、變速比及減速比進行動力匹配設計，利用AVL-CRUISE仿真分析軟件，建立賽車整車模型，針對不同工況，對其動力性和經濟型進行模擬分析。再通過賽車整車耐久性、直線加速性、爬坡性等多項實車試驗，與AVL-CRUISE軟件仿真結果進行對比，驗證了基于AVL-CRUISE軟件的Baja越野賽車動力傳動系統匹配仿真及整車建模的準確性，以期對后續其他職業院校參加中國大學生Baja大賽賽車設計有所借鑒。

1 Baja越野賽車的組成和性能指標

Baja越野賽車整車主要由動力傳動、車身、車架、懸架、轉向、人機、制動、電器等8大系統組成。其中，動力傳動系統作為賽車中占比最重的一個組成部分，其主要包含發動機、無極變速器（CVT）、二級減速器、傳動軸、萬向節等。對于Baja越野賽車來說，其重要的動力性評價指標為最高車速、30 m直線加速和爬坡能力。

2 基于AVL-CRUISE軟件的2018萬通Baja賽車整車仿真模型的建立

圖1為所示為基于AVL-CRUISE軟件建立的Baja越野賽車CVT變速器整車系統模型，其整體建模模塊主要包括整車、輪胎、制動、百力通Baja發動機、座艙、無級變速器、主減速器、監視器（monitor）等模塊。利用AVL-CRUISE軟件成熟的模塊，從其元件庫中選取各個系統相應的圖標，建模時，只要將所需部件從元件庫中移動至建模，再利用機械連接線將各個部件連接至一起即可。由于Baja賽車采用發動機后置后驅的方式，故前軸按照制動器→車輪的形式進行連接，后軸按照發動機→CVT變速器→減速器→制動器→車輪的順序進行連接。模型建立后，點擊各個部件，對每個部件進行參數輸入，并建立駕駛者模塊對整車進行控制，輔以Monitor對整車實時工況進行監測，即可建立一個完整的Baja賽車整車模型。

圖1 基于AVL-CRUISE軟件的Baja賽車模型（截屏）

2.1 整車參數模塊

整車參數模塊是整車模型中的基本組件，包含了車輛基本尺寸、質量等參數。通過此模塊可以計算得到車輪動態載荷、空氣阻力、滾動阻力、坡度阻力、加速阻力及車輛總阻力。在該模塊中，需要輸入的主要參數包括燃油箱體積、重心高度、前后輪胎胎壓、整備質量、滿載質量、迎風面積、空氣阻力系數及前后軸升力系數等。2018年萬通Baja賽車整車參數見表1所列，其整車3D模型如圖2所示。

2.2 制動器（Brake）模塊

2018年萬通Baja賽車前后輪制動卡鉗均采用Wilwood PS1對置雙活塞卡鉗，體積小、質量輕，布置更為緊湊。駕駛者在驚慌狀態下腳掌發出的制動踩踏力約為2 500 N，利用CAE仿真分析對制動踏板進行優化設計，將制動踏板的材料從45鋼優化為7075鋁，達到了輕量化目標；制動踏板的杠桿比優化為5∶1，可提升車手駕駛的舒適性和制動控制的靈敏度。由于2018年萬通Baja賽車前后輪制動布置形式及所用制動主

表1 2018年萬通Baja賽車整車參數

圖2 2018年萬通Baja整車的3D模型

缸型號均一致，故將FR（前右）、FL（前左）、RR（后右）、RL（后左）的參數均設為一致。

2.3 發動機（Engine）模塊

根據賽制要求，所有賽車用發動機均為由百力通統一提供的化油器式單缸發動機，排量為305 mL，最大功率為10 hp（1 hp=0.745 699 872 kW），最大轉矩為17 N·m，并據此繪制的發動機外特性曲線。在發動機（Engine）模塊中需要輸入發動機排量、氣缸數、沖程數、發動機怠速轉速與最高轉速、發動機轉動慣量、發動機響應時間、燃油熱值及燃油密度等，結合發動機外特性曲線，根據驅動力-行駛阻力平衡圖計算得到的賽車最高車速為58 km/h，主減速比為13.25。

2.4 駕駛者-駕駛室（Cockpit）模塊

Cockpit模塊用來模擬駕駛者和賽車的聯系，通過數據總線與車輛進行信息交換，例如車速、加速度行駛距離、發動機油門開度等數據通過數據總線傳遞給駕駛室，駕駛者根據這些信號結合道路狀況調節油門和踏板位置；同樣，駕駛者的信息也可以通過數據總線傳遞給各個模塊。Cockpit模塊需要定義一些信息模擬真實的駕駛室，如換擋模式、最大制動力、變速器擋位數、加速踏板特性曲線、制動器踏板特性曲線等。

2.5 CVT模塊

考慮到賽車手在越野路面上行駛時車輛的顛簸對換擋、制動、加速、離合及轉向等的操縱難度，2018年萬通Baja賽車使用了功率損失較小的 CVT變速器，以降低駕駛者的駕駛負擔，提高駕駛注意力。根據測試，CVT變速器的最小傳動比為0.5∶1，最大傳動比為3.0∶1。

2.6 車輪/輪胎（Wheel/Tire）模塊

Wheel/Tire模塊是車輛和道路之間的連接模塊。2018年萬通Baja賽車選用了抗穿刺性高且能承載更高負荷的正新AT22×7-10TL輪胎。為減小前輪轉向力矩，提升后輪抓地力，前后輪選用不同花紋的輪胎。前輪選用“米”字形胎面花紋，能使整車在顛簸路況下依然具有卓越的操控性能；后輪選用“人”字形胎面花紋，使賽車即使是在泥濘路況中行駛也不會有過多的淤泥堆積，從而保證了良好的抓地力。特別需要注意的是在進行車輪/輪胎模塊設計時要充分考慮到輪胎的滑移。

2.7 整車信號連接

在建立完Baja賽車仿真模型后，需要對其進行電氣連接、信號連接、機械連接。

3 仿真結果

根據Baja大賽的規則，動態賽事主要分直線、操控、牽引、爬坡及耐久等賽項。根據這些賽項的要求，利用AVL-CRUISE軟件對2018萬通Baja賽車進行了整車動力性、經濟性及最高車速、最大爬坡度、最大牽引力等針對UDC工況（Urban Driving Cycle，城市循環工況）進行仿真，利用Monitor模塊對賽車仿真過程中的車速、加速度、發動機機轉速、車輛行駛距離等進行實時監測（圖3）。雖然這個模擬結果與實際賽道測試仍有一點點差別，但在整車設計剛開始時依然具有重要的參考意義。

圖3 Monitor實時監測結果（截屏）

2018年萬通Baja賽車整車模型UDC工況下的車速和加速度的仿真結果顯示其最大加速度可達10.29 m/s2左右，最大車速可到達50 km/h，符合設計理念，并且與后期實車測試結果相差不大。利用已配置的參數，建立仿真任務計算賽車的最大牽引力，由于采用CVT變速器，無需考慮到手動換擋，故將發動機轉速提升到2 800 r/min。由發動機外特性曲線可知，發動機轉速在2 800 r/min時轉矩最大，可達到17.5 N·m，減速器的減速比為13.25，無級變速比為0.5～3，輪胎半徑為0.279 4 m，通過計算可知，賽車在理想狀況下的最大牽引力為2 500 N。由仿真結果可知，賽車在拖動牽引車的情況下，車速為7.8 km/h時的最大牽引力可達2 700 N，與實車測試和理論計算非常接近。

在計算項目中新添計算“最高車速”的任務，其仿真工況為熱啟動，在無牽引車的情況下，賽車的理論最高車速為60.07 km/h，真實可獲得最高車速為56.1 km/h，發動機轉速接近3 800 r/min，與實車測試的58 km/h結果十分接近。

利用已配置好的參數，對賽車進行最高爬坡度仿真任務計算。在不考慮起步原地打滑的情況下，對車輛進行仿真模擬，其仿真工況為泥濘道路上，迎風面積為1.2 m2，由于車速過低，并不考慮加速阻力，空氣阻力系數為0.305，由于是CVT變速器，無需考慮換擋問題，計算得到的最大爬坡度為47.5°。

4 結論

（1）在賽車設計過程中，靈活運用AVL-CRUISE軟件對2018年萬通Baja賽車進行整車動力學計算，其仿真模型不僅具有方便、簡單、易調試、程序運行可靠等特點，仿真結果相對于ADVISOR等軟件來說準確性更高，通過后期實車測試，其實際結果與仿真計算結果十分接近。

（2）對于大學生賽車平臺來說，通過建立系統的數學模型和仿真模型并對其實際工作狀況進行仿真分析，能夠很好地預測各種條件下的賽車性能，而且仿真結果簡單易懂，便于學生在設計過程中分析研究。

（3）利用AVL-CRUISE軟件不但可以事先靈活地調整設計方案，合理優化參數，而且可以降低研發費用，縮短開發周期，并且在日后的工作中，可靈活運用所學的AVL-CRUISE軟件仿真知識，給車輛研究工作帶來幫助。