基于Cruise的輕卡動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真與試驗(yàn)分析

朱路生，潘家保，王世強(qiáng)

(1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

世界化石能源危機(jī)愈演愈烈，嚴(yán)重環(huán)境事件頻發(fā)，在這種嚴(yán)峻形勢(shì)下如何做到整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的平衡成為研究重點(diǎn)。一方面需要保證用戶使用車輛時(shí)運(yùn)輸效率不降低，另一方面要盡可能降低車輛化石能源的消耗和尾氣污染物的排放。整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性性能分析必然成為車輛設(shè)計(jì)過(guò)程中首要關(guān)切的問(wèn)題，也是整車深入開(kāi)發(fā)其他性能的前提。

王銳[1]通過(guò)將某越野車動(dòng)力性理論分析和Cruise軟件仿真結(jié)果對(duì)比分析得出，仿真分析比理論計(jì)算更準(zhǔn)確。劉振軍[2]基于Cruise軟件對(duì)MT車輛進(jìn)行建模與仿真，在研究車型動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及參數(shù)匹配方面取得了較為滿意的結(jié)果。王君銀[3]仿真優(yōu)化了電動(dòng)商務(wù)車參數(shù)匹配，提升了車輛爬坡性能和續(xù)航里程。王琳[4]將手動(dòng)擋轎車仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)建模仿真應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的可行性。采用軟件仿真并配合試驗(yàn)研究，在整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方面取得了較好的應(yīng)用效果。顏廷坤、鄭錦湯[5-6]通過(guò)仿真驗(yàn)證了純電動(dòng)商務(wù)車傳動(dòng)系加裝二擋變速器可以提升續(xù)航和動(dòng)力性。陳坤[7]通過(guò)仿真研究了拖拉機(jī)在農(nóng)業(yè)作業(yè)中的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性，為后續(xù)拖拉機(jī)的參數(shù)優(yōu)化匹配提供了參考。楊澤平[8]通過(guò)仿真完成了電動(dòng)城市客車動(dòng)力系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)匹配，結(jié)果滿足整車設(shè)計(jì)要求。然而，現(xiàn)有針對(duì)輕型卡車不同載荷工況下的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性綜合評(píng)價(jià)方法的研究還未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

基于此，通過(guò)Cruise建模仿真對(duì)比分析了Mule車和標(biāo)桿車型的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，確認(rèn)Mule性能指標(biāo)滿足要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比確認(rèn)了Mule車性能指標(biāo)優(yōu)于標(biāo)桿車型，具備細(xì)分市場(chǎng)的差異化競(jìng)爭(zhēng)力。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的一致性對(duì)比，驗(yàn)證了動(dòng)力匹配數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和整車模型的正確性，為后期通過(guò)仿真分析開(kāi)展標(biāo)桿車型分析提供了參考。

1 整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性理論基礎(chǔ)

1.1 整車動(dòng)力性理論基礎(chǔ)

輕型商用車動(dòng)力性[9]指車輛在良好路面上直線行駛時(shí)由汽車受到的縱向外力決定的，所能達(dá)到的平均行駛速度。車輛動(dòng)力性評(píng)價(jià)的指標(biāo)主要由所規(guī)定的整車最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度3個(gè)要素組成。在輕型商用車設(shè)計(jì)中一般其變速器對(duì)應(yīng)Ⅰ擋或爬坡?lián)酰畲笈榔露葷M足30%即可，故在多載荷工況對(duì)標(biāo)分析中不會(huì)對(duì)其給予單獨(dú)對(duì)比。

根據(jù)汽車行駛方程：

Ft=Ff+Fi+Fw+Fj,

(1)

(2)

式中，F(xiàn)t為汽車驅(qū)動(dòng)力(N)；Ff為滾動(dòng)阻力(N)；Fi為坡度阻力(N)；Fw為空氣阻力(N)；Fj為加速阻力(N)；Ttq為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩(N·m)；ig為變速箱傳動(dòng)比；i0為后橋主減速比；ηT為傳動(dòng)系機(jī)械效率；r為車輪半徑(m)；G為汽車重量(N)；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；i為坡度；CD為空氣阻力系數(shù)；A為整車迎風(fēng)面積(m2)；u和ua為車速(m/s)；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；t為時(shí)間(s)。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線常采用最小二乘法擬合所得到的與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)的多項(xiàng)式來(lái)表示：

Ttq=a0+a1n+a2n2+…+aknk,

(3)

式中，a0、a1、a2、ak為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線擬合系數(shù)，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)。當(dāng)求解最高車速時(shí)，坡度阻力和加速阻力忽略不計(jì)，即可得到驅(qū)動(dòng)力和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系式：

(4)

式(4)結(jié)合車輛已知的動(dòng)力參數(shù)即可求出車輛各擋位的最高車速。

當(dāng)求解整車加速度時(shí)，令坡道阻力Fi為零并聯(lián)立式(1)和式(2)可得：

(5)

當(dāng)車速?gòu)膗1加速到u2時(shí)有：

(6)

根據(jù)式(6)可采用計(jì)算機(jī)積分計(jì)算獲得加速時(shí)間。

1.2 整車經(jīng)濟(jì)性理論基礎(chǔ)

整車經(jīng)濟(jì)性常采用特定工況下百公里油耗來(lái)評(píng)價(jià)，國(guó)五階段我國(guó)采用的是NEDC循環(huán)工況，國(guó)六階段將采用WLTP循環(huán)工況。通常輕型商用車對(duì)標(biāo)設(shè)計(jì)中需要通過(guò)計(jì)算變速器處于最高擋時(shí),不同速度下的等速行駛工況燃油消耗量來(lái)評(píng)價(jià)車輛的經(jīng)濟(jì)性。百公里燃油消耗量Qt計(jì)算方法如下：

(7)

式中，Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)功率(kW)；b為燃油消耗率[g/(kW·h)]；ρ為燃油密度(kg/L)；g為重力加速度(m/s2)。

2 整車參數(shù)和阻力系數(shù)測(cè)定

2.1 整車設(shè)計(jì)目標(biāo)

整車設(shè)計(jì)目標(biāo)要求在3個(gè)不同載荷工況下Mule車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)總體優(yōu)于標(biāo)桿車型。

2.2 整車參數(shù)

標(biāo)桿車型和Mule車部分整車參數(shù)及載荷工況如表1所示。

2.3 道路滑行阻力系數(shù)測(cè)定

當(dāng)無(wú)法獲取精確標(biāo)桿車型車身參數(shù)時(shí)，可以通過(guò)特定工況下汽車滑行試驗(yàn)方法[10]得到的阻力系數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算或室內(nèi)轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)。汽車行駛阻力[9]包含滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力。汽車在平直路面滑行時(shí)，可以認(rèn)為坡度阻力為零，則行駛阻力可表示為：

F=a+bv+cv2,

(8)

式中，F(xiàn)為行駛阻力(N)；v為速度(m/s);a為與速度v無(wú)關(guān)的常數(shù)項(xiàng)阻力系數(shù)(道路摩擦力等)；b為與速度v一次項(xiàng)相關(guān)的阻力系數(shù)(傳動(dòng)系阻力等)；c為與速度v二次項(xiàng)相關(guān)的阻力系數(shù)(風(fēng)阻等)。

在平均風(fēng)速不超過(guò)2 m/s，相對(duì)濕度小于80%，車輛已磨合并提前充分預(yù)熱情況下可開(kāi)展滑行試驗(yàn)。車輛進(jìn)入滑行區(qū)段前選擇合適的擋位加速至稍高于初始車速，隨后駕駛員將變速器掛入空擋，松開(kāi)離合器，汽車開(kāi)始滑行。對(duì)于載荷過(guò)大導(dǎo)致車輛加速性能限制的情況，選擇在試驗(yàn)場(chǎng)地車輛所能達(dá)到的最高車速向下圓整5 km/h倍數(shù)車速為初始車速。試驗(yàn)往返多次，往返區(qū)段盡量重合，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。滑行試驗(yàn)精度應(yīng)小于3%，如果達(dá)不到，應(yīng)增加試驗(yàn)次數(shù)直至數(shù)據(jù)合格。道路滑行試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)擬合得到滑行阻力系數(shù)a，b，c如表2所示。通過(guò)對(duì)比可得不同工況下Mule車滑行阻力均小于標(biāo)桿車型。在同等載質(zhì)量條件下，車速越高，Mule車阻力優(yōu)勢(shì)越明顯；在同等車速下，載質(zhì)量越大，Mule車阻力優(yōu)勢(shì)越明顯。

表1 部分整車參數(shù)及載荷工況表

表2 不同工況滑行阻力系數(shù)

圖1 車速-道路滑行阻力

3 AVL Cruise建模與仿真

AVL Cruise是一款廣泛應(yīng)用的車輛傳動(dòng)系統(tǒng)仿真軟件[11]，其采用模塊化理念可以快速構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)車輛模型，廣泛應(yīng)用于整車性能(動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)性能、傳動(dòng)系振動(dòng)等)、發(fā)動(dòng)機(jī)排放、變速箱設(shè)計(jì)優(yōu)化等仿真領(lǐng)域，可以找到效率、排放、性能和駕駛質(zhì)量之間的最佳平衡[12-13]。使用Cruise仿真軟件模擬整車行駛情況，并計(jì)算出整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)可以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，快速篩選方案，降低開(kāi)發(fā)成本。

3.1 Cruise建模流程

圖2 仿真流程圖

圖3 Cruise整車模型

AVL Cruise仿真流程如圖2所示，仿真前期準(zhǔn)備主要是參數(shù)收集，包含底盤零部件參數(shù)、車身參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和整車電氣原理。之后在Cruise中將軟件中自帶的各個(gè)模塊進(jìn)行機(jī)械連接或數(shù)據(jù)連接，根據(jù)整車總布置方案可得輕型商用車整車模型如圖3所示。設(shè)計(jì)人員需要在完成后定義計(jì)算任務(wù)，例如循環(huán)工況計(jì)算過(guò)程中輸入為駕駛循環(huán)曲線和確定車輛載荷參數(shù)，等速油耗工況需設(shè)定測(cè)量速度點(diǎn)和駕駛程序，起步連續(xù)換擋加速工況需要提供初始速度和目標(biāo)車速，超車加速工況則需要輸入變速器擋位、起點(diǎn)車速、終點(diǎn)車速等。完成計(jì)算后可以通過(guò)Cruise完成計(jì)算數(shù)據(jù)和圖表的輸出，并將計(jì)算結(jié)果與標(biāo)桿車或根據(jù)市場(chǎng)需求確定的設(shè)計(jì)要求值進(jìn)行對(duì)比分析，確認(rèn)該系統(tǒng)的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能是否滿足需求。如不滿足需求，須對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如后橋主減速比，發(fā)動(dòng)機(jī)性能或變速器進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，適當(dāng)兼顧動(dòng)力性能及經(jīng)濟(jì)性能，確定一個(gè)最佳的傳動(dòng)系匹配結(jié)果。或根據(jù)不同用戶需求及不同的車輛使用環(huán)境確定2～3個(gè)偏重于不同使用環(huán)境的最佳的傳動(dòng)系匹配結(jié)果，形成滿足不同使用環(huán)境要求的各選裝狀態(tài)，供用戶選擇。

3.2 Cruise仿真工況及指標(biāo)

Cruise可以同時(shí)開(kāi)展多工況分析，主要包括巡航工況、爬坡工況、穩(wěn)態(tài)行駛工況和加速工況。其中最高車速和最高擋等速油耗是利用穩(wěn)態(tài)行駛工況計(jì)算，起步連續(xù)換擋加速時(shí)間和直接擋加速時(shí)間是利用加速工況計(jì)算。爬坡工況可以用于計(jì)算最大爬坡度。此次對(duì)標(biāo)設(shè)計(jì)中主要?jiǎng)恿π越?jīng)濟(jì)性參數(shù)指標(biāo)如下：

(1)最高車速計(jì)算：計(jì)算整車次高擋和最高擋最高車速。

(2)起步連續(xù)換擋加速時(shí)間計(jì)算：選擇計(jì)算車輛從車速為0開(kāi)始連續(xù)換擋到車速80 km/h的加速時(shí)間。

(3)直接擋加速時(shí)間計(jì)算：選擇計(jì)算直接擋，即變速器速比為1.0時(shí)車速?gòu)?0～80 km/h的加速時(shí)間。

(4)最高擋等速油耗計(jì)算：計(jì)算最高擋位下車速分別為40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h、90 km/h的等速百公里油耗。

4 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

4.1 仿真模型有效性驗(yàn)證

通過(guò)將車輛載質(zhì)量為6t工況時(shí)的仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比來(lái)進(jìn)行仿真模型的有效性驗(yàn)證，具體數(shù)據(jù)如表3所示。通過(guò)對(duì)比可知：Mule車和標(biāo)桿車型的整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差在±5%以內(nèi)，可以清晰地看出整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的一致性較好，故整車仿真模型的參數(shù)匹配有效，模型建立正確。仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差主要是由于仿真軟件中發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)時(shí)間、人員操作換擋時(shí)間、傳動(dòng)系效率和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩為穩(wěn)態(tài)，而試驗(yàn)中則為瞬態(tài)變化所導(dǎo)致。

4.2 仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比

根據(jù)Mule車和標(biāo)桿車型J實(shí)際滑行阻力數(shù)據(jù)，利用CRUISE軟件進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)果如表4所示。從計(jì)算結(jié)果對(duì)比得出：① 動(dòng)力性：加載同等載荷條件下，Mule車最高擋和次高擋最高車速均高于標(biāo)桿車型J；0～80 km/h換擋加速M(fèi)ule車優(yōu)于標(biāo)桿車型J；40～80 km/h次高擋加速時(shí)間Mule車略差于標(biāo)桿車型J，原因?yàn)榇胃邠鯐r(shí)Mule車后橋小速比導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)扭矩較小；②經(jīng)濟(jì)性：Mule車在40～50 km/h油耗與標(biāo)桿車型相差不大，60～90 km/h隨著車速提高，Mule車經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)明顯；在加載6 000 kg、9 000 kg和12 000 kg工況下，Mule車綜合油耗比標(biāo)桿車型J分別低1.63 L/100 km、1.81 L/100 km和2.02 L/100 km。綜上所述，Mule車除40～80 km/h次高擋加速時(shí)間略差于標(biāo)桿車型J，其余性能與標(biāo)桿車型基本相當(dāng)或優(yōu)于標(biāo)桿車型，故Mule車總體性能優(yōu)于標(biāo)桿車型，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表3 6t工況下動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 9t和12t工況下動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

基于Cruise軟件對(duì)Mule車和標(biāo)桿車型進(jìn)行建模與仿真研究，并進(jìn)一步結(jié)合試驗(yàn)研究對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：仿真與試驗(yàn)結(jié)果的偏差在±5%以內(nèi)，表明Cruise軟件仿真建模具有較高的正確性。通過(guò)3t、9t和12t載荷工況下Mule車和標(biāo)桿車型的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)比得出Mule車總體性能優(yōu)于標(biāo)桿車型。Cruise軟件仿真對(duì)整車性能具有較好的預(yù)測(cè)性，可以用于指導(dǎo)新車開(kāi)發(fā)，為對(duì)標(biāo)開(kāi)發(fā)新車型提供了一種較為可靠的技術(shù)手段。