基于AVL-Cruise 節能車動力系統參數匹配分析

郭華禮，孔維山，閆煜晨，陳峰，張重志

（541004 廣西壯族自治區 桂林市 桂林航天工業學院 汽車工程學院）

0 引言

汽車使人們出行便捷的同時也造成了環境污染，各國政府對汽車的節能減排都非常重視，Honda 節能競技大賽是一項以注重能源、創造節約型社會為主的活動，其比賽理念是環保、挑戰和樂趣[1]。節能賽車是在節能競技大賽背景下針對高校和企業開展的賽事活動，旨在通過對各個系統的設計優化，挑戰最低的能耗[2]。

AVL Cruise 是一款燃油經濟性以及排放性能的仿真的軟件，主要用于車輛傳動系統和發動機的開發。翟志堯[3]利用層次分析法計算影響經濟性的各個考量指標的權重，對多個動力總成配置方案進行分組計算，再通過對比分析選擇出最優的配置。崔淑華等[4]以電動汽車動力系統匹配為對象，在Cruise 中對動力系統參數進行匹配分析，得出提高整車性能的最優方案。常健等[5]以燃油車為研究對象，在Cruise 中進行動力性、經濟性模擬計算，驗證動力匹配合理。在Honda 中國節能競技大賽背景下，本文的研究重點是以桂林航天工業學院節能車隊賽車為載體，通過AVL Cruise 軟件完成節能車的主減速器傳動比的計算與匹配分析，力求改善節能車的經濟性。

1 節能車總體設計方案

1.1 車輪布置形式

節能車車輪的配置包括車輪輪數的選擇和車輪布置形式的確定，通過參考往屆賽事的相關資料后，其車輪布置形式有圖 1 所示的4 種類型。

由圖1 可知，（a）類型在過彎時極不穩定，有發生側翻的危險，影響到駕駛員的安全問題；（b）類型類似于摩托車外加一個輔助輪，使整車行駛穩定性得到提升，但由于比賽規則要求所有參賽車輛在行駛過程中不能夠出現兩輪著地的現象，該類型車在轉彎時容易出現兩輪著地而不能滿足規則；（c）類型雖然行駛穩定性良好，但整車結構較為復雜，行駛過程滾動阻力明顯增加，難以制造；（d）類型在保證節能車行駛時擁有較小行駛阻力的同時，也能保證行駛的穩定性，在以往的賽事中該種布置形式也是應用最為廣泛的一種[1]。該方案減少差速器等部件，在本次計算分析中，采用前兩輪后一輪的車輪布置形式。

圖1 節能車車輪布置類型Fig.1 Wheel layout type of energy-saving vehicle

1.2 傳動形式的確定

考慮到節能車的總體布置，若采用前輪驅動會增加整車的復雜程度，提高設計制造的難度，而采用后輪驅動，則不用考慮差速器等部件，也可達到降低車重的目的，所以在本設計中，采用后輪驅動的形式。節能車常見的傳動形式有軸傳動和鏈傳動，如圖 2 所示。

圖2 節能車傳動系統的類型Fig.2 Transmission system form of energy-saving vehicle

由圖2 可知，軸傳動方案雖然傳動效率較高，但布置發動機時，會導致整車的重心偏向車體一側，降低行駛的穩定性；鏈傳動既保證整車重心位于賽車縱向中心平面，同時結構設計以及制作更容易實現。本次計算仿真分析采用鏈傳動形式。

2 動力傳動系統的仿真建模

2.1 節能車基本參數

設置發動機模塊參數。根據節能車比賽的賽制規則，所有的參賽車輛均需要統一采用型號為WH1152FMI 的單缸4 沖程汽油發動機。

設置整車模塊參數。由于本次仿真任務是測試節能車在1 L 燃油條件下的仿真工況，所以油箱體積設定為1 L，輪距為700 mm，整車的整備質量為80 kg，總質量為130 kg，迎風面積為0.32 m2，空氣阻力系數為0.11。

計算分析的節能車整車基本參數如表1 所示。

表1 整車基本參數Tab.1 Basic parameters of whole vehicle

（續表）

2.2 節能車仿真模型創建

本設計中，以節能車尺寸和賽制規則為依據。節能車采用WH1152FMI 型單缸發動機，由前文確定的總體布置方案，從軟件模型庫中選出搭建節能車各系統所需的子模塊，并根據各部件之間的連接關系，完成各部件之間的物理連接，再完成駕駛室與傳動系統以及制動系統之間的信號連接[6]。

2.2.1 設置發動機模塊參數

根據表1 輸入發動機模塊的相關參數，在全負荷特性欄目中，將繪制發動機外特性曲線的參數輸入表格，生成的發動機轉速—功率曲線如圖 3 所示。

圖3 發動機轉速—功率特性曲線Fig.3 Engine speed-power characteristic curve

由圖 3 可知，發動機在標定功率5.9 kW 時對應的轉速為7 000 r/min，在最大功率6.6 kW 時對應的轉速為7 500 r/min。

通過轉換單位，生成的發動機扭矩—轉速曲線如圖4 所示。

圖4 發動機扭矩—轉速特性曲線Fig.4 Engine torque-speed characteristic curve

由圖 4 可知，發動機在最大扭矩9.68 N·m 時對應的轉速為4 000 r/min。

在發動機基本曲線欄目中，將生成萬有特性曲線的參數輸入表格，生成的萬有特性曲線如圖5所示。

圖5 發動機萬有特性曲線Fig.5 Engine universal characteristic curve

2.2.2 設置變速箱模塊參數

節能車采用4 擋常嚙合、循環變擋的變速方式，變速機構1—4 擋的變速比分別為2.500，1.550，1.150，0.923，變速箱模塊的參數設置如圖 6 所示。

圖6 變速箱模塊參數Fig.6 Transmission module parameters

2.2.3 設置傳動模塊參數

兩鏈輪之間的傳動比也是本次仿真的目的所在，通過選取不同的傳動比進行仿真測試，結合動力性和燃油經濟性找出最優的鏈傳動比匹配。初定鏈傳動比為7.0，傳動模塊的參數設置如圖7 所示。

圖7 傳動模塊參數Fig.7 Drive module parameters

完成傳動模塊的參數設置后，再根據整理的整車參數完成離合器、制動器、輪胎和駕駛室等模塊的參數設置[7]，最終搭建的節能車仿真模型如圖8 所示。

圖8 節能車仿真模型Fig.8 Simulation model of energy-saving vehicle

2.3 仿真工況的設定

為了完成汽車的試驗要求以及性能分析，在AVL Cruise 軟件中設定有7 種計算任務，本次仿真將圍繞其中的循環工況來進行[8]。

根據節能車的賽制要求，節能車的平均速度要高于25 km/h，為達到節油目的，駕駛員在駕駛節能車時，通常是先將車速上升到某一速度，然后切斷動力傳輸讓節能車滑行一段距離，待車速降低至某一車速時再接合動力，使車速提升至原先設定的車速后再次切斷動力傳輸，不斷循環這一駕駛工況，以達到節油目的。

設計中，將節能車最高車速設定為60 km/h，而在比賽過程中設定車速達到45 km/h 后就切斷動力傳輸，使車輛自由滑行。為了滿足平均速度不低于25 km/h 的要求，設定車速達到15 km/h 時就接合動力傳輸，使節能車平均速度保持在30 km/h左右。

在Cruise 中建立任務文件夾并添加循環工況，選擇標準駕駛員和行駛路徑后，將自定義編輯的循環工況曲線數據導入表格，生成的循環工況曲線如圖9 所示。

眾所周知，在汽車領域，舍弗勒一直是一家技術領先的優秀供應商，主要提供發動機零部件、變速器、底盤零部件及電驅動產品，在生產方面，舍弗勒同樣具有前瞻眼光，密切關注智能制造的發展和IT技術的應用，希望在制造技術方面同樣保持領先。

圖9 循環工況曲線Fig.9 Cycle operating curve

3 動力傳動系統的匹配分析

3.1 原傳動比的分析結果

結合往屆賽事參賽車輛的鏈傳動設計經驗，初定鏈傳動比為7.0，在運行欄仿真計算，在結果欄中以文本形式查看計算結果，其燃油經濟性計算結果如圖10 所示。

圖10 鏈傳動比為7.0 時的燃油經濟性計算結果Fig.10 Calculation results of fuel economy when chain ratio is 7.0

其原地起步加速時間的計算結果如圖 11 所示。

圖11 鏈傳動比為7.0 時的原地起步加速時間計算結果Fig.11 Calculated result of acceleration time when chain transmission ratio is 7.0

3.2 改變傳動比的趨勢分析

為觀察不同鏈傳動比對經濟性的影響，將節能車鏈傳動比改為7.1，其它模塊參數保持不變，開始仿真計算，其燃油經濟性計算結果如圖12 所示。

圖12 鏈傳動比為7.1 時的燃油經濟性計算結果Fig.12 Calculation results of fuel economy when chain ratio is 7.1

其原地起步加速時間的計算結果如圖13 所示。

圖13 鏈傳動比為7.1 時的原地起步加速時間計算結果Fig.13 Calculation result of acceleration time when chain transmission ratio is 7.1

與鏈傳動比為7.0 時的計算結果相對比，鏈傳動比為7.1 時，整車的燃油經濟性數值下降，而動力性數值提高。再將鏈傳動比改為6.9，其它各項參數不變并開始仿真計算，其燃油經濟性計算結果如圖14 所示。

圖14 鏈傳動比為6.9 時的燃油經濟性計算結果Fig.14 Calculation results of fuel economy when chain ratio is 6.9

其原地起步加速時間計算結果如圖 15 所示。

圖15 鏈傳動比為6.9 時的原地起步加速時間計算結果Fig.15 Calculation result of acceleration time when chain transmission ratio is 6.9

與鏈傳動比為7.0 時的計算結果相對比，當鏈傳動比為6.9 時，整車的燃油經濟性數值上升，而動力性數值下降。

3.3 最優傳動比的確定

經過仿真分析，將不同傳動比下的計算結果匯總整理成表格，不同鏈傳動比下的燃油經濟性及加速時間計算結果如表2 所示。

表2 不同鏈傳動比下的計算結果Tab.2 Calculation results under different chain transmission ratios

由表2 生成燃油經濟性—加速時間曲線，如圖16 所示。

由圖 16 可知，當節能車鏈傳動比i0較大時，節能車起步加速至60 km/h 所需的時間較短，但整車的燃油經濟性較低。當鏈傳動比i0較小時，節能車的加速時間有所延長，但整車的燃油經濟性得到明顯改善。由于節能車以燃油經濟性為主要目標，綜合考慮，當選取的鏈傳動比i0=7.1 時，加速時間為18.85 s，燃油經濟性為231.77 km/L，在兼顧其動力性的同時保證燃油經濟性較好。

圖16 燃油經濟性—加速時間曲線Fig.16 Curve of fuel economy-acceleration time

由于比賽賽道確定，在實際比賽過程中可以將1 擋、2 擋、4 擋變速齒輪拆除，只保留3 擋齒輪，同樣在AVL Cruise 軟件建立對比優化模型進行仿真計算。當鏈傳動比為7.1 時，優化模型的燃油經濟性計算結果如圖 17 所示。

圖17 優化模型的燃油經濟性計算結果Fig.17 Fuel economy calculation results of optimization model

其原地起步加速時間計算結果如圖 18 所示。

圖18 優化模型的原地起步加速時間計算結果Fig.18 Acceleration time calculation results of optimized model

完成對比模型的仿真計算，將二者的數據對比分析后可知，節能車由起步加速至60 km/h 所用的時間有所增加，由原來的18.85 s 增加到21.98 s，但節能車的燃油經濟性卻由原來的231.77 km/L 提升至243.10 km/L，燃油經濟性提升4.89%，因此在實際過程中可以采取該方案。

4 結論

在Honda 中國節能競技大賽背景下，以我校節能車為載體，通過AVL Cruise 對節能車動力傳動系統進行計算與匹配分析。改變其傳動系統的傳動比并多次仿真分析，結果表明，當傳動比為7.1時，其加速時間為18.85 s，燃油經濟性為231.77 km/L，傳動比增大導致經濟性變差，傳動比減小導致加速時間過長。最后，在其他參數不變的前提下只保留3 擋變速機構并對比分析，其經濟性由231.77 km/L提升至243.10 km/L，增幅4.89%，經濟性得到提升，對實際使用具有一定的參考。