基于Cruise的重型商用車性能匹配分析

余明江 王曦 彭鵠 吳濤 徐遠(yuǎn)志

摘? 要：針對(duì)重型商用車動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)周期長、成本高的問題，該文首先參考法規(guī)基于MATLAB編寫程序生成需要的換擋策略，再通過AVL Cruise對(duì)整車性能匹配進(jìn)行建模和仿真分析，得到油耗、動(dòng)力性都滿足要求的最優(yōu)動(dòng)力方案，并與該方案對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，模型仿真可以代替實(shí)測(cè)對(duì)整車性能提前評(píng)估，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和成本。

關(guān)鍵詞：商用車；油耗；動(dòng)力性；Cruise；換擋策略

中圖分類號(hào)：U467? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）08-0067-04

Abstract： In view of the long development cycle and high cost of the power system of heavy commercial vehicles， this paper first refers to the laws and regulations and compiles a program based on MATLAB to generate the required shift strategy; then， the paper models and simulates the vehicle performance matching through AVL Cruise， obtains the optimal power scheme which meets the requirements of fuel consumption and power performance， and compares it with the measured values of this scheme. The results show that the simulation results are basically consistent with the measured results. Model simulation can replace the actual measurement to evaluate the performance of the whole vehicle in advance and shorten the product development cycle and cost.

Keywords： commercial vehicle; fuel consumption; power performance; Cruise; shifting strategy

在新產(chǎn)品開發(fā)過程中，零部件設(shè)計(jì)選型、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)占用的時(shí)間和費(fèi)用較多，給新車開發(fā)帶來很多困擾。近年來，部分廠家應(yīng)用Cruise軟件對(duì)整車性能進(jìn)行分析，但未在模型里添加機(jī)械風(fēng)扇、發(fā)動(dòng)機(jī)減速斷油以及詳細(xì)的換擋AC策略等內(nèi)容，導(dǎo)致仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差大，不能很好指導(dǎo)技術(shù)開發(fā)工作。本文通過MATLAB軟件編寫程序生成法規(guī)要求的換擋策略，再通過AVL Cruise軟件對(duì)整車性能匹配進(jìn)行仿真分析，更加精確計(jì)算整車油耗和動(dòng)力性，以確保新車開發(fā)質(zhì)量，縮短開發(fā)周期并降低開發(fā)費(fèi)用。

1? 車型及主要參數(shù)

本文的研究對(duì)象是某2.5 L柴油機(jī)匹配滿載8.5 t的商用車，分析4種配置的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，最后選擇最優(yōu)方案作為新車型的目標(biāo)配置。根據(jù)GB 30510—2018《重型商用車輛燃料消耗量限值》規(guī)定[1]，7 000 kg＜GVW≤8 500 kg的油耗限值不能大于16.3 L/100 km，按照GB/T 27840—2011《重型商用車輛燃料消耗量測(cè)量方法》要求[2]，5 500 kg＜GVW≤12 500 kg的貨車（不含自卸），其中GVW為最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量，城區(qū)、郊區(qū)、高速的特征里程油耗權(quán)重比分別為10%、60%、30%。本文使用的整車參數(shù)具體見表1。

2? 整車仿真模型搭建

打開Cruise軟件進(jìn)入建模主界面，從Modules庫里分別選中并拖動(dòng)Vehicle、Engine、Clutch、Gear Box、Single Ratio Transmission、Differentialt和Wheel等模塊到模型窗口。

根據(jù)整車布置形式放置各模塊，對(duì)各模塊之間進(jìn)行機(jī)械連接，再根據(jù)輸入、輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)線連接，其中通過機(jī)械耗能部件（Mechanical Consumer）模擬機(jī)械風(fēng)扇消耗的功率，如圖1所示。

設(shè)置各模塊的參數(shù)和屬性，如整車阻力系數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)外特性、變速箱各檔速比等，并設(shè)置Vehicle的Properties為Driving resistance：Function without Reference Vehicle。

激活Engine模塊減速斷油功能[3]，以獲得更加精準(zhǔn)的油耗值，如圖2所示。

創(chuàng)建Task Folder，包括Cycle Run、Climbing Performance、Constant Drive、Full Load Acceleration等，分別用于計(jì)算C-WTVC油耗、最大爬坡度、等速油耗和最高車速及加速性能。

根據(jù)C-WTVC循環(huán)工況的特征里程結(jié)束時(shí)間及其油耗權(quán)重，在Cycle Run的Weighting Factors里設(shè)置權(quán)重系數(shù)。

3? 換擋策略

按照GB/T 27840—2011中6.6的要求進(jìn)行換擋策略生成。

3.1? 行駛阻力計(jì)算

依據(jù)汽車行駛方程，先分別計(jì)算滾動(dòng)阻力、空氣阻力、爬坡阻力、加速阻力[4]。

滾動(dòng)阻力

Ff=M×g×f ， （1）

式中，F(xiàn)f表示車輛的滾動(dòng)阻力，單位為N；M表示滿載質(zhì)量，單位為kg；g表示重力加速度，9.8 m/s2；f表示滾動(dòng)阻力系數(shù)，f=0.007 6+0.000 056V。

空氣阻力為

Fw=■， （2）

式中：Fw表示車輛的空氣阻力，單位為N；Cd表示空氣阻力系數(shù)，取值0.8；A表示迎風(fēng)面積，單位為m2；V表示車速，單位為km/h。

總的行駛阻力為

R=Ff+Fi+Fw+（1+0.03+0.03×im2）×M× ，（3）

式中：R表示總的行駛阻力，單位為N；Fi表示坡道阻力，取零；t表示時(shí)刻，單位為s；im表示變速箱傳動(dòng)比。

3.2? 換擋策略

計(jì)算輪胎半徑

r=?，（4）

式中：r表示輪胎滾動(dòng)半徑，單位為m；F表示系數(shù)，取值3.03；d表示輪胎設(shè)計(jì)總直徑[5]，單位為m。

計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

式中：Ne（t）表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min；if表示主減速比；r表示輪胎半徑，單位為m；V（t）表示車速，單位為km/h。

計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩

當(dāng)阻力R大于0時(shí)，

當(dāng)阻力R小于0時(shí)，

式中：Te（t）表示發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，單位為N·m；？濁m表示變速箱傳動(dòng)效率；？濁f表示主減速器傳動(dòng)效率。

具體換擋策略如下。

1）首先車輛采用二擋起步；

2）如升檔后的扭矩富裕率大于規(guī)定的估算值（見表2），則進(jìn)行升檔。其中扭矩富裕率計(jì)算如下

Tm=， （8）

式中：Tm表示扭矩富裕率；Temax表示相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的最大扭矩，單位為N·m；Te表示實(shí)時(shí)扭矩，單位為N·m。

表2升檔估算值

3）減速階段，車速大于5 km/h時(shí)不換擋；當(dāng)車速小于等于5 km/h，切換為2擋。

首先采用9次多項(xiàng)式函數(shù)，在MATLAB中計(jì)算C-WTVC循環(huán)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的最大扭矩。

然后借助MATLAB[6]編寫程序生成滿足要求的換擋策略，并把換擋策略分別寫入Cycle Run任務(wù)的Profile，其中主減速比4.875、輪胎規(guī)格7.00R16LT配置的整車換擋曲線如圖3所示。

4? 仿真分析

4.1? 油耗仿真

C-WTVC循環(huán)總共1 800 s，市區(qū)是0～900 s、公路是900～1 368 s、高速1 368～1 800 s。根據(jù)特征里程分配比例，加權(quán)計(jì)算綜合燃料消耗量。

C-WTVC工況下的加權(quán)綜合燃料消耗量仿真結(jié)果，見表3。

4.2? 動(dòng)力性仿真

在Calculation Center選擇Matrix Calculation任務(wù)，進(jìn)行匹配計(jì)算，如圖4所示。

動(dòng)力性仿真結(jié)果，見表4。

5? 試驗(yàn)測(cè)試

5.1? 最優(yōu)方案的仿真結(jié)果

主減速比4.875、輪胎規(guī)格7.50R16LT的配置為最優(yōu)方案，C-WTVC循環(huán)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況如圖5所示，各擋最大爬坡度如圖6所示。

5.2? 實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表5。仿真、試驗(yàn)的各擋最高車速、起步加速時(shí)間如圖7、圖8所示。

6? 結(jié)論

仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本符合，相對(duì)差值在5%以內(nèi)。該結(jié)果表明，可以充分利用Cruise軟件對(duì)整車進(jìn)行性能計(jì)算及動(dòng)力總成優(yōu)化匹配分析，以代替實(shí)測(cè)對(duì)整車性能提前評(píng)估，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和成本，以適應(yīng)產(chǎn)品快速更新和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，且為以后優(yōu)化同類車型的動(dòng)力總成提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 重型商用車輛燃料消耗量限值：GB 30510—2018[S].2018.

[2] 重型商用車輛燃料消耗量測(cè)量方法：GB/T 27840—2011[S].2011.

[3] 吳明，任勇剛.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[4] 余志生.汽車?yán)碚揫M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5] 載重汽車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負(fù)荷：GB/T 2977—2016[S].2016.

[6] 張志涌.MATLAB教程（R2011a）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.