基于Cruise的重型商用車性能匹配分析

余明江 王曦 彭鵠 吳濤 徐遠志

摘? 要：針對重型商用車動力系統開發周期長、成本高的問題，該文首先參考法規基于MATLAB編寫程序生成需要的換擋策略，再通過AVL Cruise對整車性能匹配進行建模和仿真分析，得到油耗、動力性都滿足要求的最優動力方案，并與該方案對應的實測值進行對比分析。結果表明，仿真結果與實測結果基本吻合，模型仿真可以代替實測對整車性能提前評估，縮短產品開發周期和成本。

關鍵詞：商用車；油耗；動力性；Cruise；換擋策略

中圖分類號：U467? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

在新產品開發過程中，零部件設計選型、試驗等環節占用的時間和費用較多，給新車開發帶來很多困擾。近年來，部分廠家應用Cruise軟件對整車性能進行分析，但未在模型里添加機械風扇、發動機減速斷油以及詳細的換擋AC策略等內容，導致仿真與實測結果偏差大，不能很好指導技術開發工作。本文通過MATLAB軟件編寫程序生成法規要求的換擋策略，再通過AVL Cruise軟件對整車性能匹配進行仿真分析，更加精確計算整車油耗和動力性，以確保新車開發質量，縮短開發周期并降低開發費用。

1? 車型及主要參數

本文的研究對象是某2.5 L柴油機匹配滿載8.5 t的商用車，分析4種配置的經濟性和動力性，最后選擇最優方案作為新車型的目標配置。根據GB 30510—2018《重型商用車輛燃料消耗量限值》規定[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為最大設計總質量，城區、郊區、高速的特征里程油耗權重比分別為10%、60%、30%。本文使用的整車參數具體見表1。

2? 整車仿真模型搭建

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

根據整車布置形式放置各模塊，對各模塊之間進行機械連接，再根據輸入、輸出信號進行數據線連接，其中通過機械耗能部件（Mechanical Consumer）模擬機械風扇消耗的功率，如圖1所示。

設置各模塊的參數和屬性，如整車阻力系數、發動機外特性、變速箱各檔速比等，并設置Vehicle的Properties為Driving resistance：Function without Reference Vehicle。

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

創建Task Folder，包括Cycle Run、Climbing Performance、Constant Drive、Full Load Acceleration等，分別用于計算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C-WTVC循環工況的特征里程結束時間及其油耗權重，在Cycle Run的Weighting Factors里設置權重系數。

3? 換擋策略

按照GB/T 27840—2011中6.6的要求進行換擋策略生成。

3.1? 行駛阻力計算

依據汽車行駛方程，先分別計算滾動阻力、空氣阻力、爬坡阻力、加速阻力[4]。

滾動阻力

Ff=M×g×f ， （1）

式中，Ff表示車輛的滾動阻力，單位為N；M表示滿載質量，單位為kg；g表示重力加速度，9.8 m/s2；f表示滾動阻力系數，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，取值0.8；A表示迎風面積，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表示時刻，單位為s；im表示變速箱傳動比。

3.2? 換擋策略

計算輪胎半徑

r=?，（4）

式中：r表示輪胎滾動半徑，單位為m；F表示系數，取值3.03；d表示輪胎設計總直徑[5]，單位為m。

計算發動機轉速

式中：Ne（t）表示發動機轉速，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。

計算發動機扭矩

當阻力R大于0時，

當阻力R小于0時，

式中：Te（t）表示發動機扭矩，單位為N·m；？濁m表示變速箱傳動效率；？濁f表示主減速器傳動效率。

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定的估算值（見表2），則進行升檔。其中扭矩富裕率計算如下

Tm=， （8）

式中：Tm表示扭矩富裕率；Temax表示相應轉速下的最大扭矩，單位為N·m；Te表示實時扭矩，單位為N·m。

表2升檔估算值

3）減速階段，車速大于5 km/h時不換擋；當車速小于等于5 km/h，切換為2擋。

首先采用9次多項式函數，在MATLAB中計算C-WTVC循環數據對應發動機轉速下的最大扭矩。

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任務的Profile，其中主減速比4.875、輪胎規格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循環總共1 800 s，市區是0～900 s、公路是900～1 368 s、高速1 368～1 800 s。根據特征里程分配比例，加權計算綜合燃料消耗量。

C-WTVC工況下的加權綜合燃料消耗量仿真結果，見表3。

4.2? 動力性仿真

在Calculation Center選擇Matrix Calculation任務，進行匹配計算，如圖4所示。

動力性仿真結果，見表4。

5? 試驗測試

5.1? 最優方案的仿真結果

主減速比4.875、輪胎規格7.50R16LT的配置為最優方案，C-WTVC循環工況下，發動機運行工況如圖5所示，各擋最大爬坡度如圖6所示。

5.2? 實測結果與仿真結果對比

實測結果與仿真結果進行對比，見表5。仿真、試驗的各擋最高車速、起步加速時間如圖7、圖8所示。

6? 結論

仿真分析結果與試驗結果基本符合，相對差值在5%以內。該結果表明，可以充分利用Cruise軟件對整車進行性能計算及動力總成優化匹配分析，以代替實測對整車性能提前評估，縮短產品開發周期和成本，以適應產品快速更新和市場競爭，且為以后優化同類車型的動力總成提供了理論依據。

參考文獻：

[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量方法：GB/T 27840—2011[S].2011.

[3] 吳明，任勇剛.汽車發動機原理[M].北京：機械工業出版社，2012.

[4] 余志生.汽車理論[M].5版.北京：機械工業出版社，2009.

[5] 載重汽車輪胎規格、尺寸、氣壓與負荷：GB/T 2977—2016[S].2016.

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