尹幫奇

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西玉林537005）

基于CRUISE的某輕型校車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真

尹幫奇

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西玉林537005）

論述了玉柴某款發(fā)動(dòng)機(jī)匹配國(guó)內(nèi)某汽車廠的輕型校車，利用CRUISE軟件在開發(fā)過程中進(jìn)行動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性仿真分析的過程，結(jié)果表明，采用主減速比為4.1的主減速器可以獲得良好的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

動(dòng)力性；燃油經(jīng)濟(jì)性；CRUISE；建模；仿真

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)各參數(shù)之間的相互匹配進(jìn)行優(yōu)化。本文論述了利用CRUISE軟件對(duì)玉柴某輕型柴油機(jī)配套國(guó)內(nèi)某汽車廠某輕型校車的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化匹配。

1　汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)基礎(chǔ)

圖1　C-WTVC循環(huán)工況圖

1.1動(dòng)力性分析理論基礎(chǔ)

動(dòng)力性通常由汽車的最高車速、加速時(shí)間（原地起步加速時(shí)間和超車加速時(shí)間）和最大爬坡度來評(píng)價(jià)。

（1）最高車速。最高車速指汽車在水平良好的道路上能夠達(dá)到的最高車速。汽車驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖中，阻力與汽車驅(qū)動(dòng)力交點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的速度umax即為最高車速。

（2）加速性能。汽車的加速性能通常用加速時(shí)間來評(píng)價(jià)。

（3）最大爬坡度。最大爬坡度是指汽車在良好道路上克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力后的余力全部用來（即等速）克服坡度阻力時(shí)能爬上的最大坡度。

1.2汽車燃油經(jīng)濟(jì)性

依據(jù)文獻(xiàn)［1］國(guó)家法規(guī)的要求，對(duì)于最大滿載質(zhì)量超過了3500 kg的車輛，選取典型的C-WTVC循環(huán)測(cè)試工況來模擬真實(shí)的路況，作為評(píng)價(jià)汽車在多工況測(cè)試循環(huán)下燃油經(jīng)濟(jì)性的方法［1］。C-WTVC循環(huán)測(cè)試的循環(huán)工況分布如圖1所示。

2　汽車仿真模型的建立

2.1仿真模型的建立以及模塊間連接的方式

根據(jù)該車的結(jié)構(gòu)和布置形式建立如圖2所示的CRUISE仿真模型。該模型包含整車模塊（Vehicle）、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊（Engine）、離合器模塊（Clutch）、變速箱模塊（Gear Box）、主減速器模塊（Single Ratio）、差速器模塊（Differential）、制動(dòng)器模塊（Brake）、車輪模塊（Wheel）、監(jiān)視器模塊（Monitor）以及駕駛室模塊（Cockpit）。各個(gè)模塊間的連接方式主要有兩種：第一種是物理連接，只需通過Connect的方式來建立各個(gè)傳動(dòng)部件之間的物理關(guān)系；第二種是采用數(shù)據(jù)總線（Data Bus）的方式來進(jìn)行連接，用來傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、駕駛室等各個(gè)模塊的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、變速器檔位、油門開度等信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車行為的準(zhǔn)確控制［2-4］。

圖2　整車CRUISE仿真模型

2.2輸入各模塊的參數(shù)

本文研究的校車及發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1、表2、表3和圖2所示。

表1　車輛（Vehicle）參數(shù)表

表2　變速器（MT Gear Box）性能參數(shù)

表3　主減速器（Single Ratio）性能參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線圖如圖3所示。

圖3　發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線圖

3　仿真任務(wù)建立

根據(jù)該款車型試驗(yàn)和性能分析要求，此次計(jì)算任務(wù)選取了以下幾項(xiàng)計(jì)算任務(wù)，分別是:

（1）爬坡性能分析（Climbing Performance）。計(jì)算不同檔位下最大爬坡度性能分析。

（2）穩(wěn)態(tài)行駛性能分析（Constant Drive）。用來計(jì)算最高車速（Maximum Velocity）。

（3）全負(fù)荷加速性能計(jì)算（Full Load Acceleration）。計(jì)算不同加速形式下的加速動(dòng)力性。

（4）循環(huán)行駛工況（Cycle Run）。計(jì)算C-WTVC循環(huán)測(cè)試工況下的百公里燃油消耗量。

（5）巡航行駛工況（Cruising）。計(jì)算等速巡航下的百公里燃油消耗量。

4　仿真結(jié)果與分析

（1）爬坡性能。從圖4可以看出，方案一Ⅰ擋的最大爬坡度為40.47%，最高檔最大爬坡度為4.75%；方案二Ⅰ擋的最大爬坡度為43.83%，最高檔最大爬坡度為5.32%.說明該車在兩種方案下都具有良好的爬坡性能。方案二各檔爬坡性能均優(yōu)于方案一，這是因?yàn)檩^大的主減速比可以獲得較大的牽引力，作用在車輪上的驅(qū)動(dòng)力也更大，從而獲得更好的爬坡性能。

圖4　方案一和方案二的爬坡性能對(duì)比

（2）最高車速。從圖5中可以得出，方案一最高車速為151.46 km/h，方案二的最高車速為148.21 km/h，均滿足汽車廠≥120 km/h的實(shí)際使用需求。方案一的最高車速略大于方案二的最高車速，這是由于方案二的主減速比大，減速效果明顯，不得不通過提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來達(dá)到和方案一同樣的車速，而發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速超出發(fā)動(dòng)機(jī)的最高扭矩轉(zhuǎn)速區(qū)間后，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩開始下降，功率提前達(dá)到平衡。

圖5　方案一和方案二的最高車速

（3）加速性能。兩種不同方案滿載情況下的原地起步加速性能如圖6所示。

圖6　方案一和方案二的加速時(shí)間對(duì)比

可以看出，方案一0～60 km/h的加速時(shí)間約為10.68 s，0～100 km/h的加速時(shí)間約為38.74 s；方案二0～60 km/h的加速時(shí)間約為10.10 s，0～100 km/h的加速時(shí)間約為36.13 s.可見，大的主減速比可以獲得更大的驅(qū)動(dòng)力，從而提升加速性能，縮短加速時(shí)間。

（4）燃油經(jīng)濟(jì)性。燃油經(jīng)濟(jì)性主要對(duì)循環(huán)工況燃油經(jīng)濟(jì)性和等速油耗燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

循環(huán)工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性。在C-WTVC循環(huán)測(cè)試工況下，兩種方案滿載時(shí)的瞬時(shí)油耗如圖7所示。由圖可知，瞬時(shí)油耗和汽車的行駛工況息息相關(guān)，且兩種方案瞬時(shí)油耗的變化規(guī)律大體相同：汽車的瞬時(shí)油耗在等速行駛工況下比較低，在加速工況下的瞬時(shí)油耗比較高，且隨加速過程的變化而變化，速度越高，加速度越大，瞬時(shí)油耗也就越高。從圖中還可以看出，方案二的瞬時(shí)油耗在高油耗密集區(qū)所占的比例要高于方案一，故方案二的瞬時(shí)油耗要高于方案一。通過CRUISE計(jì)算出在C-WTVC循環(huán)工況下方案一的燃油消耗量為9.58 L/100 km、方案二的燃油消耗量為9.86 L/100 km.

圖7　方案一和方案二的C-WTVC瞬時(shí)油耗對(duì)比

等速巡航工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性。兩種方案在不同擋位和車速下的百公里等速巡航油耗如圖8所示。

圖8　方案一和方案二等速巡航油耗對(duì)比

從圖中可以，方案一在最高檔40、60、80、100 km/h下的百公里等速油耗分別為7.35、7.47、8.48、10.12 L.方案二在最高檔40、60、80、100 km/h下的百公里等速油耗分別為7.37、7.5、8.57、10.45 L.方案二的等速巡航油耗劣于方案一，同樣是由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作在負(fù)荷高的區(qū)間，燃油消耗量大引起的。

5　兩種主減速器方案的對(duì)比分析

兩種主減速比方案的仿真結(jié)果對(duì)比如下表4所示。

表4　兩種主減速比方案的仿真結(jié)果對(duì)比

可見，方案二與方案一相比，動(dòng)力性優(yōu)于方案一。方案二的最大爬坡度為43.83%；0～100 km/h加速時(shí)間為36.13 s；但是最高車速為148.21 km/h，略低于方案一的151.46 km/h的最高車速，這是由于較大的主減速比使得發(fā)動(dòng)機(jī)功率提前平衡的結(jié)果，但也滿足設(shè)計(jì)要求。方案二的燃油經(jīng)濟(jì)性整體比方案一的要差，百公里循環(huán)油耗，等速巡航油耗均高出方案一許多，不符合現(xiàn)今節(jié)能減排的要求?？梢?，增大主減速比可在一定程度上提升汽車的動(dòng)力性能，但是會(huì)對(duì)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生增大的趨勢(shì)。方案一的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到汽車廠設(shè)計(jì)要求。

綜合考慮，考慮到汽車廠對(duì)油耗要求高，且方案一的各項(xiàng)動(dòng)力性指標(biāo)均滿足汽車廠的要求。故選取方案一的主減速比作為此次的設(shè)計(jì)方案，結(jié)果表明，該方案可以獲得良好的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

6　結(jié)束語

文章進(jìn)行了基于CRUISE軟件的汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真分析。以玉柴某輕型柴油機(jī)配套國(guó)內(nèi)某汽車廠輕型校車的車輛為實(shí)例，分別對(duì)兩種不同主減速器主減速比的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真分析，最終選取了方案一的主減速比作為設(shè)計(jì)方案。采用該方案可以獲得良好的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

同時(shí)，利用CRUISE構(gòu)建汽車傳動(dòng)系統(tǒng)模型，簡(jiǎn)化了建模過程，便于后期對(duì)各參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能在汽車開發(fā)過程中預(yù)測(cè)車輛的性能，節(jié)約了大量時(shí)間，降低了開發(fā)費(fèi)用。

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

［2］AVL CRUISE User's Guide.

［3］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［4］韓立.基于CRUISE的某輕型載貨汽車動(dòng)力性優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)［J］.輕型汽車技術(shù)2013，（9）：289：7-10.

Modeling and Simulation of Light-Duty School Bus Power Train System based on Cruise Software

YIN Bang-qi
（Guangxi Yuchai Machinery Co.，Ltd.，Yulin Guangxi 537005，China）

This paper describes an engine of Yuchai company matching a light-duty school bus of domestic auto factory.By using CRUISE software during development process of power performance and fuel consumption modeling and simulation analysis.The results show that the main reducer of 4.1 can obtain good power performance and fuel consumption.

power performance；fuel consumption；CRUISE；modeling；simulation

U469.1

A

1672-545X（2016）08-0054-04

2016-05-13

尹幫奇（1989-），男，助理工程師，本科，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)研究工作。