陳瑤，孫翔鴻，陶世波

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于CRUISE的某輕卡搭載3.2L動力計(jì)算與實(shí)測符合性

陳瑤，孫翔鴻，陶世波

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章以CRUISE計(jì)算軟件為基礎(chǔ)，運(yùn)用汽車仿真計(jì)算方法計(jì)算整車動力性經(jīng)濟(jì)性，對比計(jì)算與實(shí)測的偏差。研究理論計(jì)算的影響因素，在對比中發(fā)現(xiàn)，傳動系統(tǒng)的效率、發(fā)動機(jī)換擋轉(zhuǎn)速對仿真計(jì)算影響較大。通過試驗(yàn)測試驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性及其不足，剖析影響因素。并通過調(diào)整傳動系統(tǒng)的效率、換擋轉(zhuǎn)速，發(fā)動機(jī)外特性和萬有特性曲線符合性排查等措施，進(jìn)一步提升整車動力性、經(jīng)濟(jì)性，達(dá)成設(shè)計(jì)要求，為類似設(shè)計(jì)過程提供參考。

仿真計(jì)算；動力性；經(jīng)濟(jì)性；偏差分析

CLC NO.:U467.2Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-136-04

引言

整車動力性、經(jīng)濟(jì)性是終端客戶關(guān)注的重要整車性能，在整車匹配設(shè)計(jì)之初，為達(dá)到足夠動力性，常犧牲整車經(jīng)濟(jì)性。但隨著不可再生資源的消耗及國家節(jié)能減排政策的落地，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性越來越被重視，并提升到空前的高度。整車匹配開發(fā)時(shí)，如確定使用某款發(fā)動機(jī)，其發(fā)動機(jī)外特性和燃油消耗特性已基本確定，此時(shí)若整車匹配不精細(xì)，可能使整車在獲得較好動力性時(shí)，經(jīng)濟(jì)性不好，或者在經(jīng)濟(jì)性較好時(shí)，動力性又表現(xiàn)不足。如何在整車動力性滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，獲得良好的動力性、經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)組合成為整車匹配的關(guān)鍵。

本文以某輕車型為例，介紹一種運(yùn)用CRUISE仿真軟件精確計(jì)算匹配車型動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性的應(yīng)用實(shí)例，為項(xiàng)目動力總成的選擇提供重要參考。任何車型的匹配開發(fā)不能一蹴而就，整車動力性經(jīng)濟(jì)性的匹配開發(fā)工作更是如此，經(jīng)過實(shí)車測試與仿真分析做比對，查找出影響動力性經(jīng)濟(jì)性的主要因素，并通過持續(xù)的整改、提升工作，最終達(dá)成項(xiàng)目動力性、經(jīng)濟(jì)性設(shè)定目標(biāo)。為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及開發(fā)提供參考。

1、CRUISE在動力性經(jīng)濟(jì)性計(jì)算中的應(yīng)用

1.1 爬坡性能分析

用于計(jì)算車輛的最大爬坡度。不同擋位下的最大爬坡度也可以得到。此外，可以定義不同的測量點(diǎn)，用于輸出在該車速下的計(jì)算結(jié)果。

1.2 穩(wěn)態(tài)行駛工況分析

用于計(jì)算穩(wěn)定行駛時(shí)車輛的燃油消耗和排放性能。計(jì)算每一檔位下，整個(gè)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)車輛的性能。另一個(gè)功能是計(jì)算理論和實(shí)際最高車速，這是通過改變主傳動比實(shí)現(xiàn)的，在結(jié)果中也輸出了獲得理論最高車速的傳動比變動系數(shù)。

1.3 超車加速性能

從一定的起始車速，在一定的擋位加速到給定的目標(biāo)車速時(shí)的加速性能。如果 把目標(biāo)車速定義為測量點(diǎn)，則可以同時(shí)計(jì)算目標(biāo)車速的超車加速性能（起始車速相同）。

1.4 等速油耗

基于整車阻力及油耗特性曲線，確認(rèn)發(fā)動機(jī)在一定轉(zhuǎn)速、發(fā)出一定功率時(shí)的燃油消耗率。

2、計(jì)算參數(shù)

2.1 整車參數(shù)

CRUISE軟件在仿真分析前，要經(jīng)過建模，需填寫以下整車參數(shù)。

2.2 發(fā)動機(jī)特性曲線

發(fā)動機(jī)外特性曲線，將發(fā)動機(jī)的功率、扭矩、及燃油消耗率與發(fā)動機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系以曲線表示。如果發(fā)動機(jī)節(jié)氣門全開（或高壓油泵在最大供油量位置），則此特性曲線為發(fā)動機(jī)外特性曲線。

萬有特性曲線表達(dá)的是發(fā)動機(jī)負(fù)荷及轉(zhuǎn)速都變化時(shí)，性能指標(biāo)或特性參數(shù)的變化規(guī)律。圖1為發(fā)動機(jī)的外特性和萬有特性曲線圖。

圖1 發(fā)動機(jī)外特性和萬有特性曲線

2.3 整車滑行阻力

整車阻力分為滾動阻力、空氣阻力、加速阻力、坡度阻力。圖2為整車不同載重下的滑行阻力。

（1）滾動阻力為車輪滾動時(shí)，輪胎與路面的接觸區(qū)產(chǎn)生法向、切向的相互作用力及相應(yīng)的輪胎和支承路面的變形。

（2）空氣阻力為汽車直線行駛時(shí)受到空氣作用力在行駛方向上的分力，分為壓力阻力和摩擦阻力兩部分。

（3）坡度阻力為當(dāng)汽車在上坡行駛時(shí)，汽車重力沿坡道的分力，表現(xiàn)為汽車的阻力。

（4）加速阻力為汽車加速行駛時(shí)，需要克服其質(zhì)量加速運(yùn)動產(chǎn)生的慣性力。

圖2 不同載荷滑行阻力對比

3、動力性經(jīng)濟(jì)性計(jì)算原理

汽車的動力性主要由最高車速、加速度、最大爬坡度來評價(jià)，經(jīng)濟(jì)性主要百公里等速油耗或者交通部綜合油耗。

3.1 動力性計(jì)算原理

3.1.1 最高車速

3.1.2 加速時(shí)間

通過對汽車行駛加速度曲線求積分，可得加速時(shí)間：

3.1.3 最大爬坡度

3.2 經(jīng)濟(jì)性計(jì)算原理

燃油消耗量與發(fā)動機(jī)功率有關(guān)，主要通過汽車功率平衡方程求解。

上述公式中Ttq為發(fā)動機(jī)扭矩、ig為變速箱各檔位速比、i0為主減速比、ηT傳動效率、CD為風(fēng)阻系數(shù)、ua汽車行駛車速、δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)、r為車輪半徑、G為汽車最大設(shè)計(jì)質(zhì)量、f為滾組系數(shù)、A為迎風(fēng)面積、i為道理坡度、m為整備質(zhì)量。

從公式(1)～(4)中可以看出，影響汽車動力性和經(jīng)濟(jì)性主要參數(shù)是：G、f、A、CD和ηT，為此在仿真計(jì)算環(huán)節(jié)，以上參數(shù)的準(zhǔn)確性性需要計(jì)算得當(dāng)。

3.3 模型搭載及計(jì)算流程

CRUISE軟件的主要應(yīng)用在于汽車的開發(fā)階段，進(jìn)行整車與發(fā)動機(jī)、傳動系的匹配及優(yōu)化計(jì)算，初步了解汽車的動力經(jīng)濟(jì)性能，輔助整車的設(shè)計(jì)。在CRUISE計(jì)算中，一些重要參數(shù)需要通過相關(guān)的試驗(yàn)手段來獲得，如滾阻系數(shù)、風(fēng)阻系數(shù)、迎風(fēng)面積、傳動效率、轉(zhuǎn)動慣量等；參數(shù)選取的正確性是保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的最重要條件。

圖3 整車仿真模型

4、仿真計(jì)算與實(shí)測符合性

4.1 轉(zhuǎn)轂動力性測試簡介

4.1.1 最高車速試驗(yàn)

將車輛加速，根據(jù)檔位要求換至相應(yīng)檔位，此時(shí)油門應(yīng)全開，通過司機(jī)助觀察車速上升情況，當(dāng)車速上升很慢處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)車輛能夠穩(wěn)定在此車速（偏差在±0.2km/h內(nèi)），行駛200m距離并且車輛無抖動現(xiàn)象則可以判定此時(shí)車速即為該車的最高車速。

4.1.2 起步加速

將變速器檔位置于空檔，待車輛穩(wěn)定后，駕駛員開始從Ⅰ檔起步加速（如有特殊要求可按Ⅱ檔進(jìn)行），并依次換檔加速至最高車速的80%以下，10km/h的整數(shù)倍時(shí)停止，加速過程中轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)進(jìn)行換檔。

4.1.3 超車加速包括：最高檔加速和次高檔加速。

將變速器置于超車加速要求的檔位，車速穩(wěn)定在低于起始車速2-3km/h（起始車速一般是最低穩(wěn)定車速以上，10km/h的整數(shù)倍），然后進(jìn)行全油門加速直至車速超過末速度時(shí)停止（末車速一般是該檔位最高車速的80%以下，10km/h的整數(shù)倍）。

4.2 油耗測試方式

油耗可以通過兩種方式獲取油累計(jì)油耗數(shù)值。第一種方式是獲取ECU輸出的燃油率，對其積分得到，簡稱ECU方式，第二種方式是外接油耗儀直接得到，簡稱油耗儀方式。

油耗儀法測試系統(tǒng)搭建采用三通道接法。油耗儀的進(jìn)油口和油箱管路相聯(lián)，出油口與發(fā)動機(jī)相聯(lián)，同時(shí)發(fā)動機(jī)回油管也直接與油耗儀出油口相連聯(lián)通。通常情況下，柴油發(fā)動機(jī)進(jìn)油和回油流量大，試驗(yàn)車達(dá)到7L/h，用于對發(fā)動機(jī)ECU循環(huán)散熱。三通道接法使得回油不回到油箱而回到發(fā)動機(jī)進(jìn)油口，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)進(jìn)油溫度高，一定程度上影響了燃油供給系工作狀態(tài)。顯然，在降低回油溫度，同時(shí)不改變?nèi)加凸┙o系工作狀態(tài)情況下進(jìn)行燃油消耗量測試可以提高測試精度。但目前還沒有滿足道路試驗(yàn)的這種試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

綜合來看，采用三通道油耗儀法是目前項(xiàng)目中能采取的最靠譜方法。經(jīng)多輪測試，可靠性和一致性好。在試驗(yàn)中，主要是對轉(zhuǎn)轂工況曲線進(jìn)行對比驗(yàn)證，不是嚴(yán)格意義上的對試驗(yàn)車道路油耗測試，所以對項(xiàng)目目標(biāo)達(dá)成影響可以忽略。

圖4 帶回油冷卻的燃油流量傳感器結(jié)構(gòu)原理

4.3 轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)及CRUISE計(jì)算結(jié)果對比

以某輕卡滿載數(shù)據(jù)進(jìn)行對比說明，理論計(jì)算傳動系統(tǒng)效率0.9，起步加速換擋3000rpm；

表2 仿真計(jì)算與實(shí)測符合性對比

4.4 誤差分析

（1）計(jì)算起步加速時(shí)換檔轉(zhuǎn)速與試驗(yàn)中操作不一致，影響起步加速性能；

（2）傳動系統(tǒng)效率經(jīng)驗(yàn)值為0.87，該車傳動系統(tǒng)效率較好，能達(dá)到0.9；

（3）發(fā)動機(jī)動力性與試驗(yàn)值較接近，發(fā)動機(jī)外特性符合設(shè)計(jì)；

（4）發(fā)動機(jī)萬有特性的符合性確認(rèn)，將整車發(fā)動機(jī)實(shí)測的萬有特性數(shù)據(jù)代入到計(jì)算模型；

（5）試驗(yàn)測試爬坡度的坡度是定值，因此后面不做對比。

4.5 起步換檔轉(zhuǎn)速調(diào)整

根據(jù)起步換擋轉(zhuǎn)速曲線與試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)比較，對換擋轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，最終確認(rèn)2500rpm與整車試驗(yàn)結(jié)果一致性較好。將起步加速換擋的轉(zhuǎn)速由3000rpm換為2500rpm，重新計(jì)算：

表3 轉(zhuǎn)速調(diào)整后對比

圖5 起步換擋曲線

4.6 傳動系統(tǒng)效率調(diào)整

計(jì)算值與實(shí)測值偏差大；傳動系統(tǒng)設(shè)定效率由0.87改為0.9，重新計(jì)算：

表4 效率調(diào)整后對比

4.7 對發(fā)動機(jī)的萬有特性數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化

將發(fā)動機(jī)的萬有特性數(shù)據(jù)換成發(fā)動機(jī)實(shí)測萬有特性數(shù)據(jù)。重新計(jì)算：

表5 萬有特性數(shù)據(jù)優(yōu)化后對比

4.8 調(diào)整前后偏差對比

對商用車上轉(zhuǎn)轂進(jìn)行動力性經(jīng)濟(jì)性實(shí)車測試，如圖10所示，車輛滿載，整車配置與輸入CRUISE的計(jì)算參數(shù)一致。

圖6 樣車轉(zhuǎn)轂照片

圖7 調(diào)整前后理論與實(shí)際的結(jié)果偏差

小結(jié)，針對整車動力性經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)車符合性較差問題，分析原因，并針對原因進(jìn)行CRUISE計(jì)算模型調(diào)整，調(diào)整前最大誤差10.7%，調(diào)整后誤差均小于1%。

5、結(jié)論

理論計(jì)算和實(shí)測誤差來源于：轉(zhuǎn)轂設(shè)備測試誤差、模型設(shè)置誤差、傳動效率設(shè)置不精準(zhǔn)、發(fā)動機(jī)外特性外有特性符合性差，換擋策略是導(dǎo)致匹配精準(zhǔn)度差的原因。其中，發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)符合性排查、換擋策略調(diào)整、模型修正（效率）是主要原因。

文章通過CRUISE軟件搭建模型進(jìn)行整車動力性經(jīng)濟(jì)性理論計(jì)算，對理論計(jì)算模型的傳動系統(tǒng)效率、起步加速換擋轉(zhuǎn)速及萬有特性數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，使計(jì)算誤差小于1%；略小于實(shí)車試驗(yàn)誤差3% 。調(diào)整后的模型可以用于該平臺整車傳動系統(tǒng)匹配計(jì)算分析。

CRUISE仿真模型邊界數(shù)據(jù)影響動力性經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果，計(jì)算模型調(diào)整前誤差大；通過精準(zhǔn)匹配分析，要對以上三點(diǎn)主要原因進(jìn)行逐一排查，優(yōu)化計(jì)算結(jié)果。

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

[2]鄧業(yè)寶.整車動力性經(jīng)濟(jì)性計(jì)算及速比匹配優(yōu)化.輕工科技[J].機(jī)械與電氣第5期.

[3]AVL Cruise User’s Guide[R]. AVL,2003.

[4]QJQ13062.1-2011_商用車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)方法動力性經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn).

Based on the CRUISE equipped with a light truck 3.2L power calculation and test compliance

Chen Yao, Sun Xianghong, Tao Shibo
( Anhui Jianghuai automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In this paper, based on the CRUISE calculation software, Using auto simulation calculation method to calculate the dynamic economy, Contrast calculation and the measured deviation.Study the influence factors of the theoretical calculation, Found in the comparison, The efficiency of transmission system, shifting speed larger influence on the simulation calculation.The accuracy of the simulation analysis is validated by test and its shortcomings, Analysis of Factors. And by adjusting the transmission efficiency, speed shift, Outside the engine characteristics and universal characteristic curve compliance investigation and other measures,To further enhance vehicle dynamics,economy, Toachieve the design requirements, Provide a reference for similar design process.

Simulation; dynamic; economy; Deviation

U467.2

A

1671-7988(2017)02-136-04

陳瑤，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.047