常健　張敬　蔡永明　龔毅

1 緒論

1.1 動力性能匹配的發(fā)展?

國外在動力性和經(jīng)濟性等的仿真匹配方面研究的比較成熟，美國通用公司在1972年就開發(fā)了汽車動力性和經(jīng)濟性的通用預(yù)測程序[1]。如今商業(yè)軟件GT-Drive就是美國Gamma Technology公司開發(fā)的，其中包含了豐富的車輛模塊，可以進(jìn)行整車動力性和經(jīng)濟性匹配、仿真、優(yōu)化和循環(huán)工況模擬等[2]。而奧地利公司開發(fā)的AVL-Cruise同樣是一款動力性、經(jīng)濟性、排放性能的仿真軟件，它可以自由的建立各種配置的汽車模型，精確完善的算法也保證了運算速度[3]。

在國內(nèi)，汽車性能的匹配研究起始于上世紀(jì)80年代以后。目前長安汽車、中國重汽集團和東風(fēng)汽車公司等多家汽車生產(chǎn)廠家采用GT-Drive和AVL-Cruise等某個仿真軟件開發(fā)整車性能。吉林大學(xué)和上海交通大學(xué)等部分高校等也在整車動力匹配上有一定的研究。劉道東等人[4]利用Cruise軟件對某轎車底盤動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行了匹配優(yōu)化，并對整車性能進(jìn)行了仿真，在保持汽車動力性等幾乎不變的前提條件下，整車的經(jīng)濟性能在一定程度上得到明顯提升。裴梅香等人[5]基于Cruise軟件對整車動力性和經(jīng)濟性進(jìn)行分析，最終完成了對發(fā)動機和變速器的選型和匹配計算。韓震等人[6]基于汽車起停技術(shù)原理，采用Cruise分析軟件建立了汽車起動/停止系統(tǒng)的仿真模型，并以某一款車型為例進(jìn)行了相關(guān)性計算，研究結(jié)果表明，起停技術(shù)對整車燃油經(jīng)濟性的影響約為6%，以此證明將起動/停止系統(tǒng)應(yīng)用到整車上可以很好地降低整車油耗。冒文娟等人[7]通過對合肥市本地行駛工況數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、合成，最終建立了基于Cruise的合肥市行駛工況數(shù)據(jù)庫，并在此基礎(chǔ)上完成了燃油經(jīng)濟性對比仿真計算。張德生等人[8]以1.3L手動擋發(fā)動機前置前輪驅(qū)動的輕型乘用車為研究對象，基于Cruise軟件建立了整車模型，完成了整車動力性和經(jīng)濟性分析。

同時，國內(nèi)外許多學(xué)者基于美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件MATLAB，利用圖形化界面設(shè)計相關(guān)匹配程序，完成各項匹配計算。劉磊、N.Suresh就基于車輛系統(tǒng)動力學(xué)理論和曲線曲面擬合差值理論建立了輕型貨車動力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB編輯了計算程序。胡耀華等人[9]利用Cruise和MATALB軟件對某款并聯(lián)混動電動汽車進(jìn)行了建模，并依據(jù)國際的電耗和油耗量計算方法完成了百公里油耗的評估，計算結(jié)果與預(yù)估具有很好的一致性。

1.2 動力性能匹配的重要性

隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展，對汽車的動力性、經(jīng)濟性和舒適性的需求達(dá)到了前所未有的高度，其三者之間的合理匹配問題日益凸顯。根據(jù)不同車型對動力性能的要求，就要汽車有不同的最高車速和后備功率，而要想汽車具有良好的燃油經(jīng)濟性，需要增加發(fā)動機在低油耗消耗率區(qū)間工作的可能性，對于舒適性，必須保證良好的速比轉(zhuǎn)換性，使速度變換連續(xù)平穩(wěn)，降低沖擊和動載[10]。撇開設(shè)計不談，汽車動力性、經(jīng)濟性和舒適性成為了影響汽車市場成功的主要因素，其中汽車動力性又是汽車最基本、最重要的性能。這種匹配過程必須從兩側(cè)進(jìn)行，但實際上，發(fā)動機的特性占據(jù)首要地位，變速器的特性必須適應(yīng)發(fā)動機來實現(xiàn)匹配。對于特定的車輛，在初步確定汽車造型、總質(zhì)量、輪胎規(guī)格以及性能目標(biāo)后，通過合理的匹配發(fā)動機和傳動系統(tǒng)各參數(shù)，使汽車發(fā)揮最佳的動力性、經(jīng)濟性和舒適性。

在計算機動力傳動系匹配模擬計算方面，其作用越來越突出。傳統(tǒng)方法是設(shè)計者只依據(jù)經(jīng)驗選定各部件參數(shù)，然后制造樣車、試驗測試和性能評價，這樣各部件參數(shù)選擇具有盲目性，容易漏掉最優(yōu)方案，且周期過長，成本過高[11]。利用計算機仿真，能在產(chǎn)品設(shè)計初期對比各方案的性能差異，提出最佳方案，縮短設(shè)計周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品競爭力。目前相關(guān)仿真軟件主要有MATLAB、AVL-Cruise和GT-Drive等。

本文在發(fā)動機特性確定的前提下，對標(biāo)競品車性能正向計算得到某車型變速器各檔位理論總速比，再結(jié)合現(xiàn)有資源選擇了3組備選速比，然后運用AVL-Cruise軟件分別對搭載3組速比的情況進(jìn)行動力性和經(jīng)濟性進(jìn)行仿真分析，確定最優(yōu)方案，最后實車搭載調(diào)教后性能優(yōu)異，主客觀評價均滿足開發(fā)需求。

2 動力性能理論基礎(chǔ)及基本匹配流程

2.1 動力性能的理論依據(jù)

汽車動力性能計算的主要依據(jù)是汽車的驅(qū)動力和行駛阻力之間的平衡關(guān)系和功率平衡關(guān)系，汽車的驅(qū)動力-行駛阻力平衡方程為：

Ft = Ff + Fw + Fi + Fj （1）

其中：Ft? ——驅(qū)動力，單位為KN;

Ff? ——滾動阻力，單位為KN;

Fw ——空氣阻力，單位為KN;

Fi? ——坡度阻力，單位為KN;

Fj? ——加速阻力，單位為KN。

2.2 驅(qū)動力和行駛阻力

在發(fā)動機轉(zhuǎn)速特性、傳動系統(tǒng)傳動比及效率、車輪半徑、空氣阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積以及汽車的質(zhì)量等確定后，便可確定汽車的驅(qū)動力-行駛阻力平衡關(guān)系。

驅(qū)動力Ft max= （2）

其中：Ttq —發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩，單位為N.m;

ig ——變速器某前進(jìn)擋速比;

io ——主減速器速比;

nT? ——動力傳動系統(tǒng)機械效率;

rd? ?——車輪滾動半徑，單位為m。

滾動阻力Ff=mgf cos a ? ?（3）

其中：m—— 汽車計算載荷工況下的質(zhì)量，單位為kg;

g —— 重力加速度，單位為m/s2;

f? —— 滾動阻力系數(shù);

a —— 道路坡道角，單位為rad。

空氣阻力 ? ? ? ? （4）

其中：CD —— 空氣阻力系數(shù);

A? —— 迎風(fēng)面積，單位為m2;

ua —— 汽車行駛速度，單位為km/h。

坡度阻力Fi=mg sin a ? （5）

其中：m —— 計算載荷工況下汽車的質(zhì)量，單位為kg;

g? —— 重力加速度，單位為m/s2;

a? —— 道路坡道角，單位為rad。

加速阻力 （6）

其中：s? —— 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù);

m —— 計算載荷工況下汽車的質(zhì)量，單位為kg;

—— 汽車行駛加速度，單位為m/s2。

在進(jìn)行不同擋位的驅(qū)動力和阻力計算時，還需要知道汽車速度與發(fā)動機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系：

（7）

其中：ua? —— 汽車行駛速度，單位為km/h;

n —— 發(fā)動機轉(zhuǎn)速，單位為r/min;

io —— 主減速器傳動比;

ig —— 變速器某前進(jìn)擋速比;

rd —— 車輪的滾動半徑，單位為m。

根據(jù)上述公式，可以計算出汽車在任意發(fā)動機轉(zhuǎn)速、擋位下的驅(qū)動力、行駛阻力。

2.3 動力因素

動力因數(shù)為：

（8）

其中：D —— 各前進(jìn)擋動力因數(shù)。

其它各個參數(shù)的意義和單位同上述說明。

2.4 功率平衡關(guān)系

在汽車的行駛方程式的基礎(chǔ)上，在公式兩端同時乘以車輛速度 ，經(jīng)過單位換算、整理就可以得到汽車的功率平衡方程式：

（9）

其中：P —— 發(fā)動機功率，單位為kW。

其它各個參數(shù)的意義和單位同上述說明。

利用公式（9）就可以計算出汽車行駛功率平衡關(guān)系。

2.5 爬坡度

根據(jù)汽車的行駛方程式和驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖，可以計算汽車的爬坡能力。在計算爬坡度時，認(rèn)為汽車的驅(qū)動力除了用來克服空氣阻力、滾動阻力外，剩余驅(qū)動力都用來克服坡度阻力，即加速阻力 為零。

根據(jù)公式（3）可以得到如下公式：

Ff + Fi = Ft - Fw

將公式（5）、（7）代入上式，就可以得到如下公式：

mgf cosa + mg sina = Ft - Fw

代入公式? 以及公式（10），經(jīng)過整理可得：

（10）

然后根據(jù)公式i = tga轉(zhuǎn)換，就可以得到出爬坡度。

2.6 加速度及加速時間

汽車的加速能力可用它在水平良好路面上行駛時能產(chǎn)生的加速度來評價。

汽車加速時，驅(qū)動力除了用來克服空氣阻力、滾動阻力以外，主要用來克服加速阻力，此時不考慮坡度阻力Fi（Fi=0）。

根據(jù)公式（3）、（8），可以得到如下公式：

（11）

所以，加速時間

根據(jù)以上公式，通過數(shù)值積分方法對上式進(jìn)行積分求解，可以得到所需要的加速時間。以上就是汽車動力性計算的基本原理。

2.7 動力性能匹配的基本步驟

2.7.1 動力性經(jīng)濟性開發(fā)流程表

根據(jù)整車開發(fā)經(jīng)驗，整個開發(fā)過程分為前期策劃、概念設(shè)計、工程設(shè)計、設(shè)計驗證和小批量試生產(chǎn)5個階段。跟隨整車開發(fā)過程，動力性匹配開發(fā)在各階段的所需完成的工作以及具體的開發(fā)流程見表1

表1 動力性經(jīng)濟性開發(fā)流程表

2.7.2 動力性能匹配主要工作

2.7.2.1 仿真分析匹配速比

依據(jù)配置表、參考車測試結(jié)果和整車性能目標(biāo)，正向仿真計算得到理論的速比值，再根據(jù)工程可行性分析結(jié)果以及現(xiàn)有資源，選擇接近理論數(shù)值的幾組速比，然后仿真計算搭載各速比的動力性及經(jīng)濟性，確認(rèn)最優(yōu)的方案。

2.7.2.2 性能驗證

樣車試制完成后，需要進(jìn)行主觀評價和性能摸底測試，對未滿足目標(biāo)項進(jìn)行評估和優(yōu)化。

3 某車型的動力性能匹配開發(fā)

3.1 參考車性能測評

3.1.1 參考車解析要求

參考車的性能指標(biāo)是制定開發(fā)車動力性、經(jīng)濟性設(shè)計目標(biāo)重要依據(jù)，因此參考車解析至關(guān)重要。

參考車解析的總體原則遵循先整體后系統(tǒng)，即第一階段先測試整車級性能，后解析系統(tǒng)零部件性能，解析流程及主要解析內(nèi)容如下圖。本文只介紹部分整車級性能解析結(jié)果。

圖1 參考車解析流程

3.2 參考車動力性能主觀駕評

經(jīng)過多人次多輪次駕評后，參考車駕駛性主觀評價結(jié)果如圖2。由此可知參考車性能最差的是城市工況下的動力性能，解析變速器發(fā)現(xiàn)參考車Ⅰ檔和Ⅱ檔的檔間比達(dá)2.0以上，使得增壓發(fā)動機渦輪遲滯效應(yīng)放大，導(dǎo)致主觀感受差。

圖2 參考車主觀評價結(jié)果

3.3 參考車動力性客觀測試結(jié)果

3.3.1 參考車整車參數(shù)表

經(jīng)過查詢及測試，參考車整車參數(shù)表見表2。

表2 參考車整車參數(shù)表

3.3.2 動力性測試結(jié)果

在標(biāo)準(zhǔn)試驗場，使用V-Box等設(shè)備測得參考車動力性各項指標(biāo)如下。

a、加速性能試驗結(jié)果（60～100km/h）

表3 60～100km/h試驗結(jié)果

b、加速性能試驗結(jié)果（0～400m）

表4 0～100km/h試驗結(jié)果

c、加速性能試驗結(jié)果（0～100km/h）

表5 0～100km/h試驗結(jié)果

d、加速性能試驗結(jié)果（最高車速）

表6 最高車速試驗結(jié)果

e、爬坡試驗結(jié)果

3.3.3 經(jīng)濟性測試結(jié)果

a、等速行駛油耗測試結(jié)果

b、綜合油耗（Ⅰ型試驗）

3.3.4? 參考車滑行測試結(jié)果

3.4 開發(fā)匹配正向計算

3.4.1 各擋速比正向計算

3.4.1.1 最高車速對應(yīng)速比的確定

整車變速器配置為6擋手動變速器，所以將最高車速設(shè)計在5擋，6擋做為經(jīng)濟擋位，降低整車油耗。整車行駛阻力設(shè)定選用參考車滑行數(shù)據(jù)，其中，A、B、C值分別為0.057、-1.013、216.1。整車動力配置為1.5L排量增壓發(fā)動機，發(fā)動機扭矩見下圖3。

圖3 發(fā)動機扭矩曲線

整車輪胎配置為225/60R17規(guī)格，將以上參數(shù)設(shè)定在CRUISE對應(yīng)模塊中，計算結(jié)果如下圖4，得出最高車速檔總速比為3.892。

圖4 最高擋總速比計算結(jié)果

3.4.1.2 一擋速比確定

根據(jù)經(jīng)驗一檔起步發(fā)動機轉(zhuǎn)速1000rpm，車速控制在7.5～8.5km/h之間為宜（最低穩(wěn)定車速低于7km/h），發(fā)動機1000rpm時車速取8.0km/h，即

V1000rpm=2*π*n*R/i1

帶入數(shù)據(jù)得出一擋速比i1=16.070。

3.4.1.3 中間擋位傳動比確定

經(jīng)濟型方案將最高車速設(shè)計在第五擋，第六擋速比是在保證一定動力性的前提下以提高燃油經(jīng)濟性（時速100km/h左右穿過發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)域）為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計。

根據(jù)基礎(chǔ)速比 ，其中is=iI/iV=16.070/3.892=4.129， =1.08，則K=1.2700，得出i5=3.892、i4=i5*K=4.943、i3=i4*K* =6.780、i2=i3*K* 2=10.043。

3.4.2 最高檔經(jīng)濟性分析

車輛動力性與經(jīng)濟性是兩個不可分割的性能指標(biāo)，一定情況下，理論上不存在完全理想的匹配方案，在實際工作中只能根據(jù)相關(guān)輸入和開發(fā)要求進(jìn)行折中或權(quán)衡。圖5較簡明地表明了動力性與經(jīng)濟性的關(guān)系：

圖5經(jīng)濟性計算介紹簡圖

圖6 最高檔總速比計算結(jié)果

分析圖6可知：在選取多組6擋速比進(jìn)行計算，在爬3%的坡度時，總速比為2.159時，整車最高車速最接近140km/h，所以6擋速比理論值取2.159。

3.4.3 仿真分析結(jié)果

運用AVL-Cruise對正向設(shè)計的速比進(jìn)行性能仿真分析驗證，仿真結(jié)果如下，本次分析僅為后期傳動系速比選型或速比正向設(shè)計提供參考。

表11 正向設(shè)計速比動力性經(jīng)濟性計算結(jié)果

3.5 傳動系統(tǒng)匹配選型

3.5.1 速比初選

依據(jù)正向計算結(jié)果，變速器供應(yīng)商根據(jù)當(dāng)前實際資源共提供了3組可行速比，見表12。

表12 初選的速比檔位1#速比2#速

3.5.2 選型確定

3.5.2.1動力性計算結(jié)果

用AVL-Cruise軟件分別對3組速比進(jìn)行動力性仿真，具體結(jié)果見表13。

表13動力性計算結(jié)果

結(jié)果顯示3#速比無論是最高車速還是加速時間均最優(yōu)，但其在相同車速時對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速更高，有油耗高的風(fēng)險。1#速比的動力性最差，1#速比和2#速比主要體現(xiàn)在Ⅰ擋和Ⅱ擋的不同，1#速比的擋間比為3.7273/2.0499=1.81，2#速比的擋間比為3.9091/2.2169=1.763，按照漸變原則匹配好中間擋位速比后，需要根據(jù)發(fā)動機的特性調(diào)整各擋間的擋間比，絕大多數(shù)乘用車變速器擋間比合理范圍如表14，為避免增壓發(fā)動機升擋后渦輪遲滯效應(yīng)影響駕駛性，故放棄1#速比。

表14 推薦檔間比

3.5.3.2 經(jīng)濟性計算結(jié)果

為保持XX車型在動力、經(jīng)濟性方面的平衡，還需對匹配2#速比和3#速比情況下的油耗進(jìn)行對比計算，詳見圖7。

圖7 最高檔工作曲線圖

根據(jù)仿真結(jié)果，最高檔120km/h工況點都落在260g/kwh內(nèi)，最高擋100km/h工況點都落在270g/kwh內(nèi)，計算具體等速油耗如表15。

表15 最高檔等速油耗計算結(jié)果

分析可知3#速比較2#速比最高擋等速油耗增加在0.2L/100km以內(nèi)，同時，3#速比的擋間比更小，更有利于駕駛平順性。

綜上所述，為保證整車動力性和駕駛舒適性選擇3#速比。

4 首輪開發(fā)驗收

4.1 動力性客觀驗證結(jié)果

車輛各總成零部件完成磨具件開發(fā)以及各控制器軟件相對穩(wěn)定后，在標(biāo)準(zhǔn)試驗場對樣車進(jìn)行動力性測試，結(jié)果見表16?？芍囕v動力性各項指標(biāo)均滿足開發(fā)目標(biāo)，但是該車15.4s的百公里加速成績一般，但符合車型定位，此外120km/h巡航時發(fā)動機穩(wěn)定轉(zhuǎn)速2850rpm，稍微偏高，可能會帶來NVH問題，因此需要特別注意。

表16 首輪動力性客觀驗收結(jié)果

4.2 經(jīng)濟性驗證結(jié)果

車輛各總成零部件完成磨具件開發(fā)以及各控制器軟件相對穩(wěn)定后，車輛經(jīng)濟性各項指標(biāo)測試結(jié)果見表8?？芍撥囕v經(jīng)濟性各項指標(biāo)均達(dá)到或超越目標(biāo)值。

表17 首輪經(jīng)濟性驗收結(jié)果

4.3 動力性主觀評價結(jié)果

評論驗收評分標(biāo)準(zhǔn)

4.4 經(jīng)驗總結(jié)及需改善內(nèi)容

圖8 動力性主觀評價結(jié)果

4.4.1 經(jīng)驗總結(jié)

本文通過對對標(biāo)車各項性能指標(biāo)進(jìn)行測試，并結(jié)合現(xiàn)有發(fā)動機性能，正向計算得到某車型6速手動變速器的各擋位理論速比。然后根據(jù)供應(yīng)商現(xiàn)有產(chǎn)品資源初選出3組備選方案，再利用計算機軟件仿真分析出該車輛分別搭載3組不同速比變速器時的各項動力性、經(jīng)濟性指標(biāo)，接著根據(jù)計算的結(jié)果選取最優(yōu)方案，最后實車搭載驗證各項指標(biāo)滿足開發(fā)需求。

在開發(fā)過程中借助計算機，仿真軟件等高效工具，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期同時又保證了開發(fā)車型的動力性經(jīng)濟性能滿足設(shè)計目標(biāo)。

總之，該車動力匹配是合理的，也為該車型后期市場大賣奠定了堅實的基礎(chǔ)。

4.4.2 需改善的內(nèi)容

通過該車型的匹配開發(fā)，我們也意識到當(dāng)前還有很多的不足，需要繼續(xù)學(xué)習(xí)鉆研改進(jìn)。

（1）在設(shè)計開發(fā)過程中未考慮空調(diào)壓縮機對整車動力性能和經(jīng)濟性能的影響。

（2）沒有對標(biāo)參考車的風(fēng)阻系數(shù)，整車風(fēng)阻系數(shù)還有進(jìn)一步的優(yōu)化空間，作為后期改善內(nèi)容。

（3）仿真用模型還需要進(jìn)一步優(yōu)化，精度還有待進(jìn)一步提升。

（4）主觀評價能力不足，評價還不夠深入。

未來，為進(jìn)一步提升動力匹配開發(fā)能力以及匹配效率，計劃對仿真模型進(jìn)行細(xì)化研究，結(jié)合工程經(jīng)驗，提出新的算法或是搭建新的模型。

參考文獻(xiàn)

[1] 余志生. 汽車?yán)碚揫M]，北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2] 李偉華. 汽車行駛特性仿真與動力總成的匹配優(yōu)化[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2000

[3] 隗寒冰， 李軍. 基于AVL/Cruise仿真平臺的汽車?yán)碚搶嶒灲虒W(xué)改革研究[J]. 科技信息， 2010（29）：590-591.

[4] 劉道東，王鐵，高昱，李海林.基于Cruise的某轎車動力傳動系統(tǒng)匹配優(yōu)化與整車性能仿真[J].汽車與配件，2010（40）：42-43.

[5] 裴梅香，張國耕. 基于Cruise動力總成選型及整車性能研究[J]. 泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，2012.

[6] 韓震，業(yè)德明，劉閃閃，喬瞾，劉建祥.基于CRUISE的乘用車起停技術(shù)性能仿真分析[J].汽車工程師，2012（02）：39-42+62.

[7] 冒文娟，石琴，李領(lǐng)領(lǐng).基于Cruise的實測行駛工況的油耗分析[J].汽車科技，2011（04）：45-48.

[8] 張德生，孫遠(yuǎn)濤，呂松濤，齊曉杰.基于CRUISE輕型乘用車傳動系統(tǒng)的建模與仿真[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，25（03）：6-9.

[9] 胡耀華，項發(fā)青，韓艷艷. 基于Cruise與Simulink的插電式并聯(lián)混動汽車性能仿真研究[J]. 奇瑞發(fā)動機工程研究院，2011.

[10]岳驚濤，廖苓平，彭莫. 汽車動力系統(tǒng)的合理匹配評價[J]. 汽車工程，2004.

[11]文孝霞，杜子學(xué)，欒延龍. 汽車動力傳動系統(tǒng)匹配研究[J]. 重慶交通學(xué)院學(xué)報，2006.