肖波，徐磊，袁進(jìn)

基于Cruise的整車動力經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化分析

肖波，徐磊，袁進(jìn)

（三一集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410100）

采用CRUISE軟件搭建載貨車整車動力鏈仿真模型，建立在同一款成熟發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上，通過Quasi-stationary等算法對不同動力鏈匹配的載貨車動力性及經(jīng)濟(jì)性展開分析，優(yōu)選出綜合性能較好的動力鏈?；诖藙恿︽溤谠囼?yàn)樣車上進(jìn)行道路試驗(yàn)，對比試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)，結(jié)果表明仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)在誤差范圍內(nèi)，通過仿真分析不同主減速比，確定的最佳動力鏈對產(chǎn)品研發(fā)階段配置選擇有重要指導(dǎo)意義，極大節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用，改善經(jīng)濟(jì)性，提高產(chǎn)品市場競爭力。

載貨車；Cruise仿真；動力性；經(jīng)濟(jì)性；試驗(yàn)驗(yàn)證

前言

汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性與動力性是衡量車輛性能與產(chǎn)品競爭力的兩項(xiàng)重要指標(biāo)。然而整車追求最佳動力性時，同時必須要有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性，兩者存在一定的沖突。為了縮短整車開發(fā)周期，迅速進(jìn)入市場占領(lǐng)份額，目前國內(nèi)的大部分企業(yè)均直接在國內(nèi)成熟柴油發(fā)動機(jī)上選型，然而成熟發(fā)動機(jī)萬有特性及經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)間分布基本都很難再調(diào)整，在發(fā)動機(jī)外特性及最大扭矩段不易更改的前提下，如何選擇合適的動力傳動匹配來保證整車同時具有良好的動力與經(jīng)濟(jì)性顯得尤為重要[1]。

在產(chǎn)品開發(fā)周期短，試驗(yàn)驗(yàn)證時間不充分，市場應(yīng)用情況及客戶要求等背景下，我司選擇3.7速比為驅(qū)動橋主減速比，這樣直接通過經(jīng)驗(yàn)來選擇的方式不太合理，為獲得最佳動力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，應(yīng)用AVL CRUISE軟件對不同配置動力鏈的動力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析，達(dá)到優(yōu)化整車性能的目標(biāo)。

文中采用Cruise軟件建立載貨車的仿真模型，計(jì)算八種不同動力匹配情況下整車的最高車速、爬坡度、超車加速時間、C-WTVC油耗等性能參數(shù)，優(yōu)選出最佳動力鏈，并按照仿真優(yōu)選出的動力鏈進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證對比分析，確認(rèn)優(yōu)化方案的有效性。

1 載貨車參數(shù)及數(shù)學(xué)模型建立

1.1 整車基本參數(shù)

該載貨車為一款8×4載貨車，搭載為430馬力6缸渦輪增壓柴油發(fā)動機(jī)，12檔12JSDX240TA變速箱，后橋速比為3.7；驅(qū)動形式為后輪驅(qū)動，整車總質(zhì)量31t，整車基本參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)

1.2 整車傳動系統(tǒng)模型建立

汽車在水平直線道路上行駛時，存在滾動阻力及空氣阻力；當(dāng)汽車在上坡時，還需克服沿坡道方向的坡度阻力；汽車在加速的過程中，還需克服其質(zhì)量加速運(yùn)動時的慣性力。CRUISE中涉及的阻力包括：滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力以及慣性阻力四部分[2]。

汽車行駛時平衡方程式為：

式中，F為汽車牽引力；F為汽車滾動阻力；F為空氣阻力；F為汽車的慣性阻力；F為汽車坡度阻力。各種受力的展開如下：

汽車牽引力：

其中T表示發(fā)動機(jī)扭矩，T表示附件扭矩，i表示變速箱速比，i表示主減速比，η表示傳動系的機(jī)械效率，表示輪胎滾動半徑。

滾動阻力：

其中表示整車質(zhì)量，表示重力加速度，表示坡度百分比。

空氣阻力：

其中C表示空氣阻力系數(shù)，表示整車迎風(fēng)面積，ρ表示空氣密度，V表示車速，V表示風(fēng)速。

慣性阻力：

坡度阻力：

其中表示整車質(zhì)量，表示重力加速度，表示坡度百分比。

如下圖1所示，汽車在運(yùn)動過程中，能量會按比例分配到不同的部件上，滾動阻力與空氣阻力在汽車行駛一直會存在，再坡道上時，坡度阻力和慣性阻力均會存在。

圖1 整車能量流分布

1.3 整車動力性匹配原理

整車匹配動力性的評價指標(biāo)有最高車速、爬坡能力、加速能力等，其中最高車速是在類似瀝青或者混泥土水平良好路況行駛，汽車能達(dá)到的最高速度。

功率平衡方程汽車運(yùn)動過程中的阻力所消耗的功率包括空氣阻力功率P、滾動阻力功率P、慣性阻力P、坡度阻力P，綜上汽車功率平衡方程如下[3]：

當(dāng)阻力功率曲線與最高檔功率曲線相交時，此時對應(yīng)的車速即為整車的最高車速V，由式(7)和式(8)的功率平衡方程可得。

式中：

為汽車懸置質(zhì)量換算系數(shù)。

其次，汽車用最大爬坡度來表示滿載時汽車在良好路況上的爬坡能力。重卡在國道、省道、礦區(qū)、山地等各種路況上行駛，所以最大爬坡度也是動力性的重要評價指標(biāo)[4]。

最大爬坡度的公式如下所示：

其中：

G：整車質(zhì)量（N）

R：輪胎滾動半徑（m）

：輪胎滾動阻力系數(shù)

θ：汽車最大爬坡角度

μ：汽車傳動系效率

I1：汽車變速器第一檔速比

0：汽車驅(qū)動橋減速比

T：汽車最大扭矩

汽車加速能力指車輛在路面行駛時，產(chǎn)生加速度的能力，一般可以通過加速時間及各檔位加速度大小來評價。以下通過仿真分析載貨車的動力及經(jīng)濟(jì)性來優(yōu)選出最佳動力鏈。

2 載貨車CRUISE仿真模型建立

AVL CRUISE可以提供結(jié)構(gòu)化的建模方式和先進(jìn)的數(shù)據(jù)管理理念，采用AVL CRUISE軟件可以建立整車、發(fā)動機(jī)、變速箱、離合器、差速器、主減速器、制動器、輪胎等組成整車動力傳動系統(tǒng)，選擇Commercial Vehicle模式進(jìn)行模型建立。

建模時選擇相應(yīng)的模塊搭建模型，每個部件包括動力輸入、輸出接口，加入駕駛室模塊以對車輛進(jìn)行控制，添加元件之后將機(jī)械元件和總線數(shù)據(jù)連接后，即完成整車仿真模型的搭建，如下圖2所示。

圖2 整車仿真模型

對整車參數(shù)中輸入軸距、重心、重量、風(fēng)阻系數(shù)及迎風(fēng)面積等參數(shù)，其中最關(guān)鍵的時阻力模型的選擇準(zhǔn)確性?？偣灿?總阻力模型可以選擇，分別為理論阻力模型、參考車輛阻力方程、參考車輛阻力曲線、非參考車輛阻力方程、非參考車助力方程以及非參考車阻力曲線。本文中選用車輛實(shí)際測試的整車滿載滑行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過最小二乘法擬合出對應(yīng)的阻力模型，簡化公式如式（10）所示：

通過這種方法能使其仿真值能與實(shí)際情況更接近，阻力方程的界面如圖3所示。

發(fā)動機(jī)參數(shù)中最關(guān)鍵的部分為準(zhǔn)確的發(fā)動機(jī)外特性數(shù)據(jù)、油耗萬有特性數(shù)據(jù)及發(fā)動機(jī)油門特性，能夠?qū)l(fā)動機(jī)的燃油消耗量準(zhǔn)確的表示，如圖4和圖5所示：

圖4 發(fā)動機(jī)外特性曲線

圖5 發(fā)動機(jī)萬有特性曲線

完成整車及發(fā)動機(jī)等各元件參數(shù)設(shè)置后，即可建立不同計(jì)算任務(wù)，可分為兩大類：動力性和經(jīng)濟(jì)性，細(xì)分為循環(huán)行駛工況（Cycle Run）、爬坡性能分析（Climbing Performance）、穩(wěn)態(tài)行駛性能分析（Constant Drive）、全負(fù)荷加速性能計(jì)算（Full Load Acceleration）、最大牽引力計(jì)算（Maximum Traction Force）、制動/滑行/反拖性能分析。

對8種組合方案動力匹配進(jìn)行仿真，數(shù)據(jù)如下表2所示。

通過對表2中的參數(shù)進(jìn)行分析可知，超車加速性能3.7速比均優(yōu)于其他速比，百公里油耗基本相當(dāng)。根據(jù)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速與扭矩圖可以看出發(fā)動機(jī)最低比油耗區(qū)間，這個區(qū)域一般稱為經(jīng)濟(jì)區(qū)間。通過對不同速比的匹配分析，把工作區(qū)間向經(jīng)濟(jì)區(qū)間移動，對比油耗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，選擇合適的速比可以坐在應(yīng)用時工作區(qū)間最靠近發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)間。改變后橋速比對整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響最小，開發(fā)周期也短，最終選定3.7主減速比。

表2 整車仿真參數(shù)

3 載貨車試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果分析

完成最優(yōu)方案配置后，進(jìn)行整車裝配并開展試驗(yàn)，試驗(yàn)路段為丘陵高速路段比例98%；普通路段比例2%。獲得的公路油耗扭矩時間/油耗時間百分比氣泡圖如圖6所示，司機(jī)駕駛檔位使用/油門使用頻次百分比如圖7所示，公路油耗試驗(yàn)車速、海拔及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如下圖8所示：

圖6 公路油耗扭矩時間/油耗時間百分比氣泡圖

圖7 駕駛檔位使用/油門使用頻次百分比

圖8 路油耗試驗(yàn)車速、海拔及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

經(jīng)過以上各圖分析：發(fā)動機(jī)基本上都是工作在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速區(qū)間，但是由于道路是丘陵高速（占比高達(dá)98%），海拔高度波動比較大，導(dǎo)致上坡時加速比較多，大扭矩輸出的比例比較多，比平原高速費(fèi)油。另外司機(jī)在爬坡時未提前切換檔位，車速有所下降，導(dǎo)致平均車速（70.2）低一些，大部分時間在12檔上，要是把平均車速控制80km/h，油門開度會大一點(diǎn)，大油門頻次百分比會增加，油耗結(jié)果值會隨之提升。

將試驗(yàn)結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比如表3所示：

表3 整車仿真與試驗(yàn)對比

4 結(jié)論

通過以上對一種搭載成熟發(fā)動機(jī)的8×4 載貨車的動力性經(jīng)濟(jì)性的分析與改善，可以得到如下結(jié)論：

1）市場上發(fā)動機(jī)基本已成熟，萬有特性等均已確定，在整車匹配設(shè)計(jì)過程中，必須匹配最優(yōu)的速比來達(dá)到動力性和經(jīng)濟(jì)性的平衡點(diǎn)。

2）整車匹配完成熟發(fā)動機(jī)后，根據(jù)發(fā)動機(jī)MAP的經(jīng)濟(jì)區(qū)間，滿足一定動力性條件情況下選擇部分速比，判斷常用車速的發(fā)動機(jī)工作區(qū)間與經(jīng)濟(jì)區(qū)間的吻合程度選定速比。

3）應(yīng)用CRUISE仿真軟件，建立工況切合實(shí)際的仿真模型，選出較優(yōu)的速比，再根據(jù)較優(yōu)速比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以明確驗(yàn)證的方向，極大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，結(jié)果證明仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)實(shí)測值誤差在可控范圍內(nèi)，完全能夠提供實(shí)際指導(dǎo)意義，能有效提升產(chǎn)品的市場競爭力。

[1] 高海文,王虹,王瑞鑫,王有磊,李軼楠,劉銀鳳.基于AVL CRUISE新開發(fā)速比驅(qū)動橋的動力性仿真研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2018,(1).

[2] 朱偉偉,陳剛.某載貨車動力性經(jīng)濟(jì)性的分析與優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2015,(3).

[3] 王銳,何洪文.基于Cruise的整車動力性能仿真分析[J].車輛與動力技術(shù),2009,(2).

[4] 黃加先,趙斌海,嚴(yán)永華.重型載貨車動力總成優(yōu)化匹配研究[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造,2007,(2).

Cruise-based Optimization Analysis of Vehicle Power Economy

Xiao Bo, Xu Lei, Yuan Jin

( Sany Group Co., Ltd., Hunan Changsha 410100 )

The CRUISE software is used to build the simulation model of the power chain of the truck, based on the same mature engine, and the power and economy of the truck with different power chains are analyzed through Quasi-stationary and other algorithms. Power chain with better performance. Based on this power chain, the road test is carried out on the test sample car, and the test and simulation data are compared. The results show that the simulation and test data are within the error range, and the different main reduction ratios are analyzed through simulation to determine the optimal power chain configuration selection for the product development stage. It has important guiding significance, greatly saves test costs, improves economy, and improves product market competitiveness.

Words truck; Cruise simulation; Power performance; Economy; Test verification

A

1671-7988(2020)24-92-04

U462.3

A

1671-7988(2020)24-92-04

肖波（1991-），碩士，三一集團(tuán)有限公司動力工程師，研究方向：動力工程方向。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.031

CLC NO.: U462.3