孫亞琨，王長(zhǎng)明，王天標(biāo)，李鑫旸

（1.山東輕工職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，山東 淄博 255000；2.山東唐駿歐鈴汽車制造有限公司 汽車研究院，山東 淄博 255000）

1 前言

目前影響整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的主要因素是發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)，而且二者的匹配是否合理決定著整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[1]。根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系進(jìn)行了簡(jiǎn)單的匹配設(shè)計(jì)，也只能在進(jìn)行實(shí)車道路試驗(yàn)之后才能分析評(píng)價(jià)車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。這種方法不但會(huì)造成生產(chǎn)周期長(zhǎng)、重復(fù)性差、開(kāi)發(fā)成本高[2]，而且在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)總成方案的選擇確定、傳動(dòng)系速比分配與發(fā)動(dòng)機(jī)的性能匹配帶有盲目性，并且浪費(fèi)人力和物力。本文基于CRUISE軟件對(duì)某款燃油卡車進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)系的匹配進(jìn)行研究，尋找最優(yōu)的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配。

2 AVL-CURISE建模與仿真

根據(jù)市場(chǎng)需求，該車的動(dòng)力性要求如下：

（1）最高車速大于85km/h；

（2）0-60km/h的加速時(shí)間小于20s；

（3）最大爬坡度大于20%。

2.1 某燃油車模型的建立

AVL CRUISE 軟件采用拖拽式建模方法，該車型是后輪驅(qū)動(dòng)，根據(jù)該車的特點(diǎn)，從左側(cè)元件庫(kù)中拖出所需的元件，如圖1所示，依次建立發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、整車模塊、變速器模塊、主減速器模塊、輪胎模塊、駕駛員模塊、然后建立模塊之間的物理連接與數(shù)據(jù)連接[3]，修改模塊參數(shù)為該車的實(shí)際參數(shù)，最終建立的整車仿真模型如圖2所示。

圖1 元件庫(kù)模塊窗口

圖2 整車仿真模型

2.2 建立計(jì)算任務(wù)[4]

在這里只用到最高車速模擬計(jì)算，加速性能模擬計(jì)算，爬坡性能模擬計(jì)算，經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)的計(jì)算。

具體加載過(guò)程如下：

右擊 project，會(huì)彈出下拉菜單，選擇其中的 add，再選task folder，這樣就增加了一個(gè)task folder，這個(gè)task folder是空的，下面進(jìn)行設(shè)置：右擊剛建好的task folder，選擇add，add的下拉菜單會(huì)有要選擇計(jì)算項(xiàng)目，如cycle run，climbing performance，full load acceleration等等。

2.3 仿真計(jì)算結(jié)果

把以前建立的模塊都導(dǎo)入到component variation里如圖3所示。再把其他五個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)和兩個(gè)變速箱加載進(jìn)來(lái)，加載方法如下：點(diǎn)擊number右側(cè)的筆樣按鈕，會(huì)出現(xiàn)圖4所示的對(duì)話框，點(diǎn)擊add就可以加載其他發(fā)動(dòng)機(jī)，在這里加載四個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)橐呀?jīng)有一個(gè)發(fā)動(dòng)在開(kāi)始就加載了，變速箱的加載方法是一樣的，確認(rèn)無(wú)誤就可以計(jì)算了。本文匹配4個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，兩個(gè)變速箱，共有八組計(jì)算任務(wù)。

現(xiàn)用Cruise模擬改車四工況，得出發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性圖中發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)分布，現(xiàn)有八種匹配方案，故有八個(gè)萬(wàn)有特性曲線圖[5]。

方案一：119發(fā)動(dòng)機(jī)和B變速箱組合；

方案二：119發(fā)動(dòng)機(jī)和A變速箱組合；

方案三：163發(fā)動(dòng)機(jī)和B變速箱組合；

方案四：163發(fā)動(dòng)機(jī)和A變速箱組合；

為全面實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型本科院校轉(zhuǎn)型，地方本科高校應(yīng)該結(jié)合服裝設(shè)計(jì)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新實(shí)踐，認(rèn)真研判當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)人才需求的導(dǎo)向，重點(diǎn)解決發(fā)展理念、發(fā)展定位、發(fā)展特色和人才培養(yǎng)機(jī)制體制等方面的一系列問(wèn)題。

方案五：205發(fā)動(dòng)機(jī)和B變速箱組合；

方案六：205發(fā)動(dòng)機(jī)和A變速箱組合；

方案七：92發(fā)動(dòng)機(jī)和B變速箱組合；

方案八：92發(fā)動(dòng)機(jī)和A變速箱組合。

發(fā)動(dòng)機(jī)119和B變速器組合，簡(jiǎn)化為119B，以下均用這種方法表示。

圖3 導(dǎo)入數(shù)據(jù)后界面

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)加載窗口

2.3.1 最高車速模擬計(jì)算

通過(guò)仿真計(jì)算，最高車速數(shù)值見(jiàn)下表1。

表1 最高車速數(shù)值

2.3.2 加速性能模擬計(jì)算

通過(guò)仿真計(jì)算，得出0-60km/h加速性性能結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 0-60km/h加速時(shí)間

根據(jù)要求0-60s的加速時(shí)間要低于20s，故能排除方案三和四。

2.3.3 爬坡性能模擬計(jì)算

排除不合格的組合，剩余方案爬坡計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表3。

表3 爬坡性能結(jié)果

要求的爬坡度是大于20%，上述的方案均滿足要求。

2.3.4 燃油經(jīng)濟(jì)性模擬計(jì)算

通過(guò)仿真計(jì)算，剩余其他方案的燃油經(jīng)濟(jì)性見(jiàn)下表4。

表4 燃油經(jīng)濟(jì)性結(jié)果

對(duì)比分析，方案一和方案二的油耗太高，說(shuō)明119發(fā)動(dòng)機(jī)根本就不能使車輛正常運(yùn)行，或在極端惡劣環(huán)境下運(yùn)行，一旦運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)也是承受不了的，屬于小馬拉大車的情況?，F(xiàn)在就對(duì)比方案五和方案六，方案五的百公里油耗比方案六要低17%左右，對(duì)經(jīng)濟(jì)性來(lái)講，這是相當(dāng)可觀的。故選擇方案五。

上述的結(jié)果也可以從發(fā)動(dòng)機(jī)工作的萬(wàn)有特性曲線中看出，根據(jù)圖5、6、7、8分析結(jié)果如下：

圖5 方案三 163B工作點(diǎn)萬(wàn)有特性分布圖

圖6 方案四 163A工作點(diǎn)萬(wàn)有特性分布圖

上述圖中橫坐標(biāo)表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，左側(cè)縱坐標(biāo)表示扭矩，右側(cè)縱坐標(biāo)表示工作頻率，即在這個(gè)狀態(tài)工作次數(shù)的多少，等燃油消耗率曲線的形狀及分布情況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)使用經(jīng)濟(jì)性有很大影響。等燃油消耗率曲線最內(nèi)層為最經(jīng)濟(jì)區(qū)，曲線越向外，經(jīng)濟(jì)性越差。如果等燃油消耗率曲線橫向較長(zhǎng)，表示發(fā)動(dòng)機(jī)在負(fù)荷變化不大而轉(zhuǎn)速變化較大的情況下油耗較小。如果等燃油消耗率曲線縱向較長(zhǎng)，而發(fā)動(dòng)機(jī)在負(fù)荷變化較大而轉(zhuǎn)速變化較小的情況下燃油消耗率較小，對(duì)不常用中等負(fù)荷，中等轉(zhuǎn)速工況的車用發(fā)動(dòng)機(jī)，希望其最經(jīng)濟(jì)區(qū)處于萬(wàn)有特性中部，等燃油消耗率曲線橫向較長(zhǎng)。對(duì)轉(zhuǎn)速變化范圍較小而負(fù)荷變化較大的工程機(jī)械用發(fā)動(dòng)機(jī)，希望最經(jīng)濟(jì)區(qū)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速附近，等燃油消耗率曲線縱向較長(zhǎng)些。

圖7 方案五 205B工作點(diǎn)萬(wàn)有特性分布圖

圖8 方案六 205A工作點(diǎn)萬(wàn)有特性分布圖

發(fā)動(dòng)機(jī)119號(hào)和92號(hào)，CRUISE無(wú)法畫出四工況下的工作點(diǎn)萬(wàn)有特性分布圖，說(shuō)明這兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)匹配不成功，存在致命問(wèn)題，故現(xiàn)在就可以排除這二個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。其他163和205發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法排除，但從圖中也可以看出205發(fā)動(dòng)機(jī)工作得更好，其后備功率大（后備功率=額定功率—當(dāng)前使用功率），安裝 205發(fā)動(dòng)機(jī)的車在急加速，高速行駛時(shí)表現(xiàn)更好，163的發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定區(qū)工作，且工作頻率高，其后備功率不足，無(wú)法滿足有些惡劣環(huán)境，其使用壽命也比較短，這種圖對(duì)工程機(jī)械用發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)講，是可以的，但在卡車上是不可以的，從這些分析可以看出，選擇163發(fā)動(dòng)機(jī)是不明智的。下面只有205發(fā)動(dòng)機(jī)了。從圖中只能說(shuō)明205A組合比205B組合在有些時(shí)間里其發(fā)動(dòng)機(jī)工作在更經(jīng)濟(jì)區(qū)，但并不能說(shuō)明四工況的百公里油耗誰(shuí)更低，在這就難以抉擇了，需要定量的計(jì)算。上述僅僅是定性分析，并不能決定實(shí)際結(jié)果。

3 總結(jié)

本文的核心問(wèn)題是對(duì)4個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，兩個(gè)變速器，一個(gè)整車三者的合理匹配，匹配結(jié)果是找出動(dòng)力性最好，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的匹配方案，最后得出 205B的匹配方案是最好的，綜合考慮了動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。本次匹配雖然是成功的，但不是最優(yōu)的，本文僅僅是對(duì)傳動(dòng)系的匹配，要想對(duì)傳動(dòng)系的優(yōu)化，需要對(duì)傳動(dòng)系參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，運(yùn)用CURISE得出結(jié)果，進(jìn)行比較，在不同萬(wàn)有特性圖中找出最優(yōu)工作工況圖，其他特性也最優(yōu)，即進(jìn)行不斷的嘗試，直到達(dá)到理想的結(jié)果。