郁逸楨 鄭長江

摘 要：動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)作為影響車輛動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的重要部件，開展傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對車輛研發(fā)具有重要意義。文中基于Cruise軟件建立了整車模型，將仿真結(jié)果對比工信部實(shí)測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了Cruise軟件所建立的車輛仿真模型是可靠的。動(dòng)力性計(jì)算指標(biāo)誤差在3%以內(nèi)，燃油經(jīng)濟(jì)性誤差在5%以內(nèi)，具有較高精度。通過改變傳動(dòng)系統(tǒng)中主減速器傳動(dòng)比和變速器各擋位傳動(dòng)比對車輛性能進(jìn)行優(yōu)化，在動(dòng)力性減弱1.82%的情況下，提升了6.97%的經(jīng)濟(jì)性，符合當(dāng)前節(jié)能減排的發(fā)展趨勢。該研究結(jié)果表明：基于Cruise軟件對車輛進(jìn)行性能優(yōu)化是非常有必要的，具有重要的工程應(yīng)用和理論參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力性;燃油經(jīng)濟(jì)性;Cruise仿真模擬;優(yōu)化匹配

中圖分類號：U462.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

車輛的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性是綜合評估汽車性能的重要指標(biāo)。王銳[1]通過對比某車型的動(dòng)力性理論數(shù)據(jù)和Cruise軟件仿真結(jié)果得出，仿真分析精確度高于理論計(jì)算。朱路生[2]針對輕型卡車建模仿真，對比分析了Mule車和標(biāo)桿車型，確認(rèn)了Mule車性能指標(biāo)優(yōu)于標(biāo)桿車型，具備細(xì)分市場的差異化競爭力。王琳[3]基于Cruise軟件仿真分析了某款手動(dòng)擋汽車，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比研究，驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)建模仿真分析應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)研究的可行性。采用軟件仿真并配合試驗(yàn)研究，在整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性評價(jià)方面取得了較好的應(yīng)用效果。然而，現(xiàn)有基于Cruise軟件對車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)行優(yōu)化的研究較少，且大部分僅通過調(diào)節(jié)變速器一擋或最高擋的傳動(dòng)比進(jìn)行優(yōu)化分析，本文通過設(shè)置不同的變速器各擋位傳動(dòng)比參數(shù)及主減速器比參數(shù)，進(jìn)行組合優(yōu)化，更進(jìn)一步的優(yōu)化了傳動(dòng)系統(tǒng)，綜合提升了車輛的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 動(dòng)力性評價(jià)指標(biāo)

動(dòng)力是汽車最基本最重要的性能。評價(jià)車輛動(dòng)力性的幾項(xiàng)重要指標(biāo)即最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度[4-6]。

（1）最高車速：在水平且條件良好的路面上車輛所能達(dá)到的最高行駛速度，即無風(fēng)條件下車輛在平坦路面行駛時(shí)，行駛阻力和驅(qū)動(dòng)力平衡時(shí)的車速[7]。

（2）加速時(shí)間：通常使用汽車的加速時(shí)間來表示汽車的加速能力，它能很大程度上影響車輛的平均行駛車速。加速時(shí)間分為原地起步加速時(shí)間與超車加速時(shí)間[9]。

由運(yùn)動(dòng)學(xué)可知：

dt=1adu;（1）

t=∫t0dt=∫μ2μ11adu=A。（2）

式中，t表示車輛的加速時(shí)間，s;u表示車輛的行駛速度，km/h;a表示車輛最高擋或直接擋加速度，m/s;u1表示車輛起始加速的速度，km/h;u2表示車輛加速終止的速度，km/h。

可通過圖解積分求得車輛的加速時(shí)間。

（3）最大爬坡度imax：車輛滿載（或某一載荷質(zhì)量）時(shí)在水平良好路面的上坡能力。通常情況下，車輛1擋的最大爬坡度即汽車的最大爬坡度[10]。則最大爬坡度為：

imax=tan αmax。（3）

式中，αmax表示最大爬坡角度。

1.2 燃油經(jīng)濟(jì)性評價(jià)指標(biāo)

汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性即在不影響車輛動(dòng)力性能時(shí)，以較少的油耗進(jìn)行經(jīng)濟(jì)行駛的能力[11]。車身形狀、發(fā)動(dòng)機(jī)排量與功率、變速器傳動(dòng)比、主減速器傳動(dòng)比等結(jié)構(gòu)參數(shù)都能一定程度的影響汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性[12]。通常使用車輛行駛100 km的燃油消耗量這一指標(biāo)來評價(jià)車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。

等速百公里燃油消耗法的優(yōu)勢在于測量較為簡單，同時(shí)不可避免的劣勢即這種方法并不能非常全面的做出評價(jià)，它忽略了車輛在運(yùn)行過程中路況、天氣等自然因素的變化[13]。尤其是在城市中行駛時(shí)，車速穩(wěn)定在某一定值基本是不可能的，車輛由于復(fù)雜的路況會(huì)頻繁的加速、減速、怠速、起步、停車。所以，等速百公里油耗法測量得出的結(jié)論是相對片面的。實(shí)際的行駛過程中，由于城市路況的復(fù)雜性，車輛完全處于等速行駛的狀態(tài)是不現(xiàn)實(shí)的。因此綜合多種行駛工況的循環(huán)工況燃，油消耗量用以評價(jià)整車的經(jīng)濟(jì)性是非常符合實(shí)際，更加真實(shí)可信。

2 整車仿真模型的建立

奧地利的李斯特內(nèi)燃機(jī)及測試設(shè)備公司主導(dǎo)研發(fā)的Cruise軟件是現(xiàn)在用戶最多、運(yùn)用程度最廣的仿真軟件之一。

Cruise軟件采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，將車輛的零部件和總成設(shè)計(jì)為獨(dú)立的模塊，按照車輛動(dòng)力的傳遞路線來搭建整車模型，從而對車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行分析和預(yù)測[15]。

搭建Cruise整車模型的步驟如下：

（1）分析車輛的各個(gè)組成部件及其結(jié)構(gòu)布置，搜集所需參數(shù)。

（2）根據(jù)車輛實(shí)際情況，將元件庫中選中的整車、輪胎、發(fā)動(dòng)機(jī)、主減速器、差速器、離合器等子模塊拖拽到相應(yīng)的編輯區(qū)域，修改調(diào)整各參數(shù)數(shù)值。

（3）綜合考慮整車各部件間的結(jié)構(gòu)關(guān)系和數(shù)字信號傳遞流程，對發(fā)動(dòng)機(jī)、主減速器等部件進(jìn)行機(jī)械和信號連接，并進(jìn)行相應(yīng)的檢查校核。

（4）根據(jù)研究需要設(shè)置計(jì)算任務(wù)，如車輛加速性能、循環(huán)工況等。

（5）運(yùn)行計(jì)算任務(wù)并分析仿真結(jié)果。

搭建整車模型的工作流程如圖1所示，整車模型如圖2所示。

在搭建完成的整車模型各個(gè)模塊中輸入相應(yīng)的參數(shù)，如表1所示。

為在Cruise仿真軟件中計(jì)算各指標(biāo)，本文布置的任務(wù)包括：

（1）循環(huán)行駛工況：用于計(jì)算車輛的經(jīng)濟(jì)性及排放性能。

（2）爬坡性能：該任務(wù)屬于靜態(tài)計(jì)算，可得出整車在滿載的狀態(tài)下各個(gè)擋位的最大爬坡度，并得到相應(yīng)曲線。

（3）穩(wěn)態(tài)行駛：該任務(wù)可計(jì)算車輛各擋位的性能和最高車速。

（4）全負(fù)荷加速：該任務(wù)下設(shè)各擋位的最大加速度計(jì)算、原地起步連續(xù)換擋加速度計(jì)算、超車加速度計(jì)算三個(gè)子任務(wù)。

（5）巡航行駛工況：通過計(jì)算可得往返兩城之間的總油耗量和排放情況。

3 整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果分析

3.1 動(dòng)力性仿真

（1）最高車速：車輛的最高車速受發(fā)動(dòng)機(jī)功率、最大轉(zhuǎn)矩和傳動(dòng)系傳動(dòng)比等因素的限制。基于Cruise軟件仿真可求得車輛在各個(gè)擋位下的最高車速，車輛在1擋時(shí)的最高速度可達(dá)50 km/h，此時(shí)轉(zhuǎn)速為4 870 r/min;車輛的最高車速即最高擋位6擋時(shí)的最大速度187 km/h，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4 820 r/min。

（2）最大加速度：Full Load Acceleration in all Gears板塊中將顯示各個(gè)擋位的最大加速度仿真計(jì)算結(jié)果。車輛在一擋時(shí)的加速度最大，其數(shù)值為4.03 m/s2，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為4 286 r/min。車輛的最大加速度隨著擋位的升高逐步降低，2擋時(shí)的最大加速度可達(dá)2.72 m/s2，3擋之后的最大加速度降低明顯，6擋時(shí)的最大加速度只有0.63 m/s2，所以車輛在高速上以高擋位定速巡航時(shí)需要進(jìn)行超車時(shí)車輛會(huì)積極降擋，以求得較大的加速度。加速度曲線如圖3所示。

（3）原地起步連續(xù)換擋加速時(shí)間：車輛從0 km/h加速至60 km/h所用時(shí)間為6.84 s，達(dá)到60 km/h時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 625 r/min，從0 km/h加速至100 km/h所用時(shí)間為13 s，達(dá)到100 km/h時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為4 376 r/min，加速能力處于良好的水準(zhǔn)，與實(shí)際測得的加速時(shí)間相差不大。原地起步加速時(shí)間曲線如圖4所示。

3.2 燃油經(jīng)濟(jì)性性仿真

（1）等速百公里油耗

仿真結(jié)果顯示次高擋以80 km/h等速行駛時(shí)燃油消耗量為5.45 L/100 km，120 km/h等速行駛時(shí)燃油消耗量為7.12 L/100 km。分析圖中相應(yīng)數(shù)據(jù)可得出結(jié)論：當(dāng)車速相同時(shí)，整車可掛入的擋位中，當(dāng)掛入的擋位越高，其轉(zhuǎn)速較低，油耗較小。車輛等速百公里燃油消耗如表2所示。

（2）UDC循環(huán)工況燃油消耗

城市循環(huán)工況（urban driving cycle，UDC）即多工況循環(huán)下的油耗量，其數(shù)值可近似等同于車輛在市區(qū)內(nèi)行駛時(shí)真實(shí)的燃油消耗量。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)顯示：此過程的平均燃油消耗量為12.87 L/100 km。

（3）NEDC循環(huán)工況燃油消耗

新歐洲沿車法規(guī)循環(huán)工況（new european driving cycle，NEDC）則是將城市區(qū)域內(nèi)的循環(huán)工況與城市郊外的循環(huán)工況相結(jié)合。較之UDC工況，NEDC工況的優(yōu)勢在于顯示的燃油消耗量更加真實(shí)。由于是通過計(jì)算機(jī)仿真軟件Cruise來進(jìn)行模擬計(jì)算的，通常可以將駕駛?cè)藛T帶來的誤差，例如換擋時(shí)間、車速控制、反應(yīng)時(shí)間等人為的因素忽略掉。理論上的計(jì)算結(jié)果將更加準(zhǔn)確。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)顯示：車輛在行駛過程中的平均燃油消耗量為9.47 L/100 km。

車輛發(fā)動(dòng)機(jī)處于NEDC循環(huán)工況下的十四工況圖如圖5所示。

分析圖5中圓圈分布的密集程度及數(shù)值大小，可以得出車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分工作點(diǎn)集中在1 050～2 650 r/min這一轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，說明NEDC工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的利用率較高，發(fā)動(dòng)機(jī)整體工況改善明顯。

3.3 仿真結(jié)果對比分析

動(dòng)力性仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比如表3。經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比如表4。其中表3、表4中的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)來源于工信部試驗(yàn)場實(shí)車測試。

根據(jù)表3，最高車速的誤差率是2.75%，0～60 km/h和0～100 km/h加速時(shí)間誤差分別是0.11 s和0.3 s，誤差率最大為2.26%，最大加速度誤差為0.08 m/s2，動(dòng)力性方面的模擬計(jì)算值與試驗(yàn)場實(shí)車檢驗(yàn)得出的數(shù)值誤差小于3%。

根據(jù)表4，經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)由于復(fù)雜的路況、車況和以及駕駛員不同的駕駛習(xí)慣，計(jì)算誤差稍大，但最大誤差也在5%以內(nèi)，且衡量燃油經(jīng)濟(jì)性最真實(shí)有效的NEDC循環(huán)工況燃油消耗指標(biāo)誤差率僅為1.5%，故本文建立的緊湊型車Cruise仿真模型計(jì)算精度較高。

4 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配

車輛傳動(dòng)系的傳動(dòng)比分為兩類：主傳動(dòng)器的傳動(dòng)比及變速器的各擋位的傳動(dòng)比。本文通過綜合改變變速器各擋位的傳動(dòng)比以及主減速器的傳動(dòng)比來提高汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。本文參考幾款主流的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)范圍，選定了三組不同的變速器和三組不同的主減速器，一款變速器搭配一款主減速器，從而分別組合成9組方案來對比傳動(dòng)方案的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性性能。變速器各擋位傳動(dòng)比設(shè)置參數(shù)如表5所示，主減速器傳動(dòng)比設(shè)置方案如表6所示，傳動(dòng)方案組合如表7所示。

基于Cruise軟件對組合而成的9組傳動(dòng)方案進(jìn)行仿真模擬分析，在對整車動(dòng)力性能及燃油經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行評價(jià)時(shí)，選取下列評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行模擬計(jì)算，各方案的汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的仿真結(jié)果如表8。

對表8中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，可以看出方案3、方案5、方案6充分考慮了車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，較為節(jié)省燃油。方案1、方案4、方案7則充分保障了車輛的動(dòng)力性能。綜合考慮家用車的日常行駛路況及需求，應(yīng)對車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性提出較高的要求。

方案3、方案5、方案6在0～100 km/h加速時(shí)間、最高車速及最大加速度方面均表現(xiàn)良好，符合國家相關(guān)要求及日常家用需要。綜合對比各燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，確定方案6為最優(yōu)方案，即變速器2（一擋傳動(dòng)比為4.28，二擋傳動(dòng)比為2.793， 三擋傳動(dòng)比為1.484，四擋傳動(dòng)比為1.0，五擋傳動(dòng)比為0.717，六擋傳動(dòng)比為0.60），主減速器3（主減速器傳動(dòng)比為3.90）。方案6在保證了動(dòng)力性的同時(shí)，節(jié)省燃油更多，在動(dòng)力性減弱1.82%的情況下，提升了6.97%的經(jīng)濟(jì)性，更為符合目前節(jié)能減排的趨勢。將9種方案與原方案相互對比，最終得出方案6為最佳優(yōu)化方案，最終實(shí)現(xiàn)整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配優(yōu)化。

5 結(jié)論

本文以某種緊湊型轎車為樣車，通過Cruise軟件搭建其整車仿真模型，并選取相關(guān)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行模擬計(jì)算與分析。利用Cruise軟件進(jìn)行相關(guān)仿真效率高、計(jì)算精確度高。當(dāng)輸入?yún)?shù)準(zhǔn)確時(shí)，動(dòng)力性計(jì)算指標(biāo)最大誤差在3%以內(nèi)，燃油經(jīng)濟(jì)性最大誤差在5%以內(nèi)。本文通過調(diào)節(jié)變速器各擋位的傳動(dòng)比參數(shù)以及主減速器傳動(dòng)比參數(shù)來優(yōu)化車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的總體傳動(dòng)效率，提高車輛性能。基于Cruise軟件的仿真計(jì)算，可得出結(jié)論：優(yōu)化后的NEDC循環(huán)工況下（誤差率1.5%，精度較高）的油耗量為8.81 L/100 km，較原方案下降了0.66 L/100 km，改善率為6.97%。最大加速度、最高車速等數(shù)據(jù)與原方案相比略有下降，不過仍滿足標(biāo)準(zhǔn)。在車輛動(dòng)力性得到保證的同時(shí)，使燃油經(jīng)濟(jì)性得到較大的提升，符合當(dāng)前我國低碳發(fā)展的趨勢，本文的傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化取得了一定成效。Cruise軟件可具體應(yīng)用到車型的設(shè)計(jì)開發(fā)與更新?lián)Q代之上，降低研發(fā)經(jīng)費(fèi)，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期與時(shí)間成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王銳，何洪文.基于Cruise的整車動(dòng)力性能仿真分析[J].車輛與動(dòng)力技術(shù)，2009（2）：24-26.

[2] 朱路生，潘家保，王世強(qiáng).基于Cruise的輕卡動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真與試驗(yàn)分析[J].安徽工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，35（3）：39-44.

[3] 王琳，王鵬飛，業(yè)紅玲，等.基于Cruise汽車動(dòng)力性仿真及分析研究[J].蚌埠學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，8（2）：47-51.

[4] 李勝琴，于博.基于CRUISE的純電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配設(shè)計(jì)及仿真[J].森林工程，2019，35（1）：80-86.

[5] 秦洪艷，劉京靜，江發(fā)潮.基于Cruise的純電動(dòng)客車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配研究[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2019，48（6）：174-177.

[6] 何仁，王建峰.汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)合理匹配的實(shí)用方法[J].中國公路學(xué)報(bào)，2000，13（1）：100-103.

[7] 劉振軍，趙海峰，秦大同.基于CRUISE的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，28（11）：8-11.

[8] 馮紅晶.基于Cruise的電動(dòng)車整車性能參數(shù)匹配及仿真分析[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，36（3）：16-22.

[9] 吳亮廷.基于AVL-Cruise的車輛動(dòng)力裝置與傳動(dòng)系統(tǒng)匹配研究[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，11（10）：79-85.

[10]徐達(dá)偉，回春.基于Cruise的純電動(dòng)客車仿真分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版），2015，37（2）：183-186.

[11]張德生，孫遠(yuǎn)濤，呂松濤，等.基于CRUISE輕型乘用車傳動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，25（3）：6-9.

[12]袁苑，錢立軍，許宏云.基于CRUISE中型純電動(dòng)客車動(dòng)力匹配仿真[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2012，50（5）：15-18，21.

[13]岳鳳來，張俊紅，周能輝，等.基于CRUISE的純電動(dòng)轎車性能仿真與試驗(yàn)研究[J].汽車工程，2014，36（6）：669-672.

[14]王少凱.基于Cruise軟件的純電動(dòng)城市客車的建模與仿真[J].客車技術(shù)與研究，2011，33（2）：10-12.

[15]王慶年，于永濤，曾小華，等.基于CRUISE軟件的混合動(dòng)力汽車正向仿真平臺(tái)的開發(fā)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2009，39（6）：1413-1419.

（責(zé)任編輯：于慧梅）

Analysis of Vehicle Power and Economy Based on Cruise

YU Yizhen， ZHENG Changjiang*

（College of Civil Engineering and Transportation Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China）

Abstract：

As an important part of vehicle power performance and fuel economy， the optimization design of power transmission system is of great significance to vehicle research and development. In this paper， the vehicle model is established based on cruise software， and the simulation results are compared with the measured data of MIIT. The vehicle simulation model established by Cruise software is verified to be reliable. The error of dynamic performance calculation index is less than 3%， and the error of fuel economy is less than 5%. By changing the transmission ratio of the main reducer and transmission ratio of each gear in the transmission system， the vehicle performance is optimized. Under the condition that the power performance is reduced by 1.82%， the economy is improved by 6.97%， which is in line with the current development trend of energy conservation and emission reduction. The results show that it is necessary to optimize the vehicle performance based on cruise software， which has important engineering application and theoretical reference value.

Key words：

power performance; fuel economy; Cruise simulation; optimization matching