基于Cruise的汽車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性影響因素研究

張季琴，王立星，張東峰

（1.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021，

2.南京汽車集團(tuán)有限公司汽車工程研究院，江蘇 南京 210000）

基于Cruise的汽車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性影響因素研究

張季琴1，王立星2，張東峰1

（1.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021，

2.南京汽車集團(tuán)有限公司汽車工程研究院，江蘇 南京 210000）

本論文基于Cruise仿真軟件，研究了汽車質(zhì)量(m)、空氣阻力系數(shù)（CD）以及主減速器傳動(dòng)比（i0）這三個(gè)因素對(duì)汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，通過正交試驗(yàn)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得了這三個(gè)因素對(duì)于汽車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性的影響的主次水平表，并獲得試驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)組合。結(jié)果表明空氣阻力系數(shù)對(duì)汽車動(dòng)力性影響較大，而汽車質(zhì)量對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性影響較大，符合理論研究結(jié)果，對(duì)汽車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化提供一個(gè)參考。

動(dòng)力性；燃油經(jīng)濟(jì)性；正交試驗(yàn)；Cruise；優(yōu)化設(shè)計(jì)

CLC NO.:U461.2Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)12-14-04

引言

近年來隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，國民生活水平大幅提高，輕型乘用車的應(yīng)用越來越廣泛。動(dòng)力性是滿足汽車行駛要求的最基本的性能，隨著石油副產(chǎn)品價(jià)格提升，人們對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性也提出了更高的要求[1]。

汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性受到很多因素影響，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用建模仿真進(jìn)行動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算已成為一個(gè)重要手段。通過建立仿真模型，能夠很好地仿真系統(tǒng)性能，從而靈活調(diào)整設(shè)計(jì)方案，合理優(yōu)化參數(shù)，降低研究費(fèi)用，縮短開發(fā)周期[2]。

本文應(yīng)用汽車領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的Cruise軟件，基于某輕型乘用車研究了汽車整備質(zhì)量、空氣阻力系數(shù)以及主減速器傳動(dòng)比對(duì)其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的影響情況，利用正交試驗(yàn)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得了這三種因素對(duì)汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的影響程度主次水平表，在試驗(yàn)范圍內(nèi)獲得了最優(yōu)組合為汽車的改進(jìn)提供一個(gè)思路。

1、方案設(shè)計(jì)

根據(jù)影響汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的因素，在仿真模型中改

變有關(guān)參數(shù)，對(duì)其動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真計(jì)算，通過正交試驗(yàn)原理處理數(shù)據(jù)，即可獲得各種因素對(duì)汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響因子和重要程度水平表。

1.1 動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性影響因素

動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性是兩個(gè)難以調(diào)和的矛盾，兩者相互作用，互相影響[3]，如何保證動(dòng)力性的同時(shí)盡可能降低燃油消耗是近年來各汽車公司研究的重點(diǎn)。對(duì)于汽車設(shè)計(jì)，保證動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性必須使得汽車滿足行駛方程式[4]（式1）及燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算公式（式2），如下所示：

式中：eP、Ttq、Qs—發(fā)動(dòng)機(jī)功率、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、百公里油耗；

r、f、m、b—滾動(dòng)半徑、摩擦系數(shù)、汽車質(zhì)量、燃油消耗率；

i0、ig—主減速器傳動(dòng)比、變速器傳動(dòng)比；

ηT、δ—傳動(dòng)效率、旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；

CD、A—空氣阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積；

ρ、g—燃油密度、重力加速度。

由式（1）、（2）得，影響車輛動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性的因素有發(fā)動(dòng)機(jī)本身性能、輪胎滾動(dòng)半徑、摩擦系數(shù)、空氣阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積等，本論文研究汽車質(zhì)量、空氣阻力系數(shù)及主減速器傳動(dòng)比對(duì)汽車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性的影響。

1.2 正交試驗(yàn)及因素水平表

正交試驗(yàn)是利用“正交表”進(jìn)行科學(xué)的安排和分析多因素實(shí)驗(yàn)的方法[5]。由以上分析確定研究因素為汽車質(zhì)量、空氣阻力系數(shù)、主減速器傳動(dòng)比，根據(jù)正交試驗(yàn)原理，確定試驗(yàn)指標(biāo)、因素水平表，選定正交表。

本論文選取動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的試驗(yàn)指標(biāo)為最高車速（uamax）和循環(huán)油耗（），確定研究因素為：汽車質(zhì)量(m)、空氣阻力系數(shù)(CD)、主減速器傳動(dòng)比(i0)

由因素水平表可知，該試驗(yàn)為三因素二水平試驗(yàn)，考慮到各個(gè)因素之間的交互作用，選擇(27)正交表[6]，數(shù)據(jù)處理時(shí)根據(jù)正交表（如表2所示）進(jìn)行。

表1 因素水平表

2、仿真計(jì)算

CRUISE是針對(duì)汽車整車及部件性能的仿真軟件，可以用于車輛的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及排放性能的仿真，利用其模塊化的建模理念可以直觀便捷的搭建不同布置結(jié)構(gòu)的車輛模型。可進(jìn)行整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等3大項(xiàng)包括最高車速、最大爬坡度、循環(huán)油耗等10小項(xiàng)的計(jì)算[7]。本論文對(duì)仿真模型的最高車速及綜合循環(huán)消耗進(jìn)行仿真。利用計(jì)算中心的“component variation”模塊，對(duì)試驗(yàn)樣本進(jìn)行仿真。

2.1仿真模型建立

本論文以排量為2.4L的某前置前驅(qū)輕型乘用車為例，利用Cruise軟件建立仿真模型。該車采用發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)，采用手動(dòng)5擋手動(dòng)機(jī)械變速箱，軸距2550mm、風(fēng)阻系數(shù)0.32、汽車總重1930Kg、迎風(fēng)面積1.88m2。仿真模型如圖1所示：

2.2 計(jì)算任務(wù)設(shè)置

根據(jù)試驗(yàn)方案需要對(duì)汽車最高車速以及循環(huán)工況進(jìn)行測試，根據(jù)仿真要求制定計(jì)算任務(wù)，分別是：循環(huán)測試（Cycle Run）用于測試循環(huán)工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性；恒速驅(qū)動(dòng)（Constant

Drive）用于最高車速動(dòng)力性測試。進(jìn)入Cruise模型計(jì)算中心，進(jìn)行計(jì)算任務(wù)制定，圖2所示為計(jì)算任務(wù)最高車速的制定。同理制定循環(huán)工況油耗計(jì)算任務(wù)。

計(jì)算任務(wù)制定好以后，進(jìn)入計(jì)算中心（calculation center）的匹配計(jì)算功能（component variation）[8]，將試驗(yàn)因素按照如表1要求添加到匹配變量中，添加后如圖 3所示，共需8輪計(jì)算。

2.3 仿真結(jié)果

計(jì)算完成后可以在結(jié)果管理器中查看計(jì)算結(jié)果，在變量數(shù)據(jù)集(variation Cube)里面可以直觀的看到試驗(yàn)樣本的優(yōu)劣情況，在表格（table）中可以查看具體數(shù)據(jù)。由圖4可以看出，最高車速最高的是樣本A2B2C2，在表格中可以看到該組合的最高車速達(dá)到237.82km/h。燃油經(jīng)濟(jì)性的結(jié)果同理可得，此處不再贅述。

表2 試驗(yàn)結(jié)果分析表

3、數(shù)據(jù)處理及分析

將仿真結(jié)果帶入正交表進(jìn)行計(jì)算得表2。利用極差分析法將各因素兩個(gè)水平的最高車速和燃油消耗求和，得出各個(gè)水平的最高車速和燃油消耗的極差。

根據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

3.1 最高車速分析

對(duì)于最高車速影響最大的因素為空氣阻力系數(shù)。由數(shù)據(jù)分析表明降低空氣阻力系數(shù)6.25%，最高車速可提高2.28%。各因素間的兩兩交互作用不明顯，極差分別為：0.55、0.11、0.07，三因素之間不存在交互作用。根據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)車最高速越高動(dòng)力性強(qiáng)的原則，獲得最優(yōu)組合A2B2C2。

3.2 綜合循環(huán)油耗分析

對(duì)于綜合循環(huán)油耗響最大的因素為汽車質(zhì)量。由數(shù)據(jù)分析表明降低汽車質(zhì)量5.18%，即可降低油耗1.11%。主減速器傳動(dòng)比對(duì)燃油消耗的影響次之，極差為0.11，空氣阻力系數(shù)對(duì)燃油消耗的影響較小，極差值僅為0.01。汽車質(zhì)量與空氣阻力系數(shù)及主減速器傳動(dòng)比的交互作用對(duì)燃油消耗影響較小，極差值僅為0.01，三因素之間不長存在交互作用。根據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)燃油消耗越低經(jīng)濟(jì)性越好的原則，獲得最優(yōu)組合A2B2C2。

綜上所述，汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性均受到汽車質(zhì)量、空氣阻力系數(shù)及主減速器傳動(dòng)比的影響，其中空氣阻力系數(shù)對(duì)汽車動(dòng)力性的影響最大，汽車質(zhì)量對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響最

大，根據(jù)分析獲得試驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)組合為A2B2C2，即當(dāng)汽車質(zhì)量為1830Kg，空氣阻力系數(shù)為0.30，主減速器傳動(dòng)比為2.6時(shí)獲得最佳的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性。

4、結(jié)論

（1）空氣阻力系數(shù)對(duì)于動(dòng)力性來講為主要因素，降低空氣阻力系數(shù)6.25%能夠提高最高車速2.28%；汽車質(zhì)量對(duì)于燃油經(jīng)濟(jì)性來講為主要因素，降低汽車質(zhì)量5.18%能夠降低燃油消耗1.11%。汽車質(zhì)量、空氣阻力系數(shù)、主減速器傳動(dòng)比三者之間不存在交互作用，兩兩之間的交互作用也不明顯，屬次要因素。

（2）降低汽車質(zhì)量、空氣阻力系數(shù)、主減速器傳動(dòng)比能夠改善汽車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性。試驗(yàn)范圍內(nèi)獲得的最優(yōu)組合為A2B2C2，即當(dāng)汽車質(zhì)量為即當(dāng)汽車質(zhì)量為1830Kg，空氣阻力系數(shù)為0.30，主減速器傳動(dòng)比為2.6時(shí)獲得最佳的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性，符合理論研究結(jié)果。

（3）該優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車參數(shù)的方法可以為汽車設(shè)計(jì)和改善提供一定的思路，獲得的影響汽車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性的因素主次水平表可為以后此類研究提供一個(gè)參考。實(shí)際設(shè)計(jì)中通過改變哪些因素來提高動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性還需綜合考慮生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)成本及容許參數(shù)范圍。

[1] 呂傳志,王立星. 整車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性計(jì)算仿真與驗(yàn)證分析[J]. 輕型汽車技術(shù),2014,04∶34-36.

[2] 李智永,張才三.面向?qū)ο蟮能囕v動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真研究[J].車輛與傳動(dòng)技術(shù),2003,24(2)∶35 -39.

[3] 王立星，邵奎柱，王 玨. 依維柯客車動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性影響因素及靈敏度分析[J].輕型汽車技術(shù),2014.18-21.

[4] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009∶16-46.

[5] 崔漢濤，尹冬晨，曲從輝．基于正交試驗(yàn)的機(jī)械部件加工研究[J]．河北建筑科技學(xué)院學(xué)．2006，23(4)：68-69.

[6] 楊忠平．試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)[M]．楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)出版社．2003．1-33.

[7] 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)力術(shù),2009,02∶24-26+36.

[8] 李軍. 基于Cruise的某型大客車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配研究[D].吉林大學(xué),2013.

5、結(jié)論

（1）若噴嘴的孔徑不變，隨著啟噴壓力的增大，柴油液滴的平均直徑和特征直徑都相應(yīng)的減小，與發(fā)散度相關(guān)的參數(shù)相對(duì)尺寸范圍也會(huì)變小，液滴的數(shù)目尺寸分布曲線會(huì)向左偏移，因此柴油的霧化效果變好。

（2）若啟噴壓力不變，隨著噴嘴孔徑的減小，柴油液滴的平均直徑與特征直徑都相應(yīng)的減小，液滴的相對(duì)尺寸范圍也變小，液滴的數(shù)目尺寸分布曲線會(huì)向左偏移。說明隨噴嘴孔徑的減小，柴油的霧化效果得到提升。

參考文獻(xiàn)：

[1] 曹建明. 液體噴霧學(xué)[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，2013.7.

[2] 曹建明，武濤，程前，等. 柴油與LPG/柴油雙燃料噴霧特性的對(duì)比[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2003,3(2)∶40-44.

[3] 王振平，曹建明. 噴嘴孔徑對(duì)柴油機(jī)霧化質(zhì)量的影響[J]. 長安大學(xué)研究生學(xué)術(shù)年會(huì)論文集2011年卷，2012.6∶105-107.

Reach of Vehicle dynamic performance and fuel economy Influences based on Cruise

Zhang Jiqin1, Wang Lixing2, Zhang Dongfeng1
（1.College of Mechanical Engineering ,Ning Xia University, NingXia YinChuan 750021, 2. Nanjing Automobile Group Co., Ltd. Automotive Engineering Institute, Jiangsu Nanjing 210000）

In order to find out the effects of vehicle dynamic performance and fuel economy caused by changing the vehicle parameter which includes vehicle quality (m), air resistance coefficient (CD), and the main reducer gear ratio (i0), the essay conducts a simulation model based on Cruise software, and processes dates according orthogonal experiment principle, finally find out the primary and secondary one, in addition the optimal combination. The result indicates that air resistance coefficient plays a crucial role in improving vehicle dynamic performance while vehicle quality plays a key role on vehicle fuel economy. Which in accordance with the theoretical research results. Therefore a reference is provided in the future reach on design and optimization vehicle dynamic performance and fuel economy.

dynamic performance; fuel economy; orthogonal experiment; Cruise; optimize design

U461.2

A

1671-7988(2014)12-14-04

張季琴，碩士研究生，就職于寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，主要從事汽車?yán)碚摻虒W(xué)與研究工作。