基于Cruise的整車最優(yōu)匹配仿真分析

蘇天晨

（華晨汽車工程研究院）

對于汽車而言，動力總成匹配的合理性程度越高，越能發(fā)揮發(fā)動機的自身性能，不但大大提高整車的動力性，而且使發(fā)動機運行在相對較好的高效區(qū)內(nèi)，減少燃油消耗量。由于動力性與經(jīng)濟性本身是相互矛盾的，很多情況下不可兼顧，文章基于Cruise軟件對一款現(xiàn)有轎車存在的油耗較高的問題進行匹配優(yōu)化仿真分析，最終在不減弱動力性的前提下降低燃油消耗量，以滿足法規(guī)要求。

1 發(fā)動機最優(yōu)工作曲線

1.1 最優(yōu)工作曲線的確定方法

確定發(fā)動機最優(yōu)工作曲線的方法一般有3種:1）基于發(fā)動機功率；2）基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速；3）基于發(fā)動機最低比油耗[1]。

由于基于發(fā)動機轉(zhuǎn)速的最優(yōu)工作曲線，在滿足車速的需求時不一定能滿足整車功率的需求，適合于具有擁有另一動力源的混合動力汽車；而基于發(fā)動機最低比油耗的最優(yōu)工作曲線，在滿足最低油耗時，不一定能滿足車速和整車功率的需求；因此只有基于發(fā)動機功率的最優(yōu)工作曲線適合具有變速器的傳統(tǒng)汽車，因為當(dāng)不能滿足車速時可以通過變速器提供其允許范圍內(nèi)的合適傳動比來實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速與需求車速之間的速度匹配。

因此文章采用基于發(fā)動機功率的方法來確定發(fā)動機的最優(yōu)工作曲線。

1.2 基于發(fā)動機功率的最優(yōu)工作曲線

將某發(fā)動機輸出功率下發(fā)動機效率最高的發(fā)動機工作點，作為發(fā)動機在該輸出功率下的最優(yōu)工作點，并將整個發(fā)動機輸出功率范圍內(nèi)各輸出功率下的發(fā)動機最優(yōu)工作點連成線，即得到基于發(fā)動機功率的發(fā)動機最優(yōu)工作線。具體計算方法如下。

1）在發(fā)動機最小輸出功率（Pmin）至發(fā)動機最大輸出功率（Pmax）范圍內(nèi)，均勻取m個功率點，即:P1，P2，…，Pk，…，Pm，其中:P1=Pmin，Pm=Pmax，k=1，2，…，m。

2）對于第k個功率點，繪制發(fā)動機輸出功率為Pk時的等功率曲線EkFk，該等功率曲線上各點的發(fā)動機轉(zhuǎn)速（ω）和轉(zhuǎn)矩（T）滿足ωT=Pk。發(fā)動機等功率曲線應(yīng)限制在發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍[ωmin，ωmax]內(nèi)及發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩曲線M1Mn下方。計算EkFk曲線上各發(fā)動機工作點的發(fā)動機效率:

3）將Pk下，ηk,i的最大值所對應(yīng)的發(fā)動機工作點Qk（ωi，ηmax，Pk/ωi，ηmax）作為Pk時的最優(yōu)工作點。

4）按上述方法，確定發(fā)動機在各輸出功率P1，P2，…，Pm下的最優(yōu)工作點Q1，Q2，…，Qm，將其順序相連，可得基于發(fā)動機功率的發(fā)動機最優(yōu)工作線Q1Qm[2]。

以某款發(fā)動機為例所作出的發(fā)動機最優(yōu)工作曲線Q1Qm，如圖1所示。

2 建立仿真分析模型

仿真模型中所用到的整車參數(shù)，如表1所示。

表1 仿真所需整車參數(shù)

2.1 整車模型

文章基于Cruise 軟件平臺搭建的整車動力傳動系模型，如圖2所示。

2.2 仿真結(jié)果

運行仿真，仿真結(jié)果與目標值對比，如表2所示。

表2 現(xiàn)有車型的仿真結(jié)果

從表2中可以看出，在動力性方面，其計算值均能滿足目標值；在經(jīng)濟性方面，循環(huán)工況的油耗值均超過目標值，其中NEDC 工況中，大部分發(fā)動機工作點距發(fā)動機最佳工作曲線較遠，如圖1所示（藍色空圈為NEDC 下發(fā)動機工作點）。為使發(fā)動機工作點更接近發(fā)動機最優(yōu)工作曲線，只能將變速器的總速比降低，但是降低速比又會使動力性下降，因此新開發(fā)變速器速比應(yīng)有減有增，以滿足動力性和經(jīng)濟性的平衡。

3 優(yōu)化匹配分析

文章采用已經(jīng)開發(fā)的4 款變速器及6 款主減速比對整車的動力性經(jīng)濟性進行匹配優(yōu)化，其變速器個擋位速比和主減速比的數(shù)值，如表3和表4所示。

表3 現(xiàn)有車型可選變速器速比

表4 現(xiàn)有車型可用主減速比

3.1 仿真結(jié)果

利用Cruise 所搭建的整車模型對上述參數(shù)進行動力性經(jīng)濟性仿真，仿真結(jié)果，如表5所示。

表5 現(xiàn)有車型的匹配仿真結(jié)果

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1 否定指標

無論哪一項設(shè)計目標都是代表了整車的性能，因此所有計算結(jié)果都必須滿足設(shè)計目標。在表5中，沒有滿足設(shè)計目標的組合就必須被否定。

3.2.2 目標函數(shù)的建立

基于表5中的仿真結(jié)果，通過最高車速和1 擋最大爬坡度這2 項否決指標判別后，整車動力傳動系匹配優(yōu)化主要通過起步換擋0～100 km/h 加速能力、5 擋超車60～100 km/h 加速能力和NEDC 循環(huán)工況的燃料消耗等結(jié)果進行尋優(yōu)。

根據(jù)特定問題所追求的目標，用設(shè)計變量的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式來表達它，這就是優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)。文章以動力性和燃料經(jīng)濟性為雙目標函數(shù)，采用線性加權(quán)組合的方法將其轉(zhuǎn)換成單一目標函數(shù)，建立整車的參數(shù)優(yōu)化模型，如式（2）所示。

式中:r1，r2——動力性和燃料經(jīng)濟性加權(quán)因子；

D（x）——動力性能；

Qs（x）——燃料經(jīng)濟性能。

3.2.3 性能最優(yōu)匹配

為了消除量綱的影響，首先需要進行各參數(shù)的無量綱變換。假設(shè)參數(shù)x 的均值是，方差 δ，則x 按式（3）轉(zhuǎn)換為y:

然后使用式（2）進行加權(quán)評分，最終各傳動系匹配結(jié)果的評分，如表6所示。

表6 現(xiàn)有車型的優(yōu)化匹配結(jié)果

因為汽車的加速性能和燃料經(jīng)濟性能的取值都已經(jīng)取為絕對值，因此取最大值評分1.955 為最優(yōu)結(jié)果。圖3示出新動力總成發(fā)動機NEDC 工況下工作點。

綜合以上分析的動力性與經(jīng)濟性仿真結(jié)果，匹配A4-B2 動力傳動系的汽車既有良好的動力性，也具有不錯的經(jīng)濟性，整車性能較好，從發(fā)動機工作點與發(fā)動機最優(yōu)曲線的關(guān)系（圖4）也可以看出，在NEDC 工況下的發(fā)動機工況點也更接近發(fā)動機最優(yōu)工作曲線，因此可選擇該匹配到此款車上。

4 結(jié)論

文章利用Cruise 軟件，通過最優(yōu)工作曲線的確定以及應(yīng)用加權(quán)評分法所得到的動力傳動系的最優(yōu)匹配是A4-B2，不僅保證了良好的動力性能，也使現(xiàn)有車型能夠滿足燃油消耗量的目標值，為現(xiàn)有車型重新匹配出更加合理的動力總成。