基于Cruise軟件的汽車動(dòng)力學(xué)參數(shù)匹配與性能仿真

謝雙飛，徐海龍，徐忠四，謝 勇

(1.浙江吉利汽車研究院有限公司 新能源項(xiàng)目組 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部，浙江 杭州 311228；2.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；3.江西昌河汽車有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

基于Cruise軟件的汽車動(dòng)力學(xué)參數(shù)匹配與性能仿真

謝雙飛1，徐海龍2，徐忠四2，謝 勇3

(1.浙江吉利汽車研究院有限公司 新能源項(xiàng)目組 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部，浙江 杭州 311228；2.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；3.江西昌河汽車有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

對(duì)某款載貨汽車動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行估算，根據(jù)估算的結(jié)果選擇市場現(xiàn)有的相關(guān)功率的大、中、小3種發(fā)動(dòng)機(jī)，以及3種傳動(dòng)比變速器和2種主減速器傳動(dòng)比的驅(qū)動(dòng)橋；并對(duì)所選的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)采用正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思想組成18種匹配方案。利用Cruise軟件對(duì)匹配方案進(jìn)行性能仿真分析，比較了該車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，最終得到了最優(yōu)化的匹配方案。

動(dòng)力學(xué)參數(shù)匹配；性能仿真； Cruise; 汽車

0 引言

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配方案對(duì)汽車性能的改善有著至關(guān)重要的作用，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有著很大的影響。我國汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大多時(shí)間在遠(yuǎn)離其最佳排放區(qū)和最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)的區(qū)域內(nèi)工作，發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系未能達(dá)到良好的匹配，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性得不到良好的發(fā)揮，浪費(fèi)了大量能源[1]。對(duì)于動(dòng)力總成系統(tǒng)各部分參數(shù)的選取、發(fā)動(dòng)機(jī)的選型、與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)確定，都沒有一種普遍適用的方法[2]。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為汽車動(dòng)力傳動(dòng)系的匹配帶來了新的生命，通過計(jì)算機(jī)仿真軟件來模擬計(jì)算汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，可以方便而有效地達(dá)到其預(yù)測的效果，并且可以方便地修改各零部件及總成的參數(shù)，通過對(duì)比分析找出最佳方案[3-5]。

1 載貨汽車動(dòng)力學(xué)參數(shù)的選定與匹配

1.1 汽車動(dòng)力參數(shù)的選定

汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和傳動(dòng)系的傳動(dòng)比。傳動(dòng)系統(tǒng)中變速器和主減速器的傳動(dòng)比影響比較大，一般先確定主減速器的傳動(dòng)比，之后根據(jù)最高車速等參數(shù)確定變速器的檔位數(shù)和各檔位之間的傳動(dòng)比。某載貨汽車技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 某載貨汽車技術(shù)參數(shù)

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)功率的選定

利用現(xiàn)有汽車統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)初步估計(jì)汽車的比功率來確定發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)有功率。汽車比功率是單位汽車質(zhì)量具有的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，即：

(1)

其中：Pr為汽車的比功率，kW/t；ma為汽車的總質(zhì)量，kg；Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)功率，kW。根據(jù)統(tǒng)計(jì)情況，東風(fēng)、躍進(jìn)公司總質(zhì)量在10 t左右的載貨汽車比功率在9 kW/t～12 kW/t之間，粗略估計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率在84 kW～112 kW之間。

在眾多發(fā)動(dòng)機(jī)中選擇3種型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，如表2所示。

表2 選用型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)

1.3 主減速器傳動(dòng)比的選擇

主減速器的最小傳動(dòng)比應(yīng)保證汽車在最高車速相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率點(diǎn)的車速行駛時(shí)，車速達(dá)到設(shè)計(jì)的最高車速,即滿足[6]：

(2)

其中：i0為主減速器的傳動(dòng)比；nemax為發(fā)動(dòng)機(jī)的最高額定轉(zhuǎn)速,r/min；uamax為汽車的最高車速，km/h；r為車輪的半徑, m。該載貨汽車配用中型載重子午線輪胎9.00R20，輪胎半徑r為0.509 m。汽車最大車速為90 km/h，EQ6100-1發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，YC4E140-42發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2 600 r/min，可取nemax=2 800 r/min。將相關(guān)參數(shù)代入式(2)得到i0≤5.54，取i0=5.5。

經(jīng)分析東風(fēng)德納車橋公司生產(chǎn)的輕中型車橋S130-310可以與上述發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配，表3為該車橋的技術(shù)參數(shù)，主減速器傳動(dòng)比選用范圍是3.07～6.5，擬選用的主減速器傳動(dòng)比為5.0和5.5。

1.4 變速器檔位數(shù)和各檔位傳動(dòng)比的選定

根據(jù)中心距的經(jīng)驗(yàn)公式[7]：

(3)

其中：A為變速器第一、二軸之間的中心距，mm；KA為變速器的中心距系數(shù)，商用車的中心距系數(shù)KA=9.5～11；Temax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，N·m；i1為變速器一檔傳動(dòng)比；ηg為變速器傳動(dòng)效率，取96%。變速器的中心距A=121.125 mm。通過查詢汽車工程設(shè)計(jì)手冊(cè)，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)中，得到：①EQ6100-1發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為353 N·m，匹配的變速器第I檔傳動(dòng)比5.6≤i1≤7.8；②CY4102-C3C發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為345 N·m，匹配的變速器第I檔傳動(dòng)比5.8≤i1≤8.4；③YC4E140-42發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩430 N·m ，匹配的變速器第I檔傳動(dòng)比5.7≤i1≤8.2。

表3 擬選用的主減速器傳動(dòng)比

綜合后可以匹配的變速器為第Ⅰ檔傳動(dòng)比5.8≤i1≤7.8。

根據(jù)變速器傳動(dòng)比分配理論，各檔位的傳動(dòng)比和發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出扭矩在量產(chǎn)的變速器中選用了以下3種變速器進(jìn)行匹配，如表4所示。

表4 擬選用型號(hào)的變速器

1.5 載貨汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配方案

載貨汽車動(dòng)力性匹配受到發(fā)動(dòng)機(jī)功率、變速器傳動(dòng)比、主減速器傳動(dòng)比等因素的影響，評(píng)價(jià)指標(biāo)有動(dòng)力性指標(biāo)和燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。這種情況在試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法中屬于多因素多指標(biāo)實(shí)驗(yàn)。

按照上面選用的3種發(fā)動(dòng)機(jī)、3種變速器和2種主

減速器，利用正交優(yōu)化試驗(yàn)的方法組成18組匹配方案，如表5所示。

表5 動(dòng)力性匹配正交表

2 基于Cruise軟件的載貨汽車性能仿真

2.1 動(dòng)力性指標(biāo)仿真分析

汽車的最大爬坡度是指汽車滿載時(shí)最低檔位的爬坡能力，作為汽車動(dòng)力性分析的指標(biāo)。圖1給出了求解得到的各種匹配方案中不同檔位的爬坡能力。所有匹配方案中，最大爬坡度在20.61%～44.02%范圍內(nèi)，平均值為29.802 78%，基本上滿足載貨汽車的爬坡度，第16、17、18組的最大爬坡度都低于25%，一般不能滿足要求。

2.2 燃油經(jīng)濟(jì)性仿真分析

在Cruise軟件中，分別對(duì)載貨汽車不同檔位行駛時(shí)的等速油耗進(jìn)行仿真求解，得到的等速油耗曲線如圖2所示。方案1～6因發(fā)動(dòng)機(jī)功率較大些，所以等速油耗較大些；方案7～12中的等速油耗最大，原因是采用了汽油發(fā)動(dòng)機(jī)；方案13～18等速百公里油耗最低，經(jīng)濟(jì)性最好。

圖1 方案1～18爬坡度仿真情況

圖2 方案1～18等速百公里油耗仿真情況

2.3 動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性最佳匹配方案

對(duì)載貨汽車應(yīng)該從動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性能兩方面進(jìn)行綜合分析，爬坡度在滿足30%的前提下，百公里燃油消耗量越低越好，這樣就可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性。第5種和第13種的匹配方案比較好些，第5種方案匹配了大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)、低速檔傳動(dòng)比大的變速器和傳動(dòng)比稍大的主減速器；第13種方案匹配的是小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)、低速檔傳動(dòng)比較小的變速器和傳動(dòng)比稍大的主減速器，通過這種匹配方法可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的功率充分利用。兩種匹配方案采用的發(fā)動(dòng)機(jī)功率相差15 kW，方案13與方案5相比較，爬坡度小2.78%，加速能力略小，但能滿足日常使用，但是方案13比方案5的燃油經(jīng)濟(jì)性好多了，大約每百公里少消耗4 L～5 L的燃油。

考慮到該載貨汽車經(jīng)常在高原、山區(qū)使用，同時(shí)考慮到超載，選擇方案5的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是最優(yōu)的，它是動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的最佳匹配方案。

3 結(jié)論

本文利用正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)組成18種匹配方案， 并用Cruise 軟件對(duì)18種匹配方案進(jìn)行了動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性分析。分析表明方案5是動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的最佳匹配方案。

[1] 董金松.重型載貨汽車動(dòng)力傳動(dòng)系匹配研究[D].長春:吉林大學(xué),2006:32-35.

[2] 李素華,唐新蓬,方群波.基于整車性能的汽車傳動(dòng)系參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造工程，2006(6):96-99.

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[4] 張寶生,李杰,林明芳.汽車優(yōu)化理論與方法[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

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Automobile Dynamics Parameters Matching and Performance Simulation Based on Cruise Software

XIE Shuang-fei1, XU Hai-long2, XU Zhong-si2, XIE Yong3

(1.Electric Driving Department of New Energy Automobile Project, Zhejiang Geely Automobile Research Institute Co., Ltd., Hangzhou 311228, China; 2. School of Mechatronic Engineering, North University of China,Taiyuan 030051, China; 3. Technology Center, Jiangxi Changhe Automobile Co.,Ltd., Jingdezhen 333000, China )

The dynamic parameters including engine power, transmission ratio and the main reducer transmission ratio of a truck were estimated. Three engines with high, middle and low power, three transmissions with different transimission ratio, and two driving axles with different main reducer transmission ratio in the market were selected according to the estimated results. Using the ideas of orthogonal optimizing design, the selected powertrain system constituted 18 kinds of matching schemes. Cruise software was used to analyze the performance of matching schemes, and the dynamic performance and fuel economy performance of the truck were simulated and compared. Finally, the optimal matching scheme was gotten.

dynamic parameter matching; performance simulation; Cruise; automobile

1672- 6413(2015)06- 0082- 02

2015- 01- 19；

2015- 09- 20

謝雙飛(1988-)，男，安徽安慶人，助理工程師，本科。

U461.1∶TP391.9

A