CAE分析在汽車變速器傳動比設計中的應用

周　瓊

(江西交通職業(yè)技術學院汽車工程系，江西南昌330013)

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CAE分析在汽車變速器傳動比設計中的應用

周瓊

(江西交通職業(yè)技術學院汽車工程系，江西南昌330013)

摘要：針對國內(nèi)汽車企業(yè)普遍存在CAE技術應用水平較低的現(xiàn)狀展開研究，以CM7新車型變速器匹配項目建立CAE分析，采用傳統(tǒng)的動力性、經(jīng)濟性指標作為約束條件進行優(yōu)化計算，再利用CAE成熟仿真分析軟件AVL-Cruise對計算結果進行仿真，綜合考慮計算結果與仿真結果，甄選出一組最優(yōu)的變速器傳動比，作為變速器傳動比設計的依據(jù)。

關鍵詞:CAE變速器傳動比仿真分析

0引言

CAE技術在車輛工程中應用十分廣泛，在國外經(jīng)過充分的發(fā)展，已經(jīng)成為設計階段的一個必不可少的技術環(huán)節(jié)[1]。我國的汽車CAE技術發(fā)展于90年代后期，在車型研發(fā)過程中對CAE技術的應用水平不高，研究對象主要包括零部件、子系統(tǒng)、整車動力與安全性能[2]，研發(fā)模式仍以逆向式為主，基于CAE技術的正向產(chǎn)品研發(fā)能力比較薄弱。本文通過將CAE分析軟件與傳統(tǒng)分析方法結合起來，在設計初期從整車動力性、經(jīng)濟性角度利用CAE分析軟件綜合考慮變速器的選型、速比匹配以及速比優(yōu)化，為提升汽車研發(fā)后期變速器匹配的效率、降低整車研發(fā)成本提供參考。

1汽車變速器傳動比參數(shù)匹配計算

變速器檔位數(shù)及各檔傳動比的確定，直接影響著汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性，結合顧客的基本要求(傳動效率≥ 90%，變速器總長≤759 mm)，通過匹配整車參數(shù)、發(fā)動機參數(shù)來達到優(yōu)化整車性能的目的[3-4]。

1.1主要的整車參數(shù)及性能要求

整車的性能要求與發(fā)動機參數(shù)由客戶提供，如表1和表2所示。

表1

整車性能參數(shù)

表2

發(fā)動機參數(shù)

1.2CM7整車仿真計算

圖1　Cruise分析流程圖

汽車動力性及燃油經(jīng)濟性的評價指標主要有：最高車速、加速時間、最大爬坡度，單位行駛里程的燃油消耗量[5]。利用CAE對CM7新車型進行建模仿真，根據(jù)模擬計算結果對上述性能進行評價分析，以達到匹配優(yōu)化變速器參數(shù)的目的[6]。

選用奧地利AVL公司的Cruise軟件來進行CM7新車型CAE仿真分析，基本分析流程如圖1所示。

1.3Cruise軟件仿真

1.3.1CM7汽車動力傳動系仿真模型的建立

在Cruise中經(jīng)建立汽車各零部件的模塊，對每個部件設定動力輸入、輸出接口，按照發(fā)動機到輪胎的動力傳輸路線依次連接，得到整車仿真模型[7]，整車各部件的結構參數(shù)要與客戶提供的保持一致，對于建模需要但是客戶沒有提供的參數(shù)則按照相關行業(yè)標準選取。參照相關技術參數(shù)建立發(fā)動機、離合器、變速器、主減速器、差速器、輪胎以及駕駛員模塊。在模型建立完成以后，通過Cruise軟件仿真平臺進行動力性和燃油經(jīng)濟性的模擬計算[8]。

1.3.2CM7整車性能仿真計算

在模型搭建完成以后，根據(jù)軟件設計與實際需求加載計算任務，包括穩(wěn)態(tài)行駛、爬坡性能、最大牽引力、滿載加速、制動/滑行/反拖等[9]，本文的主要計算任務包括動力性與燃油經(jīng)濟性兩個方面。

在各種計算任務設置界面中輸入與之相對的參數(shù)進行定義，定義完目標計算任務后，點擊計算快捷鍵進行計算，計算界面如圖2所示。

圖2　任務計算界面

完成計算任務以后，可得到仿真計算結果：文字結果、數(shù)據(jù)結果、圖形結果。

2仿真計算結果分析優(yōu)化

2.1傳動比匹配方案的優(yōu)選

根據(jù)顧客要求，進行傳統(tǒng)傳動比理論計算，綜合考慮:最大爬坡度、道路附著條件、最低與最高穩(wěn)定車速等條件計算出變速器的最大最小傳動比及檔位數(shù)，再采用等比級數(shù)和偏置等比級數(shù)的方法匹配出各檔傳動比方案，初步確定了傳動比的范圍，在現(xiàn)有的變速器數(shù)據(jù)庫中，初步選用以下4組傳動比，如表3所示，分別進行仿真計算，將計算結果對比分析，選擇一組整車動力性、燃油經(jīng)濟性綜合性能最優(yōu)的速比。

表3

優(yōu)選匹配速比

2.2CM7仿真計算的輸出結果

以A組速比為例，進行動力性能和經(jīng)濟性能兩個方面的仿真計算分析。

2.2.1動力性能仿真計算結果

1)最高車速模擬計算結果：包括穩(wěn)態(tài)下汽車的理論最高車速、實際最高車速以及各檔位下的最高車速。速比A的圖形結果如圖3所示。

圖3　最高車速模擬計算結果

2)加速能力如圖4所示：以汽車的行駛速度為橫坐標、加速度為縱坐標來表示，五條曲線從上到下分別對應1至5檔。加速能力對汽車平均行駛車速影響很大，理論上常用原地起步加速時間與超車加速時間來表明汽車的加速能力。

圖4　各檔最大加速度曲線圖

3)汽車原地起步連續(xù)換檔圖如圖5所示：以時間為橫坐標，加速度為圖中曲線1表示，從左到右依次為1至5檔；相應的車速與行駛里程分別對應圖中曲線2與曲線3，曲線1、2、3的縱坐標從左至右表示，仿真結果顯示：該車車速由0加速到100 km/h所用時間為13.11 s，此時汽車檔位為3檔。

圖5　汽車原地起步連續(xù)換檔圖

4)超車性能曲線圖如圖6所示：模擬計算出汽車從特定起始車速到目標車速(中間的曲線)的加速時間(橫坐標)，可以考慮換檔加速或不換檔加速兩種情況。此次計算任務設置為從80 km/h到140 km/h不換檔的加速時間計算。

圖6　超車性能曲線圖

5)爬坡性能如圖7所示：圖中5段實線從上至下描述的是1檔至5檔不同速度(橫坐標)情況下的爬坡度(縱坐標)；細實線是附著利用率，(即發(fā)動機驅(qū)動力與路面附著力的比值)，粗實線是爬坡性能，當附著利用率大于1時，不符合道路附著條件，達不到理論的爬坡度，一般情況下取值為0.8。

圖7　爬坡性能曲線圖

2.2.2經(jīng)濟性能仿真計算結果

1)循環(huán)工況下的燃油經(jīng)濟性：圖8為A組速比下CM7汽車在UDC(Europe City Cycle ECE.R15)循環(huán)工況下等速燃油消耗量圖。圖中橫坐標為車速，右縱坐標為油耗標尺，左縱坐標為對應壓力；陰影部分為功率區(qū)，由深至淺油耗逐漸下降。

圖8　循環(huán)工況等燃油消耗圖

2)穩(wěn)態(tài)下各檔最高車速及燃油消耗量：圖9為CM7汽車在A組速比下的穩(wěn)態(tài)工況計算任務測試結果圖。

圖9　穩(wěn)態(tài)行駛工況測試結果圖

測試結果數(shù)據(jù)包括：汽車在穩(wěn)定工況下行駛時各個檔位的最高車速(虛直線)，所有檔位不同車速下的穩(wěn)態(tài)百公里油耗(實曲線)。

3)工況點分布圖：通過圖10可以判斷該發(fā)動機工作區(qū)域與理論上經(jīng)濟性最佳區(qū)域之間的關系。

圖10　等燃油消耗率圖

等燃油消耗率曲線主要反映在不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷情況下的燃油消耗率，圖中橫坐標為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，左縱坐標為對應扭矩，曲線部分為扭矩與轉(zhuǎn)速對應關系圖；右縱坐標為油耗，由深至淺為逐漸降低，圖中深色方塊所覆蓋的區(qū)域表示車輛在循環(huán)工況下發(fā)動機的工作區(qū)域。發(fā)動機負荷率是指在特定工況點的扭矩和同轉(zhuǎn)速下最大扭矩的百分比，一般情況下負荷率越大，發(fā)動機熱效率就越高，油耗越低[10]。在此圖上可以看到油耗最低區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)發(fā)動機的熱效率也最高。

3動力性經(jīng)濟性綜合評價分析

對動力傳動系統(tǒng)進行優(yōu)選，以汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性評價指標作為響應，根據(jù)實際使用情況的需要，選擇以下5個指標的計算結果作為評價標準，綜合循環(huán)工況下的百公里油耗和5檔100 km/h的等速油耗作為燃油經(jīng)濟性評價指標，將CM7汽車在四組不同速比下的Cruise軟件仿真分析計算結果歸納如表4所示。

表4

整車性能參數(shù)

由于汽車的動力性能與燃油經(jīng)濟性能是無法兼顧的，因此在汽車的動力性與燃油經(jīng)濟性之間選取一個最佳的折中點使得汽車的綜合性能指數(shù)達到最優(yōu)[11]。將這個綜合性能指數(shù)作為目標函數(shù)f(x)，將動力性T(x)與燃油經(jīng)濟性Q(x)按重要程度的不同分別賦予不同的加權因子ω1、ω2，即：

f(x)=ω1T(x)+ω2Q(x)

根據(jù)車型特點，在保證汽車動力性能達到要求的前提下，提高燃油經(jīng)濟性，其加權因子賦值宜為：ω1取0.4，ω2取0.6[12]。將加權因子的值及仿真計算結果數(shù)據(jù)代入到目標函數(shù)中計算，得出四組速比的綜合性能指標水平如表5所示。

表5

計算結果分析

從而得出綜合性能最佳的一組變速器速比是C組。采用C組參數(shù)配置，不僅滿足了CM7汽車的動力性能需求，其燃油經(jīng)濟性也是四組參數(shù)中最高的，具有較強的應用價值。

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Application of CAE analysis in the design of automotive transmission ratio

ZHOU Qiong

Abstract:Considering the low level of application of CAE in domestic automotive industry, we adopted CAE analysis for the transmission matching for the CM7 vehicle. The power performance and economical efficiency were used as constraint conditions for the optimization, and CAE simulation software AVL-Cruise was adopted to simulate the calculations. In the end, the optimum transmission ratio was selected for the design of automotive transmission ratio.

Keywords:CAE; transmission; transmission ratio; simulation; analysis

收稿日期：2015-12-09

作者簡介：周瓊(1989-)，女，工學碩士，江西交通職業(yè)技術學院，講師，研究方向：CAE技術研究。

中圖分類號：TP391.7

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)02-0050-05