基于Trucksim的整車動(dòng)力性能仿真分析

吳濤，焦靜，范學(xué)瓊，曾麗華

（1.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200；2.輕工業(yè)鐘表研究所，陜西 西安 710032；3.第四軍醫(yī)大學(xué)放射醫(yī)學(xué)教研室，陜西 西安 710032）

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基于Trucksim的整車動(dòng)力性能仿真分析

吳濤1,3，焦靜2，范學(xué)瓊1，曾麗華3

（1.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200；2.輕工業(yè)鐘表研究所，陜西 西安 710032；3.第四軍醫(yī)大學(xué)放射醫(yī)學(xué)教研室，陜西 西安 710032）

利用Trucksim軟件對(duì)某重型商用車進(jìn)行建模及動(dòng)力性能仿真，將仿真結(jié)果與理論計(jì)算值進(jìn)行比較和分析。結(jié)果表明，采用Trucksim建模仿真得到的動(dòng)力性指標(biāo)結(jié)果均比理論計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。

重型牽引車；Trucksim；參數(shù)化建模；動(dòng)力性；仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.022

CLC NO.: U469.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-63-03

前言

動(dòng)力性是汽車各種性能中最基本、最重要的性能,，涉及到設(shè)計(jì)開發(fā)過程中車載發(fā)動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩、各檔傳動(dòng)比等參數(shù)的選擇， 更在很大程度上決定了汽車這一高效率運(yùn)輸工具的運(yùn)輸效率之高低[1]。

目前，整車動(dòng)力性計(jì)算仍常采用理論公式計(jì)算的基本方法[2]。理論計(jì)算的方法雖然簡(jiǎn)單，但計(jì)算量較大，且得到的結(jié)果也僅為理論值，與實(shí)際情況存在一定誤差。而隨著科學(xué)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）進(jìn)行整車建模、動(dòng)力性仿真計(jì)算已成為汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)的一個(gè)強(qiáng)有力手段。借助CAE對(duì)車輛實(shí)際工作狀況進(jìn)行仿真分析，能夠很好地預(yù)測(cè)各種條件下的系統(tǒng)性能，從而可以事先靈活地調(diào)整設(shè)計(jì)方案，合理優(yōu)化參數(shù)，而且能夠大大降低開發(fā)成本，縮短新產(chǎn)品研制周期[3]。

Trucksim 是由美國(guó)機(jī)械仿真公司 Mechanical Simulation Corporation開發(fā)的一種動(dòng)態(tài)模擬汽車整車動(dòng)力學(xué)的仿真軟件，它采用面向特性的參數(shù)化建模手段，用于仿真及分析輕型貨車、大客車、重型半掛車、重型卡車、多軸軍用汽車，其中包括具有雙輪、非對(duì)稱轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、多軸以及單個(gè)或多個(gè)拖車的情況等車輛，對(duì)駕駛員操縱（轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、加速）、3D路面及空氣動(dòng)力學(xué)輸入的響應(yīng)，主要用來預(yù)測(cè)和仿真汽車整車的操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性、平順性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等。鑒于此，本文選用Trucksim軟件對(duì)某重型商用車進(jìn)行動(dòng)力性能建模仿真，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，利用Trucksim軟件進(jìn)行動(dòng)力性能分析，能夠在提高效率的同時(shí)，使獲得的較理論計(jì)算值更接近于實(shí)際情況的結(jié)果。

1、Trucksim軟件整車動(dòng)力系統(tǒng)建模

1.1Trucksim車輛模型的建立

Trucksim是用于分析車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的專業(yè)軟件，其工作界面和組成如圖1所示。其將整車分為車體、空氣動(dòng)力學(xué)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎、懸架、氣壓制動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，且通過輸入此七大子系統(tǒng)的特性參數(shù)和特性曲線開展建模仿真。

圖1　Trucksim工作界面和組成

在Trucksim中建立動(dòng)力性仿真模型所需要的參數(shù)，主要包括車輛模型和路面模型。文中以Trucksim內(nèi)部2A Euro Cab Over標(biāo)準(zhǔn)4×2牽引車為研究對(duì)象，該車配備300KW國(guó)Ⅳ柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，10檔機(jī)械變速器，斯太爾雙級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋，汽車總質(zhì)量50000Kg。根據(jù)重卡結(jié)構(gòu)和功能，利用Trucksim軟件建立的整車仿真模型應(yīng)由牽引頭和半掛車組成，牽引車的布置形式為發(fā)動(dòng)機(jī)前置單橋后輪驅(qū)動(dòng)，機(jī)械變速器，半掛車按三軸考慮。其中，車輛的輪胎、轉(zhuǎn)向系、制動(dòng)系及懸架采用軟件的默認(rèn)設(shè)置，最終建立的車輛仿真模型如圖2所示，主要參數(shù)見表1。

圖2　Trucksim中建立的整車仿真模型

表1　2A Euro Cab Over車輛模型主要參數(shù)

1.2Trucksim道路模型的建立

Trucksim道路模型由路面幾何特性、路面摩擦系數(shù)以及路面的影像和周圍環(huán)境組成。路面的幾何特性由路面中心線平面的水平幾何特性（構(gòu)造路面的形狀）、中心線平面的垂直幾何特性（構(gòu)造路面起伏狀態(tài)）、關(guān)于中心線函數(shù)的路譜特性（構(gòu)造路面上任一點(diǎn)的特性）疊加組成。根據(jù)動(dòng)力性仿真需求，以爬坡行駛工況為例，對(duì)其仿真路面設(shè)置過程進(jìn)行描述，將該仿真路面分為長(zhǎng)度為 20m平直路段，圓弧半徑約為2m、長(zhǎng)度為3m過度路段和長(zhǎng)度為60m坡道路段三部分，利用道路的幾何尺寸和坡道弧度關(guān)系可以計(jì)算得出路面中心線平面的垂向幾何特性，且設(shè)置路面摩擦系數(shù)均為0.85，路段全長(zhǎng)約為80m，以此生成的爬坡行駛工況路面三維模型如圖3所示。

圖3　路面中心線垂向幾何特性三維模型

2、利用所建模型進(jìn)行仿真及分析

基于前述建立的重型牽引汽車動(dòng)力學(xué)模型，為使仿真動(dòng)畫更加形象，在三維軟件3DMAX中對(duì)Trucksim已有汽車外形進(jìn)行修改，建立與實(shí)車相似的汽車外形，參考實(shí)車試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)動(dòng)力學(xué)模型的動(dòng)力性能開展原地起步連續(xù)換擋加速時(shí)間、最高車速和最大爬坡度3項(xiàng)的仿真計(jì)算和分析。

2.1計(jì)算原地起步連續(xù)換擋加速性能和最高車速

仿真路面采用長(zhǎng)度為 1200m平直長(zhǎng)路段。仿真參數(shù)設(shè)置：初速度設(shè)為0km/h，油門開度設(shè)為1.0，即使汽車以0km/h的初速度全油門加速，擋位設(shè)置為由換擋規(guī)律控制，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角不進(jìn)行設(shè)置。

按照以上設(shè)置，進(jìn)行仿真運(yùn)算，輸出相應(yīng)的仿真結(jié)果，如圖4-5所示。由圖4可以看出，汽車加速時(shí)間和加速距離均較短，有良好的原地起步加速性能，得到的由0km/h加速到70km/h的加速時(shí)間結(jié)果為60.75s。用理論公式在MATLAB環(huán)境下編程計(jì)算，得到由0km/h加速到70km/h的加速時(shí)間結(jié)果為53.2s。原型車進(jìn)行多次實(shí)際路面加速度測(cè)試，所得到的平均結(jié)果為59s，由此可見采用Trucksim建模仿真得到的加速性能結(jié)果比理論計(jì)算更加準(zhǔn)確。同樣，從圖5最高車速試驗(yàn)仿真曲線中可以直接得到整車的最高車速為124.4km/h。而用理論公式在MATLAB環(huán)境下編程計(jì)算，得到的最高車速結(jié)果為 136.9km/h。相比于實(shí)際測(cè)試得到的 122km/h的最高車速，可見Trucksim建模仿真得到的結(jié)果較理論計(jì)算值更接近于實(shí)際測(cè)量結(jié)果。

圖4　原地起步連續(xù)換擋加速性能試驗(yàn)仿真曲線

圖5　最高車速試驗(yàn)仿真曲線

2.2計(jì)算最大爬坡度

仿真路面采用圖3所示的坡道路段。仿真參數(shù)設(shè)置：初速度設(shè)為0km/h，油門開度設(shè)為1.0，使汽車以0km/h的初速度全油門加速，擋位設(shè)為1擋，轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角不進(jìn)行設(shè)置，路段坡度設(shè)置只需將路面中心線的垂直幾何特性替換成相應(yīng)的坡度形狀即可。

按照以上設(shè)置，首先進(jìn)行15deg和 10deg坡道試驗(yàn)仿真，結(jié)果15deg坡道仿真試驗(yàn)車輛未能通過。然后，按照此通過情況，分別選取12deg、13deg和14deg進(jìn)行三個(gè)不同坡度角下的爬陡坡試驗(yàn)。為控制仿真運(yùn)算時(shí)間，設(shè)定仿真時(shí)長(zhǎng)為40s，若汽車在仿真時(shí)長(zhǎng)內(nèi)未通過測(cè)試路段且車速逐漸降低，則可增大仿真時(shí)長(zhǎng)重新進(jìn)行仿真。由于篇幅關(guān)系，在此僅給出坡度角為12deg、13deg和14deg的仿真曲線，如圖6-7所示。

由于爬坡前的平直路段長(zhǎng) 20m，過渡路段長(zhǎng) 3m，故汽車從22m開始進(jìn)入坡道，國(guó)標(biāo)規(guī)定至少沿坡道行駛25m，即圖中位移47m處，可視為通過該坡道。由圖可以看出，汽車能爬上的最大坡度約為14deg，24.9%。利用理論公式計(jì)算，得到最大爬坡度為32.1%。原型車實(shí)測(cè)給出的結(jié)果為26.4%?？梢奣rucksim建模仿真得到的結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)值更接近。

圖6　12deg、13deg、14deg坡道試驗(yàn)車速曲線

圖7　12deg、13deg、14deg坡道試驗(yàn)距離曲線

3、結(jié)論

利用Trucksim軟件進(jìn)行整車動(dòng)力學(xué)計(jì)算，不僅計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果十分相近，而且整車建模便捷、仿真時(shí)間較短、整車和部件的參數(shù)配置清晰直觀。仿真過程無須反復(fù)公式計(jì)算推導(dǎo)，卻可以方便地得到比公式計(jì)算更豐富、更便于觀測(cè)的結(jié)果。另外在檢查錯(cuò)誤和修改參數(shù)方面，Trucksim也比理論計(jì)算有很大的優(yōu)勢(shì)。

[1] 余志生. 汽車?yán)碚揫M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

[2] 羅衛(wèi)東, 邱望標(biāo). 汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算機(jī)仿真與傳動(dòng)系參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代機(jī)械,2008, 2:32-34.

[3] 高大威,金振華,盧青春. 基于Matlab的燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2005,17(8):1899-1901.

Simulation and Analysis on Vehicle Power Performance with Trucksim

Wu Tao1,3, Jiao Jing2, Fan Xueqiong1, Zeng Lihua3
（1. Shaanxi Heavy-Duty Truck Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200; 2. Horological Research Institute of Light Industry, Shaanxi Xi'an 710032; 3.Department of Radiation Medicine, The Fourth Military Medical University, Shaanxi Xi'an 710032）

In this paper, a new method for a heavy-duty commercial vehicles of power performance calculation with software Trucksim is introduced. The simulation results are compared with the ones got by theoretical formulas, where the results got by Trucksim are proved more precise.

Heavy-duty truck; Trucksim; Parameters of assembly; Power performance; Simulation

陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015JM8454）；總后衛(wèi)生部項(xiàng)目（BWS14J035）。

U469.2

A

1671-7988 （2016）06-63-03

吳濤，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。