基于Cruise的輕型乘用車裝載質(zhì)量變化對動力性的影響*

張德生 孫曙光

（1.黑龍江工程學(xué)院；2.黑龍江東方學(xué)院）

在汽車開發(fā)階段，汽車動力性是主要考慮的技術(shù)指標(biāo)之一。而影響汽車動力性的因素較多，其中，汽車裝載質(zhì)量是一個對汽車動力性能的影響相對顯著的參數(shù)。隨著汽車載重質(zhì)量的增加，汽車動力性降低，這是因為滾動阻力和加速阻力與質(zhì)量呈正比關(guān)系，其阻力隨著質(zhì)量的增加而增大；在發(fā)動機輸出扭矩一定的情況下，隨著汽車的加速度降低和加速時間增加，整車的動力性能降低。通過改變汽車總質(zhì)量的數(shù)值，分析輕型乘用車動力性能指標(biāo)對汽車總質(zhì)量的敏感性，以及質(zhì)量變化對汽車動力性能影響的變化趨勢，有利于幫助設(shè)計人員判斷由于質(zhì)量變化引起的動力性各指標(biāo)值，以達(dá)到設(shè)計和樣車制定的工程目標(biāo)與計劃的要求，并縮短車型開發(fā)和生產(chǎn)制造周期。文章以發(fā)動機前置前輪驅(qū)動的手動擋輕型乘用車為例，利用Cruise軟件建立仿真模型并進(jìn)行分析驗證。

1 建立動力傳動系統(tǒng)仿真模型

1.1 建立基礎(chǔ)車型和物理連接

該乘用車配備有排量為1.3 L汽油發(fā)動機和5擋機械變速箱。駕駛室只控制加速踏板、變速器、離合器及制動器踏板。根據(jù)結(jié)構(gòu)和布置形式的分析，選用模型庫中的 Vehicle，Cockpit，Engine，F(xiàn)riction，Gear Box，Single Ratio，Differential，Wheel及 Brake等模塊。當(dāng)各子系統(tǒng)模型選定后，根據(jù)汽車配置方案和部件連接關(guān)系，通過connect連接功能建立模型的物理連接。

1.2 基礎(chǔ)車型整車主要參數(shù)

該基礎(chǔ)車型的整車主要參數(shù)，如表1所示。

表1 基礎(chǔ)車型的整車主要參數(shù)

1.3 設(shè)置主減速器參數(shù)

文章設(shè)計了A，B，C 3種車型，3種車型匹配的主減速器傳動比分別為3.789，4.105，4.388，3種車型的主減速器傳動效率均取0.97，其他參數(shù)均相同，并在Cruise中設(shè)置3種主減速器的參數(shù)。

2 仿真任務(wù)和計算過程

2.1 仿真任務(wù)

根據(jù)汽車試驗和性能分析要求進(jìn)行動力性測試，汽車動力性評價指標(biāo)有最高車速、加速時間及最大爬坡度等。根據(jù)要求Cruise制定了4種計算任務(wù)，分別是：1）爬坡性能測試。用于不同擋位的最大爬坡性能的動力性測試。2）恒速驅(qū)動。用于最高車速動力性測試。3）全負(fù)荷加速測試。用于原地起步連續(xù)換擋加速時間測試。4）全負(fù)荷加速測試。用于超車加速時間的動力性測試。

2.2 計算過程

根據(jù)汽車實際情況建立計算模型，針對每個性能指標(biāo)創(chuàng)建一個分析任務(wù)，在任務(wù)設(shè)置界面中選取計算的行駛阻力類型為按行駛?cè)蝿?wù)選擇，不考慮打滑現(xiàn)象。行駛阻力一般有滾動阻力、空氣阻力、加速阻力及坡道阻力4種，一般行駛情況只需選擇滾動阻力和空氣阻力，只有加速或爬坡時分別增選加速阻力或坡道阻力。選取計算載荷狀態(tài)為滿負(fù)荷。將整車總質(zhì)量作為變量得到一維矩陣，進(jìn)入矩陣計算界面對變量進(jìn)行設(shè)置，質(zhì)量變化范圍為1 000～14 00 kg，變化步長為25 kg，每種車共16個方案，3種車型有48個組合方案，每種車型以1 000 kg為基礎(chǔ)質(zhì)量。

3 裝載質(zhì)量變化對整車動力性影響的仿真分析

動力性主要對爬坡性能、最高車速、0～100 km/h的加速時間及超車加速時間4項內(nèi)容進(jìn)行分析。

3.1 裝載質(zhì)量變化對爬坡性能的影響

匹配的3種車型1擋位最大爬坡度仿真結(jié)果，如圖1a所示。整車質(zhì)量變化率是指整車計算質(zhì)量相對基礎(chǔ)質(zhì)量的變化率，最大爬坡度變化率是指整車計算質(zhì)量下的最大爬坡度相對基礎(chǔ)質(zhì)量下的最大爬坡度的變化率。3種車型的1擋平均最大爬坡度變化率與整車質(zhì)量變化率曲線，如圖1b所示。

由圖1b可知，1擋最大爬坡度變化率與整車質(zhì)量變化率關(guān)系是非線性關(guān)系，擬合圖1b中曲線得到：y1=0.009 6x2－1.235 4x－0.348 6（x為整車質(zhì)量變化率，y1為1擋最大爬坡度變化率），整車質(zhì)量每增加或減小10%，1擋最大爬坡度隨之減小或增加8.8%～11.9%。

3.2 裝載質(zhì)量變化對最高車速的影響

匹配的3種車型5擋位的最高車速仿真結(jié)果，如圖2a所示；3種車型5擋位的最高車速變化率與整車質(zhì)量變化率曲線，如圖2b所示。

由圖2b可知，5擋最高車速變化率與整車質(zhì)量變化率之間關(guān)系是線性關(guān)系，擬合圖2b中曲線得到：y2=－0.066 7x（y2為最高車速變化率）。表明最高車速變化率與整車質(zhì)量變化率成反比，整車質(zhì)量每增加或減小10%，最高車速隨之減小或增加0.667%。

3.3 裝載質(zhì)量變化對0~100 km/h加速時間的影響

匹配的3種車型0～100 km/h加速時間的仿真結(jié)果，如圖3a所示；3種車型0～100 km/h加速時間變化率與整車質(zhì)量變化率曲線，如圖3b所示。

由圖3b可知，0～100 km/h加速時間變化率與整車質(zhì)量變化率之間關(guān)系是線性關(guān)系，擬合圖3b中曲線得到：y3=0.936 7x（y3為 0～100 km/h加速時間變化率）。表明整車質(zhì)量每增加或減小10%，0～100 km/h加速時間變化率隨之增加或減小9.367%。

3.4 裝載質(zhì)量變化對超車加速時間的影響

超車加速時間主要考慮4擋60～100 km/h加速時間和5擋80～120 km/h加速時間。匹配的3種車型4擋60～100 km/h加速時間的仿真結(jié)果，如圖4a所示；4擋60～100 km/h加速時間變化率與整車質(zhì)量變化率曲線，如圖4b所示。匹配的3種車型的5擋80～120 km/h加速時間的仿真結(jié)果，如圖5a所示；5擋80～120 km/h加速時間變化率與整車質(zhì)量變化率曲線，如圖5b所示。

由圖4b可知，4擋60～100 km/h加速時間變化率與整車質(zhì)量變化率之間關(guān)系是線性關(guān)系，擬合圖4b中曲線得到：y4=1.124 4x（y4為4擋60～100 km/h加速時間變化率）。表明整車質(zhì)量每增加或減小10%，4擋60～100 km/h加速時間變化率隨之增加或減小11.244%。由圖5b可知，5擋80～120 km/h加速時間變化率與整車質(zhì)量變化率之間是非線性關(guān)系，擬合圖5b中曲線得到：y5=1.251 7x（y5為5擋80～120 km/h加速時間變化率）。表明整車質(zhì)量每增加或減小10%，5擋80～120 km/h加速時間變化率隨之增加或減小12.517%。

4 實車試驗

從圖1a，圖3a，圖4a及圖5a中可以看出，3個車型中C車型的動力性最好，但圖2a中C車型動力性適中，相對較好，因此，可以得出C車型的綜合動力性是最好的。根據(jù)汽車動力性臺架試驗方法和評價指標(biāo)（GB/T 18276—2000），并選擇 C車實車在 AVL轉(zhuǎn)鼓底盤測功機進(jìn)行試驗測試，整車質(zhì)量變化范圍選擇1 000 kg（基準(zhǔn)質(zhì)量）至1 400 kg（該車總質(zhì)量），步長為50 kg。為了盡量降低試驗時帶來隨機誤差，每種整車質(zhì)量進(jìn)行2次試驗并取其平均值，加速時間仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比，如圖6所示。從圖6可以看出，仿真結(jié)果與樣車試驗的數(shù)據(jù)基本相符，證明仿真結(jié)果的正確性。

5 結(jié)論

從文章指定車型可以得知，汽車裝載質(zhì)量變化對加速時間和爬坡性能影響較大，質(zhì)量每增加或減少10%，會導(dǎo)致汽車加速時間增加或減少約9.4%～12.5%，爬坡度減少或增加約8.8%～11.9%，而汽車裝載質(zhì)量變化對5擋的最高車速影響不大，并得出綜合動力性指標(biāo)相對較好是主減速器為4.388的C型車。通過樣車試驗測試，驗證了所建立的理論模型和仿真結(jié)果的正確性。