基于AVL-CRUISE 軟件的巴哈賽車動力傳動系統(tǒng)匹配仿真

安徽萬通高級技工學(xué)校 廖光宙，衣天培

中國汽車工程學(xué)會在2015年將Baja（巴哈）賽事引入中國，為賽事提供統(tǒng)一的動力性能基礎(chǔ)，所有參賽車均必須使用相同的發(fā)動機(jī)：一臺四沖程、風(fēng)冷、排量為305 mL的百力通Baja發(fā)動機(jī)。由于動力系統(tǒng)的限制性，為了提高賽車的競技性，賽車設(shè)計必須追求較大的比功率。對于Baja賽車來說，在發(fā)動機(jī)相同的情況下，對于動力與傳動系統(tǒng)各部件之間的匹配調(diào)校顯得尤為重要，良好的動力匹配可以讓賽車適應(yīng)不同的工況及賽事，保證賽車良好的動力性。傳統(tǒng)的動力傳動系統(tǒng)匹配調(diào)試時間較長，設(shè)計周期長，試驗研究成本高，為加快賽車研發(fā)速度，減少賽車研發(fā)時間，需要利用軟件建立賽車整車仿真模型，并對賽車動力與傳動系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)工況、最大爬坡度、全負(fù)荷加速性、制動性及最大牽引力等進(jìn)行仿真計算，可以節(jié)省大量的調(diào)試時間。

AVL-CRUISE是奧地利AVL公司開發(fā)的車輛性能仿真分析軟件，與ADVISOR及GT-power等動力學(xué)仿真軟件相比，AVL-CRUISE可預(yù)先根據(jù)設(shè)定的動力性指標(biāo)，進(jìn)行動力參數(shù)匹配計算和動力總成匹配計算。萬通汽車教育參加了2017中國汽車工程學(xué)會巴哈大賽，取得了年度總成績一等獎，襄陽站總成績一等獎、4 h耐力賽第一名、單圈計時賽第三名，烏蘭察布站單圈計時第二名、爬坡第二名的優(yōu)異成績。本文根據(jù)萬通汽車教育2017年 Baja越野賽車整車參數(shù)和性能指標(biāo)對2018年萬通Baja越野賽車的發(fā)動機(jī)、變速比及減速比進(jìn)行動力匹配設(shè)計，利用AVL-CRUISE仿真分析軟件，建立賽車整車模型，針對不同工況，對其動力性和經(jīng)濟(jì)型進(jìn)行模擬分析。再通過賽車整車耐久性、直線加速性、爬坡性等多項實車試驗，與AVL-CRUISE軟件仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了基于AVL-CRUISE軟件的Baja越野賽車動力傳動系統(tǒng)匹配仿真及整車建模的準(zhǔn)確性，以期對后續(xù)其他職業(yè)院校參加中國大學(xué)生Baja大賽賽車設(shè)計有所借鑒。

1 Baja越野賽車的組成和性能指標(biāo)

Baja越野賽車整車主要由動力傳動、車身、車架、懸架、轉(zhuǎn)向、人機(jī)、制動、電器等8大系統(tǒng)組成。其中，動力傳動系統(tǒng)作為賽車中占比最重的一個組成部分，其主要包含發(fā)動機(jī)、無極變速器（CVT）、二級減速器、傳動軸、萬向節(jié)等。對于Baja越野賽車來說，其重要的動力性評價指標(biāo)為最高車速、30 m直線加速和爬坡能力。

2 基于AVL-CRUISE軟件的2018萬通Baja賽車整車仿真模型的建立

圖1為所示為基于AVL-CRUISE軟件建立的Baja越野賽車CVT變速器整車系統(tǒng)模型，其整體建模模塊主要包括整車、輪胎、制動、百力通Baja發(fā)動機(jī)、座艙、無級變速器、主減速器、監(jiān)視器（monitor）等模塊。利用AVL-CRUISE軟件成熟的模塊，從其元件庫中選取各個系統(tǒng)相應(yīng)的圖標(biāo)，建模時，只要將所需部件從元件庫中移動至建模，再利用機(jī)械連接線將各個部件連接至一起即可。由于Baja賽車采用發(fā)動機(jī)后置后驅(qū)的方式，故前軸按照制動器→車輪的形式進(jìn)行連接，后軸按照發(fā)動機(jī)→CVT變速器→減速器→制動器→車輪的順序進(jìn)行連接。模型建立后，點擊各個部件，對每個部件進(jìn)行參數(shù)輸入，并建立駕駛者模塊對整車進(jìn)行控制，輔以Monitor對整車實時工況進(jìn)行監(jiān)測，即可建立一個完整的Baja賽車整車模型。

圖1 基于AVL-CRUISE軟件的Baja賽車模型（截屏）

2.1 整車參數(shù)模塊

整車參數(shù)模塊是整車模型中的基本組件，包含了車輛基本尺寸、質(zhì)量等參數(shù)。通過此模塊可以計算得到車輪動態(tài)載荷、空氣阻力、滾動阻力、坡度阻力、加速阻力及車輛總阻力。在該模塊中，需要輸入的主要參數(shù)包括燃油箱體積、重心高度、前后輪胎胎壓、整備質(zhì)量、滿載質(zhì)量、迎風(fēng)面積、空氣阻力系數(shù)及前后軸升力系數(shù)等。2018年萬通Baja賽車整車參數(shù)見表1所列，其整車3D模型如圖2所示。

2.2 制動器（Brake）模塊

2018年萬通Baja賽車前后輪制動卡鉗均采用Wilwood PS1對置雙活塞卡鉗，體積小、質(zhì)量輕，布置更為緊湊。駕駛者在驚慌狀態(tài)下腳掌發(fā)出的制動踩踏力約為2 500 N，利用CAE仿真分析對制動踏板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，將制動踏板的材料從45鋼優(yōu)化為7075鋁，達(dá)到了輕量化目標(biāo)；制動踏板的杠桿比優(yōu)化為5∶1，可提升車手駕駛的舒適性和制動控制的靈敏度。由于2018年萬通Baja賽車前后輪制動布置形式及所用制動主

表1 2018年萬通Baja賽車整車參數(shù)

圖2 2018年萬通Baja整車的3D模型

缸型號均一致，故將FR（前右）、FL（前左）、RR（后右）、RL（后左）的參數(shù)均設(shè)為一致。

2.3 發(fā)動機(jī)（Engine）模塊

根據(jù)賽制要求，所有賽車用發(fā)動機(jī)均為由百力通統(tǒng)一提供的化油器式單缸發(fā)動機(jī)，排量為305 mL，最大功率為10 hp（1 hp=0.745 699 872 kW），最大轉(zhuǎn)矩為17 N·m，并據(jù)此繪制的發(fā)動機(jī)外特性曲線。在發(fā)動機(jī)（Engine）模塊中需要輸入發(fā)動機(jī)排量、氣缸數(shù)、沖程數(shù)、發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量、發(fā)動機(jī)響應(yīng)時間、燃油熱值及燃油密度等，結(jié)合發(fā)動機(jī)外特性曲線，根據(jù)驅(qū)動力-行駛阻力平衡圖計算得到的賽車最高車速為58 km/h，主減速比為13.25。

2.4 駕駛者-駕駛室（Cockpit）模塊

Cockpit模塊用來模擬駕駛者和賽車的聯(lián)系，通過數(shù)據(jù)總線與車輛進(jìn)行信息交換，例如車速、加速度行駛距離、發(fā)動機(jī)油門開度等數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線傳遞給駕駛室，駕駛者根據(jù)這些信號結(jié)合道路狀況調(diào)節(jié)油門和踏板位置；同樣，駕駛者的信息也可以通過數(shù)據(jù)總線傳遞給各個模塊。Cockpit模塊需要定義一些信息模擬真實的駕駛室，如換擋模式、最大制動力、變速器擋位數(shù)、加速踏板特性曲線、制動器踏板特性曲線等。

2.5 CVT模塊

考慮到賽車手在越野路面上行駛時車輛的顛簸對換擋、制動、加速、離合及轉(zhuǎn)向等的操縱難度，2018年萬通Baja賽車使用了功率損失較小的 CVT變速器，以降低駕駛者的駕駛負(fù)擔(dān)，提高駕駛注意力。根據(jù)測試，CVT變速器的最小傳動比為0.5∶1，最大傳動比為3.0∶1。

2.6 車輪/輪胎（Wheel/Tire）模塊

Wheel/Tire模塊是車輛和道路之間的連接模塊。2018年萬通Baja賽車選用了抗穿刺性高且能承載更高負(fù)荷的正新AT22×7-10TL輪胎。為減小前輪轉(zhuǎn)向力矩，提升后輪抓地力，前后輪選用不同花紋的輪胎。前輪選用“米”字形胎面花紋，能使整車在顛簸路況下依然具有卓越的操控性能；后輪選用“人”字形胎面花紋，使賽車即使是在泥濘路況中行駛也不會有過多的淤泥堆積，從而保證了良好的抓地力。特別需要注意的是在進(jìn)行車輪/輪胎模塊設(shè)計時要充分考慮到輪胎的滑移。

2.7 整車信號連接

在建立完Baja賽車仿真模型后，需要對其進(jìn)行電氣連接、信號連接、機(jī)械連接。

3 仿真結(jié)果

根據(jù)Baja大賽的規(guī)則，動態(tài)賽事主要分直線、操控、牽引、爬坡及耐久等賽項。根據(jù)這些賽項的要求，利用AVL-CRUISE軟件對2018萬通Baja賽車進(jìn)行了整車動力性、經(jīng)濟(jì)性及最高車速、最大爬坡度、最大牽引力等針對UDC工況（Urban Driving Cycle，城市循環(huán)工況）進(jìn)行仿真，利用Monitor模塊對賽車仿真過程中的車速、加速度、發(fā)動機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)速、車輛行駛距離等進(jìn)行實時監(jiān)測（圖3）。雖然這個模擬結(jié)果與實際賽道測試仍有一點點差別，但在整車設(shè)計剛開始時依然具有重要的參考意義。

圖3 Monitor實時監(jiān)測結(jié)果（截屏）

2018年萬通Baja賽車整車模型UDC工況下的車速和加速度的仿真結(jié)果顯示其最大加速度可達(dá)10.29 m/s2左右，最大車速可到達(dá)50 km/h，符合設(shè)計理念，并且與后期實車測試結(jié)果相差不大。利用已配置的參數(shù)，建立仿真任務(wù)計算賽車的最大牽引力，由于采用CVT變速器，無需考慮到手動換擋，故將發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提升到2 800 r/min。由發(fā)動機(jī)外特性曲線可知，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在2 800 r/min時轉(zhuǎn)矩最大，可達(dá)到17.5 N·m，減速器的減速比為13.25，無級變速比為0.5～3，輪胎半徑為0.279 4 m，通過計算可知，賽車在理想狀況下的最大牽引力為2 500 N。由仿真結(jié)果可知，賽車在拖動牽引車的情況下，車速為7.8 km/h時的最大牽引力可達(dá)2 700 N，與實車測試和理論計算非常接近。

在計算項目中新添計算“最高車速”的任務(wù)，其仿真工況為熱啟動，在無牽引車的情況下，賽車的理論最高車速為60.07 km/h，真實可獲得最高車速為56.1 km/h，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速接近3 800 r/min，與實車測試的58 km/h結(jié)果十分接近。

利用已配置好的參數(shù)，對賽車進(jìn)行最高爬坡度仿真任務(wù)計算。在不考慮起步原地打滑的情況下，對車輛進(jìn)行仿真模擬，其仿真工況為泥濘道路上，迎風(fēng)面積為1.2 m2，由于車速過低，并不考慮加速阻力，空氣阻力系數(shù)為0.305，由于是CVT變速器，無需考慮換擋問題，計算得到的最大爬坡度為47.5°。

4 結(jié)論

（1）在賽車設(shè)計過程中，靈活運用AVL-CRUISE軟件對2018年萬通Baja賽車進(jìn)行整車動力學(xué)計算，其仿真模型不僅具有方便、簡單、易調(diào)試、程序運行可靠等特點，仿真結(jié)果相對于ADVISOR等軟件來說準(zhǔn)確性更高，通過后期實車測試，其實際結(jié)果與仿真計算結(jié)果十分接近。

（2）對于大學(xué)生賽車平臺來說，通過建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型并對其實際工作狀況進(jìn)行仿真分析，能夠很好地預(yù)測各種條件下的賽車性能，而且仿真結(jié)果簡單易懂，便于學(xué)生在設(shè)計過程中分析研究。

（3）利用AVL-CRUISE軟件不但可以事先靈活地調(diào)整設(shè)計方案，合理優(yōu)化參數(shù)，而且可以降低研發(fā)費用，縮短開發(fā)周期，并且在日后的工作中，可靈活運用所學(xué)的AVL-CRUISE軟件仿真知識，給車輛研究工作帶來幫助。