混合動(dòng)力轎車虛擬設(shè)計(jì)和仿真

徐凌

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

各種類型的電動(dòng)汽車是解決節(jié)能與環(huán)保問題的現(xiàn)實(shí)途徑之一，其中混合動(dòng)力汽車同時(shí)采用內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)作為其動(dòng)力裝置，是目前市場(chǎng)化前景最好的節(jié)能汽車之一。文章在某款經(jīng)濟(jì)型轎車的基礎(chǔ)上，加入電機(jī)、電池箱和電機(jī)控制器，以發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)串聯(lián)構(gòu)成輔助動(dòng)力單元，并與動(dòng)力蓄電池箱結(jié)合形成串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用輪轂電機(jī)與車輪相連接形成電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行了混合動(dòng)力轎車虛擬設(shè)計(jì)。

1 利用CAD進(jìn)行整車總布置

基礎(chǔ)車型的結(jié)構(gòu)非常緊湊，為了保證足夠的內(nèi)部空間，以滿足用戶對(duì)乘坐空間和行李艙空間的要求，采用CATIA三維數(shù)模與AutoCAD二維數(shù)模相結(jié)合的手段，進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和多方案對(duì)比，確定了混合動(dòng)力樣車的總布置方案，如圖1所示。

圖1 混合動(dòng)力轎車總布置方案圖

在性能樣車的總布置方案設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)輕量化和擴(kuò)大行李箱空間，重新在行李箱中布置了電池箱和輪邊電機(jī)控制器，增加電機(jī)和控制器的水冷系統(tǒng)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，使可用空間得到充分利用，實(shí)現(xiàn)了減重和優(yōu)化軸荷分配等。

2 利用CATIA進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)艙和后橋的布置

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置

根據(jù)車內(nèi)空間的情況，確定動(dòng)力構(gòu)成由兩部分組成：一是發(fā)動(dòng)機(jī)艙的ISG電機(jī)；二是后輪的輪轂電機(jī)。在混合動(dòng)力轎車設(shè)計(jì)中，基礎(chǔ)車型的發(fā)動(dòng)機(jī)艙變動(dòng)較大。首先發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成的懸置需要更改設(shè)計(jì)；其次新增加了ISG電機(jī)，動(dòng)力總成軸向尺寸發(fā)生變化，ISG電機(jī)的接口尺寸需要與發(fā)動(dòng)機(jī)及離合器殼相適應(yīng)，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙重新布置。文章采用CATIA三維數(shù)模進(jìn)行了反復(fù)的布置比較，最終確定保持變速器質(zhì)心不變，最大程度地保證與基礎(chǔ)平臺(tái)車零件通用，同時(shí)與ISG電機(jī)提供方確定了風(fēng)冷電機(jī)的幾何尺寸。性能樣車發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置，如圖2所示。

圖2 混合動(dòng)力轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置模型圖

在性能樣車發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置方案優(yōu)化設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)輕量化，對(duì)水冷電機(jī)進(jìn)行了減重；布置了水冷系統(tǒng)的水泵和散熱器；提升12 V電池支架，避免和變速箱機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉等。

2.2 后橋布置

由于后輪安裝輪轂電機(jī)，造成后橋變動(dòng)較大，需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]。使用CATIA進(jìn)行布置，確定了后橋布置方案，如圖3所示。

圖3 混合動(dòng)力轎車后橋布置圖

3 后橫梁總成的有限元計(jì)算

由于混合動(dòng)力車后軸荷增加較大，所以必須對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核[2]。但后橫梁總成結(jié)構(gòu)形狀及受力復(fù)雜，很難用傳統(tǒng)的計(jì)算方法確定正確的危險(xiǎn)截面及應(yīng)力分布狀態(tài)，因此采用了計(jì)算機(jī)有限元分析的方法對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算。對(duì)基礎(chǔ)車型進(jìn)行了整車試驗(yàn)測(cè)試，將測(cè)試計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.1 建立模型

利用CATIA建立托架、加強(qiáng)板、橫梁、上下縱臂、減振器銷軸及后懸架支承管等相關(guān)零件的三維模型，如圖4所示。然后通過裝配關(guān)系將零件裝配起來，形成后橫梁總成，再將總成傳入PATRAN中進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。

圖4 混合動(dòng)力轎車后橋布置三維模型

3.2 約束狀態(tài)

后懸架支承管與車身以橡膠套連接，其剛度與實(shí)際剛度相同；在彈簧上下支點(diǎn)之間加彈簧元，其剛度與實(shí)際彈簧剛度相同；在減振器上下支點(diǎn)之間加阻尼元，其阻尼值與實(shí)際減振器阻尼值相同[3]。

3.3 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

由于實(shí)際測(cè)量時(shí)是以滿載為測(cè)量的初始狀態(tài)，測(cè)得應(yīng)力是相對(duì)值，所以不能與計(jì)算值做絕對(duì)值對(duì)比，只做趨勢(shì)對(duì)比。由于垂直載荷工況和制動(dòng)力載荷工況為最大載荷工況，其計(jì)算應(yīng)力與測(cè)試應(yīng)力大小及趨勢(shì)基本相同，所以可以確認(rèn)垂直載荷工況和制動(dòng)力載荷工況的有限元計(jì)算應(yīng)力基本準(zhǔn)確[4]。

通過與原型車后橫梁計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者最大應(yīng)力基本相同，據(jù)此推斷新設(shè)計(jì)的后橫梁靜強(qiáng)度符合要求。

4 整車經(jīng)濟(jì)性仿真計(jì)算

對(duì)于混合動(dòng)力車型而言，由于存在著發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG電機(jī)及輪邊電機(jī)3個(gè)機(jī)械動(dòng)力源，因而可以采用不同的能量流動(dòng)路徑。因此，文章提出了等效燃油消耗率（EFCR）的概念：同樣質(zhì)量的燃油通過不同的路徑最終到達(dá)輪胎的驅(qū)動(dòng)功率大小，代表了能量利用效率的高低。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率可以直接得到，因此只需要計(jì)算3種情況的EFCR即可。

4.1 ISG電機(jī)助力時(shí)的EFCR

能量流動(dòng)路徑為：燃油—發(fā)動(dòng)機(jī)—ISG發(fā)電—電池充電—電池放電—ISG驅(qū)動(dòng)。因此計(jì)算公式為：

式中：ECFRisg——ISG電機(jī)的等效燃油消耗率，g/kW·h；

bchg——發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際平均油耗，g/kW·h；

ηisg1，——ISG電機(jī)的瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)效率和平均驅(qū)動(dòng)效率；

ηbat1，——蓄電池的瞬時(shí)放電效率和平均充電效率。

4.2 輪邊電機(jī)助力時(shí)的EFCR

能量流動(dòng)路徑為：燃油—發(fā)動(dòng)機(jī)—ISG發(fā)電—電池充電—電池放電—輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)。因此計(jì)算公式為：

式中：ECFRmot——輪邊電機(jī)的等效燃油消耗率，g/kW·h；

ηdt——前軸傳動(dòng)系平均效率；

ηmot1——輪邊電機(jī)的瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)效率。

這里ηdt的存在是因?yàn)橐獙⑤喬ド系尿?qū)動(dòng)功率等效為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端的功率。

4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)通過ISG發(fā)電時(shí)的EFCR

當(dāng)部分發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩用于驅(qū)動(dòng)ISG發(fā)電時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)發(fā)生了改變，所以直接用實(shí)際的燃油消耗率代表能量利用效率是不合適的。考慮到發(fā)電產(chǎn)生的電能在將來也要用于驅(qū)動(dòng)車輛，此時(shí)的EFCR可以用下式表示：

式中：ECFReng——發(fā)動(dòng)機(jī)通過ISG發(fā)電時(shí)的等效燃油消耗率，g/kW·h；

be——用于發(fā)電的實(shí)際油耗，g/kW·h；

Te——發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩，Te=Te_dr+Te_chg，N·m；

Te_dr——不發(fā)電時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；

Te_chg——用于發(fā)電的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；

4.4 等效燃油消耗率仿真計(jì)算

等效燃油消耗率仿真計(jì)算結(jié)果，如圖5所示。從圖5d可以看出，與原車型相比，混合動(dòng)力車的油耗有了很明顯的下降。

圖5 混合動(dòng)力轎車與原型車等效燃油消耗率計(jì)算

5 結(jié)論

文章通過虛擬設(shè)計(jì)和仿真研究，為在現(xiàn)有傳統(tǒng)汽車上進(jìn)行混合動(dòng)力汽車開發(fā)提供了參考。

1）以發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)串聯(lián)作為輔助動(dòng)力單元，與動(dòng)力蓄電池箱相結(jié)合，可作為混合動(dòng)力系統(tǒng)；

2）以電機(jī)與車輪相連接形成電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；

3）通過仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)，采用行車發(fā)電模式可以提高燃油消耗率。