基于CRUISE的某輕型校車動力傳動系統建模與仿真

尹幫奇

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西玉林537005）

基于CRUISE的某輕型校車動力傳動系統建模與仿真

尹幫奇

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西玉林537005）

論述了玉柴某款發動機匹配國內某汽車廠的輕型校車，利用CRUISE軟件在開發過程中進行動力性和燃油經濟性仿真分析的過程，結果表明，采用主減速比為4.1的主減速器可以獲得良好的動力性和燃油經濟性。

動力性；燃油經濟性；CRUISE；建模；仿真

動力傳動系統設計的目的是對傳動系統各參數之間的相互匹配進行優化。本文論述了利用CRUISE軟件對玉柴某輕型柴油機配套國內某汽車廠某輕型校車的動力系統進行建模與仿真，對傳動系統進行優化匹配。

1　汽車動力性和燃油經濟性的評價基礎

圖1　C-WTVC循環工況圖

1.1動力性分析理論基礎

動力性通常由汽車的最高車速、加速時間（原地起步加速時間和超車加速時間）和最大爬坡度來評價。

（1）最高車速。最高車速指汽車在水平良好的道路上能夠達到的最高車速。汽車驅動力-行駛阻力平衡圖中，阻力與汽車驅動力交點處對應的速度umax即為最高車速。

（2）加速性能。汽車的加速性能通常用加速時間來評價。

（3）最大爬坡度。最大爬坡度是指汽車在良好道路上克服滾動阻力和空氣阻力后的余力全部用來（即等速）克服坡度阻力時能爬上的最大坡度。

1.2汽車燃油經濟性

依據文獻［1］國家法規的要求，對于最大滿載質量超過了3500 kg的車輛，選取典型的C-WTVC循環測試工況來模擬真實的路況，作為評價汽車在多工況測試循環下燃油經濟性的方法［1］。C-WTVC循環測試的循環工況分布如圖1所示。

2　汽車仿真模型的建立

2.1仿真模型的建立以及模塊間連接的方式

根據該車的結構和布置形式建立如圖2所示的CRUISE仿真模型。該模型包含整車模塊（Vehicle）、發動機模塊（Engine）、離合器模塊（Clutch）、變速箱模塊（Gear Box）、主減速器模塊（Single Ratio）、差速器模塊（Differential）、制動器模塊（Brake）、車輪模塊（Wheel）、監視器模塊（Monitor）以及駕駛室模塊（Cockpit）。各個模塊間的連接方式主要有兩種：第一種是物理連接，只需通過Connect的方式來建立各個傳動部件之間的物理關系；第二種是采用數據總線（Data Bus）的方式來進行連接，用來傳遞發動機、變速箱、駕駛室等各個模塊的轉速、轉矩、變速器檔位、油門開度等信號，實現對汽車行為的準確控制［2-4］。

圖2　整車CRUISE仿真模型

2.2輸入各模塊的參數

本文研究的校車及發動機的相關參數如表1、表2、表3和圖2所示。

表1　車輛（Vehicle）參數表

表2　變速器（MT Gear Box）性能參數

表3　主減速器（Single Ratio）性能參數

發動機萬有特性曲線圖如圖3所示。

圖3　發動機萬有特性曲線圖

3　仿真任務建立

根據該款車型試驗和性能分析要求，此次計算任務選取了以下幾項計算任務，分別是:

（1）爬坡性能分析（Climbing Performance）。計算不同檔位下最大爬坡度性能分析。

（2）穩態行駛性能分析（Constant Drive）。用來計算最高車速（Maximum Velocity）。

（3）全負荷加速性能計算（Full Load Acceleration）。計算不同加速形式下的加速動力性。

（4）循環行駛工況（Cycle Run）。計算C-WTVC循環測試工況下的百公里燃油消耗量。

（5）巡航行駛工況（Cruising）。計算等速巡航下的百公里燃油消耗量。

4　仿真結果與分析

（1）爬坡性能。從圖4可以看出，方案一Ⅰ擋的最大爬坡度為40.47%，最高檔最大爬坡度為4.75%；方案二Ⅰ擋的最大爬坡度為43.83%，最高檔最大爬坡度為5.32%.說明該車在兩種方案下都具有良好的爬坡性能。方案二各檔爬坡性能均優于方案一，這是因為較大的主減速比可以獲得較大的牽引力，作用在車輪上的驅動力也更大，從而獲得更好的爬坡性能。

圖4　方案一和方案二的爬坡性能對比

（2）最高車速。從圖5中可以得出，方案一最高車速為151.46 km/h，方案二的最高車速為148.21 km/h，均滿足汽車廠≥120 km/h的實際使用需求。方案一的最高車速略大于方案二的最高車速，這是由于方案二的主減速比大，減速效果明顯，不得不通過提高發動機的轉速來達到和方案一同樣的車速，而發動機的轉速超出發動機的最高扭矩轉速區間后，發動機的扭矩開始下降，功率提前達到平衡。

圖5　方案一和方案二的最高車速

（3）加速性能。兩種不同方案滿載情況下的原地起步加速性能如圖6所示。

圖6　方案一和方案二的加速時間對比

可以看出，方案一0～60 km/h的加速時間約為10.68 s，0～100 km/h的加速時間約為38.74 s；方案二0～60 km/h的加速時間約為10.10 s，0～100 km/h的加速時間約為36.13 s.可見，大的主減速比可以獲得更大的驅動力，從而提升加速性能，縮短加速時間。

（4）燃油經濟性。燃油經濟性主要對循環工況燃油經濟性和等速油耗燃油經濟性進行分析。

循環工況下的燃油經濟性。在C-WTVC循環測試工況下，兩種方案滿載時的瞬時油耗如圖7所示。由圖可知，瞬時油耗和汽車的行駛工況息息相關，且兩種方案瞬時油耗的變化規律大體相同：汽車的瞬時油耗在等速行駛工況下比較低，在加速工況下的瞬時油耗比較高，且隨加速過程的變化而變化，速度越高，加速度越大，瞬時油耗也就越高。從圖中還可以看出，方案二的瞬時油耗在高油耗密集區所占的比例要高于方案一，故方案二的瞬時油耗要高于方案一。通過CRUISE計算出在C-WTVC循環工況下方案一的燃油消耗量為9.58 L/100 km、方案二的燃油消耗量為9.86 L/100 km.

圖7　方案一和方案二的C-WTVC瞬時油耗對比

等速巡航工況下的燃油經濟性。兩種方案在不同擋位和車速下的百公里等速巡航油耗如圖8所示。

圖8　方案一和方案二等速巡航油耗對比

從圖中可以，方案一在最高檔40、60、80、100 km/h下的百公里等速油耗分別為7.35、7.47、8.48、10.12 L.方案二在最高檔40、60、80、100 km/h下的百公里等速油耗分別為7.37、7.5、8.57、10.45 L.方案二的等速巡航油耗劣于方案一，同樣是由于發動機工作在負荷高的區間，燃油消耗量大引起的。

5　兩種主減速器方案的對比分析

兩種主減速比方案的仿真結果對比如下表4所示。

表4　兩種主減速比方案的仿真結果對比

可見，方案二與方案一相比，動力性優于方案一。方案二的最大爬坡度為43.83%；0～100 km/h加速時間為36.13 s；但是最高車速為148.21 km/h，略低于方案一的151.46 km/h的最高車速，這是由于較大的主減速比使得發動機功率提前平衡的結果，但也滿足設計要求。方案二的燃油經濟性整體比方案一的要差，百公里循環油耗，等速巡航油耗均高出方案一許多，不符合現今節能減排的要求。可見，增大主減速比可在一定程度上提升汽車的動力性能，但是會對汽車的燃油經濟性產生增大的趨勢。方案一的各項指標均達到汽車廠設計要求。

綜合考慮，考慮到汽車廠對油耗要求高，且方案一的各項動力性指標均滿足汽車廠的要求。故選取方案一的主減速比作為此次的設計方案，結果表明，該方案可以獲得良好的動力性和燃油經濟性。

6　結束語

文章進行了基于CRUISE軟件的汽車傳動系統的建模與仿真分析。以玉柴某輕型柴油機配套國內某汽車廠輕型校車的車輛為實例，分別對兩種不同主減速器主減速比的設計方案進行仿真分析，最終選取了方案一的主減速比作為設計方案。采用該方案可以獲得良好的動力性和燃油經濟性。

同時，利用CRUISE構建汽車傳動系統模型，簡化了建模過程，便于后期對各參數的優化設計，能在汽車開發過程中預測車輛的性能，節約了大量時間，降低了開發費用。

［1］GB/T 27840-2011，重型商用車輛燃料消耗量測量方法［S］.

［2］AVL CRUISE User's Guide.

［3］余志生.汽車理論［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［4］韓立.基于CRUISE的某輕型載貨汽車動力性優化匹配設計［J］.輕型汽車技術2013，（9）：289：7-10.

Modeling and Simulation of Light-Duty School Bus Power Train System based on Cruise Software

YIN Bang-qi
（Guangxi Yuchai Machinery Co.，Ltd.，Yulin Guangxi 537005，China）

This paper describes an engine of Yuchai company matching a light-duty school bus of domestic auto factory.By using CRUISE software during development process of power performance and fuel consumption modeling and simulation analysis.The results show that the main reducer of 4.1 can obtain good power performance and fuel consumption.

power performance；fuel consumption；CRUISE；modeling；simulation

U469.1

A

1672-545X（2016）08-0054-04

2016-05-13

尹幫奇（1989-），男，助理工程師，本科，主要從事發動機研究工作。