基于Cruise的整車動力經濟性優化分析

肖波，徐磊，袁進

基于Cruise的整車動力經濟性優化分析

肖波，徐磊，袁進

（三一集團有限公司，湖南 長沙 410100）

采用CRUISE軟件搭建載貨車整車動力鏈仿真模型，建立在同一款成熟發動機基礎上，通過Quasi-stationary等算法對不同動力鏈匹配的載貨車動力性及經濟性展開分析，優選出綜合性能較好的動力鏈。基于此動力鏈在試驗樣車上進行道路試驗，對比試驗與仿真數據，結果表明仿真與試驗數據在誤差范圍內，通過仿真分析不同主減速比，確定的最佳動力鏈對產品研發階段配置選擇有重要指導意義，極大節約試驗費用，改善經濟性，提高產品市場競爭力。

載貨車；Cruise仿真；動力性；經濟性；試驗驗證

前言

汽車的燃油經濟性與動力性是衡量車輛性能與產品競爭力的兩項重要指標。然而整車追求最佳動力性時，同時必須要有更好的燃油經濟性，兩者存在一定的沖突。為了縮短整車開發周期，迅速進入市場占領份額，目前國內的大部分企業均直接在國內成熟柴油發動機上選型，然而成熟發動機萬有特性及經濟油耗區間分布基本都很難再調整，在發動機外特性及最大扭矩段不易更改的前提下，如何選擇合適的動力傳動匹配來保證整車同時具有良好的動力與經濟性顯得尤為重要[1]。

在產品開發周期短，試驗驗證時間不充分，市場應用情況及客戶要求等背景下，我司選擇3.7速比為驅動橋主減速比，這樣直接通過經驗來選擇的方式不太合理，為獲得最佳動力性、經濟性指標，應用AVL CRUISE軟件對不同配置動力鏈的動力性、經濟性進行仿真分析，達到優化整車性能的目標。

文中采用Cruise軟件建立載貨車的仿真模型，計算八種不同動力匹配情況下整車的最高車速、爬坡度、超車加速時間、C-WTVC油耗等性能參數，優選出最佳動力鏈，并按照仿真優選出的動力鏈進行試驗驗證對比分析，確認優化方案的有效性。

1 載貨車參數及數學模型建立

1.1 整車基本參數

該載貨車為一款8×4載貨車，搭載為430馬力6缸渦輪增壓柴油發動機，12檔12JSDX240TA變速箱，后橋速比為3.7；驅動形式為后輪驅動，整車總質量31t，整車基本參數如表1所示。

表1 整車參數

1.2 整車傳動系統模型建立

汽車在水平直線道路上行駛時，存在滾動阻力及空氣阻力；當汽車在上坡時，還需克服沿坡道方向的坡度阻力；汽車在加速的過程中，還需克服其質量加速運動時的慣性力。CRUISE中涉及的阻力包括：滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力以及慣性阻力四部分[2]。

汽車行駛時平衡方程式為：

式中，F為汽車牽引力；F為汽車滾動阻力；F為空氣阻力；F為汽車的慣性阻力；F為汽車坡度阻力。各種受力的展開如下：

汽車牽引力：

其中T表示發動機扭矩，T表示附件扭矩，i表示變速箱速比，i表示主減速比，η表示傳動系的機械效率，表示輪胎滾動半徑。

滾動阻力：

其中表示整車質量，表示重力加速度，表示坡度百分比。

空氣阻力：

其中C表示空氣阻力系數，表示整車迎風面積，ρ表示空氣密度，V表示車速，V表示風速。

慣性阻力：

坡度阻力：

其中表示整車質量，表示重力加速度，表示坡度百分比。

如下圖1所示，汽車在運動過程中，能量會按比例分配到不同的部件上，滾動阻力與空氣阻力在汽車行駛一直會存在，再坡道上時，坡度阻力和慣性阻力均會存在。

圖1 整車能量流分布

1.3 整車動力性匹配原理

整車匹配動力性的評價指標有最高車速、爬坡能力、加速能力等，其中最高車速是在類似瀝青或者混泥土水平良好路況行駛，汽車能達到的最高速度。

功率平衡方程汽車運動過程中的阻力所消耗的功率包括空氣阻力功率P、滾動阻力功率P、慣性阻力P、坡度阻力P，綜上汽車功率平衡方程如下[3]：

當阻力功率曲線與最高檔功率曲線相交時，此時對應的車速即為整車的最高車速V，由式(7)和式(8)的功率平衡方程可得。

式中：

為汽車懸置質量換算系數。

其次，汽車用最大爬坡度來表示滿載時汽車在良好路況上的爬坡能力。重卡在國道、省道、礦區、山地等各種路況上行駛，所以最大爬坡度也是動力性的重要評價指標[4]。

最大爬坡度的公式如下所示：

其中：

G：整車質量（N）

R：輪胎滾動半徑（m）

：輪胎滾動阻力系數

θ：汽車最大爬坡角度

μ：汽車傳動系效率

I1：汽車變速器第一檔速比

0：汽車驅動橋減速比

T：汽車最大扭矩

汽車加速能力指車輛在路面行駛時，產生加速度的能力，一般可以通過加速時間及各檔位加速度大小來評價。以下通過仿真分析載貨車的動力及經濟性來優選出最佳動力鏈。

2 載貨車CRUISE仿真模型建立

AVL CRUISE可以提供結構化的建模方式和先進的數據管理理念，采用AVL CRUISE軟件可以建立整車、發動機、變速箱、離合器、差速器、主減速器、制動器、輪胎等組成整車動力傳動系統，選擇Commercial Vehicle模式進行模型建立。

建模時選擇相應的模塊搭建模型，每個部件包括動力輸入、輸出接口，加入駕駛室模塊以對車輛進行控制，添加元件之后將機械元件和總線數據連接后，即完成整車仿真模型的搭建，如下圖2所示。

圖2 整車仿真模型

對整車參數中輸入軸距、重心、重量、風阻系數及迎風面積等參數，其中最關鍵的時阻力模型的選擇準確性。總共有6總阻力模型可以選擇，分別為理論阻力模型、參考車輛阻力方程、參考車輛阻力曲線、非參考車輛阻力方程、非參考車助力方程以及非參考車阻力曲線。本文中選用車輛實際測試的整車滿載滑行試驗數據，通過最小二乘法擬合出對應的阻力模型，簡化公式如式（10）所示：

通過這種方法能使其仿真值能與實際情況更接近，阻力方程的界面如圖3所示。

發動機參數中最關鍵的部分為準確的發動機外特性數據、油耗萬有特性數據及發動機油門特性，能夠將發動機的燃油消耗量準確的表示，如圖4和圖5所示：

圖4 發動機外特性曲線

圖5 發動機萬有特性曲線

完成整車及發動機等各元件參數設置后，即可建立不同計算任務，可分為兩大類：動力性和經濟性，細分為循環行駛工況（Cycle Run）、爬坡性能分析（Climbing Performance）、穩態行駛性能分析（Constant Drive）、全負荷加速性能計算（Full Load Acceleration）、最大牽引力計算（Maximum Traction Force）、制動/滑行/反拖性能分析。

對8種組合方案動力匹配進行仿真，數據如下表2所示。

通過對表2中的參數進行分析可知，超車加速性能3.7速比均優于其他速比，百公里油耗基本相當。根據發動機的轉速與扭矩圖可以看出發動機最低比油耗區間，這個區域一般稱為經濟區間。通過對不同速比的匹配分析，把工作區間向經濟區間移動，對比油耗數據可以發現，選擇合適的速比可以坐在應用時工作區間最靠近發動機經濟區間。改變后橋速比對整車結構設計影響最小，開發周期也短，最終選定3.7主減速比。

表2 整車仿真參數

3 載貨車試驗驗證結果分析

完成最優方案配置后，進行整車裝配并開展試驗，試驗路段為丘陵高速路段比例98%；普通路段比例2%。獲得的公路油耗扭矩時間/油耗時間百分比氣泡圖如圖6所示，司機駕駛檔位使用/油門使用頻次百分比如圖7所示，公路油耗試驗車速、海拔及發動機轉速曲線如下圖8所示：

圖6 公路油耗扭矩時間/油耗時間百分比氣泡圖

圖7 駕駛檔位使用/油門使用頻次百分比

圖8 路油耗試驗車速、海拔及發動機轉速曲線

經過以上各圖分析：發動機基本上都是工作在經濟轉速區間，但是由于道路是丘陵高速（占比高達98%），海拔高度波動比較大，導致上坡時加速比較多，大扭矩輸出的比例比較多，比平原高速費油。另外司機在爬坡時未提前切換檔位，車速有所下降，導致平均車速（70.2）低一些，大部分時間在12檔上，要是把平均車速控制80km/h，油門開度會大一點，大油門頻次百分比會增加，油耗結果值會隨之提升。

將試驗結果與仿真數據進行對比如表3所示：

表3 整車仿真與試驗對比

4 結論

通過以上對一種搭載成熟發動機的8×4 載貨車的動力性經濟性的分析與改善，可以得到如下結論：

1）市場上發動機基本已成熟，萬有特性等均已確定，在整車匹配設計過程中，必須匹配最優的速比來達到動力性和經濟性的平衡點。

2）整車匹配完成熟發動機后，根據發動機MAP的經濟區間，滿足一定動力性條件情況下選擇部分速比，判斷常用車速的發動機工作區間與經濟區間的吻合程度選定速比。

3）應用CRUISE仿真軟件，建立工況切合實際的仿真模型，選出較優的速比，再根據較優速比進行實驗，可以明確驗證的方向，極大縮短產品開發周期，結果證明仿真結果與實驗實測值誤差在可控范圍內，完全能夠提供實際指導意義，能有效提升產品的市場競爭力。

[1] 高海文,王虹,王瑞鑫,王有磊,李軼楠,劉銀鳳.基于AVL CRUISE新開發速比驅動橋的動力性仿真研究[J].汽車實用技術,2018,(1).

[2] 朱偉偉,陳剛.某載貨車動力性經濟性的分析與優化[J]. 農業裝備與車輛工程,2015,(3).

[3] 王銳,何洪文.基于Cruise的整車動力性能仿真分析[J].車輛與動力技術,2009,(2).

[4] 黃加先,趙斌海,嚴永華.重型載貨車動力總成優化匹配研究[J].柴油機設計與制造,2007,(2).

Cruise-based Optimization Analysis of Vehicle Power Economy

Xiao Bo, Xu Lei, Yuan Jin

( Sany Group Co., Ltd., Hunan Changsha 410100 )

The CRUISE software is used to build the simulation model of the power chain of the truck, based on the same mature engine, and the power and economy of the truck with different power chains are analyzed through Quasi-stationary and other algorithms. Power chain with better performance. Based on this power chain, the road test is carried out on the test sample car, and the test and simulation data are compared. The results show that the simulation and test data are within the error range, and the different main reduction ratios are analyzed through simulation to determine the optimal power chain configuration selection for the product development stage. It has important guiding significance, greatly saves test costs, improves economy, and improves product market competitiveness.

Words truck; Cruise simulation; Power performance; Economy; Test verification

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1671-7988(2020)24-92-04

U462.3

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1671-7988(2020)24-92-04

肖波（1991-），碩士，三一集團有限公司動力工程師，研究方向：動力工程方向。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.031

CLC NO.: U462.3