基于CRUISE軟件某燃油車動力系統建模與匹配

孫亞琨，王長明，王天標，李鑫旸

（1.山東輕工職業學院 機電工程系，山東 淄博 255000；2.山東唐駿歐鈴汽車制造有限公司 汽車研究院，山東 淄博 255000）

1 前言

目前影響整車動力性和經濟性的主要因素是發動機和傳動系統，而且二者的匹配是否合理決定著整車的動力性和經濟性[1]。根據傳統經驗對動力傳動系進行了簡單的匹配設計，也只能在進行實車道路試驗之后才能分析評價車輛的動力性和經濟性。這種方法不但會造成生產周期長、重復性差、開發成本高[2]，而且在產品設計時總成方案的選擇確定、傳動系速比分配與發動機的性能匹配帶有盲目性，并且浪費人力和物力。本文基于CRUISE軟件對某款燃油卡車進行動力傳動系的匹配進行研究，尋找最優的動力系統參數匹配。

2 AVL-CURISE建模與仿真

根據市場需求，該車的動力性要求如下：

（1）最高車速大于85km/h；

（2）0-60km/h的加速時間小于20s；

（3）最大爬坡度大于20%。

2.1 某燃油車模型的建立

AVL CRUISE 軟件采用拖拽式建模方法，該車型是后輪驅動，根據該車的特點，從左側元件庫中拖出所需的元件，如圖1所示，依次建立發動機模塊、整車模塊、變速器模塊、主減速器模塊、輪胎模塊、駕駛員模塊、然后建立模塊之間的物理連接與數據連接[3]，修改模塊參數為該車的實際參數，最終建立的整車仿真模型如圖2所示。

圖1 元件庫模塊窗口

圖2 整車仿真模型

2.2 建立計算任務[4]

在這里只用到最高車速模擬計算，加速性能模擬計算，爬坡性能模擬計算，經濟性能指標的計算。

具體加載過程如下：

右擊 project，會彈出下拉菜單，選擇其中的 add，再選task folder，這樣就增加了一個task folder，這個task folder是空的，下面進行設置：右擊剛建好的task folder，選擇add，add的下拉菜單會有要選擇計算項目，如cycle run，climbing performance，full load acceleration等等。

2.3 仿真計算結果

把以前建立的模塊都導入到component variation里如圖3所示。再把其他五個發動機和兩個變速箱加載進來，加載方法如下：點擊number右側的筆樣按鈕，會出現圖4所示的對話框，點擊add就可以加載其他發動機，在這里加載四個發動機，因為已經有一個發動在開始就加載了，變速箱的加載方法是一樣的，確認無誤就可以計算了。本文匹配4個發動機，兩個變速箱，共有八組計算任務。

現用Cruise模擬改車四工況，得出發動機萬有特性圖中發動機工況點分布，現有八種匹配方案，故有八個萬有特性曲線圖[5]。

方案一：119發動機和B變速箱組合；

方案二：119發動機和A變速箱組合；

方案三：163發動機和B變速箱組合；

方案四：163發動機和A變速箱組合；

為全面實現應用型本科院校轉型，地方本科高校應該結合服裝設計與工程專業人才培養模式的創新實踐，認真研判當前的經濟社會發展對人才需求的導向，重點解決發展理念、發展定位、發展特色和人才培養機制體制等方面的一系列問題。

方案五：205發動機和B變速箱組合；

方案六：205發動機和A變速箱組合；

方案七：92發動機和B變速箱組合；

方案八：92發動機和A變速箱組合。

發動機119和B變速器組合，簡化為119B，以下均用這種方法表示。

圖3 導入數據后界面

圖4 發動機加載窗口

2.3.1 最高車速模擬計算

通過仿真計算，最高車速數值見下表1。

表1 最高車速數值

2.3.2 加速性能模擬計算

通過仿真計算，得出0-60km/h加速性性能結果見表2。

表2 0-60km/h加速時間

根據要求0-60s的加速時間要低于20s，故能排除方案三和四。

2.3.3 爬坡性能模擬計算

排除不合格的組合，剩余方案爬坡計算結果見下表3。

表3 爬坡性能結果

要求的爬坡度是大于20%，上述的方案均滿足要求。

2.3.4 燃油經濟性模擬計算

通過仿真計算，剩余其他方案的燃油經濟性見下表4。

表4 燃油經濟性結果

對比分析，方案一和方案二的油耗太高，說明119發動機根本就不能使車輛正常運行，或在極端惡劣環境下運行，一旦運行，發動機也是承受不了的，屬于小馬拉大車的情況?，F在就對比方案五和方案六，方案五的百公里油耗比方案六要低17%左右，對經濟性來講，這是相當可觀的。故選擇方案五。

上述的結果也可以從發動機工作的萬有特性曲線中看出，根據圖5、6、7、8分析結果如下：

圖5 方案三 163B工作點萬有特性分布圖

圖6 方案四 163A工作點萬有特性分布圖

上述圖中橫坐標表示發動機轉速，左側縱坐標表示扭矩，右側縱坐標表示工作頻率，即在這個狀態工作次數的多少，等燃油消耗率曲線的形狀及分布情況對發動機使用經濟性有很大影響。等燃油消耗率曲線最內層為最經濟區，曲線越向外，經濟性越差。如果等燃油消耗率曲線橫向較長，表示發動機在負荷變化不大而轉速變化較大的情況下油耗較小。如果等燃油消耗率曲線縱向較長，而發動機在負荷變化較大而轉速變化較小的情況下燃油消耗率較小，對不常用中等負荷，中等轉速工況的車用發動機，希望其最經濟區處于萬有特性中部，等燃油消耗率曲線橫向較長。對轉速變化范圍較小而負荷變化較大的工程機械用發動機，希望最經濟區在標定轉速附近，等燃油消耗率曲線縱向較長些。

圖7 方案五 205B工作點萬有特性分布圖

圖8 方案六 205A工作點萬有特性分布圖

發動機119號和92號，CRUISE無法畫出四工況下的工作點萬有特性分布圖，說明這兩個發動機匹配不成功，存在致命問題，故現在就可以排除這二個發動機。其他163和205發動機無法排除，但從圖中也可以看出205發動機工作得更好，其后備功率大（后備功率=額定功率—當前使用功率），安裝 205發動機的車在急加速，高速行駛時表現更好，163的發動機在標定區工作，且工作頻率高，其后備功率不足，無法滿足有些惡劣環境，其使用壽命也比較短，這種圖對工程機械用發動機來講，是可以的，但在卡車上是不可以的，從這些分析可以看出，選擇163發動機是不明智的。下面只有205發動機了。從圖中只能說明205A組合比205B組合在有些時間里其發動機工作在更經濟區，但并不能說明四工況的百公里油耗誰更低，在這就難以抉擇了，需要定量的計算。上述僅僅是定性分析，并不能決定實際結果。

3 總結

本文的核心問題是對4個發動機，兩個變速器，一個整車三者的合理匹配，匹配結果是找出動力性最好，經濟性最優的匹配方案，最后得出 205B的匹配方案是最好的，綜合考慮了動力性和經濟性。本次匹配雖然是成功的，但不是最優的，本文僅僅是對傳動系的匹配，要想對傳動系的優化，需要對傳動系參數進行調試，運用CURISE得出結果，進行比較，在不同萬有特性圖中找出最優工作工況圖，其他特性也最優，即進行不斷的嘗試，直到達到理想的結果。