基于Cruise的乘用车动力性经济性仿真及优化

2018-10-31 10:47:08 汽车科技2018年4期

黄凡

摘 要:汽车动力性经济性是汽车性能开发的重要内容。本文首先阐述了动力性经济性计算理论,然后以某型乘用车为例,对初步选定的动力传动系统参数,利用Cruise软件进行了整车动力性、经济性仿真;根据仿真计算结果,对整车动力传动系统参数进行了相应的优化,在满足整车动力性要求的前提下,提高了燃油经济性能力,使其满足国家第四阶段油耗限值的要求。论文对乘用车动力性经济性开发具有一定的指导作用。

关键词:Cruise;动力性经济性;仿真

中图分类号:U462.3 文献标识码:A 文章编号:1005-2550(2018)04-0008-06

Abstract: The dynamic nature and economical efficiency is an important content of performance development of automobile. This paper described the calculation theory of the dynamic nature and economical efficiency firstly, then taked a car for example, maked the simulation of the dynamic nature and economical efficiency by Cruise software to the powertrain parameters selected; based on the simulation results, the optimization scheme is designed on the power matching of the vehicle accordingly, under the premise that meeting the demand of vehicle power requirements, improved the fuel economy ability, to meet the fourth stage of the fuel consumption limit. The paper has a certain guiding role on the development of dynamic nature and economical efficiency of passenger vehicle.

Key Words: Cruise; Dynamic nature and economical efficiency; Simulation

1 概述

汽車的动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的一项性能,也是汽车开发过程中重点考虑的内容。研究如何在满足汽车动力性的前提下,提高汽车的经济性是汽车动力性经济性研究的重要内容。随着国家第四阶段油耗限值(2016-2020)的实施,新的标准对乘用车燃油经济性提出了更高的要求。当前,采用先进的分析方法开展汽车动力性经济性研究,成为汽车生产企业的重要任务。

Cruise软件是奥地利AVL公司开发的一款用来研究汽车动力性、燃油经济性、排放性能及制动性能的高级模拟分析软件。它可用于汽车开发过程中的动力传动系统的匹配,汽车性能预测和整车仿真计算。在车辆设计前期,根据初步选定的动力传

动系统参数,利用Cruise软件进行动力性、经济性仿真,并根据仿真结果进行相应的优化,能显著缩短车辆开发周期,提高整车动力性经济性开发能力。

2 动力性经济性计算方法

2.1 动力性

汽车的动力性主要由三个指标来评定:

1)汽车的最高车速vmax;

2)汽车的最大爬坡度imax;

3)汽车的加速时间t。

a.最高车速

2.2 经济性

当前,汽车的燃油经济性实际中常用循环工况下的综合燃油消耗量来评价。现在世界上关于轻型车排放油耗试验的试验工况主要有三个:欧盟的NEDC工况,美国的FTP75工况以及日本的JC08工况等。各循环工况一般都可以细分并简化为若干个怠速,等加速,等速,以及等减速等阶段。根据各细分阶段的燃油消耗量可计算整个循环工况下的燃油消耗量。

3 基于Cruise的动力性、经济性仿真

3.1 计算任务概述

某型乘用车为前置前驱车型,分MT、AT两种配置。根据设计任务要求,MT为基础车型,考虑在发动机参数不变的情况下扩展AT车型。整车动力性设计指标如下:

(1)最高车速vamax≥200km/h;

(2)最大爬坡度tanαmax≥30%;

(3)0~100 km/h加速时间t≤10s;

初步选定的发动机性能参数:发动机最大功率/转速127kw/6000rpm;发动机最大扭矩/转速 236Nm/4300rpm。主减速器速比3.0,MT车型变速箱各档参数如表1所示。

根据整车设计任务要求,AT车型考虑在MT车型基础上扩展,若变速箱各档速比不变,加装液力变矩器。选定的液力变矩器带闭锁功能,耦合工况速比为0.9(k=1),启动变矩系数K=2.43(i=0)。

其它已知参数:车辆整备质量1450kg,最大设计总质量1930kg;迎风面积1.88m2;空气阻力系数为0.32;滚动阻力系数按公式计算f=0.0076+0.000056v;轮胎滚动半径0.312m。

3.2 整车仿真模型的建立

根据整车动力传动方案,分别建立MT、AT车型CRUISE整车仿真分析模型,输入整车及各功能模块相应参数,并添加机械、信息连接。

3.3 主要计算任务的设置

根据乘用车动力性、经济性相应标准法规要求,设定以下Cruise计算任务:

a. 稳态行驶性能分析

根据《GB/T 12544-2012 汽车最高车速试验方法》[2],车辆载荷状态设置为半载,MT车型换档策略设置为按车速换档,AT车速按变速箱控制程序换档,利用Cruise计算各档最高车速。

b. 爬坡性能分析

根据《GB/T 12539-1990汽车爬陡坡试验方法》[3],车辆载荷设置为满载,分考虑附着系数、不考虑附着系数两种情况,MT车型换档策略设置为按车速换档,AT车速按变速箱控制程序换档,仿真计算各档理论最大爬坡度、最大爬坡度。

c.全负荷加速性能计算

根据《GB/T 12543-2009 汽车加速性能试验方法》[4],车辆载荷设置为半载,MT车型换档策略设置为按发动机转速换档,AT车速按变速箱控制程序换档,计算各档最大加速度、0~100km/h原地起步連续换档加速时间、次高档80~140 km/h超车加速时间。

d.循环行驶工况

参考《GB/T 12545.1-2008 乘用车燃料消耗量实验方法》[5],采用当前国内乘用车广泛采用的NEDC循环,车辆载荷设置为半载,换档策略统一设置为按循环工况路谱换档,计算循环工况下的燃油消耗量。

3.4 动力性、经济性仿真

采用单一矩阵计算方法,运行Cruise软件,完成仿真计算。仿真分析结果部分图表如图4~图8所示。

4 仿真结果分析及优化

4.1 仿真结果分析

该车型Cruise动力性经济性仿真结果汇总如表2所示。由仿真结果可以看出,该车型动力性各项指标均超过设定值,动力性能符合设计要求。

该乘用车整备质量1.45t,参考《GB 19578-2014乘用车燃料消耗量限值》[6],整备质量为1.43t~1.54t的手动档车型,燃料限值为7.7 L/100km;整备质量为1.43t~1.54t的自动档车型,燃料限值为8.0 L/100km,根据NEDC循环工况油耗值可得,该车型满足目标燃油经济性要求,但其油耗值与目标限值较为接近,实际测量时可能存在误差,需要进行燃燃油经济性优化。

4.2 燃油经济性优化方案

该车型动力性指标远超过设定值,整车动力匹配偏向动力性,可考虑从优化主减速比开始。对于MT车型,可考虑将主减速比降到2.75,仿真计算得循环工况油耗值下降到7.51 L/100km,同时加速时间变长,但仍高于目标设定值;若主减速比继续下降至2.5,仿真计算得循环工况油耗值为7.48 L/100km,油耗值变化不大,而原地起步加速时间将加大,动力性指标降低;反之,若主减速比增高到3.25,则仿真计算得循环工况油耗值升高至7.73L/100km。故相对于该MT车型的最优主减速比可取2.75。

对于AT车型,将主减速比降到2.75,仿真计算得AT车型循环工况油耗值不降反升至7.61 L/100km;反之,若主减速比增大到3.25,仿真计算得AT车型循环工况油耗值下降到7.47 L/100km,同时加速时间变长,但仍高于目标值;若将主减速比继续增大到3.5,仿真计算得循环工况油耗值升至7.52 L/100km,故相对于该AT车型的最优主减速比为3.25。

4.3 试验结果对比

最终,主减速比优化之后,根据工信部综合油耗测试结果,该车型(包括MT、AT车型)NEDC循环工况油耗值均达标,其数值分别为7.60L/100km(MT车型)和7.70L/100km(AT车型)。误差主要是由于驾驶员驾驶习惯的差异性及实际试验环境的复杂性引起的,但整体看油耗试验数据与仿真结果较为接近,误差在可接受的范围内。

5 总结

本文根据某型乘用车初步选定的动力传动系统参数,利用Cruise软件进行了动力性经济性仿真,根据仿真结果开展了燃油经济性优化,在满足整车动力性的前提下有效地降低了车辆的油耗值。

在车辆开发前期阶段,根据初步选定的动力传动系统参数,利用Cruise软件进行动力性经济性仿真,并根据仿真结果开展相应的优化,该方法能有效地缩短车辆开发周期,提高开发效率。

参考文献:

[1]余志生.汽车理论[M].第五版.北京:机械工业出版社,2009.

[2]GB/T 12544-2012 汽车最高车速试验方法.

[3]GB/T 12539-1990 汽车爬陡坡试验方法.

[4]GB/T 12543-2009 汽车加速性能试验方法.

[5]GB-T-12545.1-2008 乘用车燃料消耗量实验方法.

[6]GB 19578-2014乘用车燃料消耗量限值.

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