0引言

整車動力性和燃油經(jīng)濟性是評價一輛車性能的重要指標。整車的動力性,是車輛的基本性能,直接影響著車輛的行駛能力和駕駛感受。整車的燃油經(jīng)濟性,對環(huán)境、行駛里程和使用費用等多方面均有影響。然而同時追求動力性和燃油經(jīng)濟性,是存在沖突的。在整車的正向開發(fā)過程中,已確定發(fā)動機搭載型號的前提下,變速箱的速比匹配方案是決定整車動力性和燃油經(jīng)濟性水平的重要因素^[1]。

在傳統(tǒng)的燃油汽車前期性能開發(fā)過程中,研發(fā)工程師主要依據(jù)工程經(jīng)驗對企業(yè)已有的發(fā)動機和變速器進行初步匹配,通常不能達到預定的性能效果,反而會造成項目周期的拖延,增加整車試驗測試的次數(shù)和成本,從而造成匹配工作的反復。利用軟件建立整車仿真模型,可快速進行大量匹配方案的計算工作,為工程師提供匹配方案選擇,有效縮短項目開發(fā)周期,減少試驗驗證的次數(shù)^[2]。以某款手動擋乘用車已確定搭載某型號的發(fā)動機為例,利用AVLCRUISE 仿真軟件,在仿真模型標定基礎上,對于不同系列變速器進行了多種匹配方案計算,圍繞達成性能開發(fā)目標,完成變速器速比匹配研究。

1 動力經(jīng)濟性計算方法

AVL CRUISE是一款功能強大的軟件工具,在車輛動力性、燃油經(jīng)濟性及排放性能的仿真方面具有巨大的優(yōu)勢,是支持車輛傳動系統(tǒng)和發(fā)動機開發(fā)的軟件助手,還能為混合動力電動汽車、純電動汽車動力傳動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)開發(fā)和優(yōu)化提供幫助。其建模理念通俗易懂,工程師能夠輕松利用模塊化搭建各種布置結(jié)構的車輛模型,其復雜而完善的求解器更是保證了計算速度的穩(wěn)定性^[3]。

利用CRUISE軟件中的模塊化理念,遵循一定的流程,可搭建不同類型的車輛。模型主要由整車控 制、駕駛工況、變速箱、發(fā)動機、輪胎等子模塊組成。 搭建仿真模型,首先生成車輛仿真模型,在模型中輸入車輛的相關物理參數(shù),再建立各模塊之間的能量、信號連接,然后創(chuàng)建計算任務、設置計算工況、開展運算,最后進行結(jié)果評估^[4]。某手動擋乘用車仿真模型如圖1所示。

結(jié)合產(chǎn)品性能目標,根據(jù)建立的理論分析模型在 CRUISE中設定計算任務,主要包括循環(huán)工況(Cycle Run)、穩(wěn)態(tài)性能(Constant Drive)、爬坡性能(Climbing Performance)、加速性能 (Full Load Acceleration)、最大驅(qū)動力(Maximum Traction Force)5個計算任務。各工況任務均在法規(guī)中要求的載荷情況下開展。

2 動力總成匹配

2.1匹配內(nèi)容

動力總成匹配設計主要是指選擇合適的發(fā)動機和變速器,使其能夠滿足整車性能和成本的要求,一般包括動力總成選型、動力經(jīng)濟性設計、總布置以及相關性能的匹配設計等。

隨著國家法規(guī)對乘用車油耗限值的逐漸嚴苛,整車的油耗開發(fā)被車企列為重點關注性能之一。對于乘用車而言,多數(shù)須在滿足用戶需求動力性的前提下,最大限度降低整車燃油消耗量,提高經(jīng)濟性。

2.2匹配流程

圍繞達成整車動力經(jīng)濟性目標,動力總成匹配主要分為兩個設計階段:首先選取車輛開展測試,利用得到的試驗數(shù)據(jù)對仿真模型進行標定,建立高精度的仿真基準模型,然后在修正后的模型上進行新開發(fā)車型傳動速比的匹配^[5]。如果根據(jù)已有動力總成參數(shù)匹配后,所有結(jié)果均無法達到性能目標,則對關鍵部件零部件進行動力性、經(jīng)濟性敏感度分析,根據(jù)敏感度貢獻再進行匹配優(yōu)化方案選擇,直至達成預期的性能目標。動力總成匹配的流程圖如圖2所示。

3仿真分析

3.1建立仿真基準模型

結(jié)合已經(jīng)開發(fā)完成的平臺車型(搭載1.5 L排量的 自然吸氣發(fā)動機),選取車輛進行試驗測試,同時在仿真模型中輸入試驗車輛的實際參數(shù)進行仿真分析計算。將百公里綜合油耗、百公里加速時間、超車加速時間等試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行數(shù)值、過程曲線表現(xiàn)對比。試驗與仿真結(jié)果如表1所示。

標定后模型的動力性和燃油經(jīng)濟性的性能指標仿真精度在4%以內(nèi),模型精度良好,為新開發(fā)的車型奠定了一個好的仿真基準。

3.2 結(jié)果分析

某款新開發(fā)的乘用車,計劃在上述平臺基礎上,增加搭載1.5 L排量的增壓發(fā)動機,動力性要求高于平臺車型,同時經(jīng)濟性目標保持不降低。乘用車的動力性和燃油經(jīng)濟性目標如表2所示。

擬在5速和6速兩種類型的變速器中進行選擇匹配,每個系列的變速器主減比有4組,即為在8種匹配方案中進行篩選。其中6速變速器的主減速比排序為“方案1>方案2>方案3>方案4”,5速變速器的主減速比排序為“方案5>方案6>方案7>方案8”。在仿真軟件中,分別輸入6速和5速變速器的參數(shù)進行仿真計算,動力性和經(jīng)濟性結(jié)果如表3所示。

由表3計算結(jié)果可知,所有速比對應的百公里加速時間,均滿足目標值10.5 s;6速變速器中的最小速比方案4以及5速變速器中的方案7和方案8,經(jīng)濟性可滿足百公里綜合油耗目標6.6 L,但是超車加速不達標;6速變速器中的方案1和方案2以及5速變速器中的方案5和方案6,加速時間滿足動力性目標,但百公里綜合油耗達不到目標值。只有6速變速器中的方案3同時滿足動力性和經(jīng)濟性目標。

計算結(jié)果顯示,整車變速器的速比和主減比對動力性和經(jīng)濟性結(jié)果有決定性作用。同時,整車的動力性和燃油經(jīng)濟性兩個性能是難以同時兼顧的,兩者之間關系可以繪制出不同速比下對應的燃油經(jīng)濟性—動力性曲線[6],此曲線可為選取某型號變速器的最佳主減比提供參考。兩種系列變速器的燃油經(jīng)濟性—動力性曲線如圖3所示。

結(jié)合圖3(a)(b)中的曲線關系,6速變速器相比5速變速器更有優(yōu)勢,能更好地平衡車輛的動力性和燃油經(jīng)濟性。建議5速變速器速比選取方案6~方案7之間,6速變速器選取方案2~方案3之間,理論上能同時兼顧動力性和經(jīng)濟性。綜合表3、圖3結(jié)果,乘用車速比選用6速變速器的方案3滿足性能目標要求。

在項目研發(fā)過程中動力總成實際選型時,工程師通常須在滿足動力性的前提下,更深入地挖掘降油耗措施,因此速比選型過程中利用軟件進行敏感度分析,例如分析減少整備質(zhì)量、降低傳動系阻力、搭載低滾阻輪胎、提升變速箱傳遞效率等措施的敏感度,可為降油耗路徑的選擇提供參考。

4結(jié)論

1)利用平臺車的仿真和試驗結(jié)果標定過的模型,為新車型仿真計算提供了高精度計算基礎;

2)利用CRUISE軟件進行動力總成匹配時,可開展大量的計算分析,為速比選型提供數(shù)據(jù)結(jié)果支撐,縮短項目研發(fā)周期;

3)本速比匹配研究可為新車型項目研發(fā)提供參考,并具有推廣應用價值。

[參考文獻]

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[3] 陳金柱,張潔,哈建東.基于CRUISE的動力傳動系統(tǒng)匹配建模與仿真分析[J].汽車維修,2012(10):10-13.

[4] 占華,方立橋,賴宇陽.整車動力經(jīng)濟性速比匹配優(yōu)化策略[J].計算機輔助工程,2017,26(2):20-27.

[5] 張瑋龍,張文藝,楊淼.AVL-CRUISE在商用車速比匹配中的應用[J].重型汽車,2021(1):34-35.

[6]余志生.汽車理論[M].6版.北京:機械工業(yè)出版社,2018.

2024年第15期第12篇