0引言

整車動力性和燃油經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,最后進行結果評估^[4]。某手動擋乘用車仿真模型如圖1所示。

結合產品性能目標,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,提高經濟性。

2.2匹配流程

圍繞達成整車動力經濟性目標,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

結合已經開發(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果與仿真結果進行數(shù)值、過程曲線表現(xiàn)對比。試驗與仿真結果如表1所示。

標定后模型的動力性和燃油經濟性的性能指標仿真精度在4%以內,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,同時經濟性目標保持不降低。乘用車的動力性和燃油經濟性目標如表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,動力性和經濟性結果如表3所示。

由表3計算結果可知,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濟性目標。

計算結果顯示,整車變速器的速比和主減比對動力性和經濟性結果有決定性作用。同時,整車的動力性和燃油經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濟性—動力性曲線如圖3所示。

結合圖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濟性。綜合表3、圖3結果,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結論

1)利用平臺車的仿真和試驗結果標定過的模型,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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[2]鄧業(yè)寶.整車動力性經濟性計算及速比匹配優(yōu)化[J].輕工科技,2013,29(5):63-64.

[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