18-基于CRUISE动力总成匹配研究_东风汽车

基于CRUISE软件对汽车动力总成匹配研究陈赣[]1，吴新潮[]1，史建鹏[]1，王军[]1，张涛[]1，彭栋[]21．东风汽车公司技术中心2．AVL上海公司[摘要]车变传动传动间档传动提出了汽速器的最大比、最小比和中各的比等速比选则应选则对轮配原。用配原，某四驱动车进真的越野汽行仿分析。[关键词]车动总真越野汽，力成，匹配，仿1．CRUISE软件对动力总成匹配仿真的优点及特点传统的动力总成匹配方法就是试验，试验需要花费大量的时间和费用。如要研制某种越野车的方案有：三种轴距（整车总质量不同）、四家不同生产厂的发动机、三种类型变速器、三种速比驱动桥（轮边减速器）及三种轮胎。根据各总成的匹配，需开发324种车型才能满足方案选配。因此，应用CRUISE软件，对汽车动力总成的仿真研究尤为重要。其优点有：(1)能在设计阶段，对大量设计方案进行验算，分析这些设计方案对越野汽车性能的影响，有助于设计人员得到较优的设计方案或动力总成匹配；(2)可按仿真程序模拟各种行驶动态工况，能较全面地预测越野汽车在各种循环工况下的动力性和燃油经济性，如我国有6工况循环油耗(货车)和城市4工况循环油耗(客车)，欧洲有ECE－R15工况循环油耗，美国有公路循环和城市循环油耗。(3)可以对越野汽车动力总成的性能参数进行调整，分析出整车动力性和燃油经济性的敏感性参数。(4)对于经典的汽车理论，计算越野汽车动力性和经济性时，求解的数学模型较复杂且精度较高，且往往是无法求解或需要大量时间才能求解的线性或非线性微分方程组，采用仿真手段可以较快地解决。如对于分动器的转矩分配比的优化分析。动力总成技术特点通常分为三类[]1：系统部分、关键总成部分和内部结构件部分（包括齿轮、轴承、油封、和紧固件）。动力总成常分析的项目及通用的分析软件见表1。表1：动力总成仿真目的功能分析耐久性分析动力总成NVH模型动力总成性能寿命分析动力总成振动动力总成悬置齿轮发响齿轮轴承动力学分析分析领域时间时间频率时间时间时间和频率软件Cruise/GTsuitefatigueMATLABADAMS/MATLABMATLAB/ADAMSADAMS3．变速器总成匹配影响因素直接档变速器最高档的传动比为1，发动机功率由一轴接合二轴传递出去，变速器齿轮没有处于有负载啮合的状态。而超速档变速器的最高档传动比一般在0.7到0.85之间[]4，在这一档位时变速器齿轮是处于负荷啮合状态，因此直接档变速器在最高档位时传递效率要比一台超速档变速器高2%～3%。选用直接档变速器还是超速档变速器要根据汽车的种类和用途，一般公路用车，使用最高档位行驶的里程占总里程的50%到90%，在高速公路上长途行驶的重型汽车，采用直接档行驶的里程大都在90%左右，因此在其他结构都相同，最大车速也设计得一样的公路用车上，装用直接档变速器要比装用超速档变速器的车省油约1～2.5%。长途车一般应采用直接档变速器，专用汽车（包括越野汽车），采用超速档为好。采用直接档变速器噪音小，磨损少，效率高。采用超速档变速器一般采用较高的驱动轴速比，这样可以降低从变速器输入轴到后桥主动伞齿轮之间所有传动系零件所承载的扭矩。由于道路条件不好，在传动系遇到冲击负荷时，这些部件所承受的冲击负荷也比较小。4传动速比选配原则越野汽车为了体现机动性，一般采用的多级增扭降速的布置方式，如分动器、轮边减速器等动力总成的选用。动力传动速比的在各总成间的分配是决定汽车的动力性和燃油经济性核心要素。传动速比范围（即最大传动比与最小传动比之差值）可以根据汽车在极限工况下的行驶要求初步确定。传动系的最大传动比应根据汽车最大爬坡度、驱动车轮与路面的附着力、汽车的最低稳定车速和车轮的滚动半径来综合考虑。在确定传动系最大传动比时，一般以最大爬坡度为设计目标，其余两方面为约束条件进行校核。确定传动系最小传动比可以根据汽车设计的最高车速来选择。选定适当的最小传动比使发动机最大功率时车速与理论最高车速相匹配，同时还要考虑最高档汽车后备功率和燃油经济性的影响。传动系最小传动比还需考虑根据最高档的动力性因数，即汽车的上坡和加速能力。本论文只分析变速器的传动比及主减速器传动比的选配原则，对于其它的动力总成，会逐步进行分析。4．1变速器速比的选配原则变速器速比的数量，要根据汽车的类型，使用条件和性能要求及最高档和最低档的速比范围大小而定。越野汽车的吨位越小，档位数可取少些，随着吨位的增大，档位数也增多。由于相邻速比之间的比值不能太大(一般不超过1.7～1.8)，太大时换档困难，所以在最大传动比与最小传动比值越大，则档位数也应增多。而档位多的变速器即7个前进档时，其变速器的结构，特别是操纵机构会很复杂，所以有的车辆就采用增加前置或后置式副变速器的办法来解决此矛盾。如需要全轮驱动，可以增设两速比的分动器。下面分析变速器各档传动比的选择。4.1.1最大传动比的选择在选定最大传动比时，主要考虑三方面问题：最大爬坡度或Ⅰ档最大动力因数D1max，附着力以及汽车的最低行驶稳定车速。4.1.2最小传动比的选择（1）一般情况下，最小速比的选择，对应着汽车的最高车速（相当于发动机最大功率时的转速）。（2）在确定最小速比时，要考虑到汽车在对应的档位时具备上坡、加速能力，即应有足够的最高档的最大动力因素。（3）若选择的最小速比难于同时满足最高车速和最大动力因素的要求时，可适当调整给定的动力性指标，如降低最高车速或重新选用发动机。4.1.3变速器中间各档的传动比选择汽车在行驶过程中，高档的利用率和行驶时间多于低速档，换档的频率，高档区也低于低档区，即使在山区工作也是如此。由于各档位间速比越小，换档操作越轻便，燃料经济性也越好。一般认为高档与低档的公比应该不一样，较高档位相邻两档之间的速比的公比应小些，约为1.3～1.45，低档档位相邻两档之间的速比的公比应较大，约为1.7～1.8。变速器相邻两档之间的速比的公比的选择，要符合下列原则:(1)从一档换入相邻的另一档时，发动机的功率不允许下降10%；(2)从一档换入相邻的另一档时发动机转速下降的最低点要高于最大扭矩点的转速。基于此原则，可以根据仿真计算来确定变速器的各档位速比。5．应用研究根据上述的理论研究，对某四轮驱动的越野汽车进行仿真分析。该车的主要参数为总质量为1870kg，轴距为2.65m，发动机为6缸汽油机，排量为2.478l，变速器为5档自动变速器。应用AVL的Curise软件进行建模分析，发动机、液力变矩器、变速器及中央差速器的连接模型结构如图1。变速器速比及公比的确定。该变速器的速比为3.62，2.22，1.51，1.08，0.85。根据变速器匹配影响分析，该车选配了超速档。图2为升档规律，图3为降档规律。从图2中可以看出，发动机转速分别为770转/min，1250转/min，1820转/min，2500转/min；从低档换入高档时，发动机转速的变化在400转/分以上，分别为480转/min，570转/min，680转/min，其变化率分别为1.1875%，1.192%。从图3中可以看出，发动机转速分别为510转/min，890转/min，1380转/min，2000转/min；从高档换入低档时，发动机转速的变化在400转/分左右，分别为380转/min，490转/min，620转/min，其变化率分别为1.29%，1.27%。图1动力总成建模图2升档规律图3降档规律参考部分国家标准（见表4）对该模型进行模拟分析，具体的结果见图4和图5。表4动力性和经济性计算参考标准图4驱动力-阻力平衡图从图4中可以看出：根据该车驱动力和阻力的平衡，所能达到的最大车速为最高车速GB/T12544-1990动力性最大爬坡度GB/T12539-1990经济性限定条件油耗GB/T12545-1990227.18km/h。图5爬坡特性从图5中的爬坡特性与对应的路面附着特性的关系，可以看出：该车在各档位最大爬坡度与对应的车速，最大爬坡度为51.63%。具体爬坡特性见表5。表5汽车爬坡特性变速器档位最大爬坡度%汽车行驶速度km/h发动机转速1/min151.63454250227.8673.474255.65316.8398.473887.35410.265.472055.2557.0883.472058.77对该车进行UDC循环工况仿真分析得出：百公里耗油量为11.35升。从上述分析中，可以得出：该车变速器相邻两档之间的速比的公比分别为1.63，1.47，1.39，1.27。该公比基本满足高档与低档的公比应该不一样原则：较高档位相邻两档之间的速比的公比应小些，约为1.3～1.45，低档档位相邻两档之间的速比的公比应较大，约为1.7～1.8。6.结束语本文根据汽车变速器总成匹配仿真的优点和特点及发动机和变速器对动力总成匹配的影响，分析研究了越野汽车驱动轴（主减速比）、变速器的最大传动比、最小传动比和中间各档的传动比等动力传动系统速比选配原则。应用选配原则，对某四轮驱动的越野汽车进行仿真分析。参考文献1.ShanShih,ScottKuan,ChrisKeeneyandRagnarLedesma.HeavyandMediumDutyVehiclePowertrainVirtualPrototyping.SAE.ComputerandSimulationinTruckDesign,SP-1042.982824.1998.2.郑正稆.重型汽车动力系统各总成的选择和匹配.汽车工程，No.1.3.汽车百科全书p812-p813机械工业出版社北京，1989年