04-福田汽车公司-吴学华等-基于Cruise软件的载货汽车的整车性能和动力匹配分析

基于Cruise软件的载货汽车的整车性能和动力匹配分析吴学华许先锋马东北汽福田汽车股份有限公司汽车工程研究院计算分析所，北京，102206摘要：本文借助Cruise软件对某款中型货车进行了整车性能分析，经过与试验结果对比，仿真分析结果与试验结果基本吻合；并通过整车动力总成的优化匹配分析，为以后同类车型的改进升级提供了依据。关键字：动力性、燃油经济性、动力总成匹配分析Abstract：ApplyingtheCruise,theaccelerationperformanceandfueleconomyofthetruckareanalyzed.Theresultsofthesimulationswereveryapproximatetothetestedvalues.Theanalysisofthepowersystemmatchingcanhelptoandimprovetheperformanceofthetruck.Keywords:accelerationperformance;fueleconomy;powersystemmatching随着排放法规的日益严格，燃油资源的紧缺，对汽车的排放和经济性的要求也更加严格。通常汽车的动力性、经济性和排放性能的评价是在汽车研制过程中由实车进行道路试验和台架试验后得出的。汽车的动力性和经济性在很大程度上取决于发动机和整车动力系统的匹配是否合理，发动机与动力系统的匹配方案可能有很多种，如果每款方案都经过实车试验，会增加开发费用，延长设计周期，所以我们有必要在产品开发设计阶段即没有试验样车的情况下，做好整车动力匹配和性能分析的工作。目前市场上有几种整车性能和动力匹配模拟分析软件，在本文中应用AVL－Cruise软件对某款中型载货汽车进行整车动力性和经济性分析以及动力匹配分析。一、动力性和经济性评价指标汽车的动力性常用评价指标为最高车速、加速时间（包括直接档加速时间和原地起步连续换档至某一车速的加速时间）和最大爬坡度等；燃油经济性常用的评价指标有等速行驶百公里燃油消耗量和多工况循环行驶工况的百公里燃油消耗量。二、某款中型货车的整车性能分析下面以某款中型货车为例，该载货汽车是在已开发的某系列载货车型基础换装发动机及相关配置（离合器、变速箱），通过优化设计而成。借助Cruise软件对该车型进行燃油经济性、动力性分析和评估。根据载货汽车的整车布置明细建立整车仿真分析模型。对设计部门提供的整车及部件参数进行完善处理后嵌入整车模型文件展开整车性能分析。本项目仿真分析车辆载重情况为满载。整车仿真分析模型图1所示，基本参数如下：整车外形尺寸（长×宽×高）（mm）：8655×2482×2760轴距（mm）：4700整备质量(kg)：5400满载质量(kg)：12005空气阻力系数：0.75车辆的迎风面积（m^2）：5.4发动机排量(L):4.257标定功率/标定转速(kW/rpm):105（2800）怠速转速（rpm）:750变速箱各档速比：6.515，3.917，2.347，1.429，1.00，0.814，R6.061主减速器速比:6.33图1整车仿真模型图根据汽车试验和性能分析要求，此仿真计算任务选择了循环行驶工况、爬坡性能、稳态行驶性能、全负荷加速性能、最大牵引力和滑行性能分析；分析过程中使用了HeavyTruck6Cycle循环工况。HeavyTruck6Cycle路况为我国制定的货车路上行驶循环工况，路况图如图2所示。图2HeavyTruck6Cycle循环工况1．汽车基本性能仿真分析结果该车的各档爬坡性能、加速性能及最高档百公里油耗曲线如下图3、图4、图5和图6所示。图3各档爬坡性能图4各档加速性能汽车加速时间曲线0102030405060708090-50510152025303540455055606570758085速度V(km/h)时间T(S)直接档加速原地起步换档加速图5汽车加速时间曲线等速百公里油耗曲线10111213141516171819202122233040506070速度(km/h)百公里油耗(L/100km)六档百公里油耗仿真结果图6汽车最高档等速百公里油耗曲线整车基本性能分析结果表一所示。表一整车性能仿真分析结果与试验结果对比类别仿真分析项目分析结果试验结果50km/h初速度滑行距离（m）943.236937.8最高车速(km/h)98.4995.9直接档从20km/h加速到80km/h(s)78.1784.21起步连续换档加速至80km/h(s)71.7372.24最大爬坡度[%]26.5930动力性最大加速度(m/s^2)1.8630m/h11.7310.5540km/h12.6912.0250km/h14.3813.9760km/h15.9615.77等速百公里油耗(Ⅵ档)70km/h17.7317.63燃油经济性(L/100km)HeavyTruck6Cycle14.95通过仿真分析，该车型整车性能符合50km/h初速度滑行距离、最高车速和最大爬坡度的技术要求。2．仿真分析结果与试验结果对比整车基本性能动力性与经济性仿真分析结果与试验结果对比如上面表一所示。该车性能仿真分析直接档加速曲线和起步连续换档加速曲线与试验结果对比如下图7和8所示。直接档加速曲线0102030405060708020253035404550556065707580时间t(s)速度v(km/h)试验结果仿真结果图7直接档加速曲线仿真分析结果与试验结果对比起步连续换档加速曲线01020304050607080-50510152025303540455055606570758085时间T(S)速度V(km/h)试验结果仿真结果图8起步连续换档加速曲线仿真分析结果与试验结果对比从上面对比曲线可以看出，直接档加速曲线与试验结果相近，误差较小；起步连续换档加速曲线仿真分析结果在低速段与试验结果误差较大，可能与试验员驾驶过程中换档时间有关，降低换档时间可以减少加速时间，提高汽车的加速性能。整车稳态行驶工况下的等速百公里油耗曲线仿真分析结果与试验结果对比如图9所示。等速百公里油耗曲线10111213141516171819202122233040506070速度(km/h)百公里油耗(L/100km)六档百公里油耗试验结果六档百公里油耗仿真结果图9汽车等速百公里油耗仿真分析结果与试验结果对比最高档等速百公里油耗仿真分析结果与试验结果对比，除30km/h时的百公里油耗值误差较大外，其余各点的百公里油耗值误差较小。通过与试验结果对比分析，该车的仿真分析结果与试验结果基本吻合。三、动力系统匹配分析汽车发动机和传动系统匹配的好坏直接关系到汽车动力性能的发挥和燃料经济性的好坏。在汽车设计中,一般是根据已知条件，对市场上现有发动机和传动系参数进行选择。现对两款发动机，两种主减速器速比进行动力匹配分析，匹配方案如表二所示。发动机A：发动机排量(L):4.257标定功率/标定转速(kW/rpm):105（2800）怠速转速（rpm）:750发动机B：发动机排量(L):4.0标定功率/标定转速(kW/rpm):101（2600）怠速转速（rpm）:750表二：动力匹配四种方案部件方案发动机主减速器速比一A6.33二A5.833三B6.33四B5.833四种动力装置匹配方案下的车辆性能及性能评价如表三、表四所示：表三：四种动力装置匹配情况下的车辆性能分析结果类别仿真分析项目方案一方案二方案三方案四最高车速(km/h)98.49101.6194.9699.98最大爬坡度[%]26.5924.5228.7626.23动力性最大加速度(m/s^2)1.861.771.711.6730m/h12.3311.9911.5511.2040km/h14.0513.6112.7312.3550km/h15.3014.8714.0813.5460km/h16.7316.3016.5315.48等速百公里油耗（直接档）70km/h18.9118.4119.8518.54燃油经济性HeavyTruck6Cycle14.9514.1114.7514.02表四：四种动力装置匹配情况下的车辆性能评价动力性能经济性能性能方案最高车速加速性能爬坡性能等速百公里油耗HeavyTruck6Cycle一◇☆◇★★二☆☆★◇◇三★◇☆◇◇四◇◇◇☆☆其中：☆最好，◇较好，★最差根据四种动力装置车辆性能的仿真分析结果，得出方案一的动力性能较好，但经济性与其它三种方案对比，结果最差；方案二和方案三动力性能较差；方案四在保证车辆良好的动力性前提下，车辆的等速工况和循环工况的燃油经济性最好，同时保持了车辆良好的爬坡能力和加速性能，方案四是比较好的配置方案。四、结论本文应用Cruise软件对某款中型货车进行了整车性能分析，并经过与试验结果对比，仿真分析结果与试验结果基本吻合。通过整车动力总成的优化匹配分析，能在保证车辆良好的动力性前提下，提高整车的经济性，为日后改进车型提供了理论依据。五、致谢AVL李斯特技术中心（上海）有限公司给了我们很大的支持和帮助，在此表示感谢！参考文献：[1]余志生，汽车理论，北京：机械工业出版社，2000[2]AVL—Cruisemanuals