基于整車(chē)動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性的速比匹配研究

0引言

整車(chē)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性是評(píng)價(jià)一輛車(chē)性能的重要指標(biāo)。整車(chē)的動(dòng)力性,是車(chē)輛的基本性能,直接影響著車(chē)輛的行駛能力和駕駛感受。整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性,對(duì)環(huán)境、行駛里程和使用費(fèi)用等多方面均有影響。然而同時(shí)追求動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性,是存在沖突的。在整車(chē)的正向開(kāi)發(fā)過(guò)程中,已確定發(fā)動(dòng)機(jī)搭載型號(hào)的前提下,變速箱的速比匹配方案是決定整車(chē)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性水平的重要因素^[1]。

在傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)前期性能開(kāi)發(fā)過(guò)程中,研發(fā)工程師主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)企業(yè)已有的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器進(jìn)行初步匹配,通常不能達(dá)到預(yù)定的性能效果,反而會(huì)造成項(xiàng)目周期的拖延,增加整車(chē)試驗(yàn)測(cè)試的次數(shù)和成本,從而造成匹配工作的反復(fù)。利用軟件建立整車(chē)仿真模型,可快速進(jìn)行大量匹配方案的計(jì)算工作,為工程師提供匹配方案選擇,有效縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期,減少試驗(yàn)驗(yàn)證的次數(shù)^[2]。以某款手動(dòng)擋乘用車(chē)已確定搭載某型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)為例,利用AVLCRUISE 仿真軟件,在仿真模型標(biāo)定基礎(chǔ)上,對(duì)于不同系列變速器進(jìn)行了多種匹配方案計(jì)算,圍繞達(dá)成性能開(kāi)發(fā)目標(biāo),完成變速器速比匹配研究。

1 動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法

AVL CRUISE是一款功能強(qiáng)大的軟件工具,在車(chē)輛動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及排放性能的仿真方面具有巨大的優(yōu)勢(shì),是支持車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的軟件助手,還能為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)開(kāi)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(gòu)的車(chē)輛模型,其復(fù)雜而完善的求解器更是保證了計(jì)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(lèi)型的車(chē)輛。模型主要由整車(chē)控 制、駕駛工況、變速箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、輪胎等子模塊組成。 搭建仿真模型,首先生成車(chē)輛仿真模型,在模型中輸入車(chē)輛的相關(guān)物理參數(shù),再建立各模塊之間的能量、信號(hào)連接,然后創(chuàng)建計(jì)算任務(wù)、設(shè)置計(jì)算工況、開(kāi)展運(yùn)算,最后進(jìn)行結(jié)果評(píng)估^[4]。某手動(dòng)擋乘用車(chē)仿真模型如圖1所示。

結(jié)合產(chǎn)品性能目標(biāo),根據(jù)建立的理論分析模型在 CRUISE中設(shè)定計(jì)算任務(wù),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(dòng)力(Maximum Traction Force)5個(gè)計(jì)算任務(wù)。各工況任務(wù)均在法規(guī)中要求的載荷情況下開(kāi)展。

2 動(dòng)力總成匹配

2.1匹配內(nèi)容

動(dòng)力總成匹配設(shè)計(jì)主要是指選擇合適的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器,使其能夠滿(mǎn)足整車(chē)性能和成本的要求,一般包括動(dòng)力總成選型、動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)、總布置以及相關(guān)性能的匹配設(shè)計(jì)等。

隨著國(guó)家法規(guī)對(duì)乘用車(chē)油耗限值的逐漸嚴(yán)苛,整車(chē)的油耗開(kāi)發(fā)被車(chē)企列為重點(diǎn)關(guān)注性能之一。對(duì)于乘用車(chē)而言,多數(shù)須在滿(mǎn)足用戶(hù)需求動(dòng)力性的前提下,最大限度降低整車(chē)燃油消耗量,提高經(jīng)濟(jì)性。

2.2匹配流程

圍繞達(dá)成整車(chē)動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性目標(biāo),動(dòng)力總成匹配主要分為兩個(gè)設(shè)計(jì)階段:首先選取車(chē)輛開(kāi)展測(cè)試,利用得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型進(jìn)行標(biāo)定,建立高精度的仿真基準(zhǔn)模型,然后在修正后的模型上進(jìn)行新開(kāi)發(fā)車(chē)型傳動(dòng)速比的匹配^[5]。如果根據(jù)已有動(dòng)力總成參數(shù)匹配后,所有結(jié)果均無(wú)法達(dá)到性能目標(biāo),則對(duì)關(guān)鍵部件零部件進(jìn)行動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性敏感度分析,根據(jù)敏感度貢獻(xiàn)再進(jìn)行匹配優(yōu)化方案選擇,直至達(dá)成預(yù)期的性能目標(biāo)。動(dòng)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(zhǔn)模型

結(jié)合已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成的平臺(tái)車(chē)型(搭載1.5 L排量的 自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)),選取車(chē)輛進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,同時(shí)在仿真模型中輸入試驗(yàn)車(chē)輛的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行仿真分析計(jì)算。將百公里綜合油耗、百公里加速時(shí)間、超車(chē)加速時(shí)間等試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)值、過(guò)程曲線(xiàn)表現(xiàn)對(duì)比。試驗(yàn)與仿真結(jié)果如表1所示。

標(biāo)定后模型的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的性能指標(biāo)仿真精度在4%以?xún)?nèi),模型精度良好,為新開(kāi)發(fā)的車(chē)型奠定了一個(gè)好的仿真基準(zhǔn)。

3.2 結(jié)果分析

某款新開(kāi)發(fā)的乘用車(chē),計(jì)劃在上述平臺(tái)基礎(chǔ)上,增加搭載1.5 L排量的增壓發(fā)動(dòng)機(jī),動(dòng)力性要求高于平臺(tái)車(chē)型,同時(shí)經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)保持不降低。乘用車(chē)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)如表2所示。

擬在5速和6速兩種類(lèi)型的變速器中進(jìn)行選擇匹配,每個(gè)系列的變速器主減比有4組,即為在8種匹配方案中進(jìn)行篩選。其中6速變速器的主減速比排序?yàn)椤胺桨?>方案2>方案3>方案4”,5速變速器的主減速比排序?yàn)椤胺桨?>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(jìn)行仿真計(jì)算,動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性結(jié)果如表3所示。

由表3計(jì)算結(jié)果可知,所有速比對(duì)應(yīng)的百公里加速時(shí)間,均滿(mǎn)足目標(biāo)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(jì)性可滿(mǎn)足百公里綜合油耗目標(biāo)6.6 L,但是超車(chē)加速不達(dá)標(biāo);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(shí)間滿(mǎn)足動(dòng)力性目標(biāo),但百公里綜合油耗達(dá)不到目標(biāo)值。只有6速變速器中的方案3同時(shí)滿(mǎn)足動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)。

計(jì)算結(jié)果顯示,整車(chē)變速器的速比和主減比對(duì)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性結(jié)果有決定性作用。同時(shí),整車(chē)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性?xún)蓚€(gè)性能是難以同時(shí)兼顧的,兩者之間關(guān)系可以繪制出不同速比下對(duì)應(yīng)的燃油經(jīng)濟(jì)性—?jiǎng)恿π郧€(xiàn)[6],此曲線(xiàn)可為選取某型號(hào)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(jì)性—?jiǎng)恿π郧€(xiàn)如圖3所示。

結(jié)合圖3(a)(b)中的曲線(xiàn)關(guān)系,6速變速器相比5速變速器更有優(yōu)勢(shì),能更好地平衡車(chē)輛的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)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(shí)兼顧動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。綜合表3、圖3結(jié)果,乘用車(chē)速比選用6速變速器的方案3滿(mǎn)足性能目標(biāo)要求。

在項(xiàng)目研發(fā)過(guò)程中動(dòng)力總成實(shí)際選型時(shí),工程師通常須在滿(mǎn)足動(dòng)力性的前提下,更深入地挖掘降油耗措施,因此速比選型過(guò)程中利用軟件進(jìn)行敏感度分析,例如分析減少整備質(zhì)量、降低傳動(dòng)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(tái)車(chē)的仿真和試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)定過(guò)的模型,為新車(chē)型仿真計(jì)算提供了高精度計(jì)算基礎(chǔ);

2)利用CRUISE軟件進(jìn)行動(dòng)力總成匹配時(shí),可開(kāi)展大量的計(jì)算分析,為速比選型提供數(shù)據(jù)結(jié)果支撐,縮短項(xiàng)目研發(fā)周期;

3)本速比匹配研究可為新車(chē)型項(xiàng)目研發(fā)提供參考,并具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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2024年第15期第12篇