利用Cruise軟件進(jìn)行整車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性仿真分析

楊忠平

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

利用Cruise軟件進(jìn)行整車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性仿真分析

楊忠平

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

本文論述了利用CRUISE 軟件進(jìn)行汽車建模的過(guò)程，并對(duì)某重型商用車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了仿真分析。

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)；動(dòng)力性；燃油經(jīng)濟(jì)性；CRUISE軟件

CLC NO.: U461.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-107-03

前言

汽車仿真技術(shù)是當(dāng)前汽車研發(fā)的重要手段，在汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期進(jìn)行汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配和性能仿真不僅能節(jié)約大量新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)等帶來(lái)的人力和物力投入，還降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了工作效率。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型的建立是參數(shù)匹配及性能仿真的基礎(chǔ)，采用專業(yè)軟件對(duì)其進(jìn)行建模及仿真研究不僅可以節(jié)省大量的時(shí)間，使建模過(guò)程簡(jiǎn)單化，而且程序運(yùn)行可靠、調(diào)試方便，利于分析研究。

Cruise軟件是奧地利AVL公司開(kāi)發(fā)的用于研究車輛動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能與制動(dòng)性能的高級(jí)仿真分析軟件，是快速、便捷、高效的車輛動(dòng)力學(xué)仿真工具。該軟件真實(shí)再現(xiàn)了車輛的傳動(dòng)系模型，可用于車輛開(kāi)發(fā)過(guò)程中的動(dòng)力傳動(dòng)系的匹配、車輛性能預(yù)測(cè)等，它包含了車輛的基本模塊和控制模塊，用戶可利用模型生成器建立所需的車輛系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真分析，利用仿真結(jié)果優(yōu)化傳動(dòng)系的參數(shù)，從而快速完成傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1、整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)建模與分析

整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)建模主要是通過(guò)對(duì)整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行分析，簡(jiǎn)化物理模型，選擇合理的子系統(tǒng)模塊，搭建仿真模型，建立汽車系統(tǒng)的各總成和部件的機(jī)械連接和信號(hào)連接，并對(duì)各部件和總成進(jìn)行參數(shù)化處理，完成汽車建模過(guò)程。利用Cruise軟件進(jìn)行仿真計(jì)算包括四個(gè)步驟：建立車輛模型、輸入各總成模型數(shù)據(jù)、定制仿真計(jì)算任務(wù)和查看計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行仿真分析。

1.1 建立車輛模型

我們以4×2牽引車為例，該車配備213KW國(guó)Ⅲ柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，9檔機(jī)械變速器，斯太爾雙級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋，汽車總質(zhì)量50000Kg。分析汽車結(jié)構(gòu)和功能，利用Cruise軟件建立整車仿真模型。4×2牽引車是由牽引頭和半掛車組成，牽引車的布置形式為發(fā)動(dòng)機(jī)前置單橋后輪驅(qū)動(dòng)，機(jī)械變速器，駕駛室只控制加速踏板、離合器和制動(dòng)器踏板，半掛車按三軸考慮。根據(jù)結(jié)構(gòu)和布置形式的分析，選用模型庫(kù)中的汽車模塊（Vehicle）、半掛車模塊（Trailer）、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊（Engine）、機(jī)械式摩擦離合器模塊（Clutch）、機(jī)械手動(dòng)變速器模塊（Gear Box）、單級(jí)減速器模塊（Single Ratio， Transmission作為主減速器）、差速器模塊（Differential）、駕駛室模塊（Cockpit）以及車輪（Wheel）和制動(dòng)器模塊（Brake）。將這些模塊從車輛建模組件庫(kù)中按圖1所示拖入建模窗口。

當(dāng)各子系統(tǒng)模型選定之后，應(yīng)根據(jù)汽車配置方案和部件連接關(guān)系建立模型的物理連接，該步驟相對(duì)簡(jiǎn)單，只需用connect連接功能建立物理連接，如圖2所示。傳動(dòng)系各部件之間有直接的物理連接關(guān)系，車輪和制動(dòng)器之間也有物理連接關(guān)系，但駕駛室與動(dòng)力傳動(dòng)系和制動(dòng)系之間沒(méi)有物理連接，在仿真過(guò)程中，它們之間是通過(guò)信號(hào)連接來(lái)傳遞信息的。

信號(hào)連接是汽車建模過(guò)程中最關(guān)鍵內(nèi)容之一，也有較大難度。要想正確建立汽車各子模型之間的信號(hào)連接關(guān)系，必須對(duì)汽車系統(tǒng)內(nèi)部件之間的連接和控制關(guān)系、信息傳遞關(guān)系以及汽車動(dòng)力學(xué)有深入的理解。如該牽引車列車模型，駕駛室（Cockpit）需要的轉(zhuǎn)速信號(hào)來(lái)自于變速器（Gear Box）的當(dāng)前檔位；同樣，制動(dòng)器（Brake）需要的制動(dòng)壓力、摩擦離合器（Clutch）需要的期望的結(jié)合程度、發(fā)動(dòng)機(jī)（Engine）需要的負(fù)荷信號(hào)和起動(dòng)開(kāi)關(guān)（Start Switch）信號(hào)以及變速器（Gear Box）需要的期望檔位信號(hào)都來(lái)自于駕駛室（Cockpit）。

雙擊建模窗口下方的彩色線條打開(kāi)數(shù)據(jù)總線，如圖3所示，各子模型之間的連接關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)總線的鏈接信息

在數(shù)據(jù)總線連接時(shí)，需要注意：input information…from中顯示為藍(lán)色的項(xiàng)目為必須連接的項(xiàng)目，發(fā)動(dòng)機(jī)（Engine）模塊中的負(fù)荷信號(hào)（Load Signal）雖然顯示為黑色，但也必須進(jìn)行連接。

1.2 輸入各總成模型數(shù)據(jù)

模型數(shù)據(jù)的輸入有以下幾種方式：手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)；從已有模型中調(diào)入數(shù)據(jù)；拷貝與粘貼方式輸入輸出數(shù)據(jù)。

手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)：雙擊建模窗口中的每一個(gè)組件，都會(huì)彈出一個(gè)窗口，根據(jù)需要輸入每個(gè)組件的相關(guān)數(shù)據(jù)即可。

從已有模型中調(diào)入數(shù)據(jù)：例如從已有整車模型中調(diào)入發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)如圖4。

拷貝與粘貼方式輸入輸出數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)可以通過(guò)拷貝與粘貼方式輸入輸出，這可以在Cruise內(nèi)部進(jìn)行，也可以與其它軟件進(jìn)行，比如Excel之間傳輸數(shù)據(jù)。

1.3 定制仿真計(jì)算任務(wù)

建模和參數(shù)輸入完成之后，利用檢查功能（check）來(lái)檢查模型是否正確，數(shù)據(jù)輸入是否完整，如果通過(guò)檢查，便可進(jìn)行仿真。在仿真計(jì)算之前，要定制仿真任務(wù)。根據(jù)需要計(jì)算的內(nèi)容，建立相應(yīng)的文件夾，在每個(gè)文件夾下添加相應(yīng)的計(jì)算任務(wù)，如圖5。根據(jù)汽車試驗(yàn)和性能分析要求，Cruise軟件已經(jīng)定制了7種計(jì)算任務(wù)，分別是循環(huán)工況(Cycle Run)，爬坡性能分析(Climbing Performance)，穩(wěn)態(tài)行駛工況分析(Constant Drive)，滿載全負(fù)荷加速性能分析(Full Load Acceleration )，最大牽引力計(jì)算(Maximum Traction Force)，巡航行駛工況(Cruising)，制動(dòng)/滑行/倒拖(Brake/Coast/ Thrust)。計(jì)算任務(wù)中需要定義的內(nèi)容包括：計(jì)算模式、道路環(huán)境，測(cè)量點(diǎn)的定義，換檔規(guī)律等等。

1.4 仿真計(jì)算結(jié)果分析

Cruise軟件有三種仿真計(jì)算方式，一是單個(gè)計(jì)算任務(wù)(Single Calculation)，二是矩陣運(yùn)算(Matrix Calculation)，三是部件運(yùn)算(Component Calculation)。

1.4.1 穩(wěn)態(tài)等速油耗

圖6是各檔穩(wěn)態(tài)等速百公里油耗圖，可以清楚地看到在不同檔位、不同車速下油耗值及其變化規(guī)律，同一車速油耗值基本上隨檔位升高而下降。

1.4.2 爬坡性能

圖7是爬坡性能圖，從圖中可以直接讀出各檔最大爬坡度。

1.4.3 循環(huán)工況

圖8是循環(huán)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的分布密度，從圖上可以看到在Cycle內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速軸上的時(shí)間使用密度，將其疊加在萬(wàn)有特性圖上，可以分析在經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)的使用頻率，從而評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)性的好壞。

2、模型驗(yàn)證

計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比，車速60km/h以下的等速百公里油耗誤差在5%左右。

3、結(jié)束語(yǔ)

（1）利用CRUISE軟件建立了某重型商用車的整車模型。

（2）對(duì)某重型商用車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了仿真分析。

（3）對(duì)比動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果，可方便得到適用不同使用工況的匹配方案。

[1] 劉振軍，趙海峰，秦大同，基于CRUISE 的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真分析[J]，重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，28(11)：8.

Cruise software using vehicle power and fuel economy simulation analysis

Yang Zhongping
（Shaanxi Heavy-Duty Truck Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200）

This article discusses the use CRUISE software for car modeling process, and a heavy-duty commercial vehicles of power and fuel economy for the simulation ana.

Powertrain；Dynamic；Fuel Economy；CRUISE software

U461.2

A

1671-7988(2015)01-107-03

楊忠平，助理工程師，就職于汽集團(tuán)汽車工程研究院，主要從事整車總布置設(shè)計(jì)。