某車型高原動力性仿真分析

劉航瑜，許海峰，王博，康建偉，王莎莎

（1.陜汽集團商用車有限公司，陜西 寶雞 721000；2.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

全球海拔2000m 以上的高原地域有超過68%分布在中國，中國是高原地域最廣闊的國家[1]。長久以來，在高原地域運行的車輛都會受到惡劣環(huán)境的影響，主要表現(xiàn)為動力性能下降、燃油經濟性變差及發(fā)動機冷卻能力不足等問題，高原地區(qū)含氧量少、氣壓低、氣溫低等惡劣氣候環(huán)境則是造成車輛高原運行能力下降的最主要因素[2]。

汽車行業(yè)常用AVL-Cruise 軟件對車輛的實際工作狀況進行仿真模擬。在Cruise 軟件中，采用模塊化建模理念，能夠方便快捷地建立各種不同結構類型的整車模型，采用不同任務求解器對計算任務快速求解，模擬分析出整車的動力性、燃油經濟性和排放等性能。

圖1 Cruise 整車仿真計算模塊

Cruise 軟件的建模流程較為簡單，參數(shù)配置、修改便捷，可以實時對發(fā)動機模塊（CRUISE M Engine）、整車及傳動系統(tǒng)模塊（CRUISE M Driveline）、冷卻與潤滑系統(tǒng)模塊（CRUISE M Flow）和發(fā)動機尾氣后處理模塊（CRUISE M Aftertreat -ment ）進行修改計算，且不同方案結果對比直觀，軟件各模塊如圖1 所示[3]。

1 動力性仿真模型搭建

按照該車型動力匹配和傳動路線，在Cruise 軟件中搭建各系統(tǒng)總成和整車模型。

1.1 傳動系統(tǒng)總成模型

在Cruise 建模過程中，分別搭建該車型傳動系統(tǒng)的液力變矩器、變速器、分動器、驅動車橋等子系統(tǒng)。

1.1.1 液力變矩器模型建立

該車選用的是ALLISON TC551 液力變矩器。主要技術參數(shù)見表1。

表1 ALLISON TC551 液力變矩器主要技術參數(shù)

ALLISON TC551 液力變矩器的特性曲線參數(shù)輸入得到曲線如圖2 所示。

圖2 ALLISON TC551 液力變矩器特性曲線

1.1.2 變速器

該車型選用的是ALLISON 4500P 型變速器，主要技術參數(shù)見表2。變速器控制程序是變速器仿真計算的核心。根據(jù)給定的發(fā)動機轉速或汽車行駛速度，模擬出換擋曲線，選擇換擋時機，完成AT 變速器換擋機構控制的設置（見圖3）。

表2 ALLISON 4500P 型變速器主要技術參數(shù)

圖3 ALLISON 4500P 型變速器控制邏輯

1.1.3 分動器

該車型選用ZQC2000 型分動器，其主要技術參數(shù)如表3所示。

表3 ZQC2000 型分動器主要技術參數(shù)

分動器總成模塊的組成如圖4 所示。

圖4 ZQC2000 型分動器模塊組成圖

1.1.4 驅動車橋

該車型選用中央單級減速帶輪邊行星減速器結構的雙級驅動橋，驅動橋主要技術參數(shù)如表4 所示。

表4 驅動橋主要技術參數(shù)

驅動橋總成模塊的組成如圖5 所示。

圖5 驅動車橋總成模塊組成圖

該車采用6×6 驅動型式，全輪驅動的實現(xiàn)是通過分動器將動力分別向前、后輸出，其動力傳遞路線和各總成的布置方式與常規(guī)全輪驅動的車輛相同，動力傳遞路線如圖6 所示。

圖6 動力傳遞路線圖

1.2 發(fā)動機總成模型

該車型選用濰柴動力股份有限公司生產的WP12.570 型發(fā)動機，其主要技術參數(shù)見表5，發(fā)動機平原地區(qū)的外特性和萬有特性見圖7。

圖7 WP12.570 型發(fā)動機平原地區(qū)外特性和萬有特性曲線

表5 WP12.570 型發(fā)動機主要技術參數(shù)

圖8 WP12.570 型發(fā)動機平原和海拔4000m 地區(qū)外特性曲線對比

根據(jù)WP12.570型發(fā)動機的平原和海拔4000m環(huán)境下的外特性對比曲線（如圖8）可知，低海拔地區(qū)時發(fā)動機最大轉矩為2300N·m，最大功率418kW。在高原時發(fā)動機最大轉矩為1417N·m，最大功率218kw，相應的轉速為1700r/min，未實施高原動力提升措施的發(fā)動機的最大轉矩下降38%，最大功率下降了約48%。

根據(jù)車輛實際的動力傳遞路線和布置方式，在Cruise中對各總成模塊依次進行設置，并對液力變矩器、變速器換擋控制、油門、制動以及駕駛室模塊控制邏輯系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行連接，構建出整車仿真模型，如圖9 所示。其中整車輸入?yún)?shù)見表6。

表6 該車型整車模型輸入?yún)?shù)

圖9 Cruise 模型中建立的整車模型

2 動力性仿真結果

通過Cruise 軟件對該車動力性進行求解計算，對比該車在未進行高原動力提升措施時，平原與高原不同工作環(huán)境下的動力性差異。

2.1 最高車速分析

由Constan Drive 任務的 Maximum Velocity 模塊，可計算出每擋位的最高車速如圖10。

圖10 車速和功率平衡曲線圖

計算結果顯示，該車在平原地區(qū)的最高車速為129km/h，在高原地區(qū)的最高車速為105km/h，滿足最高車速不小于100km/h 的高原地區(qū)動力性指標要求。

2.2 加速性能分析

根據(jù)換擋曲線設置變速器控制程序，選擇相應的換擋點及換擋方式，模擬計算0～80km/h 的連續(xù)換擋加速時間。車速和加速時間的關系圖如圖11 所示。

圖11 車速和加速時間關系圖

計算結果顯示，該車在平原地區(qū)0～80km/h 的加速時間為34.33s；而在海拔高度為4000m 的高原地區(qū)環(huán)境下，由于高原低氣壓造成的動力性損耗過大，0～80km/h 的加速時間增加到67.90s，不滿足指標要求。

2.3 爬坡性能分析

在climbing performance 任務中選擇原地起步、不考慮輪胎滑移等仿真條件，利用已經配置好的參數(shù)，模擬計算出所有擋位的爬坡能力（見圖12）。

圖12 各擋位下最大爬坡度與車速關系圖

計算結果顯示，在平原地區(qū)，該車最大爬坡度為45%，可以滿足技戰(zhàn)術指標要求的最大爬坡度40%的要求，而在海拔高度為4000m 的高原地區(qū)環(huán)境下，由于高原低氣壓造成的動力性損耗過大，最大爬坡度只能達到37%，無法滿足指標要求。

3 結論

根據(jù)仿真計算結果可以看出，該車在平原地區(qū)與高原地區(qū)動力性有著顯著的差異，高原地區(qū)的低壓、低溫、低含氧量已經使車輛加速性能與爬坡性能不能滿足相應的指標要求，因此該重型越野車在未采取動力提升措施前，環(huán)境適應性較差，不能滿足相應需求。

高原地區(qū)動力性改善方案源自于高原地區(qū)環(huán)境特點對渦輪增壓柴油機影響的研究，消除和解決這些影響是改善其動力性能的根本方案，在后續(xù)的研究中，將在Cruise 軟件中進行渦輪增壓器匹配優(yōu)化和發(fā)動機高原噴油策略優(yōu)化分析計算，并進行發(fā)動機性能和整車動力性仿真計算得出結果，以驗證經過高原動力性提升措施后，整車動力性指標在高原工況下有無明顯提升。