基于AVL-Cruise 節(jié)能車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配分析

郭華禮，孔維山，閆煜晨，陳峰，張重志

（541004 廣西壯族自治區(qū) 桂林市 桂林航天工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院）

0 引言

汽車使人們出行便捷的同時(shí)也造成了環(huán)境污染，各國政府對汽車的節(jié)能減排都非常重視，Honda 節(jié)能競技大賽是一項(xiàng)以注重能源、創(chuàng)造節(jié)約型社會(huì)為主的活動(dòng)，其比賽理念是環(huán)保、挑戰(zhàn)和樂趣[1]。節(jié)能賽車是在節(jié)能競技大賽背景下針對高校和企業(yè)開展的賽事活動(dòng)，旨在通過對各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，挑戰(zhàn)最低的能耗[2]。

AVL Cruise 是一款燃油經(jīng)濟(jì)性以及排放性能的仿真的軟件，主要用于車輛傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)。翟志堯[3]利用層次分析法計(jì)算影響經(jīng)濟(jì)性的各個(gè)考量指標(biāo)的權(quán)重，對多個(gè)動(dòng)力總成配置方案進(jìn)行分組計(jì)算，再通過對比分析選擇出最優(yōu)的配置。崔淑華等[4]以電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)匹配為對象，在Cruise 中對動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配分析，得出提高整車性能的最優(yōu)方案。常健等[5]以燃油車為研究對象，在Cruise 中進(jìn)行動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性模擬計(jì)算，驗(yàn)證動(dòng)力匹配合理。在Honda 中國節(jié)能競技大賽背景下，本文的研究重點(diǎn)是以桂林航天工業(yè)學(xué)院節(jié)能車隊(duì)賽車為載體，通過AVL Cruise 軟件完成節(jié)能車的主減速器傳動(dòng)比的計(jì)算與匹配分析，力求改善節(jié)能車的經(jīng)濟(jì)性。

1 節(jié)能車總體設(shè)計(jì)方案

1.1 車輪布置形式

節(jié)能車車輪的配置包括車輪輪數(shù)的選擇和車輪布置形式的確定，通過參考往屆賽事的相關(guān)資料后，其車輪布置形式有圖 1 所示的4 種類型。

由圖1 可知，（a）類型在過彎時(shí)極不穩(wěn)定，有發(fā)生側(cè)翻的危險(xiǎn)，影響到駕駛員的安全問題；（b）類型類似于摩托車外加一個(gè)輔助輪，使整車行駛穩(wěn)定性得到提升，但由于比賽規(guī)則要求所有參賽車輛在行駛過程中不能夠出現(xiàn)兩輪著地的現(xiàn)象，該類型車在轉(zhuǎn)彎時(shí)容易出現(xiàn)兩輪著地而不能滿足規(guī)則；（c）類型雖然行駛穩(wěn)定性良好，但整車結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，行駛過程滾動(dòng)阻力明顯增加，難以制造；（d）類型在保證節(jié)能車行駛時(shí)擁有較小行駛阻力的同時(shí)，也能保證行駛的穩(wěn)定性，在以往的賽事中該種布置形式也是應(yīng)用最為廣泛的一種[1]。該方案減少差速器等部件，在本次計(jì)算分析中，采用前兩輪后一輪的車輪布置形式。

圖1 節(jié)能車車輪布置類型Fig.1 Wheel layout type of energy-saving vehicle

1.2 傳動(dòng)形式的確定

考慮到節(jié)能車的總體布置，若采用前輪驅(qū)動(dòng)會(huì)增加整車的復(fù)雜程度，提高設(shè)計(jì)制造的難度，而采用后輪驅(qū)動(dòng)，則不用考慮差速器等部件，也可達(dá)到降低車重的目的，所以在本設(shè)計(jì)中，采用后輪驅(qū)動(dòng)的形式。節(jié)能車常見的傳動(dòng)形式有軸傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)，如圖 2 所示。

圖2 節(jié)能車傳動(dòng)系統(tǒng)的類型Fig.2 Transmission system form of energy-saving vehicle

由圖2 可知，軸傳動(dòng)方案雖然傳動(dòng)效率較高，但布置發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整車的重心偏向車體一側(cè)，降低行駛的穩(wěn)定性；鏈傳動(dòng)既保證整車重心位于賽車縱向中心平面，同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制作更容易實(shí)現(xiàn)。本次計(jì)算仿真分析采用鏈傳動(dòng)形式。

2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真建模

2.1 節(jié)能車基本參數(shù)

設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)模塊參數(shù)。根據(jù)節(jié)能車比賽的賽制規(guī)則，所有的參賽車輛均需要統(tǒng)一采用型號為WH1152FMI 的單缸4 沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。

設(shè)置整車模塊參數(shù)。由于本次仿真任務(wù)是測試節(jié)能車在1 L 燃油條件下的仿真工況，所以油箱體積設(shè)定為1 L，輪距為700 mm，整車的整備質(zhì)量為80 kg，總質(zhì)量為130 kg，迎風(fēng)面積為0.32 m2，空氣阻力系數(shù)為0.11。

計(jì)算分析的節(jié)能車整車基本參數(shù)如表1 所示。

表1 整車基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of whole vehicle

（續(xù)表）

2.2 節(jié)能車仿真模型創(chuàng)建

本設(shè)計(jì)中，以節(jié)能車尺寸和賽制規(guī)則為依據(jù)。節(jié)能車采用WH1152FMI 型單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，由前文確定的總體布置方案，從軟件模型庫中選出搭建節(jié)能車各系統(tǒng)所需的子模塊，并根據(jù)各部件之間的連接關(guān)系，完成各部件之間的物理連接，再完成駕駛室與傳動(dòng)系統(tǒng)以及制動(dòng)系統(tǒng)之間的信號連接[6]。

2.2.1 設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)模塊參數(shù)

根據(jù)表1 輸入發(fā)動(dòng)機(jī)模塊的相關(guān)參數(shù)，在全負(fù)荷特性欄目中，將繪制發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線的參數(shù)輸入表格，生成的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速—功率曲線如圖 3 所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速—功率特性曲線Fig.3 Engine speed-power characteristic curve

由圖 3 可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定功率5.9 kW 時(shí)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為7 000 r/min，在最大功率6.6 kW 時(shí)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為7 500 r/min。

通過轉(zhuǎn)換單位，生成的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩—轉(zhuǎn)速曲線如圖4 所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩—轉(zhuǎn)速特性曲線Fig.4 Engine torque-speed characteristic curve

由圖 4 可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在最大扭矩9.68 N·m 時(shí)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。

在發(fā)動(dòng)機(jī)基本曲線欄目中，將生成萬有特性曲線的參數(shù)輸入表格，生成的萬有特性曲線如圖5所示。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線Fig.5 Engine universal characteristic curve

2.2.2 設(shè)置變速箱模塊參數(shù)

節(jié)能車采用4 擋常嚙合、循環(huán)變擋的變速方式，變速機(jī)構(gòu)1—4 擋的變速比分別為2.500，1.550，1.150，0.923，變速箱模塊的參數(shù)設(shè)置如圖 6 所示。

圖6 變速箱模塊參數(shù)Fig.6 Transmission module parameters

2.2.3 設(shè)置傳動(dòng)模塊參數(shù)

兩鏈輪之間的傳動(dòng)比也是本次仿真的目的所在，通過選取不同的傳動(dòng)比進(jìn)行仿真測試，結(jié)合動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性找出最優(yōu)的鏈傳動(dòng)比匹配。初定鏈傳動(dòng)比為7.0，傳動(dòng)模塊的參數(shù)設(shè)置如圖7 所示。

圖7 傳動(dòng)模塊參數(shù)Fig.7 Drive module parameters

完成傳動(dòng)模塊的參數(shù)設(shè)置后，再根據(jù)整理的整車參數(shù)完成離合器、制動(dòng)器、輪胎和駕駛室等模塊的參數(shù)設(shè)置[7]，最終搭建的節(jié)能車仿真模型如圖8 所示。

圖8 節(jié)能車仿真模型Fig.8 Simulation model of energy-saving vehicle

2.3 仿真工況的設(shè)定

為了完成汽車的試驗(yàn)要求以及性能分析，在AVL Cruise 軟件中設(shè)定有7 種計(jì)算任務(wù)，本次仿真將圍繞其中的循環(huán)工況來進(jìn)行[8]。

根據(jù)節(jié)能車的賽制要求，節(jié)能車的平均速度要高于25 km/h，為達(dá)到節(jié)油目的，駕駛員在駕駛節(jié)能車時(shí)，通常是先將車速上升到某一速度，然后切斷動(dòng)力傳輸讓節(jié)能車滑行一段距離，待車速降低至某一車速時(shí)再接合動(dòng)力，使車速提升至原先設(shè)定的車速后再次切斷動(dòng)力傳輸，不斷循環(huán)這一駕駛工況，以達(dá)到節(jié)油目的。

設(shè)計(jì)中，將節(jié)能車最高車速設(shè)定為60 km/h，而在比賽過程中設(shè)定車速達(dá)到45 km/h 后就切斷動(dòng)力傳輸，使車輛自由滑行。為了滿足平均速度不低于25 km/h 的要求，設(shè)定車速達(dá)到15 km/h 時(shí)就接合動(dòng)力傳輸，使節(jié)能車平均速度保持在30 km/h左右。

在Cruise 中建立任務(wù)文件夾并添加循環(huán)工況，選擇標(biāo)準(zhǔn)駕駛員和行駛路徑后，將自定義編輯的循環(huán)工況曲線數(shù)據(jù)導(dǎo)入表格，生成的循環(huán)工況曲線如圖9 所示。

眾所周知，在汽車領(lǐng)域，舍弗勒一直是一家技術(shù)領(lǐng)先的優(yōu)秀供應(yīng)商，主要提供發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、變速器、底盤零部件及電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，在生產(chǎn)方面，舍弗勒同樣具有前瞻眼光，密切關(guān)注智能制造的發(fā)展和IT技術(shù)的應(yīng)用，希望在制造技術(shù)方面同樣保持領(lǐng)先。

圖9 循環(huán)工況曲線Fig.9 Cycle operating curve

3 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配分析

3.1 原傳動(dòng)比的分析結(jié)果

結(jié)合往屆賽事參賽車輛的鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初定鏈傳動(dòng)比為7.0，在運(yùn)行欄仿真計(jì)算，在結(jié)果欄中以文本形式查看計(jì)算結(jié)果，其燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果如圖10 所示。

圖10 鏈傳動(dòng)比為7.0 時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果Fig.10 Calculation results of fuel economy when chain ratio is 7.0

其原地起步加速時(shí)間的計(jì)算結(jié)果如圖 11 所示。

圖11 鏈傳動(dòng)比為7.0 時(shí)的原地起步加速時(shí)間計(jì)算結(jié)果Fig.11 Calculated result of acceleration time when chain transmission ratio is 7.0

3.2 改變傳動(dòng)比的趨勢分析

為觀察不同鏈傳動(dòng)比對經(jīng)濟(jì)性的影響，將節(jié)能車鏈傳動(dòng)比改為7.1，其它模塊參數(shù)保持不變，開始仿真計(jì)算，其燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果如圖12 所示。

圖12 鏈傳動(dòng)比為7.1 時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果Fig.12 Calculation results of fuel economy when chain ratio is 7.1

其原地起步加速時(shí)間的計(jì)算結(jié)果如圖13 所示。

圖13 鏈傳動(dòng)比為7.1 時(shí)的原地起步加速時(shí)間計(jì)算結(jié)果Fig.13 Calculation result of acceleration time when chain transmission ratio is 7.1

與鏈傳動(dòng)比為7.0 時(shí)的計(jì)算結(jié)果相對比，鏈傳動(dòng)比為7.1 時(shí)，整車的燃油經(jīng)濟(jì)性數(shù)值下降，而動(dòng)力性數(shù)值提高。再將鏈傳動(dòng)比改為6.9，其它各項(xiàng)參數(shù)不變并開始仿真計(jì)算，其燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果如圖14 所示。

圖14 鏈傳動(dòng)比為6.9 時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果Fig.14 Calculation results of fuel economy when chain ratio is 6.9

其原地起步加速時(shí)間計(jì)算結(jié)果如圖 15 所示。

圖15 鏈傳動(dòng)比為6.9 時(shí)的原地起步加速時(shí)間計(jì)算結(jié)果Fig.15 Calculation result of acceleration time when chain transmission ratio is 6.9

與鏈傳動(dòng)比為7.0 時(shí)的計(jì)算結(jié)果相對比，當(dāng)鏈傳動(dòng)比為6.9 時(shí)，整車的燃油經(jīng)濟(jì)性數(shù)值上升，而動(dòng)力性數(shù)值下降。

3.3 最優(yōu)傳動(dòng)比的確定

經(jīng)過仿真分析，將不同傳動(dòng)比下的計(jì)算結(jié)果匯總整理成表格，不同鏈傳動(dòng)比下的燃油經(jīng)濟(jì)性及加速時(shí)間計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 不同鏈傳動(dòng)比下的計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results under different chain transmission ratios

由表2 生成燃油經(jīng)濟(jì)性—加速時(shí)間曲線，如圖16 所示。

由圖 16 可知，當(dāng)節(jié)能車鏈傳動(dòng)比i0較大時(shí)，節(jié)能車起步加速至60 km/h 所需的時(shí)間較短，但整車的燃油經(jīng)濟(jì)性較低。當(dāng)鏈傳動(dòng)比i0較小時(shí)，節(jié)能車的加速時(shí)間有所延長，但整車的燃油經(jīng)濟(jì)性得到明顯改善。由于節(jié)能車以燃油經(jīng)濟(jì)性為主要目標(biāo)，綜合考慮，當(dāng)選取的鏈傳動(dòng)比i0=7.1 時(shí)，加速時(shí)間為18.85 s，燃油經(jīng)濟(jì)性為231.77 km/L，在兼顧其動(dòng)力性的同時(shí)保證燃油經(jīng)濟(jì)性較好。

圖16 燃油經(jīng)濟(jì)性—加速時(shí)間曲線Fig.16 Curve of fuel economy-acceleration time

由于比賽賽道確定，在實(shí)際比賽過程中可以將1 擋、2 擋、4 擋變速齒輪拆除，只保留3 擋齒輪，同樣在AVL Cruise 軟件建立對比優(yōu)化模型進(jìn)行仿真計(jì)算。當(dāng)鏈傳動(dòng)比為7.1 時(shí)，優(yōu)化模型的燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果如圖 17 所示。

圖17 優(yōu)化模型的燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果Fig.17 Fuel economy calculation results of optimization model

其原地起步加速時(shí)間計(jì)算結(jié)果如圖 18 所示。

圖18 優(yōu)化模型的原地起步加速時(shí)間計(jì)算結(jié)果Fig.18 Acceleration time calculation results of optimized model

完成對比模型的仿真計(jì)算，將二者的數(shù)據(jù)對比分析后可知，節(jié)能車由起步加速至60 km/h 所用的時(shí)間有所增加，由原來的18.85 s 增加到21.98 s，但節(jié)能車的燃油經(jīng)濟(jì)性卻由原來的231.77 km/L 提升至243.10 km/L，燃油經(jīng)濟(jì)性提升4.89%，因此在實(shí)際過程中可以采取該方案。

4 結(jié)論

在Honda 中國節(jié)能競技大賽背景下，以我校節(jié)能車為載體，通過AVL Cruise 對節(jié)能車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算與匹配分析。改變其傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比并多次仿真分析，結(jié)果表明，當(dāng)傳動(dòng)比為7.1時(shí)，其加速時(shí)間為18.85 s，燃油經(jīng)濟(jì)性為231.77 km/L，傳動(dòng)比增大導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性變差，傳動(dòng)比減小導(dǎo)致加速時(shí)間過長。最后，在其他參數(shù)不變的前提下只保留3 擋變速機(jī)構(gòu)并對比分析，其經(jīng)濟(jì)性由231.77 km/L提升至243.10 km/L，增幅4.89%，經(jīng)濟(jì)性得到提升，對實(shí)際使用具有一定的參考。