吴亮廷

(武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430070)

0 引言

汽车技术发展至今，人们对其各方面的性能要求也越来越严格且期望越来越高，如何提高整车性能已成为汽车行业所面临的极其重要的课题。汽车的整车性能不仅取决于汽车各总成或部件自身性能的好坏，而且在各总成相互之间的参数匹配上更为重要［1］。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，发动机与动力传动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［2］。针对这一情况，一些汽车公司尝试在设计的初期阶段借助计算机仿真技术来预测汽车的各项性能，进行动力装置与传动系统优化匹配的研究，并取得了很好的效果［3］。这种方法有助于帮助研发部门快速确定设计方案，不仅提高了新产品的各项性能，而且缩短了研发周期，节省了研制成本，因此正受到越来越多生产企业的重视。

目前，在对汽车典型行驶工况测试的基础上，各大汽车公司或研究机构相继开发了各自的汽车模拟程序，用来在产品开发时，对汽车动力性和经济性进行模拟，以寻找合乎设计要求的匹配参数。如奥地利的AVL公司，专门为汽车动力总成设计和制造公司提供咨询和技术支持，所开发的Cruise软件可以针对汽车动力性、燃油经济性、排放性能及制动性能进行仿真模拟［4］。该仿真平台通过其便捷通用的模型元件，直观易懂的数据管理系统以及基于工程应用开发设计的建模流程和软件接口，已经成功的在整车生产商和零部件供应商之间搭建起了沟通的桥梁。随着排放法规的日益严格，燃油资源的紧缺，各国对汽车排放和经济性要求的愈加严格，经过实践检验的Cruise仿真软件也将会得到更多的推广使用。

本研究利用Cruise软件针对某公司新开发中型轿车进行仿真研究，其目的是希望在已确定发动机的前提下，从不同类型的变速器与主减速器之中寻找能充分发挥车辆动力性同时又能兼顾经济性的最佳传动参数匹配。

1 车辆动力传动装置参数的选择

在车辆实际开发过程中，在设计任务确定的情况下，动力传动系统设计方案往往是在市场上成熟的发动机、变速器、主减速器之间进行组合匹配。依据整车动力性和燃油经济性要求，汽车动力装置参数的选取可依照以下条件或设计经验进行选择。

1.1 发动机功率的选择［5－6］

1.1.1 以目标最高车速初选发动机功率

汽车最高车速越高，要求的发动机功率就越大，汽车的后备功率就越大，加速与爬坡能力必然较好。所以说，最高车速虽然仅仅是动力性指标之一，但它实质上也反映了汽车的加速能力和爬坡能力。因此，设计中常先从保证汽车预期的最高车速来初步选择发动机应有的功率。即:汽车发动机功率应近似等于或略大于以最高车速行驶时行驶阻力功率之和。

上式中:Pe——发动机功率;ηT——传动系传动效率;G——汽车总重量;f——滚动阻力系数;uamax——最高车速;CD——空气阻力系数;A——迎风面积。

1.1.2 以汽车比功率确定发动机功率

汽车比功率指的是单位汽车总质量具有的发动机功率。不同国家、不同类型汽车(轿车、货车等)的比功率均位于一个统计区域，该区域代表了车辆设计制造的整体水平。因此，在实际工作中，可以根据同样总质量与同样类型车辆的比功率的统计数据，初步选择发动机功率。汽车比功率按下式计算:

上式中:P——汽车比功率;m——汽车总质量;g——重力加速度。

1.2 变速器挡位数与各挡传动比的选择

理论上，变速器挡位数越多，车辆的动力性与经济性就越好，但挡位数要受到传动箱最大、最小传动比以及挡与档之间传动比比值的限制。比值过大，将造成换挡困难，一般该比值不能超过1.7～1.8。

通常，汽车传动系各挡的传动比大体上是按等比级数分配的，即相邻两挡传动比之比为一恒值。但实际中，考虑到经济性要求及挡位的使用频率(汽车主要是用较高档位行驶)，由于变速器各挡利用率差别很大，所以较高挡位相邻两挡间的传动比的间隔应小些，实际上汽车各挡传动比常按下面的关系分配。

式中:ig1、ig2、…、ign分别为汽车各挡传动比。

1.3 变速器最大传动比的选择

在确定汽车变速器最大传动比(I档)时，首先应考虑最大爬坡度的要求，必要时要进行附着率的验算，对于越野汽车最低稳定车速也是考虑的因素之一。通常，变速器I档的传动比应符合以下条件:

式中:αmax——最大坡度角;r——车轮滚动半径;Ttqmax——发动机最大转矩;i0——主减速比。

1.4 主减速器主减速比的选择

在初步给定发动机最大功率及其相应转速的情况下，所选择的主减速器主减速比应尽量保证汽车有尽可能高的最高速度，即应满足下列条件:

式中:np——发动机最大功率对应转速;ip——变速器最高挡传动比。

2 CRUISE整车建模与性能仿真分析

本研究对象为一前置前驱中型轿车，其发动机类型及整车相关参数已确定，具体见表1。

表1 整车及发动机参数

为获得合理的动力性与经济性，为该发动机分别选用了2种5档手动变速器(各挡速比不同，见表2)与3种主减速器(速比分别为i0=2.85、3、3.75)进行匹配，最终形成了6种动力传动系统的组合，而变速器各挡速比及主减速器减速比是依据前述理论计算确定的。本研究下述的主要工作则是利用Cruise软件针对该车型进行建模，随后通过仿真计算与分析后从这6种组合中优选出最佳的匹配。

图1是利用Cruise仿真平台最终建立的该型轿车整车模型，具体的建模过程可参阅相关文献［4，7］。通过在软件中进行任务设置和矩阵仿真计算，最终可得到不同匹配情况下的各项性能仿真结果及仿真曲线，其具体仿真流程见图2。图3是利用Cruise软件得出的各挡最高车速仿真结果实例，图4、图5与图6是其中的3种性能仿真曲线的实例，表3则为各项性能仿真结果的汇总。

表2 手动变速器2种方案传动比

图1 Cruise搭建的手动前驱中型轿车模型

图2 Cruise仿真流程图

图3 最高车速仿真结果

图4是某种匹配情况下车辆原地起步连续换挡加速曲线，其中曲线1为速度－时间关系曲线，可以看出，该匹配下车辆达到100 km/h车速时的加速时间不超过10 s，加速到200 km/h车速需要近40 s，达到最高车速的时间接近110 s，曲线2为距离－时间关系曲线，其10 s内加速距离不超过500 m。与当前市场上同配置车型相比，该匹配下的加速性能稍差。曲线3为加速度－时间关系曲线，可以看出，随着挡位增加，车辆传动比逐渐减小，车辆加速度在逐渐下降，其中在换挡间隔中由于动力切断汽车加速度存在急剧变化的过程。

图4 原地起步连续换挡加速仿真曲线

图5是某种匹配下的车辆爬坡度曲线，其中曲线1为爬坡度－车速曲线，曲线2为附着利用率－车速曲线。从图中可看出，随传动比下降各挡爬坡度逐渐减小，但行驶速度范围增加。在坡度较小时，车辆可不必换挡而以较高的车速行驶，而坡度较大时，必须降挡减速方能通过。图中在1挡45km/h车速下其最大爬坡度可达45°以上，此时附着利用率也较高。

图5 爬坡度仿真曲线

图6是某种匹配下循环工况的油耗仿真曲线，图中曲线1为车速－时间曲线，其严格规定了车辆行驶速度随时间变化的具体要求，保证了不同匹配下车辆运行工况的一致性。曲线2和曲线4则分别体现了行驶中车辆加速度、发动机转速随时间的变化情况，对于不同的传动系匹配，由于总传动比的改变，这两种仿真曲线会存在明显差异。曲线3为耗油量随时间的变化关系，对该曲线所包围面积进行积分则可求得整个循环工况中的燃油消耗量值，该值在仿真结果文件中也可直接读取。

从表3中可以看出，若单纯追求系统动力性，则A－3.75的传动系匹配最为理想，这是因为在该匹配下车辆最高车速(231.5km/h)与最大爬坡度(55°)基本都最高，其60 km/h至140 km/h的加速时间也最短;虽然其原地起步至最高车速(0→vmax)所需加速时间(110 s)在6种匹配中最大，但这仅是一种假象，这是由其最高车速较大而造成的。但是，从表3中也可以看出，A－3.75的传动系匹配虽然可以保证车辆有良好的动力性，但二者无论是等速行驶或循环行驶的耗油量都比较大，这也体现了目前车辆设计中动力性与经济性二者始终不能很好兼顾的矛盾。如果单从经济性角度而言，在三种车速下，各种匹配的等速行驶油耗差别都不大，其中A－2.85、B－2.85与B－3的组合相对小要一些。若再参考循环行驶工况的耗油量，则B－2.85的组合最为理想，B－3组合次之。

图6 循环工况油耗仿真曲线

表3 车辆性能Cruise仿真结果

如果动力性与经济性两方面都要兼顾的话，即在限定动力性的前提下，希望车辆的经济性要尽量好，则需要从表3中的各组数据中选取较为折衷的方案。从表中可看出，A－3与B－3.75是两种比较均衡的组合，若偏重动力性，可选B－3.75组合，若偏重经济性，则可选A－3这种匹配。通过上述分析可以看出，针对车辆设计中追求的目标不同，通过Cruise的仿真计算可以给设计者提供技术支持与数据支撑，帮助开发部门快速确定设计方案。

3 结论

本文应用AVL－Cruise软件对某款中型轿车不同动力传动装置的匹配进行了整车建模与性能仿真，通过计算结果的分析，获得了优化的整车动力总成的匹配方案，该方案能在保证车辆良好动力性的前提下，进一步改善车辆的经济性，从而为整车设计的方案确定提供了理论依据。通过研究表明:利用Cruise软件的仿真模拟功能能够方便快捷地实现车辆动力传动系统的最优匹配，可在车型开发初期预测整车性能，缩短开发周期，降低研发费用。

［1］ 刘惟信，戈平，李伟.汽车发动机与传动系参数最优匹配的研究［J］.汽车工程，1991，13(2):65－72.

［2］ 杨连生.内燃机性能及其与传动装置的优化匹配［M］.北京:学术期刊出版社，1988.

［3］ 肖明伟，杨靖.495QME发动机与CDK6710客车传动系的匹配研究［D］.湖南:湖南大学机械与汽车工程学院，2006:50－55.

［4］ 刘振军，赵海峰，秦大同.基于CRUISE的动力传动系统建模与仿真分析［J］.重庆大学学报，2005，28(11):8－11.

［5］ 余志生.汽车理论(第5版)［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［6］ 刘清泉.城市车发动机设计匹配［D］.长春:吉林大学汽车工程学院，2004.

［7］ 申爱玲，伏军，张衍发.CA7204汽车动力传动系匹配仿真与优化［J］.中南大学学报(自然科学版)，2011，42(3):677－681.