朱路生，潘家保，王世强

(1.安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖 241000)

世界化石能源危机愈演愈烈，严重环境事件频发，在这种严峻形势下如何做到整车动力性和经济性的平衡成为研究重点。一方面需要保证用户使用车辆时运输效率不降低，另一方面要尽可能降低车辆化石能源的消耗和尾气污染物的排放。整车动力性经济性性能分析必然成为车辆设计过程中首要关切的问题，也是整车深入开发其他性能的前提。

王锐[1]通过将某越野车动力性理论分析和Cruise软件仿真结果对比分析得出，仿真分析比理论计算更准确。刘振军[2]基于Cruise软件对MT车辆进行建模与仿真，在研究车型动力系统设计及参数匹配方面取得了较为满意的结果。王君银[3]仿真优化了电动商务车参数匹配，提升了车辆爬坡性能和续航里程。王琳[4]将手动挡轿车仿真分析和试验结果对比，验证了动态建模仿真应用于产品开发的可行性。采用软件仿真并配合试验研究，在整车动力性和经济性评价方面取得了较好的应用效果。颜廷坤、郑锦汤[5-6]通过仿真验证了纯电动商务车传动系加装二挡变速器可以提升续航和动力性。陈坤[7]通过仿真研究了拖拉机在农业作业中的动力性经济性，为后续拖拉机的参数优化匹配提供了参考。杨泽平[8]通过仿真完成了电动城市客车动力系统的相关参数匹配，结果满足整车设计要求。然而，现有针对轻型卡车不同载荷工况下的动力性和经济性综合评价方法的研究还未见文献报道。

基于此，通过Cruise建模仿真对比分析了Mule车和标杆车型的动力性经济性指标，确认Mule性能指标满足要求。试验数据对比确认了Mule车性能指标优于标杆车型，具备细分市场的差异化竞争力。试验数据和仿真数据的一致性对比，验证了动力匹配数据的准确性和整车模型的正确性，为后期通过仿真分析开展标杆车型分析提供了参考。

1 整车动力性经济性理论基础

1.1 整车动力性理论基础

轻型商用车动力性[9]指车辆在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的，所能达到的平均行驶速度。车辆动力性评价的指标主要由所规定的整车最高车速、加速时间和最大爬坡度3个要素组成。在轻型商用车设计中一般其变速器对应Ⅰ挡或爬坡挡，最大爬坡度满足30%即可，故在多载荷工况对标分析中不会对其给予单独对比。

根据汽车行驶方程：

Ft=Ff+Fi+Fw+Fj,

(1)

(2)

式中，Ft为汽车驱动力(N)；Ff为滚动阻力(N)；Fi为坡度阻力(N)；Fw为空气阻力(N)；Fj为加速阻力(N)；Ttq为发动机转矩(N·m)；ig为变速箱传动比；i0为后桥主减速比；ηT为传动系机械效率；r为车轮半径(m)；G为汽车重量(N)；f为滚动阻力系数；i为坡度；CD为空气阻力系数；A为整车迎风面积(m2)；u和ua为车速(m/s)；δ为汽车旋转质量换算系数；t为时间(s)。

发动机转矩曲线常采用最小二乘法拟合所得到的与发动机转速相关的多项式来表示：

Ttq=a0+a1n+a2n2+…+aknk,

(3)

式中，a0、a1、a2、ak为发动机转矩曲线拟合系数，n为发动机转速(r/min)。当求解最高车速时，坡度阻力和加速阻力忽略不计，即可得到驱动力和发动机转速的关系式：

(4)

式(4)结合车辆已知的动力参数即可求出车辆各挡位的最高车速。

当求解整车加速度时，令坡道阻力Fi为零并联立式(1)和式(2)可得：

(5)

当车速从u1加速到u2时有：

(6)

根据式(6)可采用计算机积分计算获得加速时间。

1.2 整车经济性理论基础

整车经济性常采用特定工况下百公里油耗来评价，国五阶段我国采用的是NEDC循环工况，国六阶段将采用WLTP循环工况。通常轻型商用车对标设计中需要通过计算变速器处于最高挡时,不同速度下的等速行驶工况燃油消耗量来评价车辆的经济性。百公里燃油消耗量Qt计算方法如下：

(7)

式中，Pe为发动机功率(kW)；b为燃油消耗率[g/(kW·h)]；ρ为燃油密度(kg/L)；g为重力加速度(m/s2)。

2 整车参数和阻力系数测定

2.1 整车设计目标

整车设计目标要求在3个不同载荷工况下Mule车动力性经济性指标总体优于标杆车型。

2.2 整车参数

标杆车型和Mule车部分整车参数及载荷工况如表1所示。

2.3 道路滑行阻力系数测定

当无法获取精确标杆车型车身参数时，可以通过特定工况下汽车滑行试验方法[10]得到的阻力系数进行仿真计算或室内转毂试验。汽车行驶阻力[9]包含滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力。汽车在平直路面滑行时，可以认为坡度阻力为零，则行驶阻力可表示为：

F=a+bv+cv2,

(8)

式中，F为行驶阻力(N)；v为速度(m/s);a为与速度v无关的常数项阻力系数(道路摩擦力等)；b为与速度v一次项相关的阻力系数(传动系阻力等)；c为与速度v二次项相关的阻力系数(风阻等)。

在平均风速不超过2 m/s，相对湿度小于80%，车辆已磨合并提前充分预热情况下可开展滑行试验。车辆进入滑行区段前选择合适的挡位加速至稍高于初始车速，随后驾驶员将变速器挂入空挡，松开离合器，汽车开始滑行。对于载荷过大导致车辆加速性能限制的情况，选择在试验场地车辆所能达到的最高车速向下圆整5 km/h倍数车速为初始车速。试验往返多次，往返区段尽量重合，取平均值作为试验结果。滑行试验精度应小于3%，如果达不到，应增加试验次数直至数据合格。道路滑行试验结果如图1所示。通过对数据拟合得到滑行阻力系数a，b，c如表2所示。通过对比可得不同工况下Mule车滑行阻力均小于标杆车型。在同等载质量条件下，车速越高，Mule车阻力优势越明显；在同等车速下，载质量越大，Mule车阻力优势越明显。

表1 部分整车参数及载荷工况表

表2 不同工况滑行阻力系数

图1 车速-道路滑行阻力

3 AVL Cruise建模与仿真

AVL Cruise是一款广泛应用的车辆传动系统仿真软件[11]，其采用模块化理念可以快速构建不同结构车辆模型，广泛应用于整车性能(动力性、经济性、制动性能、传动系振动等)、发动机排放、变速箱设计优化等仿真领域，可以找到效率、排放、性能和驾驶质量之间的最佳平衡[12-13]。使用Cruise仿真软件模拟整车行驶情况，并计算出整车的动力性和经济性指标可以缩短产品开发周期，快速筛选方案，降低开发成本。

3.1 Cruise建模流程

图2 仿真流程图

图3 Cruise整车模型

AVL Cruise仿真流程如图2所示，仿真前期准备主要是参数收集，包含底盘零部件参数、车身参数、发动机参数和整车电气原理。之后在Cruise中将软件中自带的各个模块进行机械连接或数据连接，根据整车总布置方案可得轻型商用车整车模型如图3所示。设计人员需要在完成后定义计算任务，例如循环工况计算过程中输入为驾驶循环曲线和确定车辆载荷参数，等速油耗工况需设定测量速度点和驾驶程序，起步连续换挡加速工况需要提供初始速度和目标车速，超车加速工况则需要输入变速器挡位、起点车速、终点车速等。完成计算后可以通过Cruise完成计算数据和图表的输出，并将计算结果与标杆车或根据市场需求确定的设计要求值进行对比分析，确认该系统的动力性能、经济性能是否满足需求。如不满足需求，须对传动系统相关参数如后桥主减速比，发动机性能或变速器进行调整优化，适当兼顾动力性能及经济性能，确定一个最佳的传动系匹配结果。或根据不同用户需求及不同的车辆使用环境确定2～3个偏重于不同使用环境的最佳的传动系匹配结果，形成满足不同使用环境要求的各选装状态，供用户选择。

3.2 Cruise仿真工况及指标

Cruise可以同时开展多工况分析，主要包括巡航工况、爬坡工况、稳态行驶工况和加速工况。其中最高车速和最高挡等速油耗是利用稳态行驶工况计算，起步连续换挡加速时间和直接挡加速时间是利用加速工况计算。爬坡工况可以用于计算最大爬坡度。此次对标设计中主要动力性经济性参数指标如下：

(1)最高车速计算：计算整车次高挡和最高挡最高车速。

(2)起步连续换挡加速时间计算：选择计算车辆从车速为0开始连续换挡到车速80 km/h的加速时间。

(3)直接挡加速时间计算：选择计算直接挡，即变速器速比为1.0时车速从40～80 km/h的加速时间。

(4)最高挡等速油耗计算：计算最高挡位下车速分别为40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h、90 km/h的等速百公里油耗。

4 仿真与试验结果对比分析

4.1 仿真模型有效性验证

通过将车辆载质量为6t工况时的仿真和试验数据进行对比来进行仿真模型的有效性验证，具体数据如表3所示。通过对比可知：Mule车和标杆车型的整车动力性经济性仿真结果和试验数据的偏差在±5%以内，可以清晰地看出整车动力性经济性仿真和试验数据结果的一致性较好，故整车仿真模型的参数匹配有效，模型建立正确。仿真数据与试验数据误差主要是由于仿真软件中发动机响应时间、人员操作换挡时间、传动系效率和发动机扭矩为稳态，而试验中则为瞬态变化所导致。

4.2 仿真计算结果对比

根据Mule车和标杆车型J实际滑行阻力数据，利用CRUISE软件进行理论计算，结果如表4所示。从计算结果对比得出：① 动力性：加载同等载荷条件下，Mule车最高挡和次高挡最高车速均高于标杆车型J；0～80 km/h换挡加速Mule车优于标杆车型J；40～80 km/h次高挡加速时间Mule车略差于标杆车型J，原因为次高挡时Mule车后桥小速比导致驱动扭矩较小；②经济性：Mule车在40～50 km/h油耗与标杆车型相差不大，60～90 km/h随着车速提高，Mule车经济性优势明显；在加载6 000 kg、9 000 kg和12 000 kg工况下，Mule车综合油耗比标杆车型J分别低1.63 L/100 km、1.81 L/100 km和2.02 L/100 km。综上所述，Mule车除40～80 km/h次高挡加速时间略差于标杆车型J，其余性能与标杆车型基本相当或优于标杆车型，故Mule车总体性能优于标杆车型，满足设计目标。

表3 6t工况下动力性经济性仿真与试验数据

表4 9t和12t工况下动力性经济性仿真数据

5 结论

基于Cruise软件对Mule车和标杆车型进行建模与仿真研究，并进一步结合试验研究对仿真结果进行验证。研究结果表明：仿真与试验结果的偏差在±5%以内，表明Cruise软件仿真建模具有较高的正确性。通过3t、9t和12t载荷工况下Mule车和标杆车型的动力性经济性指标对比得出Mule车总体性能优于标杆车型。Cruise软件仿真对整车性能具有较好的预测性，可以用于指导新车开发，为对标开发新车型提供了一种较为可靠的技术手段。