基于Cruise的乘用车动力性经济性仿真及优化

doi:10.3969/j.issn.l005-2550.2018.04.001 收稿日期：2018-3-16

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基于Cruise的乘用车动力性经济性

仿真及优化

黄凡\\孙国庆2

(1.上汽通用汽车有限公司武汉分公司，武汉430200;

2.东风汽车公司技术中心，武汉430058)

摘要：汽车动力性经济性是汽车性能开发的重要内容。本文首先阐述了动力性经济性计

算理论，然后以某型乘用车为例，对初步选定的动力传动系统参数，利用Cruise软件进行了整 车动力性、经济性仿真；根据仿真计算结果，对整车动力传动系统参数进行了相应的优化，在 满足整车动力性要求的前提下，提高了燃油经济性能力，使其满足国家第四阶段油耗限值的要 求。论文对乘用车动力性经济性开发具有一定的指导作用。

关键词：Cruise;动力性经济性；仿真中圄分类号：U462.3文献标识码：A

文章编号：1005-2550 (2018) 04-0008-06

Simulation and Optimization of Dynamic Nature and Economical Efficiency of Passenger Car based on

Cruise

HUANG Fan1, SUN Guo-qing2

(1. SAIC General Motors Co., Ltd. Wuhan branch, Wuhan 430200;2. DongFeng Motor Corporation Technical Center, Wuhan 430056)Abstract: The dynamic nature and economical efficiency is an important content of performance development of automobile. This paper described the calculation theory of the dynamic nature and economical efficiency firstly, then taked a car for example, maked the simulation of the dynamic nature and economical efficiency by Cruise software to the powertrain parameters selected; based on the simulation results, the optimization scheme is designed on the power matching of the vehicle accordingly, under the premise that meeting the demand of vehicle power requirements, improved the fuel economy ability, to meet the fourth stage of the fuel consumption limit. The paper has a certain guiding role on the development of dynamic nature and

黄凡

毕业于华中农业大学，本 科，目前就职于上汽通用汽车 有限公司武汉分公司，任整车 产品工程师，主要研究方向： 整车性能集成技术。

1概述

汽车的动力性是汽车各种性能中最基本、最

重要的一项性能，也是汽车开发过程中重点考虑 的内容。研究如何在满足汽车动力性的前提下， 提高汽车的经济性是汽车动力性经济性研究的重 要内容。随着国家第四阶段油耗限值（2016- 2020)的实施，新的标准对乘用车燃油经济性提 出了更高的要求。当前，采用先进的分析方法开 展汽车动力性经济性研究，成为汽车生产企业的 重要任务。

Cruise软件是奥地利AVL公司开发的一款用来 研究汽车动力性、燃油经济性、排放性能及制动 性能的高级模拟分析软件。它可用于汽车开发过 程中的动力传动系统的匹配，汽车性能预测和整 车仿真计算。在车辆设计前期，根据初步选定的 动力传

动系统参数，利用Cruise软件进行动力性、经 济性仿真，并根据仿真结果进行相应的优化，能 显著缩短车辆开发周期，提高整车动力性经济性 开发能力。

2动力性经济性计算方法

2.1动力性

汽车的动力性主要由三个指标来评定：1) 汽车的最高车速Vmi;2)

汽车的最大爬坡度i_;

3) 汽车的加速时间t。 a.最高车速

最高车速是指汽车在水平良好的路面（混凝 土或沥青）上能达到的最高行驶速度[1]。汽车各档 速度

匕，= 0.377 ,

(1)

Wo

式中，r为车轮滚动半径，单位m;ne为发动汽车科技 / AUTO SCI-TECH

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机转速，单位r/min;igl为变速箱各档速比，i=1，2…p，p为变速箱档位数；i〇为主减速比。

由（1)式可计算最高档时发动机最大转速对 应的车速，即额定车速v„。

当汽车的驱动力与行驶阻力平衡，dv/dt=0 时，此时车速达到最高。定义Ff为滚动阻力，Fr为 空气阻力，根据最高档驱动力与行驶阻力平衡方

程

F, highest ( Va) = Ff ( Va)+ F r ( Va)

⑴

求解Va，舍去Va中的负值或非实数值和超过额 定车速的值，若还有剩余的值，则选择它们中最 大的一个作为最高车速，否则以额定车速V„作为最 高车速。

根据汽车行驶的驱动条件及附着条件，需要 进行附着条件校核。

定义Fn为驱动轮的法向反作用力，小为路面 附着系数，若Ftilghes/F„>+，则表示超出路面附着 能力，达不到计算得出的最高车速值，此时式 (2)中的最大驱动力按极限附着力计算

K =FJ

(3)

b.最大爬坡度

一般所谓汽车的爬坡能力，是指汽车在良好 路面上克服空气阻力和滚动阻力后的余力全部用 来（等速）克服坡度阻力上的坡度[1]，此时加速度 为0。根据《汽车理论》，汽车各档爬坡度计算公 式为

a

arcsin

Ftl (Va) - (Ff + Fw)

G

:4)

式中，a,为第i档对应不同转速（或车速）下 的爬坡度；G为车辆总重。由此可计算出最低档理 论爬坡度最大值心_„„。

同样，计算最大爬坡度需要进行附着条件校验。

定义道路附着系数提供的极限爬坡能力 对于4x2前驱车辆

(5)

L +it hg

式中，hg为满载或空载质心高度。

取aimax、a'imax之较小者作为汽车的最大爬

度值。

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坡设计■研究I基于Cruise的乘用车动力性经济性仿真及优化

c.加速时间

汽车的加速时间包括原地起步加速时间和超 车加速时间。原地起步加速时间指汽车由I档或 n档起步，并以最大的加速度（包括选择恰当的 换档时机）逐步换至最高档后到某一预定的距离 或车速所需的时间。超车加速时间指用最高档或 记为vi，记加速度为a,则各速度下单位时间的燃油消耗量

1

心=67.IX 1000

(10)

式中，gei为发动机加速工况燃油消耗率次高档由某一较低车速全力加速至某一高速所需的时间[1]。

设第i(i=1,2…P)档对应不同转速（或车速）下 的加速度为ai，ai可由汽车的驱动力平衡方程结合 各档转动惯量计算。则起步连续换档加速时间

V 2 1 1

Vi 3.6 a )

K

⑷最高档或直接档加速时间的计算

V a 2

1 1

y

(7)

式中：ap(va)为最高档或直接档加速度。

2.2经济性

当前，汽车的燃油经济性实际中常用循环工 况下的综合燃油消耗量来评价。现在世界上关于 轻型车排放油耗试验的试验工况主要有三个：欧盟的NEDC工况，美国的FTP75工况以及日本的 JC08工况等。各循环工况一般都可以细分并简化 为若干个怠速，等加速，等速，以及等减速等阶 段。根据各细分阶段的燃油消耗量可计算整个循 环工况下的燃油消耗量。

1)若怠速工况时间（由标准工况决定）为 t,则怠速工况的燃油消耗量为

Q = Sef

(8)

式中，gei为发动机怠速工况燃油消耗率

(mL/s)。

2)等速工况的燃油消耗量

£—t (9)367.1 Pg

式中，Pe为发动机功率，单位kw; gec为发动 机燃油消耗率（g/kwh) ; p为燃油的密度(kg/L);t为等速工况时间。

3)等加速工况的燃油消耗量计算

在加速初速度vs和末速度ve中均匀取50个点，

10

(g/kwh)。

加速时间

3.6 a

加速工况下的燃油消耗量按下式计算

(12)

4)等减速工况燃油消耗量计算

减速行驶时，节气门松开（关至最小位置） 并进行轻微制动，发动机处于强制怠速状态，其 油耗量为0。

综上，对于由等速、等加速、等减速、怠速 停车等行驶工况组成的循环，若所有过程油耗量 之和记为

（单位mL)，总的行驶路程记为

(单位m)，则综合百公里油耗：

&

(13)

3

基于Cruise的动力性、经济性仿真3.1计算任务概述

某型乘用车为前置前驱车型，分MT、AT两种 配置。根据设计任务要求，MT为基础车型，考虑 在发动机参数不变的情况下扩展AT车型。整车动 力性设计指标如下：

(1) 最高车速乂_^200^小；(2) 最大爬坡度tanamax>30%;(3) 0~100 km/h加速时间t<10s;

初步选定的发动机性能参数：发动机最大功 率/转速127kw/6000rpm;发动机最大扭矩/转速 236Nm/4300rpm。主减速器速比3.0，MT车型变速 箱各档参数如表1所示。

根据整车设计任务要求，AT车型考虑在MT车 型基础上扩展，若变速箱各档速比不变，加装液 力变矩器。选定的液力变矩器带闭锁功能，耦合 工况速比为0.9(k=1)，启动变矩系数K=2.43 (i=0)。

汽车科技/ AUTO SC卜TECH

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表1 Mt车型变速箱各档速比

档位传动比

10.85

21.08

31.51

42.22

53.62

R3.12

仿真计算各档理论最大爬坡度、最大爬坡度。

c. 全负荷加速性能计算

根据《GB/T 12543-2009汽车加速性能试验方法》[4]，车辆载荷设置为半载，MT车型换档策略设 置为按发动机转速换档，AT车速按变速箱控制程 其它已知参数：车辆整备质量1450kg,最大 设计总质量1930kg;迎风面积1.88m2;空气阻力系 数为032；滚动阻力系数按公式if算f=0.0076+0.000056v； 轮胎滚动半径0.312m。

3.2整车仿真模型的建立

根据整车动力传动方案，分别建立MT、AT车 型CRUISE整车仿真分析模型，输入整车及各功能 模块相应参数，并添加机械、信息连接。

图1 Cruise整车仿真模型（MT车型）

图2 Cruise整车仿真模型（AT车型）

3.3主要计算任务的设置

根据乘用车动力性、经济性相应标准法规要 求，设定以下Cruise计算任务：

a. 稳态行驶性能分析

根据《GB/T 12544-2012汽车最高车速试验方法》[2]，车辆载荷状态设置为半载，MT车型换档策 略设置为按车速换档，AT车速按变速箱控制程序 换档，利用Cruise计算各档最高车速。

b. 爬坡性能分析

根据《GB/T 12539-1990汽车爬陡坡试验方法》[3]，车辆载荷设置为满载，分考虑附着系数、 不考虑附着系数两种情况，MT车型换档策略设置 为按车速换档，AT车速按变速箱控制程序换档，

序换档，计算各档最大加速度、0〜100km/h原地 起步连续换档加速时间、次高档80〜140 km/h超车 加速时间。

d. 循环行驶工况

参考《GB/T 12545.1-2008乘用车燃料消耗量实验方法》[5]，采用当前国内乘用车广泛采用的 NEDC循环，车辆载荷设置为半载，换档策略统一 设置为按循环工况路谱换档，计算循环工况下的 燃油消耗量。

图3 NEDC循环工况曲线

3.4动力性、经济性仿真

采用单一矩阵计算方法，运行Cruise软件，完 成仿真计算。仿真分析结果部分图表如图4~图 8所示。

./

1//

//i/////////89.0 g

1L/ /1/WV

—

-=

Ikntfil

图4各档最高车速、等速百公里油耗（MT车型）

图5各档最高车速、等速百公里油耗（AT车型）

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设计■研究I基于Cruise的乘用车动力性经济性仿真及优化

图6各档最大爬坡度（MT车型）

图7各档最大爬坡度（AT车型）

4仿真结果分析及优化

4.1仿真结果分析

该车型Cruise动力性经济性仿真结果汇总如表

2所示。由仿真结果可以看出，该车型动力性各项 指标均超过设定值，动力性能符合设计要求。

该乘用车整备质量1.45t，参考《GB 19578- 2014乘用车燃料消耗量限值》[6]，整备质量为 1.43t~ 1.54t的手动档车型，燃料限值为7.7 LAOOkm;整备质量为1.43卜1.54t的自动档车型， 燃料限值为8.0 LA00km，根据NEDC循环工况油耗 值可得，该车型满足目标燃油经济性要求，但其 油耗值与目标限值较为接近，实际测量时可能存 在误差，需要进行燃燃油经济性优化。

4.2燃油经济性优化方案

12

表2 Cruise动力性经济性仿真结果动力性经济 计算值 计算值

目标

性计算项目/ MT/AT限值最高车速km/h

225.59

234.13200理论最大爬坡度

(不考虑附着系数）41.95%

35.77%30%最大爬坡度

(考虑附着系数）38.96%

35.77%30%0〜100 km/h加速时间/s9.128.9710次高挡80〜140 km/h

加速时间/s18.6521.2825NEDC循环工况油耗

7.60-7.7L/100km

-

7.51

8.0

该车型动力性指标远超过设定值，整车动力 匹配偏向动力性，可考虑从优化主减速比开始。 对于MT车型，可考虑将主减速比降到2.75,仿真 计算得循环工况油耗值下降到7.51 U100km，同时

加速时间变长，但仍高于目标设定值；若主减速 比继续下降至2.5,仿真计算得循环工况油耗值为 7.48 LA00km，油耗值变化不大，而原地起步加速 时间将加大，动力性指标降低；反之，若主减速 比增高到3.25,则仿真计算得循环工况油耗值升高 至7.73L/100km。故相对于该MT车型的最优主减速 比可取2.75。

对于AT车型，将主减速比降到2.75,仿真计

算得AT车型循环工况油耗值不降反升至7.61 LAOOkm;反之，若主减速比增大到3.25,仿真计 算得AT车型循环工况油耗值下降到7.47 L/100km， 同时加速时间变长，但仍高于目标值；若将主减 速比继续增大到3.5,仿真计算得循环工况油耗值 升至7.52 LA00km，故相对于该AT车型的最优主减 速比为3.25。

4.3试验结果对比

最终，主减速比优化之后，根据工信部综合 油耗测试结果，该车型（包括MT、AT车型） NEDC循环工况油耗值均达标，其数值分别为 7.60LA00km( MT车型）和 7.70LA00km( AT车型）。误差主要是由于驾驶员驾驶习惯的差异性 及实际试验环境的复杂性引起的，但整体看油耗

表3主减速比优化后的动力性经济性仿真结果动力性经济 计算值计算值目标性计算项目/MT/AT限值最高车速km/h

231.54

238.15200理论最大爬坡度 (不考虑附着系数）37.71%39.35%30%最大爬坡度

(考虑附着系数）37.71%

39.09%30%0~100 km/h加速时间

/s9.458.7210次高档80〜140 km/h加速时间/s21.611925NEDC循环工况油耗

7.51-7.7L/100km

-

7.47

8.0

试验数据与仿真结果较为接近，误差在可接 受的范围内。

5总结

本文根据某型乘用车初步选定的动力传动系

统参数，利用Cruise软件进行了动力性经济性仿 真，根据仿真结果开展了燃油经济性优化，在满

足整车动力性的前提下有效地降低了车辆的油耗 值。

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在车辆开发前期阶段，根据初步选定的动力 传动系统参数，利用Cruise软件进行动力性经济性 仿真，并根据仿真结果开展相应的优化，该方法 能有效地缩短车辆开发周期，提高开发效率。

参考文献：

[1] 余志生.汽车理论[M].第五版.北京：机械工业出 版社，2009.

[2] GB/T 12544-2012汽车最高车速试验方法.[3] GB/T 12539-1990汽车爬陡坡试验方法.[4] GB/T 12543-2009汽车加速性能试验方法.[5] GB-T-12545.卜2008乘用车燃料消耗量实验方法.[6] GB 19578-2014乘用车燃料消耗量限值.

专家推荐.............逯海：

文章在车辆前期研发阶段，根据选定的动 力系统匹配参数，利用Cruise软件对车辆动力 性经济性仿真，并根据仿真结果开展相应的优 化，该方法能有效地缩短车辆开发周期，提高 研发工作效率，对乘用车动力性经济性开发具 有一定的指导作用。

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