010 整车经济性仿真及灵敏度分析_吉利研究院_贺娜等.dox

整车经济性仿真及灵敏度分析贺娜，杨陈，沈源，由毅，赵福全（吉利汽车研究院，杭州萧山）摘要：整车油耗是汽车最重要的性能之一。

为了在整车概念设计阶段快速、准确、有效的预测整车经济性，本文使用A VL-CRUISE软件，通过建立整车仿真模型，以某三款乘用车为例进行经济性仿真，对影响NEDC工况下整车综合油耗的因素及灵敏度进行分析，其分析结果对改善整车燃油经济性提供了参考依据。

关键词：经济性；仿真；灵敏度主要软件：A VL CRUISE1 引言随着能源需求的日益增长、石油供应的日趋紧张以及国家法规的日益严格，良好的汽车的性能尤其是燃油经济性不仅越来越受到整车厂的关注，更成为吸引消费者的一大亮点。

在进行新车设计或旧车改进时，汽车的燃油经济性不仅与发动机的优劣有关，传动系统的匹配、轮胎的配置、整车外形及整备质量等都是影响整车性能的重要因素。

通过A VL-CRUISE软件可以快速、准确、有效的对整车动力性、经济性进行仿真分析，在设计初期即可给出良好的预测结果，既可有效避免传统试验测试中司机、气候以及道路环境等对汽车性能测试的影响，又可大大降低了开发费用，缩短设计周期。

所以使用仿真软件进行整车性能分析在没有试验样车的产品概念设计阶段尤为重要。

A VL-CRUISE仿真软件是一款优秀的整车动力性、经济性、排放性以及制动性能的计算分析软件。

它采用模块化的设计方法，可以对任意结构形式的汽车传动系统进行建模，模拟整车不同状态的运行工况。

在汽车的开发过程中，可以方便灵活的进行发动机、变速器、轮胎的选型、匹配以及整车性能预测等工作。

2 整车仿真模型2.1 整车仿真模型建立本文利用A VL-CRUISE软件建立整车动力总成模型，以某三款乘用车为例进行经济性仿真分析，为后续改善整车燃油经济性提供一定理论依据。

整车动力总成模型主要包括：车辆模块、发动机模块、离合器模块、变速器模块、主减速器模块、轮胎模块以及驾驶员模块等，各模块之间使用机械连接和信号总线连接[1]。

本文基于CRUISE软件搭建的整车仿真模型如图1所示。

图1 整车仿真模型在进行整车开发或改型时，经常因为各影响因素的变化而需对整车动力性、经济性做多次仿真。

研究各影响因素的灵敏度，可以帮助设计人员判定由这些影响因素引起的经济性的变化趋势和大致范围，从而在后续车型的开发过程中缩短开发时间。

本文选取3款目前市场上的主流车型作为基础车型进行分析，这三款车采用的发动机均为汽油机。

其基本参数如表1所示。

表1 整车基本参数2.2 燃油经济性能指标的选取汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量来衡量。

汽车的经济性指标主要包括等速油耗和循环工况油耗，本次分析选取的关键经济性指标NEDC[New Europe Drive Cycle]循环综合油耗。

该循环工况主要包括4个市区循环工况和一个市郊循环工况，时长1180秒，当量行驶11km，如图2所示，NEDC循环工况是目前轻型车通常采用的循环工况。

图2 NEDC循环工况示意图2.3 计算模型标定根据基础车型实际情况建立计算模型，针对性能指标创建分析任务，其中行驶阻力采用滑行阻力试验数据进行计算。

将影响整车油耗的各因素作为变量，运行仿真模型得到计算结果。

通过与试验结果进行对比，进一步完善原计算模型，即对整车仿真模型进行标定。

表2为3款车型NEDC循环综合油耗仿真结果与试验结果对比，其误差在允许范围内，模型标定完成。

表2 整车仿真结果与道路试验结果3 影响因素及灵敏度分析汽车经济性影响因素灵敏度是指某影响因素对整车经济性的影响程度，即单位参数变化率引起的汽车经济性能指标的变化率。

整车经济性的主要因素有发动机、传动系统（变速器及主减速器）、整车整备质量、整车外形（迎风面积及风阻系数）以及轮胎的匹配等。

本文主要讨论发动机万有特性、整车整备质量、整车风阻系数以及传动系统传动系数等影响因素对经济性的影响，计算时假定车辆附着良好。

3.1 发动机万有特性对NEDC油耗的影响发动机作为汽车的心脏，其原始油耗特性在一定程度上决定了整车油耗水平。

其外特性曲线的走向对整车的动力性影响非常大，整车经济性则主要取决于万有特性的经济区的分布。

本文以发动机万有特性中各点燃油消耗率同时降低或增大，观察其对NEDC循环综合油耗的影响。

图3 万有特性灵敏度曲线如图3所示，NEDC油耗优化率随发动机万有特性各点燃油消耗率优化量的增大而增大，其变化量成线性关系，即发动机各点燃油消耗率降低的越多，NEDC循环油耗越低。

拟合图中曲线得到方程式：y=0.003x (1)式中y表示NEDC油耗变化率，x表示发动机万有特性各点燃油消耗率优化量，即发动机万有特性各点燃油消耗率每增大或减少5g/kwh，NEDC综合油耗随之增大或减少1.5%。

3.2整备质量变化对NEDC油耗的影响车重也是影响整车油耗的一个重要原因。

小而轻的微型轿车与又大又重的豪华型轿车相比油耗大幅降低的一个重要原因就是因为整车质量的减小。

由于整车质量的减小可以在汽车图4 NEDC油耗-整备质量曲线图5 整车整备质量灵敏度曲线图4给出了三款车型各个整备质量对应的NEDC油耗，图5横坐标为计算整备质量相对基础质量的变化率，纵坐标为NEDC油耗计算质量相对基础质量的变化率。

由图5可见NEDC油耗的变化率同质量的变化率基本成线性关系，并且随着整备质量的增加，NEDC油耗的变化率梯度变小，分别拟合图5中3条曲线得到：{y a=0.287xy b=0.3635xy c=0.447x（2）式中y a、y b、y c分别表示A,B,C三款车型的NEDC油耗变化率，x表示整备质量变化率，不同车型的变化率虽然不同但是变化趋势一致，可见，同一配置的车型，其整备质量减少10%，则NEDC综合油耗可随之节油3%~4%。

3.3 传动效率对NEDC油耗的影响传动系统主要由变速器总成、驱动轴、轮毂轴承等传动零部件组成。

传动效率的提高，意味着传动损失的降低，任何运动副均存在能量损耗，例如变速器齿轮传动、驱动轴万向节传动、轴承内外圈传动等，可通过改善润滑条件、优化运动副结构、提高加工精度等方法，减少传动系统的能量损耗。

图6 NEDC油耗-传动效率曲线图7 传动效率灵敏度曲线由图6可看出，随着传动效率的增大，NEDC综合油耗逐渐减小。

NEDC油耗变化率与传动效率变化率成线性关系，拟合图7中曲线可得到：y=0.6562x（3）式中y表示NEDC油耗变化率，x表示传递效率变化率。

可见，随着传动效率每提升10%，综合油耗降低约6.5%。

3.4 风阻系数对NEDC油耗的影响汽车风阻系数，即C D值是影响整车油耗的一个重要因素，不同车身形状具有不同的C D 值，随着车速的升高，C D值对整车油耗的影响将越明显。

图8 NEDC油耗-风阻系数曲线图9 风阻系数灵敏度曲线由图8可看出，优化风阻系数是节约燃油的一个有效途径。

NEDC综合油耗变化率随风阻系数变化率成线性关系，拟合图9中曲线可得到y=0.2028x（4）式中y表示NEDC油耗变化率，x表示风阻系数变化率，即随着风阻系数每优化10 %，综合油耗降低约2%。

根据CRUISE对A车型仿真结果，当整车风阻系数由0.4降到0.3时，其NEDC百公里燃油消耗可降低约7%。

3.5轮胎滚动半径对NEDC油耗的影响轮胎滚动半径对NEDC循环油耗的影响如图10所示。

图10轮胎滚动半径灵敏度曲线由图10可看出，轮胎滚动半径对NEDC油耗的影响较小，NEDC综合油耗变化率随轮胎滚动半径变化率基本成反比关系，拟合图10中曲线可得到y=−0.0927x+0.0006（5）式中y表示NEDC油耗变化率，x表示轮胎滚动半径变化率。

3.6主减速比对NEDC油耗的影响在主减速比及变速器各挡传动比中，主减速比的敏感度最高，因为它直接决定了发动机的使用工况[4]。

通过减小主减速比，可使发动机运行工况趋于高转速、低扭矩区域，在发动机万有特性图中，运行工况处于比油耗较低的区域，NEDC油耗减小。

图11主减速比灵敏度曲线拟合图11中曲线可得到y=0.2134x+0.0029（6）式中，y表示NEDC油耗变化率；x表示主减速比变化率。

主减速比每减小10%，则NEDC油耗节省约2.1%。

4结论从上面分析可以看出，对于NEDC循环工况，通过优化发动机万有特性、降低整车整备质量、提高动力总成传递效率、降低风阻系数、优化主减速比等可以降低NEDC循环百公里油耗。

根据灵敏度对这些影响因素进行排序，如下表3所示。

使NEDC循环油耗降低3%，则发动机万有特性各点燃油消耗率需减小约10g/kwh，整车整备质量需降低约6.7%~10.5%，动力总成传递效率需优化4.57%，风阻系数需优化14.8%，主减速比需减小12.7%，轮胎滚动半径需增大31.7%。

通过对比可知，轮胎滚动半径、风阻系数及发动机万有特性各点燃油耗率的优化量比较大，而传递效率的提高比较有限，主减速比的选取除了考虑整车经济性外，动力性也是需要考虑的主要因素，综上减轻整车整备质量是比较可行且有效的方法。

表3不同影响因素对NEDC油耗灵敏度排序5 总结随着计算机技术的飞速发展，模拟仿真技术越来越成熟，在整车开发概念设计阶段或改型阶段，使用仿真软件对整车进行动力性经济性模型分析发挥了越来越重要的作用。

本文通过使用CRUISE整车仿真软件，建立整车动力总成模型，以某公司三款乘用车作为实例进行了仿真，并与该车试验结果进行对比，基本吻合，说明该仿真软件可以很好的对汽车的经济性进行预测。

同时，通过对汽车经济性影响因素及其灵敏度进行分析，得出各影响因素相关灵敏度，进而在后期可以有针对性的对某些参数进行优化，以达到改善汽车经济性的目的。

参考文献[1] 颜伏伍,胡峰.汽车动力性仿真与灵敏度分析.[J].汽车工程师[2] 张翔.汽车仿真软件CRUISE的分析与应用.[3] 余志生.汽车理论.北京：机械工业出版社,2002.[4] 倪计民等.汽车动力总成结构参数敏感性研究.汽车技术，2008，01：22~25[5] 向巍. 利用CRUISE分析质量变化对整车动力性经济性的影响.AVL先进模拟技术中国用户大会论文,2009[6] AVL-CRUISE manuals.。