基于Cruise汽车动力性仿真及分析研究

基于Cruise汽车动力性仿真及分析研究
王琳;王鹏飞;业红玲;杜愎刚;李仕锋
【摘要】在对汽车行驶动力学分析的基础上,建立动力性数学模型,利用Cruise仿真软件搭建某手动挡轿车的整车模型,输入相关参数对最高车速、加速时间及最大爬坡度等动力性指标进行仿真,最后将仿真结果和整车动力性试验数据进行对比分析.结果表明,仿真结果和试验数据基本一致,除最高车速外,其它参数误差均在5％以内,动态建模仿真可以简便、准确、有效地反映实车运行的动力性能,为汽车新产品开发提供了一种便捷的仿真方法.
【期刊名称】《蚌埠学院学报》
【年(卷),期】2019(008)002
【总页数】5页(P47-51)
【关键词】汽车;动力性;Cruise软件;仿真
【作者】王琳;王鹏飞;业红玲;杜愎刚;李仕锋
【作者单位】蚌埠学院机械与车辆工程学院,安徽蚌埠 233030;蚌埠学院机械与车辆工程学院,安徽蚌埠 233030;蚌埠学院机械与车辆工程学院,安徽蚌埠233030;蚌埠学院机械与车辆工程学院,安徽蚌埠 233030;江铃汽车股份有限公司,江西南昌 330001
【正文语种】中文
【中图分类】U469.72
随着我国经济的飞速发展，汽车作为一种高效率的运输工具在人们的日常生活中日益普及，但运输效率的高低在很大程度上取决于汽车的动力性。

动力性作为汽车各种性能中最基本、最重要的性能，在很大程度上取决于发动机和整车动力系统匹配是否合理[1]。

动力性指标的获取多通过理论计算或实车试验，这不仅增加了设计
周期，提高了设计成本，同时也造成了资源的浪费。

近年来，虚拟样机技术已成为研发汽车动力系统的重要手段，通过建立整车系统的模型，输入相关参数进行仿真，对各种工况下的性能进行预测，同时根据仿真结果灵活调整输入参数，以满足汽车的使用性能，该技术操作简便，设计周期短，能够合理控制研发成本，但整车动力参数及结构参数的选择对仿真结果影响很大，目前多数研究者借助Cruise软件对
汽车性能进行仿真分析、发动机选型等取得了显著的成果[2-3]，但对于仿真过程
中发动机的响应时间、传动效率大小对仿真结果的影响研究较少。

本文首先对某手动挡轿车(该车型参数见表1)的动力性进行理论分析，然后利用虚
拟仿真软件Cruise对该轿车进行整车建模，对其最高车速、加速时间、最大爬坡
度等动力性指标进行仿真，将仿真结果与实车试验参数进行对比分析，并对影响仿真结果的相关因素进行了探讨，以期为今后在该领域的进一步研究提供相应的参考依据。

表1 整车及部分零部件主要技术参数技术参数数值轴距/mm2600前(后)轮距
/mm1480(1460)整车整备质量/kg1210整车总质量/kg1585气缸数/个4排量
/L1.5额定功率/kW79最大扭矩/N·m144变速器挡位速比
[3.308,1.826,1.207,0.939,0.73]主减速器速比4.471
1 汽车动力性数学模型的建立
汽车的动力性主要由三个方面的指标进行评价：汽车的最高车速、汽车的加速时间及汽车的最大爬坡度[4]。

确定汽车沿行驶方向的运动状况可以确定汽车的动力性，分析沿汽车行驶方向作用于汽车的各种外力，建立汽车行驶方程式，从而估算出汽车的各项动力性评价参数。

汽车的行驶方程式为：
Ft=Ff+Fw+Fi+Fj
(1)
(2)
其中Ft为汽车驱动力(N)；Ff为汽车滚动阻力(N)；Fw为汽车空气阻力(N)；Fi为汽车坡道阻力(N)；Fj为汽车加速阻力(N)；Ttq为发动机转矩(N·m)；ig为变速器传动比；i0为主减速器传动比，ηt为传动系的机械效率；r为车轮半径(m)；m为汽车质量(kg)；f为滚动阻力系数；α为路面坡度角；CD为空气阻力系数；A为迎风面积(m2)；ua为汽车行驶速度(km/h)；δ为汽车旋转质量换算系数；为汽车行驶加速度(m/s2)。

1.1 汽车最高车速数学模型
汽车在水平良好的路面上行驶时能达到的最高行驶速度就是最高车速。

根据发动机外特性曲线绘制出汽车驱动力和行驶阻力平衡图，如图1所示。

图1 汽车驱动力-行驶阻力平衡图
其中Ft1为Ⅰ挡驱动力(N)；Ft2为Ⅱ挡驱动力(N)；Ft3为Ⅲ挡驱动力(N)；Ft4为Ⅳ挡驱动力(N)；Ft5为Ⅴ挡驱动力(N)；ua为汽车行驶速度(km/h)。

从图1可以看出不同挡位下驱动力与行驶阻力之间的关系，在确定汽车最高车速时，忽略坡道阻力和加速阻力，最高挡驱动力曲线与行驶阻力曲线的交点对应的车速就是最高车速，因为此时驱动力和行驶阻力相等，汽车处于稳定的平衡状态。

根据台架测得的发动机转矩曲线多项式为：
Ttq=a0+a1n+a2n2+...+aknk
其中，a0,a1,a2,...,ak为常数，k取5。

由图1可知，求解最高车速，忽略坡道阻力和加速阻力，则令：
Ft5=Ff+Fw
(4)
根据驱动力和转矩计算公式，推导出发动机转速与汽车行驶速度之间的关系式：
(5)
结合所选手动挡轿车在五挡时的动力装置参数，即可求出汽车的最高车速uamax。

1.2 汽车加速时间数学模型
加速时间反映了汽车的加速能力，通常采用原地起步加速时间和超车加速时间进行评定。

(1)原地起步加速时间。

原地起步加速时间是指汽车以Ⅰ挡或Ⅱ挡起步，以最大的加速强度(选择合适换挡
时机)逐步换至最高挡或次高挡达到某一预定车速所需要的时间[1]。

(2)超车加速时间。

超车加速时间是指汽车以最高挡或次高挡由某一低车速加速至某一高速所需的时间[1]。

在分析汽车加速时间时，忽略坡道阻力，根据汽车行驶方程式，可求出加速度方程如下：
(6)
由运动学可知：
(8)
其中u1为汽车初速度(km/h)；u2为汽车末速度(km/h)。

曲线如图2汽车加速度倒数曲线所示。

曲线下汽车初速度和末速度之间的面积就是加速时间，计算原地起步加速时间时，忽略原地起步时离合器打滑过程。

图2 汽车的加速度倒数曲线
1.3 汽车爬坡度数学模型
汽车在良好路面上行驶时，克服行驶阻力后剩余的动力用来爬坡，所能爬上的最大坡度反映了汽车的爬坡能力，此时，忽略汽车的加速阻力[5]。

根据汽车行驶方程式可知：
Fi=Ft-(Ff+Fw)
(9)
展开方程式如下：
(10)
即：
(11)
2 汽车动力性仿真模型建立及仿真
Cruise是AVL公司开发的一款用于汽车性能仿真的软件，其功能模块丰富，在汽车动力学数学模型的基础上，可以实现快速搭建复杂动力传动系统模型和对复杂车辆动力传动系统的仿真分析[6]。

2.1 手动挡轿车整车模型建立
根据表1汽车整车及主要零部件参数，按照动力传递路线搭建前驱手动挡轿车整
车仿真模型，如图3所示。

图3 手动挡轿车仿真模型
汽车发动机的动力经离合器、变速器、主减速器、差速器、半轴到驱动轮。

各模块之间都有数据线和信号线连接，彼此之间进行信息传递及反馈。

根据预设目标对汽车动力性进行仿真计算，Cruise最大的特点是可以同时进行多
任务计算，分别载入最高车速计算、0-100 km/h加速性能计算、60-100 km/h
加速性能计算及最大爬坡度计算，最后得到动力性相关数据。

2.2 整车模型仿真
仿真的主要目的是验证车辆结构参数及动力装置参数的选择是否符合汽车性能预期设计目标，并期望得到较为准确的性能参数值。

根据设定的计算任务对汽车动力性指标中最高车速、加速时间及最大爬坡度进行求解。

3 仿真结果分析与讨论
3.1 最高车速
最高车速仿真求解时，设定路面环境为标准模式，不考虑汽车轮胎滑移，车辆在良好路面上行驶时，所能达到的最高车速，根据仿真结果，该款车最高车速出现在最高挡Ⅴ挡，所能达到的最高车速为191 km/h，该车厂家给定试验车速不低于180 km/h，满足设计目标，按最低目标车速计算，仿真结果和目标车速误差为6.11%。

3.2 加速时间
(1) 原地起步加速时间。

仿真设定汽车起步之初已具备Ⅰ挡最低车速，根据仿真结果，求出车速从0-100 km/h的加速时间为12.16 s，此时对应的加速度为1.27 m/s2，加速距离为210.18 m，如图4所示。

实车试验0-100 km/h的加速时间为11.85 s，仿真结
果和实车试验数据相差0.31 s，误差约为2.61%。

图4 整车原地起步0-100 km/h加速时间
(2) 超车加速时间。

超车加速时间设定初速度为60 km/h，汽车在Ⅴ挡加速至120 km/h时所消耗的时间，由图5可以看出超车加速时间约为15.97 s，超车行驶距离为354.93 m，该过程对应的加速度由图中曲线可以求出，实车试验60-100 km/h超车加速时间为15.90 s，仿真结果和实车试验数据相差0.07，误差约为0.44%。

图5 整车60-100 km/h超车加速时间
3.3 最大爬坡度
计算汽车最大爬坡度时，设定汽车在标准路况下行驶，负荷不考虑轮胎的滑移，由图6可以看出汽车的最大爬坡度出现在汽车Ⅰ挡行驶状态，对应的爬坡度为49.50%，对应的坡度角为26.3°，满足整车设计目标不低于30%的要求，此时Ⅰ挡后备功率较大，具有良好的爬坡性能。

图6 整车最大爬坡度仿真结果
将整车动力性仿真结果与整车试验结果进行对比分析，各性能参数如表2所示。

表2 汽车动力性性能参数对比表技术参数仿真结果试验结果误差汽车最高车速
/km·h-1191≥1806.11%0-100 km/h加速时间/s12.1611.852.61%60-120 km/h 加速时间/s15.9715.900.44%最大爬坡度49.5%≥30%-
由以上数据对比情况可以看出，运用Cruise仿真软件对汽车动力性进行分析，仿真结果和试验结果较为相近，但还是存在一定误差，究其原因，主要存在以下几个方面：
(1)Cruise仿真时输入的试验工况信息及驾驶员操作信息都是标准状态，而实际试验时路况、环境压力、温度等条件均有所差异，驾驶员操纵车辆最佳换挡时机及换挡时间与试验标准也存在一定误差。

(2)原地起步加速时间误差较超车加速时间误差大，究其原因主要是，原地起步加
速时间测定时需要连续换挡加速，发动机有响应时间，而超车加速时间是在最高挡或次高挡下进行加速的，不需要驾驶员换挡。

仿真模型中发动机的响应时间较快(默认时间为0.1 s)，而实际运行工况中发动机响应时间较慢[7]，使加速时间有一
定差异。

为验证此推断，将发动机响应时间调整为0.8 s，此时汽车0-100 km/h
的加速时间由12.16 s增加至13.55 s，波动误差为10.26%，加速距离由原来的210.18 m增加至235.59 m，波动误差为10.79%，不同时刻所对应的加速度如
图7所示。

图7 发动机响应时间为0.8 s时汽车0-100 km/h加速时间仿真结果
(3)发动机的外特性曲线主要通过台架试验获取，所测得的数据为稳态数据，而实
车试验时发动力的扭矩为瞬态，导致仿真结果与试验数据存在一定的偏差。

(4)动力传递效率对汽车动力性指标也有很大的影响，动力经发动机、离合器、变
速器、主减速等装置进行传递时，传动效率随着工况的变化有所改变，运用Cruise进行仿真时，传动效率输入为定值，使仿真结果与实车试验存在一定误差。

4 结论
运用虚拟仿真软件Cruise对某款手动五挡轿车进行动力性仿真，仿真结果与实车
试验存在一定误差，主要原因在于仿真时发动机响应、驾驶员、路况及换挡时机等影响因素均为标准状态，而实车试验时很难实现。

实车运行工况的转矩、传递效率等参数均为瞬态参数，随工况的不同实时变化，而仿真模型参数均为稳态参数。

总体上看仿真结果较为接近实际车辆性能参数，仿真结果合理可靠，Cruise仿真软
件能够对汽车性能进行预测，为汽车研究开发提供可靠的依据。

参考文献:
【相关文献】
[1]余志生.汽车理论[M].北京:机械工程出版社,2009:6.
[2]马相明,孙霞,于华.基于CRUISE的客车动力总成匹配分析[J].内燃机,2015(4):11-13.
[3]李军,涂雄,邹发明,等.CA7156UE4轿车动力性和经济性的改进与优化[J].机械设计与制造,2013(1):207-210.
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[5]吴光强.汽车理论[M].北京:人民交通出版社,2014.
[6]岳凤来,张俊红,周能辉,等.基于CRUISE的纯电动轿车性能仿真与试验研究[J].汽车工
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[7]周坚.基于Cruise软件的某款汽油车动力性经济性浅析[J].汽车实用技术,2016(8):158-160.。