09_整车仿真分析及改型车性能对比_一汽轿车李胜江等

整车仿真分析及改型车性能对比
作者：李胜江 张梓蔚 王丹丹 田蜀东
（一汽轿车，长春）
摘要：本文讨论了一汽轿车股份有限公司某MT车型的动力性和经济性。

在CRUISE环境下，建立该车型的整车系统模型，并对模型的关键输入参数进行了探讨和设置。

根据所建立的仿真模型，对其进行了最高车速、最大爬坡度、加速性能、等速油耗的仿真计算及结果分析。

通过与其试验数据作对比，仿真结果令人满意。

并以此模型为基础平台车对改型车性能进行对比分析。

关键词：动力性；经济性；建模仿真
主要软件：AVL CRUISE
Abstract：This article discusses the performance and fuel consumption of a MT vehicle in Faw Car Co.,Ltd.In the CRUISE environment,we establish the vehicle system model,set and discusse the key parameters of the model. According to the simulation model established,carry out the maximal speed, the climbing performance, acceleration, constant speed fuel consumption and analysis these results. Compare with the test data of this model, simulation results are satisfactory. Use this model as a platform,we established modified vehicle model,and make comparative analysis for their performance.
1 前言
汽车动力性、经济性是汽车的两个最基本最关键性能，如果汽车的这两个性能不好，将直接影响整车的质量，降低其市场竞争性，更严重者可能有安全隐患或通不过国家法规。

又因为世界范围内的汽车产业激烈竞争，要求进一步降低其研发成本和缩短研发周期，这使得计算机建模与仿真技术广泛应用于汽车研发过程中。

另一方面，在整车开发过程中，动力系统和整车的匹配主导着车辆的性能，而在匹配方案较多或在方案验证阶段时，如果都试制成实车进行试验，不但成本高，带来的长周期也会严重影响新车推出市场的时机，减少销量从而削减公司利润。

这就使得我们必须使用模拟仿真的方法，对新方案进行对比分析，优化设计，使整车动力性、经济性能达到最佳的统一。

用最短的时间，最少的成本量，产出更符合市场需求的商品车。

本公司使用Cruise软件在此方面的功能进行产品开发，收到了较好的效果。

2 CRUISE仿真软件的简述
2.1 CRUSIE软件功能和特点
CRUISE软件主要是用于仿真研究车辆动力性、燃油经济性、排放性能与制动性能的高级仿真分析软件。

其可以进行发动机、变速箱、轮胎的选型及整车的匹配优化；对燃油消耗
和排放、动力性、传动比、制动性能进行计算和优化；还可以用于混合动力、电动汽车的动力系统、传动系统及控制系统的开发和优化；同时可进行传动系的振动特性分析。

软件提供了多种计算模式，可以对整车动态和静态的性能进行模拟分析。

CRUISE软件界面友好，用户容易理解、使用和掌握，数据输入输出方便、并可以直接将试验数据导入计算模型中，结果分析直观，易懂。

CRUISE与发动机性能分析软件（AVL BOOST）、CFD软件等有很好的耦合计算性能，可以进行车辆热管理系统的模拟[。

提供了与Matlab、C、Fortran等通用编程软件的接口，为用户建立自定义模块及控制元件的模型提供了方便，并扩展了软件的应用范围[1-2]。

2.2 CRUSIE软件创建模型流程
图2-1 仿真模型创建流程[3]
3 基于CRUISE的车辆仿真模型建立
3.1某MT车型整车模型
在CRUISE车辆建模窗口，建立某MT整车系统模型。

CRUISE提供了一种图像化的环境，只需用鼠标拖动的方法从车辆模型库中拖出相应的元件模块，根据研究的需要添加相应的控制模块，并正确连接数据总线，便很容易的建立整车系统仿真模型。

图3-1 某 MT车型整车模型
3.2模型主要模块及关键参数设置
上面已经建立整车仿真模型，现在对其主要模块及其参数进行设置。

表3-1为本MT车型仿真模型的关键输入参数。

表3-1 整车及各总成关键输入参数
C，轮胎滚动阻力系数f。

表3-1中，阻力设置所需输入参数有迎风面积A，风阻系数
D
发动机的外特性和万有特性通过台架试验获得，如图3-2和图3-3。

图3-3 发动机外特性图
图3-4 发动机万有特性图
另外，驾驶室模块是用来实现驾驶员和车辆之间的联系的，该部件只能通过数据总线来
连接，一方面要接收车辆的信息(如速度、加速度等)，另一方面要把驾驶员的意图(如加速踏板的位置)传送给其他部件。

该模块中需要定义加速踏板行程与负荷信号的关系、离合器踏板和制动踏板的特性。

4 仿真计算及结果分析
根据上面建立的MT车型仿真模型，进行该车型的动力性和经济性模拟计算，并对比试验数据分析仿真结果。

4.1动力性计算
通过模拟计算，该车型在节气门全开时0~100km/h的加速时间、最高车速、最大爬坡度、直接档（4档）30~120km/h加速时间与试验数据如表4-1所示，加速性能和爬坡性能如图4-1和图4-2。

表4-1 动力性数据
动力性
0-100km/h
加速时间（s）
最高车速
（km/h）
最大爬坡度
（%）
直接档30-120km/h
加速时间（s）
仿真结果 10.77 204.31 46.02 23.62
试验值 10.4 205 —— 23.7
图4-1 0~100km/h的加速过程图4-2 各档爬坡性能动力性的仿真结果和试验结果的对比，可以看出仿真结果与试验结果相差无几，都在误差范围内，充分证明本模型对动力性的模拟计算颇为精确。

4.2 经济性计算
等速油耗计算
等速百公里（6档）油耗仿真结果与试验数据如表4-2所示，对比曲线如图4-3所示。

表4-2 等速油耗
项目 仿真结果（L/100km） 试验值（L/100km）
60km/h 4.33 4.2
90km/h 5.71 5.8
100km/h 6.32 6.3
120km/h 7.93 7.5
140km/h 9.82 9.4
图4-3 等速百公里油耗仿真结果与试验值对比
等速油耗的仿真结果和试验结果对比，可以很清晰的得出本模型对该MT车型的经济性模拟计算也基本接近，且都符合国家标准限值[5]。

等速油耗在较高车速时，仿真结果略大于试验值，可能是本模型输入的滑行阻力曲线在较高速时比实际阻力略大造成。

但都在允许误差范围内，进一步证明了该模型对经济性模拟计算的准确性。

5 平台改型车对比分析
通过上面仿真结果和试验值的对比，可以看出该MT车型的模型已经基本校核准确，这为我们以此车为平台进行改型、换代打下了坚实的基础。

以此为基础，我们也开始了进一步的开发工作，为区分此车型与后续开发产品，方便后面的论述，下面简称原平台车为A车型，新开发产品为改型车。

为进一步提升产品质量，开拓更多的零部件资源，以更好的控制零部件质量并提高产量，公司在A车型的基础上进行换代，除了部分内饰零件进行了质量改进外，改型车欲搭载了另一款全新开发的发动机。

为了更好的了解整车匹配新发动机后的性能，更快的根据性能需求对各项参数进行修正、改进，我们使用Cruise对其进行了分析。

由于整车造型没有发生很大的变化，尤其是迎风和导流方面基本与原设计保持一致；车轮等仍使用原零件；其新旧车型整车阻力变化不大。

因此，我们使用A车型各项参数进行模拟，只对发动机参数进行了更新，这样可以更清楚的看到新的发动机给改型车带来的性能变化点。

下图是A车型与改型车的发动机图谱：
图5-1：A 车型发动机图谱
图5-2：改型车发动机图谱
从上图比较可以看出，改型车发动机的经济油耗整体向低转速高扭矩偏移，这将对整车油耗造成何种影响，Cruise 计算的结果对比如下表5-1：
表5-1： A 车型及改型车仿真结果
项目 A 车型 模拟仿真结果运行点 改型车 模拟仿真结果
运行点 60km/h 等速油耗 (l/100km) 4.33(6) 1546.88rpm 32Nm 4.40 1546.88rpm 32Nm 90km/h 等速油耗
5.71(6)
2320.32rpm
5.86
2320.32rpm
(l/100km) 51 Nm 51 Nm
100km/h 等速油耗 (l/100km) 6.32(6)
2578.14 rpm
59 Nm
6.45
2578.14 rpm
59 Nm
120km/h等速油耗
(l/100km)
7.93(6)
3093.76 rpm
78 Nm
7.87
3093.76 rpm
78 Nm
140km/h 等速油耗
(l/100km)
9.82(6)
3609.39 rpm
100 Nm
10.17
3609.39 rpm
100 Nm 最大爬坡度
（%）
46.02 46.04
最高车速
（km/h）
204.31
6158.28 rpm
167.28 Nm
202．59
6106.22rpm
164Nm 0-100km原地起步加速时间
(s)
10.77 10.69
4档30-120km/h加速时间
(s)
23.62 22.43
从结果对比中可以看出，两车整体性能差距不很明显，尤其是动力性。

但在燃油经济性上，等速油耗改型车偏高（对比曲线见下图3）。

探究其原因，将只对两车的等速油耗利用Cruise的结论模块进行分析。

图5-3：A车型及改型车等速油耗对比
首先，在Cruise结果中，找到车辆等速行驶在各个速度时发动机的运行工况点。

在results中能够看到各车速下对应的发动机转速。

Cruise计算的结果图表Torque中（见下图4），可以找到各车速对应的扭矩。

图5-4：车速-扭矩图
由于两车传动系相同，等速行驶的发动机运行点相同，通过上述方法确定的具体数值参见上表5-1。

对照运行点，在map图中可以看出由于经济区域的整体向低转速高扭矩偏移，对应各点的油耗变化情况，这样就找到了改型车等速油耗较高的原因。

这样，可以对每个目标点进行预算，并分析原因，根据具体要求改进。

从以上分析可以看出，虽然整个发动机的经济区域范围并没有发生很大变化，只是有所偏移，但由于正常行驶过程中运行点更多的分布在A车型的经济区域附近，在对两者进行对比时，改型车的油耗略高。

如需要进行优化，可以根据分析结果进行有针对性的改进。

6 结语
本文论述了一汽轿车公司应用Cruise软件对某MT车型动力性和经济性进行模拟分析的方法及结果，并与试验结果进行比对，结果吻合度很高，为以后开发改型车提供了准确的平台模型。

之后，以此模型为基础，对改型车进行的模拟仿真也很好的分析出搭载新款发动机对整车性能的影响，为开发过程中的改进提供了理论依据，从而缩短了开发周期，节约了开发成本。

7 致谢
对AVL李斯特技术中心（上海）有限公司彭博士、陈博士在我公司购买软件及使用过程中提供的大力支持和帮助，在此表示感谢！
参考文献
［1］AVL-CRUISE Manual
［2］AVL-CRUISE User Guide
［3］AVL-CRUISE基础培训教程
［4］余志生．汽车理论．北京：机械工业出版社，2000．10
［5］乘用车燃料消耗量限值．GB 19578—2004
［6］一汽轿车SIMULATION 指导手册（一汽轿车公司内部资料）。