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Cruise分析不同主减速比对汽车动力性的影响


Cruise 分析不同主减速比对汽车动力性的影响 刘祚时 陈斐雅 (机电工程学院 江西理工大学 江西赣州 341000) 摘要: 摘要:本文论述了江西某款商用车利用Cruise 软件进行动力性模拟计算的过程,并通过将计算值和 试验值进行对比,得出了计算值和仿真试验值基本吻合的结论.随后在对原车不作修改的前提下, 研究匹配不同主减速比对车辆动力性的影响. 关键词: 关键词:动力性;

Cruise;主减速比 中图分类号:TH132.32 中图分类号: 文献标识码:A 文献标识码 分类号 Research on simulation of vehicle's dynamical in different Transmission Ration by Cruise Liu Zhuo-shi Cheng Fei-ya (College of Technology Engineering Jiangxi University of science and technology Jiangxi Gganzhou 340001, China) ABSTRACT:The article introduce the process of vehicle's dynamical simulation by Cruise, compare : between theory calculate and simulation results, and have the result that the simulation result same to theory calculate , then research influence to dynamical when change the transmission ration . KEYWORDS:dynamical;cruise;transmission ration : 1 引言 Cruise软件是一种针对汽车动力性, 经济性 进行分析的软件, 在研究汽车动力性时得到广泛 的应用.本文用Cruise软件对江西某汽车厂生产 的商用车进行动力性建模仿真, 将仿真结果与理 论计算结果进行比较, 随后进行匹配不同主转速 比对汽车动力性的影响研究. 2 基于 Cruise 仿真模型的建立 整车模型模块选用整车模块, 驾驶室模块, 发动机模块(Engine), 离合器模块, 变速器模块, 单级减速模块,车轮和制动器,车辆模型如图 1 所示,主要模块的数学模型如下: 模块包含车辆的基本数据,整车模块数学模型 包含: 2.1.1 整车质量: (1) Ma=Mv(Zv,load) 空载时:Zv,load=0,则 Mv(0)=Mv,min; (2) 满载时:Zv,load=2,则 Mv(2)=Mv,max; (3) 半载时:Zv,load=1, 式中: v,min 为车辆的整备质量(kg); v,max M M 为车辆最大设计质量(kg);Zv,load 为载荷状态. 2.1.2 阻力 整车模块输入的阻力包括空气阻力 Fw 和 坡道阻力 Fa. 空气阻力: FW = 0.5C D Aρu r
2

(4)

式中,CD 为空气阻力系数; ρ 为空气密度 [kg/m3];A 为迎风面积[m2], u r 为相对速度 [m/s]. 坡道阻力:Fa = mv ,act g sin α (5)

图 1 整车模型 2.1 整车模块 整车模块是系统模型的主要部件之一,该

式中:a 为路面坡度[rad]. 由于该车在试验场进行了准确的道路滑行 试验,可以输入道路滑行数据替代阻力,道路 滑行速度-时间图如图 2 所示:

1

图 2 道路滑行速度-时间图 2.2 发动机模块 发动机模块所需要的数据信息有:发动机 排量,工作温度,转动惯量,怠速转速等,其 数学模型为:

R=S/2πn (8) 式中 n 为车轮转动的圈数,S 为在转动 n 圈时车轮滚动的距离. 2.4 变速合器模块 2.4.1 实际传动比 IG=I[NG] (9) 其中 NG 为当前实际档位. 2.4.2 转动惯量 (10) 输入转动惯量:Qin=Q[NG] 输出转动惯量:Qout =Q[NG] (11) 2.4.3 转矩损失 M: 不考虑转矩损失时:M=0;变速器传动效 率为η g = 1 2.5 主减速器: 输入转动惯量:Win=W[Zin/Zout] (12) 输出转动惯量:Wout=W [Zin/Zout] (13) 式中 Zin/Zout 为输入齿数与输出齿数之比. 2.6 离合器模块: 离合器模块的数学模型为: 2.6.1 平均有效半径 r:

Pe = M

(6)

式中: Pe 为全负荷特性功率[W]; 为发 动机转速[rad/s];M 为全负荷特性转矩[NM]. 由 Cruise 软件得到的发动机外特性曲线如 图 3 所示:

r=

M N FC

(14)

式中:M 为离合器传递的最大扭矩[NM]; N 为摩擦系数; 为滑动摩擦系数;FC 为压紧 离[N]. 2.6.2 实际压紧力: 实际压紧力是离合器释放行程的函数,取 决于离合器踏板踩下的程度. 图 3 发动机外特性 map 2.3 车轮模块 2.3.1 纵向力

3, , 基于 Cruise 仿真结果与理论计算结果 仿真结果与理论计算结果 比较: 比较:
(7) 3.1 基于 Cruise 仿真计算 该车配备 PUMA 2.4L 发动机, 档变速箱, 6 整备质量 2715kg,驱动型式是发动机前置,后 轮驱动.在各模块输入表 1 所示参数后定制爬 坡性能测试, 等速行驶性能测试,满载荷加速性 能测试 3 种计算任务,分别对爬坡性能,最大 车速和 0~100km/h 加速时间进行仿真.

FL = raod w,tire C s C f FW ,s

式中: raod 为道路阻力系数; w, tire 为轮 胎磨擦系数;Cs 为滑动修正系数;Cf 为轮胎载 荷修正系数;Fs 为轮胎载荷[N]. 2.3.2 静态/动态滚动半径 静态滚动半径是当汽车静止时轮胎中心至 道路表面的距离. 动态滚动半径是当汽车运动时轮胎中心至 道路表面的距离,数学模型为

2

表 1,整车参数表
外形尺寸 轮胎型号 轮胎气压 各档速比 00/0.794 后桥主减速比 整备质量 kg 最大总质量 kg 机械效率 发动机类型 发动机排量 L 发动机气缸数 额定功率/转速 怠速转速 rpm 3.73 2715 4250 0.95 柴油 2.4 4 122ps/3000rpm 900 6403/2000/2595 185/75 R16C 4.7/4.1 5.441/2.839/1.721/1.223/1.0

理论计算结果与试验值最大差异为 0.96%,说明 CRUISE 软件仿真模拟与理论计 算结果基本吻合. 4,匹配不同主减速比后,对样车动力性的影 ,匹配不同主减速比后, 响: 建立好样车模型后,将主减速器的 Transmission Ratio 参数设置为变量, 通过定制 全负荷加速性能,爬坡性能和超车性能三个计 算任务, 分析匹配主减速比分别为 3.73 和 5.15 对车辆动力性的影响. 4.1 全负荷加速性能: 道路模型和驾驶员模型均选用 Standard, 换档选择 According to speed,将仿真模式设置 为 Stationary S,考虑轮胎的滑移,运行计算任 务,得到全负荷加速性能图:

3.2 理论计算 对于固定传动比变速器汽车,其行驶方程 式为:

Ft = F f + Fi + Fw + F j

;即:

(15)

Ttqigi0ηT r

=Gfcos +Gsin + α α

CDA 2 dU U +δm ; 2115 . dt

式中,Ft 为驱动力[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 为发动机扭矩[NM];ig 为变速器 传动比;i0 为主减速器传动比;ηT 表示传动系 统得机械效率;r 为车轮的滚动半径[m];f 为 滚动阻力系数;a 为道路的坡度角;CD 为风阻 系数;A 为迎风面积[m2];U 为车速[km/h];δ 为旋转质量系数. 通过上诉公式,可以分析汽车在附着良好 的典型路面(混凝土,沥青路面)上的行驶能 力,即确定出汽车在气门节全开时可达到的加 速能力,爬坡能力和最高车速.计算结果和试 验值比较如下: 表 2 仿真结果与理论计算表
最高车速 动力性 km/h 计算值 试验值 差异 173 171.36 0.96% 坡度 47% 46.78% 0.47% 加速时间(s) 31.2 31.4 -0.64% 最大 0-100km/h

图 4 主减速比为 3.73 全负荷加速性能图

图 5 主减速比为 5.15 全负荷加速性能图 从全负荷加速曲线图可以看出,低速低挡位汽
车的加速度大,高速高挡位汽车的加速度小.上两图 也表明了在换挡过程中动力出现瞬时中断, 这是由于 换挡过程需要换挡时间所致,因此,降低换挡时间对 减少加速时间,提高汽车的动力性是非常重要的.

3

从全负荷加速曲线图可以看出主减速比为 5.15的各档最大加速度要比3.73要高,但同时 0~100km/h加速时间分别为31.4s和22s,匹配新减
速比时加速时间要长.

持续 6 档,考虑轮胎的滑移,在计算中心选择 Matrix Calculation 运行计算任务,得出超车性 能曲线图:

4.2 计算爬坡性能: 道路模型和驾驶员模型均选用 Standard, 换 档选择 According to Velocity,将仿真模式设置 为 Stationary S,考虑轮胎的滑移,在计算中心 选择 Matrix Calculation 运行计算任务,得出爬 坡能力曲线图:

图 8 主减速比为 3.73 直线超车性能图

图 6 主减速比为 3.73 爬坡能力曲线图

图 7 主减速比为 5.15 爬坡能力曲线图 从爬坡度曲线可以看出, 两种主减速比的最 大爬坡度都为47%,6档最高爬坡度都大于6%,
都能在一级公路的山区重丘区高速行驶而无须换挡. 但主减速比为5.15与3.73相比,1档最大爬坡度基

图 9 主减速比为 5.15 直线超车性能图 从超车性能图可以看出,主减速比为3.73时 6档50-100km/h加速时间为19s,主减速比为5.15 时加速时间只有14s,但当车速超过120km/h时, 发动机功率迅速下降, 说明匹配新传动比后, 汽 车在高速段动力性不足.

5,结论 ,
本文论述了某商用车应用 Cruise 软件进 行动力性分析的过程,将理论计算值与仿真结 果进行比较,证明了使用 Cruise 软件进行车辆 动力性仿真的可行性.同时,研究匹配新主减 速比为 5.15 对车辆动力性的影响, 得出了以下 结论: 1) 匹配新主减速比后, 各档最大加速度很 大提高,但 0~100km/h 加速换档时间也会上升. 2) 匹配新主减速比后, 1 档外各档最大 除

本一致,而2,3,4,5,6档爬坡度都有很大提 高. 4.2 计算直线超车性能: 道路模型和驾驶员模型均选用 Standard, 换档选择 According to Velocity,将仿真模式设 置为 Simulatuion 1,起始车速为 50km/h,档位

4

爬坡度均有很大提高, 汽车的爬坡性能有提升. 3) 匹 配 新 主 减 速 比 后 , 汽 车 6 档 50-100km/h 加速时间为只有 14s,直线超车性 能有提高.但当车速超过 120km/h 时,发动机 输出功率急剧下降,说明车速在高与 120km/h 的高速段动力性不足. 参考文献: 参考文献: [1]肖雪飞.摩托车振动仿真分析[J].机械科学与 技术,2006. 25( 10) : 1154 ~ 1156 作者简介: 作者简介: 联系方式: 联系方式: 第一作者 其他作者 题 目 刘祚时 陈斐雅

1,刘祚时(1954-),男(汉族)江西理工大学应 用科技学院院长,研究生导师,教授,主要从事 机械设计,机电一体化及发动机技术研究. 2,陈斐雅(1986-),女(汉族)江西理工大学研 究生,主要进行车辆工程方面的研究

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Cruise 分析不同主减速 江西赣州江西理工 比对汽车动力性的影响 大学机电工程学院

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