基于Cruise的汽车动力经济性影响因素研究

张季琴，王立星，张东峰

（1.宁夏大学机械工程学院，宁夏 银川 750021，

2.南京汽车集团有限公司汽车工程研究院，江苏 南京 210000）

基于Cruise的汽车动力经济性影响因素研究

张季琴1，王立星2，张东峰1

（1.宁夏大学机械工程学院，宁夏 银川 750021，

2.南京汽车集团有限公司汽车工程研究院，江苏 南京 210000）

本论文基于Cruise仿真软件，研究了汽车质量(m)、空气阻力系数（CD）以及主减速器传动比（i0）这三个因素对汽车动力性和燃油经济性的影响，通过正交试验原理进行数据处理，获得了这三个因素对于汽车动力经济性的影响的主次水平表，并获得试验范围内的最优组合。结果表明空气阻力系数对汽车动力性影响较大，而汽车质量对燃油经济性影响较大，符合理论研究结果，对汽车动力经济性的设计以及优化提供一个参考。

动力性；燃油经济性；正交试验；Cruise；优化设计

CLC NO.:U461.2Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)12-14-04

引言

近年来随着经济的持续发展，国民生活水平大幅提高，轻型乘用车的应用越来越广泛。动力性是满足汽车行驶要求的最基本的性能，随着石油副产品价格提升，人们对汽车燃油经济性也提出了更高的要求[1]。

汽车的动力性和燃油经济性受到很多因素影响，随着计算机技术的发展，采用建模仿真进行动力性、燃油经济性计算已成为一个重要手段。通过建立仿真模型，能够很好地仿真系统性能，从而灵活调整设计方案，合理优化参数，降低研究费用，缩短开发周期[2]。

本文应用汽车领域应用比较广泛的Cruise软件，基于某轻型乘用车研究了汽车整备质量、空气阻力系数以及主减速器传动比对其动力性、经济性的影响情况，利用正交试验原理进行数据处理，获得了这三种因素对汽车动力性、经济性的影响程度主次水平表，在试验范围内获得了最优组合为汽车的改进提供一个思路。

1、方案设计

根据影响汽车动力性和经济性的因素，在仿真模型中改

变有关参数，对其动力性和燃油经济性进行仿真计算，通过正交试验原理处理数据，即可获得各种因素对汽车动力性和燃油经济性的影响因子和重要程度水平表。

1.1 动力经济性影响因素

动力性和燃油经济性是两个难以调和的矛盾，两者相互作用，互相影响[3]，如何保证动力性的同时尽可能降低燃油消耗是近年来各汽车公司研究的重点。对于汽车设计，保证动力性和燃油经济性必须使得汽车满足行驶方程式[4]（式1）及燃油经济性的计算公式（式2），如下所示：

式中：eP、Ttq、Qs—发动机功率、发动机转矩、百公里油耗；

r、f、m、b—滚动半径、摩擦系数、汽车质量、燃油消耗率；

i0、ig—主减速器传动比、变速器传动比；

ηT、δ—传动效率、旋转质量换算系数；

CD、A—空气阻力系数、迎风面积；

ρ、g—燃油密度、重力加速度。

由式（1）、（2）得，影响车辆动力经济性的因素有发动机本身性能、轮胎滚动半径、摩擦系数、空气阻力系数、迎风面积等，本论文研究汽车质量、空气阻力系数及主减速器传动比对汽车动力经济性的影响。

1.2 正交试验及因素水平表

正交试验是利用“正交表”进行科学的安排和分析多因素实验的方法[5]。由以上分析确定研究因素为汽车质量、空气阻力系数、主减速器传动比，根据正交试验原理，确定试验指标、因素水平表，选定正交表。

本论文选取动力性和燃油经济性的试验指标为最高车速（uamax）和循环油耗（），确定研究因素为：汽车质量(m)、空气阻力系数(CD)、主减速器传动比(i0)

由因素水平表可知，该试验为三因素二水平试验，考虑到各个因素之间的交互作用，选择(27)正交表[6]，数据处理时根据正交表（如表2所示）进行。

表1 因素水平表

2、仿真计算

CRUISE是针对汽车整车及部件性能的仿真软件，可以用于车辆的动力性、燃油经济性以及排放性能的仿真，利用其模块化的建模理念可以直观便捷的搭建不同布置结构的车辆模型。可进行整车动力性、经济性、排放性等3大项包括最高车速、最大爬坡度、循环油耗等10小项的计算[7]。本论文对仿真模型的最高车速及综合循环消耗进行仿真。利用计算中心的“component variation”模块，对试验样本进行仿真。

2.1仿真模型建立

本论文以排量为2.4L的某前置前驱轻型乘用车为例，利用Cruise软件建立仿真模型。该车采用发动机前置前驱，采用手动5挡手动机械变速箱，轴距2550mm、风阻系数0.32、汽车总重1930Kg、迎风面积1.88m2。仿真模型如图1所示：

2.2 计算任务设置

根据试验方案需要对汽车最高车速以及循环工况进行测试，根据仿真要求制定计算任务，分别是：循环测试（Cycle Run）用于测试循环工况下的燃油经济性；恒速驱动（Constant

Drive）用于最高车速动力性测试。进入Cruise模型计算中心，进行计算任务制定，图2所示为计算任务最高车速的制定。同理制定循环工况油耗计算任务。

计算任务制定好以后，进入计算中心（calculation center）的匹配计算功能（component variation）[8]，将试验因素按照如表1要求添加到匹配变量中，添加后如图 3所示，共需8轮计算。

2.3 仿真结果

计算完成后可以在结果管理器中查看计算结果，在变量数据集(variation Cube)里面可以直观的看到试验样本的优劣情况，在表格（table）中可以查看具体数据。由图4可以看出，最高车速最高的是样本A2B2C2，在表格中可以看到该组合的最高车速达到237.82km/h。燃油经济性的结果同理可得，此处不再赘述。

表2 试验结果分析表

3、数据处理及分析

将仿真结果带入正交表进行计算得表2。利用极差分析法将各因素两个水平的最高车速和燃油消耗求和，得出各个水平的最高车速和燃油消耗的极差。

根据试验指标，对汽车动力性和燃油经济性进行分析，结果表明：

3.1 最高车速分析

对于最高车速影响最大的因素为空气阻力系数。由数据分析表明降低空气阻力系数6.25%，最高车速可提高2.28%。各因素间的两两交互作用不明显，极差分别为：0.55、0.11、0.07，三因素之间不存在交互作用。根据试验指标车最高速越高动力性强的原则，获得最优组合A2B2C2。

3.2 综合循环油耗分析

对于综合循环油耗响最大的因素为汽车质量。由数据分析表明降低汽车质量5.18%，即可降低油耗1.11%。主减速器传动比对燃油消耗的影响次之，极差为0.11，空气阻力系数对燃油消耗的影响较小，极差值仅为0.01。汽车质量与空气阻力系数及主减速器传动比的交互作用对燃油消耗影响较小，极差值仅为0.01，三因素之间不长存在交互作用。根据试验指标燃油消耗越低经济性越好的原则，获得最优组合A2B2C2。

综上所述，汽车动力性和燃油经济性均受到汽车质量、空气阻力系数及主减速器传动比的影响，其中空气阻力系数对汽车动力性的影响最大，汽车质量对燃油经济性的影响最

大，根据分析获得试验范围内的最优组合为A2B2C2，即当汽车质量为1830Kg，空气阻力系数为0.30，主减速器传动比为2.6时获得最佳的动力经济性。

4、结论

（1）空气阻力系数对于动力性来讲为主要因素，降低空气阻力系数6.25%能够提高最高车速2.28%；汽车质量对于燃油经济性来讲为主要因素，降低汽车质量5.18%能够降低燃油消耗1.11%。汽车质量、空气阻力系数、主减速器传动比三者之间不存在交互作用，两两之间的交互作用也不明显，属次要因素。

（2）降低汽车质量、空气阻力系数、主减速器传动比能够改善汽车动力经济性。试验范围内获得的最优组合为A2B2C2，即当汽车质量为即当汽车质量为1830Kg，空气阻力系数为0.30，主减速器传动比为2.6时获得最佳的动力经济性，符合理论研究结果。

（3）该优化设计汽车参数的方法可以为汽车设计和改善提供一定的思路，获得的影响汽车动力经济性的因素主次水平表可为以后此类研究提供一个参考。实际设计中通过改变哪些因素来提高动力经济性还需综合考虑生产经济成本及容许参数范围。

[1] 吕传志,王立星. 整车动力经济性计算仿真与验证分析[J]. 轻型汽车技术,2014,04∶34-36.

[2] 李智永,张才三.面向对象的车辆动力传动系统仿真研究[J].车辆与传动技术,2003,24(2)∶35 -39.

[3] 王立星，邵奎柱，王 珏. 依维柯客车动力经济性影响因素及灵敏度分析[J].轻型汽车技术,2014.18-21.

[4] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社,2009∶16-46.

[5] 崔汉涛，尹冬晨，曲从辉．基于正交试验的机械部件加工研究[J]．河北建筑科技学院学．2006，23(4)：68-69.

[6] 杨忠平．试验优化设计[M]．杨凌：西北农林科技大学出版社．2003．1-33.

[7] 王锐,何洪文. 基于Cruise的整车动力性能仿真分析[J]. 车辆与动力术,2009,02∶24-26+36.

[8] 李军. 基于Cruise的某型大客车动力传动系统优化匹配研究[D].吉林大学,2013.

5、结论

（1）若喷嘴的孔径不变，随着启喷压力的增大，柴油液滴的平均直径和特征直径都相应的减小，与发散度相关的参数相对尺寸范围也会变小，液滴的数目尺寸分布曲线会向左偏移，因此柴油的雾化效果变好。

（2）若启喷压力不变，随着喷嘴孔径的减小，柴油液滴的平均直径与特征直径都相应的减小，液滴的相对尺寸范围也变小，液滴的数目尺寸分布曲线会向左偏移。说明随喷嘴孔径的减小，柴油的雾化效果得到提升。

参考文献：

[1] 曹建明. 液体喷雾学[M]. 北京：北京大学出版社，2013.7.

[2] 曹建明，武涛，程前，等. 柴油与LPG/柴油双燃料喷雾特性的对比[J]. 交通运输工程学报，2003,3(2)∶40-44.

[3] 王振平，曹建明. 喷嘴孔径对柴油机雾化质量的影响[J]. 长安大学研究生学术年会论文集2011年卷，2012.6∶105-107.

Reach of Vehicle dynamic performance and fuel economy Influences based on Cruise

Zhang Jiqin1, Wang Lixing2, Zhang Dongfeng1
（1.College of Mechanical Engineering ,Ning Xia University, NingXia YinChuan 750021, 2. Nanjing Automobile Group Co., Ltd. Automotive Engineering Institute, Jiangsu Nanjing 210000）

In order to find out the effects of vehicle dynamic performance and fuel economy caused by changing the vehicle parameter which includes vehicle quality (m), air resistance coefficient (CD), and the main reducer gear ratio (i0), the essay conducts a simulation model based on Cruise software, and processes dates according orthogonal experiment principle, finally find out the primary and secondary one, in addition the optimal combination. The result indicates that air resistance coefficient plays a crucial role in improving vehicle dynamic performance while vehicle quality plays a key role on vehicle fuel economy. Which in accordance with the theoretical research results. Therefore a reference is provided in the future reach on design and optimization vehicle dynamic performance and fuel economy.

dynamic performance; fuel economy; orthogonal experiment; Cruise; optimize design

U461.2

A

1671-7988(2014)12-14-04

张季琴，硕士研究生，就职于宁夏大学机械工程学院，主要从事汽车理论教学与研究工作。