CAE分析在汽车变速器传动比设计中的应用

周　琼

(江西交通职业技术学院汽车工程系，江西南昌330013)



CAE分析在汽车变速器传动比设计中的应用

周琼

(江西交通职业技术学院汽车工程系，江西南昌330013)

摘要：针对国内汽车企业普遍存在CAE技术应用水平较低的现状展开研究，以CM7新车型变速器匹配项目建立CAE分析，采用传统的动力性、经济性指标作为约束条件进行优化计算，再利用CAE成熟仿真分析软件AVL-Cruise对计算结果进行仿真，综合考虑计算结果与仿真结果，甄选出一组最优的变速器传动比，作为变速器传动比设计的依据。

关键词:CAE变速器传动比仿真分析

0引言

CAE技术在车辆工程中应用十分广泛，在国外经过充分的发展，已经成为设计阶段的一个必不可少的技术环节[1]。我国的汽车CAE技术发展于90年代后期，在车型研发过程中对CAE技术的应用水平不高，研究对象主要包括零部件、子系统、整车动力与安全性能[2]，研发模式仍以逆向式为主，基于CAE技术的正向产品研发能力比较薄弱。本文通过将CAE分析软件与传统分析方法结合起来，在设计初期从整车动力性、经济性角度利用CAE分析软件综合考虑变速器的选型、速比匹配以及速比优化，为提升汽车研发后期变速器匹配的效率、降低整车研发成本提供参考。

1汽车变速器传动比参数匹配计算

变速器档位数及各档传动比的确定，直接影响着汽车的动力性和燃油经济性，结合顾客的基本要求(传动效率≥ 90%，变速器总长≤759 mm)，通过匹配整车参数、发动机参数来达到优化整车性能的目的[3-4]。

1.1主要的整车参数及性能要求

整车的性能要求与发动机参数由客户提供，如表1和表2所示。

表1

整车性能参数

表2

发动机参数

1.2CM7整车仿真计算

图1　Cruise分析流程图

汽车动力性及燃油经济性的评价指标主要有：最高车速、加速时间、最大爬坡度，单位行驶里程的燃油消耗量[5]。利用CAE对CM7新车型进行建模仿真，根据模拟计算结果对上述性能进行评价分析，以达到匹配优化变速器参数的目的[6]。

选用奥地利AVL公司的Cruise软件来进行CM7新车型CAE仿真分析，基本分析流程如图1所示。

1.3Cruise软件仿真

1.3.1CM7汽车动力传动系仿真模型的建立

在Cruise中经建立汽车各零部件的模块，对每个部件设定动力输入、输出接口，按照发动机到轮胎的动力传输路线依次连接，得到整车仿真模型[7]，整车各部件的结构参数要与客户提供的保持一致，对于建模需要但是客户没有提供的参数则按照相关行业标准选取。参照相关技术参数建立发动机、离合器、变速器、主减速器、差速器、轮胎以及驾驶员模块。在模型建立完成以后，通过Cruise软件仿真平台进行动力性和燃油经济性的模拟计算[8]。

1.3.2CM7整车性能仿真计算

在模型搭建完成以后，根据软件设计与实际需求加载计算任务，包括稳态行驶、爬坡性能、最大牵引力、满载加速、制动/滑行/反拖等[9]，本文的主要计算任务包括动力性与燃油经济性两个方面。

在各种计算任务设置界面中输入与之相对的参数进行定义，定义完目标计算任务后，点击计算快捷键进行计算，计算界面如图2所示。

图2　任务计算界面

完成计算任务以后，可得到仿真计算结果：文字结果、数据结果、图形结果。

2仿真计算结果分析优化

2.1传动比匹配方案的优选

根据顾客要求，进行传统传动比理论计算，综合考虑:最大爬坡度、道路附着条件、最低与最高稳定车速等条件计算出变速器的最大最小传动比及档位数，再采用等比级数和偏置等比级数的方法匹配出各档传动比方案，初步确定了传动比的范围，在现有的变速器数据库中，初步选用以下4组传动比，如表3所示，分别进行仿真计算，将计算结果对比分析，选择一组整车动力性、燃油经济性综合性能最优的速比。

表3

优选匹配速比

2.2CM7仿真计算的输出结果

以A组速比为例，进行动力性能和经济性能两个方面的仿真计算分析。

2.2.1动力性能仿真计算结果

1)最高车速模拟计算结果：包括稳态下汽车的理论最高车速、实际最高车速以及各档位下的最高车速。速比A的图形结果如图3所示。

图3　最高车速模拟计算结果

2)加速能力如图4所示：以汽车的行驶速度为横坐标、加速度为纵坐标来表示，五条曲线从上到下分别对应1至5档。加速能力对汽车平均行驶车速影响很大，理论上常用原地起步加速时间与超车加速时间来表明汽车的加速能力。

图4　各档最大加速度曲线图

3)汽车原地起步连续换档图如图5所示：以时间为横坐标，加速度为图中曲线1表示，从左到右依次为1至5档；相应的车速与行驶里程分别对应图中曲线2与曲线3，曲线1、2、3的纵坐标从左至右表示，仿真结果显示：该车车速由0加速到100 km/h所用时间为13.11 s，此时汽车档位为3档。

图5　汽车原地起步连续换档图

4)超车性能曲线图如图6所示：模拟计算出汽车从特定起始车速到目标车速(中间的曲线)的加速时间(横坐标)，可以考虑换档加速或不换档加速两种情况。此次计算任务设置为从80 km/h到140 km/h不换档的加速时间计算。

图6　超车性能曲线图

5)爬坡性能如图7所示：图中5段实线从上至下描述的是1档至5档不同速度(横坐标)情况下的爬坡度(纵坐标)；细实线是附着利用率，(即发动机驱动力与路面附着力的比值)，粗实线是爬坡性能，当附着利用率大于1时，不符合道路附着条件，达不到理论的爬坡度，一般情况下取值为0.8。

图7　爬坡性能曲线图

2.2.2经济性能仿真计算结果

1)循环工况下的燃油经济性：图8为A组速比下CM7汽车在UDC(Europe City Cycle ECE.R15)循环工况下等速燃油消耗量图。图中横坐标为车速，右纵坐标为油耗标尺，左纵坐标为对应压力；阴影部分为功率区，由深至浅油耗逐渐下降。

图8　循环工况等燃油消耗图

2)稳态下各档最高车速及燃油消耗量：图9为CM7汽车在A组速比下的稳态工况计算任务测试结果图。

图9　稳态行驶工况测试结果图

测试结果数据包括：汽车在稳定工况下行驶时各个档位的最高车速(虚直线)，所有档位不同车速下的稳态百公里油耗(实曲线)。

3)工况点分布图：通过图10可以判断该发动机工作区域与理论上经济性最佳区域之间的关系。

图10　等燃油消耗率图

等燃油消耗率曲线主要反映在不同的发动机转速和负荷情况下的燃油消耗率，图中横坐标为发动机转速，左纵坐标为对应扭矩，曲线部分为扭矩与转速对应关系图；右纵坐标为油耗，由深至浅为逐渐降低，图中深色方块所覆盖的区域表示车辆在循环工况下发动机的工作区域。发动机负荷率是指在特定工况点的扭矩和同转速下最大扭矩的百分比，一般情况下负荷率越大，发动机热效率就越高，油耗越低[10]。在此图上可以看到油耗最低区域，在这个区域内发动机的热效率也最高。

3动力性经济性综合评价分析

对动力传动系统进行优选，以汽车的动力性和燃油经济性评价指标作为响应，根据实际使用情况的需要，选择以下5个指标的计算结果作为评价标准，综合循环工况下的百公里油耗和5档100 km/h的等速油耗作为燃油经济性评价指标，将CM7汽车在四组不同速比下的Cruise软件仿真分析计算结果归纳如表4所示。

表4

整车性能参数

由于汽车的动力性能与燃油经济性能是无法兼顾的，因此在汽车的动力性与燃油经济性之间选取一个最佳的折中点使得汽车的综合性能指数达到最优[11]。将这个综合性能指数作为目标函数f(x)，将动力性T(x)与燃油经济性Q(x)按重要程度的不同分别赋予不同的加权因子ω1、ω2，即：

f(x)=ω1T(x)+ω2Q(x)

根据车型特点，在保证汽车动力性能达到要求的前提下，提高燃油经济性，其加权因子赋值宜为：ω1取0.4，ω2取0.6[12]。将加权因子的值及仿真计算结果数据代入到目标函数中计算，得出四组速比的综合性能指标水平如表5所示。

表5

计算结果分析

从而得出综合性能最佳的一组变速器速比是C组。采用C组参数配置，不仅满足了CM7汽车的动力性能需求，其燃油经济性也是四组参数中最高的，具有较强的应用价值。

参考文献

[1]王仲范.汽车开发过程中的计算机技术[J].武汉汽车工业大学学报，1999，21(1):1-6.

[2]王钥，刘兴涛.CAE技术应用的现状与发展趋势:第二届中国CAE工程分析技术年会论文集[C]. 中国CAE工程分析技术年会暨全国计算机辅助工程技术与应用高级研讨会,2006：1-6.

[3]李萌梧.汽车变速器总成换档系统的设计[J].汽车工程师，1994，21(3):2-4.

[4]汪超.变速器传动比对汽车动力性的影响[J].常德师范学院学报，1999，13(4):1-3.

[5]余志生.汽车理论(第四版)[M].北京:机械工业出版社，2006：79-88.

[6]周君.汽车变速器传动比参数优化及软件开发[D].湖北:武汉理工大学,2008.

[7]罗辑，钟天飞.汽车变速器传动比分配规律的研究[J].汽车技术，1991，22(11):2-7.

[8]蔡炳炎，徐勇，林宁.机械式汽车变速器的速比配置分析[J].机械研究与应用，2005，18(2):19-21.

[9]Munns S A. Computer simulation of powertrain components with methodologies for generalized system modeling[M]. Madison: University of Wisconsin-Madison, 1996.

[10]刘振军，赵海峰，秦大同.基于CRUISE的动力传动系统建模与仿真分析[J].重庆大学学报，2005，28(11):8-11.

[11]Yamaguchi M, Otaki M, Ito K, et al. Torque converter-type high fuel economy CVT for small passenger vehicles[D]. SAE, 2009.

[12]魏涛，赵宗煜.汽车变速器优化设计[J].武汉理工大学学报，1992(4)18-24.

Application of CAE analysis in the design of automotive transmission ratio

ZHOU Qiong

Abstract:Considering the low level of application of CAE in domestic automotive industry, we adopted CAE analysis for the transmission matching for the CM7 vehicle. The power performance and economical efficiency were used as constraint conditions for the optimization, and CAE simulation software AVL-Cruise was adopted to simulate the calculations. In the end, the optimum transmission ratio was selected for the design of automotive transmission ratio.

Keywords:CAE; transmission; transmission ratio; simulation; analysis

收稿日期：2015-12-09

作者简介：周琼(1989-)，女，工学硕士，江西交通职业技术学院，讲师，研究方向：CAE技术研究。

中图分类号：TP391.7

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)02-0050-05