基于Cruise的轻型乘用车装载质量变化对动力性的影响*

张德生 孙曙光

（1.黑龙江工程学院；2.黑龙江东方学院）

在汽车开发阶段，汽车动力性是主要考虑的技术指标之一。而影响汽车动力性的因素较多，其中，汽车装载质量是一个对汽车动力性能的影响相对显著的参数。随着汽车载重质量的增加，汽车动力性降低，这是因为滚动阻力和加速阻力与质量呈正比关系，其阻力随着质量的增加而增大；在发动机输出扭矩一定的情况下，随着汽车的加速度降低和加速时间增加，整车的动力性能降低。通过改变汽车总质量的数值，分析轻型乘用车动力性能指标对汽车总质量的敏感性，以及质量变化对汽车动力性能影响的变化趋势，有利于帮助设计人员判断由于质量变化引起的动力性各指标值，以达到设计和样车制定的工程目标与计划的要求，并缩短车型开发和生产制造周期。文章以发动机前置前轮驱动的手动挡轻型乘用车为例，利用Cruise软件建立仿真模型并进行分析验证。

1 建立动力传动系统仿真模型

1.1 建立基础车型和物理连接

该乘用车配备有排量为1.3 L汽油发动机和5挡机械变速箱。驾驶室只控制加速踏板、变速器、离合器及制动器踏板。根据结构和布置形式的分析，选用模型库中的 Vehicle，Cockpit，Engine，Friction，Gear Box，Single Ratio，Differential，Wheel及 Brake等模块。当各子系统模型选定后，根据汽车配置方案和部件连接关系，通过connect连接功能建立模型的物理连接。

1.2 基础车型整车主要参数

该基础车型的整车主要参数，如表1所示。

表1 基础车型的整车主要参数

1.3 设置主减速器参数

文章设计了A，B，C 3种车型，3种车型匹配的主减速器传动比分别为3.789，4.105，4.388，3种车型的主减速器传动效率均取0.97，其他参数均相同，并在Cruise中设置3种主减速器的参数。

2 仿真任务和计算过程

2.1 仿真任务

根据汽车试验和性能分析要求进行动力性测试，汽车动力性评价指标有最高车速、加速时间及最大爬坡度等。根据要求Cruise制定了4种计算任务，分别是：1）爬坡性能测试。用于不同挡位的最大爬坡性能的动力性测试。2）恒速驱动。用于最高车速动力性测试。3）全负荷加速测试。用于原地起步连续换挡加速时间测试。4）全负荷加速测试。用于超车加速时间的动力性测试。

2.2 计算过程

根据汽车实际情况建立计算模型，针对每个性能指标创建一个分析任务，在任务设置界面中选取计算的行驶阻力类型为按行驶任务选择，不考虑打滑现象。行驶阻力一般有滚动阻力、空气阻力、加速阻力及坡道阻力4种，一般行驶情况只需选择滚动阻力和空气阻力，只有加速或爬坡时分别增选加速阻力或坡道阻力。选取计算载荷状态为满负荷。将整车总质量作为变量得到一维矩阵，进入矩阵计算界面对变量进行设置，质量变化范围为1 000～14 00 kg，变化步长为25 kg，每种车共16个方案，3种车型有48个组合方案，每种车型以1 000 kg为基础质量。

3 装载质量变化对整车动力性影响的仿真分析

动力性主要对爬坡性能、最高车速、0～100 km/h的加速时间及超车加速时间4项内容进行分析。

3.1 装载质量变化对爬坡性能的影响

匹配的3种车型1挡位最大爬坡度仿真结果，如图1a所示。整车质量变化率是指整车计算质量相对基础质量的变化率，最大爬坡度变化率是指整车计算质量下的最大爬坡度相对基础质量下的最大爬坡度的变化率。3种车型的1挡平均最大爬坡度变化率与整车质量变化率曲线，如图1b所示。

由图1b可知，1挡最大爬坡度变化率与整车质量变化率关系是非线性关系，拟合图1b中曲线得到：y1=0.009 6x2－1.235 4x－0.348 6（x为整车质量变化率，y1为1挡最大爬坡度变化率），整车质量每增加或减小10%，1挡最大爬坡度随之减小或增加8.8%～11.9%。

3.2 装载质量变化对最高车速的影响

匹配的3种车型5挡位的最高车速仿真结果，如图2a所示；3种车型5挡位的最高车速变化率与整车质量变化率曲线，如图2b所示。

由图2b可知，5挡最高车速变化率与整车质量变化率之间关系是线性关系，拟合图2b中曲线得到：y2=－0.066 7x（y2为最高车速变化率）。表明最高车速变化率与整车质量变化率成反比，整车质量每增加或减小10%，最高车速随之减小或增加0.667%。

3.3 装载质量变化对0~100 km/h加速时间的影响

匹配的3种车型0～100 km/h加速时间的仿真结果，如图3a所示；3种车型0～100 km/h加速时间变化率与整车质量变化率曲线，如图3b所示。

由图3b可知，0～100 km/h加速时间变化率与整车质量变化率之间关系是线性关系，拟合图3b中曲线得到：y3=0.936 7x（y3为 0～100 km/h加速时间变化率）。表明整车质量每增加或减小10%，0～100 km/h加速时间变化率随之增加或减小9.367%。

3.4 装载质量变化对超车加速时间的影响

超车加速时间主要考虑4挡60～100 km/h加速时间和5挡80～120 km/h加速时间。匹配的3种车型4挡60～100 km/h加速时间的仿真结果，如图4a所示；4挡60～100 km/h加速时间变化率与整车质量变化率曲线，如图4b所示。匹配的3种车型的5挡80～120 km/h加速时间的仿真结果，如图5a所示；5挡80～120 km/h加速时间变化率与整车质量变化率曲线，如图5b所示。

由图4b可知，4挡60～100 km/h加速时间变化率与整车质量变化率之间关系是线性关系，拟合图4b中曲线得到：y4=1.124 4x（y4为4挡60～100 km/h加速时间变化率）。表明整车质量每增加或减小10%，4挡60～100 km/h加速时间变化率随之增加或减小11.244%。由图5b可知，5挡80～120 km/h加速时间变化率与整车质量变化率之间是非线性关系，拟合图5b中曲线得到：y5=1.251 7x（y5为5挡80～120 km/h加速时间变化率）。表明整车质量每增加或减小10%，5挡80～120 km/h加速时间变化率随之增加或减小12.517%。

4 实车试验

从图1a，图3a，图4a及图5a中可以看出，3个车型中C车型的动力性最好，但图2a中C车型动力性适中，相对较好，因此，可以得出C车型的综合动力性是最好的。根据汽车动力性台架试验方法和评价指标（GB/T 18276—2000），并选择 C车实车在 AVL转鼓底盘测功机进行试验测试，整车质量变化范围选择1 000 kg（基准质量）至1 400 kg（该车总质量），步长为50 kg。为了尽量降低试验时带来随机误差，每种整车质量进行2次试验并取其平均值，加速时间仿真结果与试验数据对比，如图6所示。从图6可以看出，仿真结果与样车试验的数据基本相符，证明仿真结果的正确性。

5 结论

从文章指定车型可以得知，汽车装载质量变化对加速时间和爬坡性能影响较大，质量每增加或减少10%，会导致汽车加速时间增加或减少约9.4%～12.5%，爬坡度减少或增加约8.8%～11.9%，而汽车装载质量变化对5挡的最高车速影响不大，并得出综合动力性指标相对较好是主减速器为4.388的C型车。通过样车试验测试，验证了所建立的理论模型和仿真结果的正确性。