基于CRUISE的FSAE赛车动力性能匹配优化研究

毛鸿

邵阳职业技术学院 湖南省邵阳市 422000

1 引言

在FSAE赛车的各项性能的影响因素中，发动机及其与动力传动系统的合理匹配对其动力性能有着直接的影响。优化匹配动力传动系统参数是改善发动机性能、提高整车综合性能的有效途径之一。在传统动力传动系统匹配方法开发周期长、成本高的情况下，使用AVL公司开发的CRUSIE软件能够有效对车辆的动力性、经济性进行预测和评估，为新车的研发节省大量的试验费用，有效缩短开发周期[1-3]。

本论文以邵阳学院2015年参赛赛车为基础模型，对赛车动力系统的重要参数进行了计算，并在CRUISE软件中建立了赛车的整车模型，基于赛车参数对建好的模型进行了仿真分析，并对赛车的相关动力传动系统参数进行了优化，提高赛车的动力性能。

2 FSAE赛车计算

邵阳学院方程式赛车选用的是本田宏达CBR600rr这款自然吸气发动机，排量为599毫升，气缸布置形式为直列四缸，发动机喷油方式为电控式进气道多点喷射。本田宏达CBR600rr发动机变速箱为6速手动变速箱，其各档位变速比如表1所示。

发动机进气量被限制后，最大功率P为47 kw，此时发动机转速n为11000rpm。对发动机转矩的最大值取最大转矩44（N·m），对应的发动机转速为9000rpm，根据经验各级传动效率统一取值为0.9，得到发动机的各档位驱动力及最大行驶速度见表2。

3 整车模型的建立

FSAE赛车的结构布置为发动机后轮后驱，使用六速手动变速器，其他布置和传统汽车类似。在CRUISE中建立各部件模块，各模块之间需要进行物理连接以及数据信号连接，连接后建立的模型如图1所示，在进行物理连接时要考虑动力传递的方向性，在进行数据总线连接时，应考虑到信号在各个零部件之间的输入及输出方向[4-5]。在建立好赛车模型后，还应对每个模块输入相应的参数进行设定。

4 模型验证及仿真

针对全负荷加速性能计算任务，选择各档起步最大加速度计算任务、原地起步连续换挡加速性能计算任务进行仿真分析。在这里，需要用到的设置是测试点设置，在测试点设置中设置起点、终点、测试间隔。完成后对模型进行仿真计算，可得到赛车到达每个测试点所需时间。

巡航行驶工况计算主要任务有两个：建立赛道模型、测试赛车圈速。本文选取上海卡丁车世界赛道来建立赛道模型。测得赛道长度和每个弯道曲率，通过实测得出赛车车速随时间变化的数据表，将数据录入巡航行驶工况即完成赛道模型的建立。

表1 CBR600rr发动机各档位变速比

表2 发动机各挡位驱动力及最大行驶速度

图1 赛车整车模型

仿真任务建立好后，即可FSAE赛车进行仿真计算。通过仿真，我们得到了赛车每档的对应最大加速度，如表3所示。

表3 赛车模型仿真结果

仿真结果与实验数据的比较见表4，可知：所得仿真结果与实验结果的偏差不大，在误差允许的范围内，满足仿真精度要求。因此该模型的建立是准确的，可以作为后续研究的参考。

5 优化方案

本文选用 GATBX 优化工具对参数进行优化编程，并且Cruise 软件的矩阵计算功能可以同时仿真多个参数的任意组合对整车性能的影响，使用起来也很方便[6]。以主减速比和各档传动比作为变量，建立目标函数，用MATLAB软件对其进行优化计算，得到赛车优化前后0-75米加速时间的结果对比如表5所示。

表4 仿真结果与实验结果

表5 赛车优化前后0-75米加速时间表

通过优化前后的结果对比可以看出，优化后FSAE赛车的加速时间比优化前降低了3.7%，赛车在0-75米加速的项目成绩有所提升，选择赛车动力系统参数的优化方案如表6所示。

继续选择主减速比作为仿真变量，主减速比最优值大约在6.1左右，取其变化范围为5～7，间隔取0.1，对每个变速比下的FSAE赛车动力性能进行仿真计算，分析其动力性能与主减速比的变化关系，所得关系曲线如图2所示，从图中可以看出，FSAE 赛车的0-75 米加速时间随着主减速比的增加呈现先下降后上升的趋势，并在主减速比为 6.2 附近时达到了加速时间最小值点，因此所选择的赛车动力传动系统参数匹配方案是合理的。

表6 赛车动力参数传动比优化方案

图2 主减速比与0-75米加速时间的关系

6 结语

本论文以邵阳学院2015年参赛赛车为基础，通过AVL—CRUISE软件对其建模，并针对0-75米连续换挡加速时间比赛项目对赛车模型进行仿真计算，经过验证该模型可靠，可作后续研究。基于该模型研究了主减速比对赛车加速性能的影响，得到了主减速比与赛车加速时间的关系图，提出了一套赛车传动系参数优化方案，验证了所选方案能有效降低赛车的0-75米加速时间，提高FSAE赛车的加速性能。