某车型高原动力性仿真分析

刘航瑜，许海峰，王博，康建伟，王莎莎

（1.陕汽集团商用车有限公司，陕西 宝鸡 721000；2.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

前言

全球海拔2000m 以上的高原地域有超过68%分布在中国，中国是高原地域最广阔的国家[1]。长久以来，在高原地域运行的车辆都会受到恶劣环境的影响，主要表现为动力性能下降、燃油经济性变差及发动机冷却能力不足等问题，高原地区含氧量少、气压低、气温低等恶劣气候环境则是造成车辆高原运行能力下降的最主要因素[2]。

汽车行业常用AVL-Cruise 软件对车辆的实际工作状况进行仿真模拟。在Cruise 软件中，采用模块化建模理念，能够方便快捷地建立各种不同结构类型的整车模型，采用不同任务求解器对计算任务快速求解，模拟分析出整车的动力性、燃油经济性和排放等性能。

图1 Cruise 整车仿真计算模块

Cruise 软件的建模流程较为简单，参数配置、修改便捷，可以实时对发动机模块（CRUISE M Engine）、整车及传动系统模块（CRUISE M Driveline）、冷却与润滑系统模块（CRUISE M Flow）和发动机尾气后处理模块（CRUISE M Aftertreat -ment ）进行修改计算，且不同方案结果对比直观，软件各模块如图1 所示[3]。

1 动力性仿真模型搭建

按照该车型动力匹配和传动路线，在Cruise 软件中搭建各系统总成和整车模型。

1.1 传动系统总成模型

在Cruise 建模过程中，分别搭建该车型传动系统的液力变矩器、变速器、分动器、驱动车桥等子系统。

1.1.1 液力变矩器模型建立

该车选用的是ALLISON TC551 液力变矩器。主要技术参数见表1。

表1 ALLISON TC551 液力变矩器主要技术参数

ALLISON TC551 液力变矩器的特性曲线参数输入得到曲线如图2 所示。

图2 ALLISON TC551 液力变矩器特性曲线

1.1.2 变速器

该车型选用的是ALLISON 4500P 型变速器，主要技术参数见表2。变速器控制程序是变速器仿真计算的核心。根据给定的发动机转速或汽车行驶速度，模拟出换挡曲线，选择换挡时机，完成AT 变速器换挡机构控制的设置（见图3）。

表2 ALLISON 4500P 型变速器主要技术参数

图3 ALLISON 4500P 型变速器控制逻辑

1.1.3 分动器

该车型选用ZQC2000 型分动器，其主要技术参数如表3所示。

表3 ZQC2000 型分动器主要技术参数

分动器总成模块的组成如图4 所示。

图4 ZQC2000 型分动器模块组成图

1.1.4 驱动车桥

该车型选用中央单级减速带轮边行星减速器结构的双级驱动桥，驱动桥主要技术参数如表4 所示。

表4 驱动桥主要技术参数

驱动桥总成模块的组成如图5 所示。

图5 驱动车桥总成模块组成图

该车采用6×6 驱动型式，全轮驱动的实现是通过分动器将动力分别向前、后输出，其动力传递路线和各总成的布置方式与常规全轮驱动的车辆相同，动力传递路线如图6 所示。

图6 动力传递路线图

1.2 发动机总成模型

该车型选用潍柴动力股份有限公司生产的WP12.570 型发动机，其主要技术参数见表5，发动机平原地区的外特性和万有特性见图7。

图7 WP12.570 型发动机平原地区外特性和万有特性曲线

表5 WP12.570 型发动机主要技术参数

图8 WP12.570 型发动机平原和海拔4000m 地区外特性曲线对比

根据WP12.570型发动机的平原和海拔4000m环境下的外特性对比曲线（如图8）可知，低海拔地区时发动机最大转矩为2300N·m，最大功率418kW。在高原时发动机最大转矩为1417N·m，最大功率218kw，相应的转速为1700r/min，未实施高原动力提升措施的发动机的最大转矩下降38%，最大功率下降了约48%。

根据车辆实际的动力传递路线和布置方式，在Cruise中对各总成模块依次进行设置，并对液力变矩器、变速器换挡控制、油门、制动以及驾驶室模块控制逻辑系统数据进行连接，构建出整车仿真模型，如图9 所示。其中整车输入参数见表6。

表6 该车型整车模型输入参数

图9 Cruise 模型中建立的整车模型

2 动力性仿真结果

通过Cruise 软件对该车动力性进行求解计算，对比该车在未进行高原动力提升措施时，平原与高原不同工作环境下的动力性差异。

2.1 最高车速分析

由Constan Drive 任务的 Maximum Velocity 模块，可计算出每挡位的最高车速如图10。

图10 车速和功率平衡曲线图

计算结果显示，该车在平原地区的最高车速为129km/h，在高原地区的最高车速为105km/h，满足最高车速不小于100km/h 的高原地区动力性指标要求。

2.2 加速性能分析

根据换挡曲线设置变速器控制程序，选择相应的换挡点及换挡方式，模拟计算0～80km/h 的连续换挡加速时间。车速和加速时间的关系图如图11 所示。

图11 车速和加速时间关系图

计算结果显示，该车在平原地区0～80km/h 的加速时间为34.33s；而在海拔高度为4000m 的高原地区环境下，由于高原低气压造成的动力性损耗过大，0～80km/h 的加速时间增加到67.90s，不满足指标要求。

2.3 爬坡性能分析

在climbing performance 任务中选择原地起步、不考虑轮胎滑移等仿真条件，利用已经配置好的参数，模拟计算出所有挡位的爬坡能力（见图12）。

图12 各挡位下最大爬坡度与车速关系图

计算结果显示，在平原地区，该车最大爬坡度为45%，可以满足技战术指标要求的最大爬坡度40%的要求，而在海拔高度为4000m 的高原地区环境下，由于高原低气压造成的动力性损耗过大，最大爬坡度只能达到37%，无法满足指标要求。

3 结论

根据仿真计算结果可以看出，该车在平原地区与高原地区动力性有着显著的差异，高原地区的低压、低温、低含氧量已经使车辆加速性能与爬坡性能不能满足相应的指标要求，因此该重型越野车在未采取动力提升措施前，环境适应性较差，不能满足相应需求。

高原地区动力性改善方案源自于高原地区环境特点对涡轮增压柴油机影响的研究，消除和解决这些影响是改善其动力性能的根本方案，在后续的研究中，将在Cruise 软件中进行涡轮增压器匹配优化和发动机高原喷油策略优化分析计算，并进行发动机性能和整车动力性仿真计算得出结果，以验证经过高原动力性提升措施后，整车动力性指标在高原工况下有无明显提升。