基于Cruise的重型商用车性能匹配分析

余明江 王曦 彭鹄 吴涛 徐远志

摘  要：针对重型商用车动力系统开发周期长、成本高的问题，该文首先参考法规基于MATLAB编写程序生成需要的换挡策略，再通过AVL Cruise对整车性能匹配进行建模和仿真分析，得到油耗、动力性都满足要求的最优动力方案，并与该方案对应的实测值进行对比分析。结果表明，仿真结果与实测结果基本吻合，模型仿真可以代替实测对整车性能提前评估，缩短产品开发周期和成本。

关键词：商用车；油耗；动力性；Cruise；换挡策略

中图分类号：U467       文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）08-0067-04

Abstract： In view of the long development cycle and high cost of the power system of heavy commercial vehicles， this paper first refers to the laws and regulations and compiles a program based on MATLAB to generate the required shift strategy; then， the paper models and simulates the vehicle performance matching through AVL Cruise， obtains the optimal power scheme which meets the requirements of fuel consumption and power performance， and compares it with the measured values of this scheme. The results show that the simulation results are basically consistent with the measured results. Model simulation can replace the actual measurement to evaluate the performance of the whole vehicle in advance and shorten the product development cycle and cost.

Keywords： commercial vehicle; fuel consumption; power performance; Cruise; shifting strategy

在新产品开发过程中，零部件设计选型、试验等环节占用的时间和费用较多，给新车开发带来很多困扰。近年来，部分厂家应用Cruise软件对整车性能进行分析，但未在模型里添加机械风扇、发动机减速断油以及详细的换挡AC策略等内容，导致仿真与实测结果偏差大，不能很好指导技术开发工作。本文通过MATLAB软件编写程序生成法规要求的换挡策略，再通过AVL Cruise软件对整车性能匹配进行仿真分析，更加精确计算整车油耗和动力性，以确保新车开发质量，缩短开发周期并降低开发费用。

1  车型及主要参数

本文的研究对象是某2.5 L柴油机匹配满载8.5 t的商用車，分析4种配置的经济性和动力性，最后选择最优方案作为新车型的目标配置。根据GB 30510—2018《重型商用车辆燃料消耗量限值》规定[1]，7 000 kg＜GVW≤8 500 kg的油耗限值不能大于16.3 L/100 km，按照GB/T 27840—2011《重型商用车辆燃料消耗量测量方法》要求[2]，5 500 kg＜GVW≤12 500 kg的货车（不含自卸），其中GVW为最大设计总质量，城区、郊区、高速的特征里程油耗权重比分别为10%、60%、30%。本文使用的整车参数具体见表1。

2  整车仿真模型搭建

打开Cruise软件进入建模主界面，从Modules库里分别选中并拖动Vehicle、Engine、Clutch、Gear Box、Single Ratio Transmission、Differentialt和Wheel等模块到模型窗口。

根据整车布置形式放置各模块，对各模块之间进行机械连接，再根据输入、输出信号进行数据线连接，其中通过机械耗能部件（Mechanical Consumer）模拟机械风扇消耗的功率，如图1所示。

设置各模块的参数和属性，如整车阻力系数、发动机外特性、变速箱各档速比等，并设置Vehicle的Properties为Driving resistance：Function without Reference Vehicle。

激活Engine模块减速断油功能[3]，以获得更加精准的油耗值，如图2所示。

创建Task Folder，包括Cycle Run、Climbing Performance、Constant Drive、Full Load Acceleration等，分别用于计算C-WTVC油耗、最大爬坡度、等速油耗和最高车速及加速性能。

根据C-WTVC循环工况的特征里程结束时间及其油耗权重，在Cycle Run的Weighting Factors里设置权重系数。

3  换挡策略

按照GB/T 27840—2011中6.6的要求进行换挡策略生成。

3.1  行驶阻力计算

依据汽车行驶方程，先分别计算滚动阻力、空气阻力、爬坡阻力、加速阻力[4]。

滚动阻力

Ff=M×g×f ， （1）

式中，Ff表示车辆的滚动阻力，单位为N；M表示满载质量，单位为kg；g表示重力加速度，9.8 m/s2；f表示滚动阻力系数，f=0.007 6+0.000 056V。

空气阻力为

Fw=■， （2）

式中：Fw表示车辆的空气阻力，单位为N；Cd表示空气阻力系数，取值0.8；A表示迎风面积，单位为m2；V表示车速，单位为km/h。

总的行驶阻力为

R=Ff+Fi+Fw+（1+0.03+0.03×im2）×M× ，（3）

式中：R表示总的行驶阻力，单位为N；Fi表示坡道阻力，取零；t表示时刻，单位为s；im表示变速箱传动比。

3.2  换挡策略

计算轮胎半径

r= ，（4）

式中：r表示轮胎滚动半径，单位为m；F表示系数，取值3.03；d表示轮胎设计总直径[5]，单位为m。

计算发动机转速

式中：Ne（t）表示发动机转速，单位为r/min；if表示主减速比；r表示轮胎半径，单位为m；V（t）表示车速，单位为km/h。

计算发动机扭矩

当阻力R大于0时，

当阻力R小于0时，

式中：Te（t）表示发动机扭矩，单位为N·m；？浊m表示变速箱传动效率；？浊f表示主减速器传动效率。

具体换挡策略如下。

1）首先车辆采用二挡起步；

2）如升档后的扭矩富裕率大于规定的估算值（见表2），则进行升档。其中扭矩富裕率计算如下

Tm=， （8）

式中：Tm表示扭矩富裕率；Temax表示相应转速下的最大扭矩，单位为N·m；Te表示实时扭矩，单位为N·m。

表2升档估算值

3）减速阶段，车速大于5 km/h時不换挡；当车速小于等于5 km/h，切换为2挡。

首先采用9次多项式函数，在MATLAB中计算C-WTVC循环数据对应发动机转速下的最大扭矩。

然后借助MATLAB[6]编写程序生成满足要求的换挡策略，并把换挡策略分别写入Cycle Run任务的Profile，其中主减速比4.875、轮胎规格7.00R16LT配置的整车换挡曲线如图3所示。

4  仿真分析

4.1  油耗仿真

C-WTVC循环总共1 800 s，市区是0～900 s、公路是900～1 368 s、高速1 368～1 800 s。根据特征里程分配比例，加权计算综合燃料消耗量。

C-WTVC工况下的加权综合燃料消耗量仿真结果，见表3。

4.2  动力性仿真

在Calculation Center选择Matrix Calculation任务，进行匹配计算，如图4所示。

动力性仿真结果，见表4。

5  试验测试

5.1  最优方案的仿真结果

主减速比4.875、轮胎规格7.50R16LT的配置为最优方案，C-WTVC循环工况下，发动机运行工况如图5所示，各挡最大爬坡度如图6所示。

5.2  实测结果与仿真结果对比

实测结果与仿真结果进行对比，见表5。仿真、试验的各挡最高车速、起步加速时间如图7、图8所示。

6  结论

仿真分析结果与试验结果基本符合，相对差值在5%以内。该结果表明，可以充分利用Cruise软件对整车进行性能计算及动力总成优化匹配分析，以代替实测对整车性能提前评估，缩短产品开发周期和成本，以适应产品快速更新和市场竞争，且为以后优化同类车型的动力总成提供了理论依据。

参考文献：

[1] 重型商用车辆燃料消耗量限值：GB 30510—2018[S].2018.

[2] 重型商用车辆燃料消耗量测量方法：GB/T 27840—2011[S].2011.

[3] 吴明，任勇刚.汽车发动机原理[M].北京：机械工业出版社，2012.

[4] 余志生.汽车理论[M].5版.北京：机械工业出版社，2009.

[5] 载重汽车轮胎规格、尺寸、气压与负荷：GB/T 2977—2016[S].2016.

[6] 张志涌.MATLAB教程（R2011a）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.