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基于CRUISE的汽车建模与仿真

2019/5/27    来源:互联网    作者:王保华  罗永革      
关键字:汽车建模  仿真  CRUISE  
本文论述了CRUISE软件功能和利用该软件进行汽车建模的方法和过程;以某后轮驱动轿车为例,利用CRUISE软件模拟分析了该轿车性能。

    计算机仿真技术的快速发展使得在实验室内模拟汽车性能成为现实。它不仅能节约大量新产品开发和试验等带来的人力和物力投入,还降低了劳动强度,缩短了开发周期,提高了工作效率。汽车仿真技术是当前汽车研发的重要手段之一,在汽车产品开发初期,进行汽车动力传动系统参数匹配和性能仿真的软件有很多种,如ADAMS、CARSIM、ADVISOR和CRUISE软件等。在众多的软件中,先进汽车模拟软件CRUISE是一个功能强大、性能优良的汽车动力学和整车性能分析工具。

1 软件功能及特点

    奥地利AVL List公司开发的CRUISE软件是用来研究汽车动力性、燃油经济性、排放性能及制动性能的高级模拟分析软件。灵活方便的模块化设计理念使得CRUISE可以对任意结构形式的汽车动力传动系统进行建模和仿真。它可用于汽车开发过程中的动力系统、传动系统的匹配,汽车性能预测和整车仿真计算;也可以进行发动机、变速箱、轮胎的选型及它们与车辆的匹配优化;还可以用于混合动力汽车、电动汽车的动力系统、传动系统及控制系统的开发和优化。

    它可优化的内容:1)各种驾驶循环的油耗和排放,如FTP、NEDC、ECE、EUDC等,用户也可自定义驾驶循环;2)驾驶性能(加速性能、制动性能、爬坡性能);3)传动系传动比;4)无级变速器(CVT)和自动变速箱(AT)的换档规律图。

    也可进行:1)新型汽车如混合动力汽车的仿真与评价;2)不同控制策略的比较研究;3)车辆热管理系统(VTMS)模拟。

    CRUISE还可确定应力/应变计算所需的集中载荷及传动系振动(动载荷、舒适性)。CRUISE是基于全面满足汽车开发过程要求而设计的。它具有以下特点:1)模块化设计理念对各种汽车及动力总成配置进行研究和分析;2)智能化的司机模型根据人体反应真实再现车辆行为;3)发动机冷启动模型考虑了高等摩擦和热力学效应,模型更准确;4)弹性扭转轴单元可用来研究动力传动系统的低频振动;5)黑箱功能可植入用户模块和控制算法;6)与流体力学软件Flowmaster和KULI有接口,可进行汽车冷却系统性能仿真;7)考虑转向时车轮和车辆受力;8)与MATLAB/SIMULINK良好的接口功能,可方便进行CRUISE和MATLAB联合仿真,CRUISE完成汽车性能的模拟计算,用MATLAB/SIMULINK编写的控制程序在后台运行,提高了CRUISE的应用灵活性。

2 汽车建模方法和过程

    以某后轮驱动轿车为例,分析汽车结构和功能,利用CRUISE软件建立汽车仿真模型。

    2.1 模型前处理

    模型前处理主要是通过对原型车的结构和功能进行分析,简化物理模型,选择合理的子系统模块,搭建仿真模型,建立汽车系统的各总成和部件的物理连接和信号连接,并对各部件和总成进行参数化处理,完成汽车建模过程。

    2.1.1 原型车结构分析和子模型模块选择

    该轿车配备有125kW/5700mm汽油机,总重1690kg。布置形式是发动机前置后轮驱动,五挡机械变速箱,驾驶室只控制加速踏板、变速器、离合器和制动器踏板。根据结构和布置形式的分析,选用模型库中的汽车模块(Vehicle)、驾驶室模块(Cockpit)、发动机模块(Engine)、机械式摩擦离合器模块(Friction Clutch)、机械手动变速箱模块(GearBox)、单级减速器模块(Single Ratio,作为主减速器)以及车轮(Wheel)和机械制动器模块(Brake),发动机和传动系统以及汽车上其它耗能部件可用风扇模块(Auxiliary)替代。

    2.1.2 建立物理连接

    当各子系统模型选定之后,应根据汽车配置方案和部件连接关系建立模型的物理连接,该步骤相对简单,只须用connect连接功能建立物理连接,如图1所示,传动系各部件之间有直接的物理连接关系,车轮和制动器之间也有物理连接关系,但驾驶室(Cockpit)与动力传动系和制动系之间没有物理连接,在仿真过程中,它们之间是通过信号连接来传递信息。

汽车模型各子系统间物理连接

图1 汽车模型各子系统间物理连接

    2.1.3 建立信号连接

    信号连接是汽车建模过程中最关键内容之一,也有较大难度。要想正确建立汽车各子模型之间的信号连接关系,必须对汽车系统内部各部件之间的连接和控制关系、信息传递关系以及汽车动力学有深入的理解。如传统后轮驱动汽车,驾驶室(Cockpit)需要的转速信号来自于发动机转速,需要的挡位指示信号来自于变速器(Gear Box)的当前挡位;同样,制动器(Brake)需要的制动压力、摩擦离合器(Friction Clutch)需要的期望的结合程度、发动机(Engine)需要的负荷信号(Load)和起动开关(Start Switch)信号以及变速箱(Gear Box)需要的期望挡位信号都来自于驾驶室(Cockpit)。汽车系统模型各信号连接关系如图2所示,图形下方为定义各子模型间的信号连接关系,图形上方的细线为已经建立的信号线。

汽车模型各子系统间信号连接

图2 汽车模型各子系统间信号连接

    2.1.4 各子模块参数输入

    利用CRUISE进行汽车性能仿真的最大特点是各子系统的模块化设计以及子模型的参数化输入。CRUISE根据汽车同一子系统的不同结构,分别定制子系统模型,如根据变速器的不同类型机械式变速器(MT)、金属带式无级变速器(CVT)和自动变速器(AT),分别建立各自的子模型。当汽车系统仿真建模时,应用人员可根据汽车的配置选择合适的变速器子系统模型,各子系统模块与其它部件留有数据接口,各子系统参数通过参数输入界面输入,如图3所示。

模型参数输入界面

图3 模型参数输入界面

    2.2 仿真过程

    建模和参数输入完成之后,利用检查功能(check)来检查模型是否正确,如果通过检查,便可进行仿真。在仿真计算之前,要定制仿真任务。CRUISE根据汽车试验和性能分析要求,已经定制了7种计算任务,分别是:1)循环测试(Cycle Run);2)爬坡性能测试(Climbing performance);3)恒速驱动(Constant Drive);4)全负荷加速测试(FullLoad Acceleration);5)最大牵引力测试(MaximumTraction Force);6)巡航测试(Cruising);7)制动/滑行/倒拖(Brake/Coast/Thrust)。研究人员可根据仿真要求选择合适的计算任务并运行仿真,如图4所示。

仿真任务定制和运行仿真

图4 仿真任务定制和运行仿真

    2.3 后处理分析

    CRUISE的后处理功能非常强大,仿真计算完毕后,它自动将仿真结果以文件形式存于自定的目录中,可以用图形或数据表格等形式查阅和分析。

3 仿真结果分析

    3.1 燃油经济性

    采用UDC(urban district cycle)驾驶循环工况,基于准静态仿真(Quasi static),计算的循环百公里油耗为11.73L/100km。循环过程瞬态油耗如图5所示,汽车的瞬态油耗与行驶工况有关,怠速油耗约为1.25kg/h,加速过程中油耗随加速工况变化,速度越高,加速度越大,汽车的瞬态油耗约高,在加速过程中,瞬态油耗最大达3.6kg/h(约14.4L/100km)。按UDC驾驶循环统计,怠速时间占一个完整循环的25%(约50s),而怠速油耗约为瞬态最大耗油率的30%,为匀速行驶耗油率的60%,因此,合理控制汽车怠速和采用怠速关机等节油措施,将有利于降低循环百公里油耗。

UDC循环工况瞬态油耗

图5 UDC循环工况瞬态油耗

    3.2 全负荷加速性能

    图6为该车全负荷加速工况汽车加速曲线和加速过程中各挡的加速度曲线,可见,该车的最高车速达200km/h,0~100km/h加速时间为10.2s。从各挡的加速度曲线可以看出,低速低挡位汽车的加速度大,高速高挡位汽车的加速度小;为了获得最短加速时间,必须按加速度最大原则选择换挡时机;图6也表明了在换挡过程中动力出现瞬时中断,这是由于换挡过程需要换挡时间所致,对于轿车,换挡时间约为0.3~0.4s,对于载重汽车,换挡时间约为1.6~2.5s,因此,降低换挡时间对减少加速时间,提高汽车的动力性是非常重要的。

全负荷加速加速性仿真结果

图6 全负荷加速加速性仿真结果

    3.3 爬坡性能

    汽车爬坡性能是汽车动力性好坏的一个重要指标,图7为该轿车在不同挡位不同车速下的爬坡度曲线和发动机扭矩曲线。由一挡的爬坡度曲线可看出,该轿车的最大爬坡度i1max高达50%,即使直接挡的最大爬坡度i0max也有6%,该车良好的动力性使得在一级公路的山区重丘区高速行驶而无须换挡。

各挡爬坡性能仿真结果

图7 各挡爬坡性能仿真结果

    3.4 排放性能

    图8为该轿车排放性能仿真结果。按UDC驾驶循环测试,测试循环时间195s,行驶距离1.015km,各排放物排放量NOY为0.9849g,CO为5.004g,HC为1.046g;各排放物循环平均值NOY为0.97/3=0.32g/km,CO为4.93/3=1.98g/km,HC为1.03/3=0.34g/km。按欧-Ⅲ排放标准,C0=1.98<[2.3g/km],该项满足法规要求,而NOX=0.32>[0.15g/km]且HC=0.34>[0.2g/km],故此2项不满足欧一Ⅲ排放法规要求。

排放性能仿真结果

图8 排放性能仿真结果

4 结论

    论文论述了CRUISE软件功能和利用CRUISE软件进行汽车建模的方法和过程;并以某后轮驱动轿车为例,利用CRUISE软件模拟分析了该轿车的动力性、经济性和排放性能,得到了该车具有0~100km/h加速时间10.2s的良好动力性和循环百公里油耗11.73L/100km的燃油经济性,同时,也得出了该车排放性能不能满足欧一Ⅲ排放标准的结论。仿真结果也验证了基于CRUISE软件分析汽车性能的可行性。

责任编辑:程玥
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