周　瓊

(江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，江西南昌330013)

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CAE分析在汽車變速器傳動(dòng)比設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

周瓊

(江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，江西南昌330013)

摘要：針對(duì)國內(nèi)汽車企業(yè)普遍存在CAE技術(shù)應(yīng)用水平較低的現(xiàn)狀展開研究，以CM7新車型變速器匹配項(xiàng)目建立CAE分析，采用傳統(tǒng)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)作為約束條件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，再利用CAE成熟仿真分析軟件AVL-Cruise對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行仿真，綜合考慮計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果，甄選出一組最優(yōu)的變速器傳動(dòng)比，作為變速器傳動(dòng)比設(shè)計(jì)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞:CAE變速器傳動(dòng)比仿真分析

0引言

CAE技術(shù)在車輛工程中應(yīng)用十分廣泛，在國外經(jīng)過充分的發(fā)展，已經(jīng)成為設(shè)計(jì)階段的一個(gè)必不可少的技術(shù)環(huán)節(jié)[1]。我國的汽車CAE技術(shù)發(fā)展于90年代后期，在車型研發(fā)過程中對(duì)CAE技術(shù)的應(yīng)用水平不高，研究對(duì)象主要包括零部件、子系統(tǒng)、整車動(dòng)力與安全性能[2]，研發(fā)模式仍以逆向式為主，基于CAE技術(shù)的正向產(chǎn)品研發(fā)能力比較薄弱。本文通過將CAE分析軟件與傳統(tǒng)分析方法結(jié)合起來，在設(shè)計(jì)初期從整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性角度利用CAE分析軟件綜合考慮變速器的選型、速比匹配以及速比優(yōu)化，為提升汽車研發(fā)后期變速器匹配的效率、降低整車研發(fā)成本提供參考。

1汽車變速器傳動(dòng)比參數(shù)匹配計(jì)算

變速器檔位數(shù)及各檔傳動(dòng)比的確定，直接影響著汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合顧客的基本要求(傳動(dòng)效率≥ 90%，變速器總長≤759 mm)，通過匹配整車參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)來達(dá)到優(yōu)化整車性能的目的[3-4]。

1.1主要的整車參數(shù)及性能要求

整車的性能要求與發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)由客戶提供，如表1和表2所示。

表1

整車性能參數(shù)

表2

發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.2CM7整車仿真計(jì)算

圖1　Cruise分析流程圖

汽車動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有：最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度，單位行駛里程的燃油消耗量[5]。利用CAE對(duì)CM7新車型進(jìn)行建模仿真，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)上述性能進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，以達(dá)到匹配優(yōu)化變速器參數(shù)的目的[6]。

選用奧地利AVL公司的Cruise軟件來進(jìn)行CM7新車型CAE仿真分析，基本分析流程如圖1所示。

1.3Cruise軟件仿真

1.3.1CM7汽車動(dòng)力傳動(dòng)系仿真模型的建立

在Cruise中經(jīng)建立汽車各零部件的模塊，對(duì)每個(gè)部件設(shè)定動(dòng)力輸入、輸出接口，按照發(fā)動(dòng)機(jī)到輪胎的動(dòng)力傳輸路線依次連接，得到整車仿真模型[7]，整車各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)要與客戶提供的保持一致，對(duì)于建模需要但是客戶沒有提供的參數(shù)則按照相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)選取。參照相關(guān)技術(shù)參數(shù)建立發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器、主減速器、差速器、輪胎以及駕駛員模塊。在模型建立完成以后，通過Cruise軟件仿真平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的模擬計(jì)算[8]。

1.3.2CM7整車性能仿真計(jì)算

在模型搭建完成以后，根據(jù)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)際需求加載計(jì)算任務(wù)，包括穩(wěn)態(tài)行駛、爬坡性能、最大牽引力、滿載加速、制動(dòng)/滑行/反拖等[9]，本文的主要計(jì)算任務(wù)包括動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面。

在各種計(jì)算任務(wù)設(shè)置界面中輸入與之相對(duì)的參數(shù)進(jìn)行定義，定義完目標(biāo)計(jì)算任務(wù)后，點(diǎn)擊計(jì)算快捷鍵進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算界面如圖2所示。

圖2　任務(wù)計(jì)算界面

完成計(jì)算任務(wù)以后，可得到仿真計(jì)算結(jié)果：文字結(jié)果、數(shù)據(jù)結(jié)果、圖形結(jié)果。

2仿真計(jì)算結(jié)果分析優(yōu)化

2.1傳動(dòng)比匹配方案的優(yōu)選

根據(jù)顧客要求，進(jìn)行傳統(tǒng)傳動(dòng)比理論計(jì)算，綜合考慮:最大爬坡度、道路附著條件、最低與最高穩(wěn)定車速等條件計(jì)算出變速器的最大最小傳動(dòng)比及檔位數(shù)，再采用等比級(jí)數(shù)和偏置等比級(jí)數(shù)的方法匹配出各檔傳動(dòng)比方案，初步確定了傳動(dòng)比的范圍，在現(xiàn)有的變速器數(shù)據(jù)庫中，初步選用以下4組傳動(dòng)比，如表3所示，分別進(jìn)行仿真計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，選擇一組整車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性綜合性能最優(yōu)的速比。

表3

優(yōu)選匹配速比

2.2CM7仿真計(jì)算的輸出結(jié)果

以A組速比為例，進(jìn)行動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能兩個(gè)方面的仿真計(jì)算分析。

2.2.1動(dòng)力性能仿真計(jì)算結(jié)果

1)最高車速模擬計(jì)算結(jié)果：包括穩(wěn)態(tài)下汽車的理論最高車速、實(shí)際最高車速以及各檔位下的最高車速。速比A的圖形結(jié)果如圖3所示。

圖3　最高車速模擬計(jì)算結(jié)果

2)加速能力如圖4所示：以汽車的行駛速度為橫坐標(biāo)、加速度為縱坐標(biāo)來表示，五條曲線從上到下分別對(duì)應(yīng)1至5檔。加速能力對(duì)汽車平均行駛車速影響很大，理論上常用原地起步加速時(shí)間與超車加速時(shí)間來表明汽車的加速能力。

圖4　各檔最大加速度曲線圖

3)汽車原地起步連續(xù)換檔圖如圖5所示：以時(shí)間為橫坐標(biāo)，加速度為圖中曲線1表示，從左到右依次為1至5檔；相應(yīng)的車速與行駛里程分別對(duì)應(yīng)圖中曲線2與曲線3，曲線1、2、3的縱坐標(biāo)從左至右表示，仿真結(jié)果顯示：該車車速由0加速到100 km/h所用時(shí)間為13.11 s，此時(shí)汽車檔位為3檔。

圖5　汽車原地起步連續(xù)換檔圖

4)超車性能曲線圖如圖6所示：模擬計(jì)算出汽車從特定起始車速到目標(biāo)車速(中間的曲線)的加速時(shí)間(橫坐標(biāo))，可以考慮換檔加速或不換檔加速兩種情況。此次計(jì)算任務(wù)設(shè)置為從80 km/h到140 km/h不換檔的加速時(shí)間計(jì)算。

圖6　超車性能曲線圖

5)爬坡性能如圖7所示：圖中5段實(shí)線從上至下描述的是1檔至5檔不同速度(橫坐標(biāo))情況下的爬坡度(縱坐標(biāo))；細(xì)實(shí)線是附著利用率，(即發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力與路面附著力的比值)，粗實(shí)線是爬坡性能，當(dāng)附著利用率大于1時(shí)，不符合道路附著條件，達(dá)不到理論的爬坡度，一般情況下取值為0.8。

圖7　爬坡性能曲線圖

2.2.2經(jīng)濟(jì)性能仿真計(jì)算結(jié)果

1)循環(huán)工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性：圖8為A組速比下CM7汽車在UDC(Europe City Cycle ECE.R15)循環(huán)工況下等速燃油消耗量圖。圖中橫坐標(biāo)為車速，右縱坐標(biāo)為油耗標(biāo)尺，左縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)壓力；陰影部分為功率區(qū)，由深至淺油耗逐漸下降。

圖8　循環(huán)工況等燃油消耗圖

2)穩(wěn)態(tài)下各檔最高車速及燃油消耗量：圖9為CM7汽車在A組速比下的穩(wěn)態(tài)工況計(jì)算任務(wù)測試結(jié)果圖。

圖9　穩(wěn)態(tài)行駛工況測試結(jié)果圖

測試結(jié)果數(shù)據(jù)包括：汽車在穩(wěn)定工況下行駛時(shí)各個(gè)檔位的最高車速(虛直線)，所有檔位不同車速下的穩(wěn)態(tài)百公里油耗(實(shí)曲線)。

3)工況點(diǎn)分布圖：通過圖10可以判斷該發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域與理論上經(jīng)濟(jì)性最佳區(qū)域之間的關(guān)系。

圖10　等燃油消耗率圖

等燃油消耗率曲線主要反映在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷情況下的燃油消耗率，圖中橫坐標(biāo)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，左縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)扭矩，曲線部分為扭矩與轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系圖；右縱坐標(biāo)為油耗，由深至淺為逐漸降低，圖中深色方塊所覆蓋的區(qū)域表示車輛在循環(huán)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率是指在特定工況點(diǎn)的扭矩和同轉(zhuǎn)速下最大扭矩的百分比，一般情況下負(fù)荷率越大，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率就越高，油耗越低[10]。在此圖上可以看到油耗最低區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率也最高。

3動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性綜合評(píng)價(jià)分析

對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)選，以汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)作為響應(yīng)，根據(jù)實(shí)際使用情況的需要，選擇以下5個(gè)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，綜合循環(huán)工況下的百公里油耗和5檔100 km/h的等速油耗作為燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，將CM7汽車在四組不同速比下的Cruise軟件仿真分析計(jì)算結(jié)果歸納如表4所示。

表4

整車性能參數(shù)

由于汽車的動(dòng)力性能與燃油經(jīng)濟(jì)性能是無法兼顧的，因此在汽車的動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性之間選取一個(gè)最佳的折中點(diǎn)使得汽車的綜合性能指數(shù)達(dá)到最優(yōu)[11]。將這個(gè)綜合性能指數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)f(x)，將動(dòng)力性T(x)與燃油經(jīng)濟(jì)性Q(x)按重要程度的不同分別賦予不同的加權(quán)因子ω1、ω2，即：

f(x)=ω1T(x)+ω2Q(x)

根據(jù)車型特點(diǎn)，在保證汽車動(dòng)力性能達(dá)到要求的前提下，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，其加權(quán)因子賦值宜為：ω1取0.4，ω2取0.6[12]。將加權(quán)因子的值及仿真計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)代入到目標(biāo)函數(shù)中計(jì)算，得出四組速比的綜合性能指標(biāo)水平如表5所示。

表5

計(jì)算結(jié)果分析

從而得出綜合性能最佳的一組變速器速比是C組。采用C組參數(shù)配置，不僅滿足了CM7汽車的動(dòng)力性能需求，其燃油經(jīng)濟(jì)性也是四組參數(shù)中最高的，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

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Application of CAE analysis in the design of automotive transmission ratio

ZHOU Qiong

Abstract:Considering the low level of application of CAE in domestic automotive industry, we adopted CAE analysis for the transmission matching for the CM7 vehicle. The power performance and economical efficiency were used as constraint conditions for the optimization, and CAE simulation software AVL-Cruise was adopted to simulate the calculations. In the end, the optimum transmission ratio was selected for the design of automotive transmission ratio.

Keywords:CAE; transmission; transmission ratio; simulation; analysis

收稿日期：2015-12-09

作者簡介：周瓊(1989-)，女，工學(xué)碩士，江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，研究方向：CAE技術(shù)研究。

中圖分類號(hào)：TP391.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)02-0050-05