AVL-Cruise整车性能计算分析流程与规范

31Q/FT B204-2005AVL-Cruise计算分析整车性能的流程与规范1 模型的构建要求1.1 整车动力性、经济性计算分析参数的获取收集和整理关于该车的整车配置组件参数数据。主要包括发动机动力性、经济性参数；变速箱档位速比参数；后桥主减速比参数；轮胎参数；整车参数等。具体参数项目见附录1。1.2 各配置组件建模1.2.1 启动软件在桌面或程序中双击AVL-Cruise快捷图标，进入到AVL-Cruise用户界面，点击下图所示工具图标，进入模型创建窗口。进入模型创建窗口1.2.2 建立整车参数模型进入模型创建窗口后，将鼠标选中Vehicle Model，鼠标左键点击整车图标，按住左键将图标拖曳到建模区，如下图所示：双击整车图标后打开整车参数输入界面，根据参数输入要求依次填写数据：Author：此处填写计算者,不能用中文，可以用汉语拼音和英文，该软件所有填写参数处均不能出现中文。Comment：此处填写分析的车型号。Notice1、Notice2、Notice3：此处填写分析者认为需要注意的事项，比如特殊发动机型号等，没有可以不填。试验台架支点高度：100整车总重整备质量迎风面积风阻系数前轮举升系数后轮举升系数轴距牵引点到前轴距离内外压差：0油箱容积空载、半载、满载下整车重心到前轴中心距离、重心高度、鞍点高度、前轮充气压力、后轮充气压力内外温差：0注解说明，可以不填作者名称、注解说明，可以不填1.2.2.1 整车参数数据填写规则序号驾驶室形式迎风面积风阻系数备注1奇兵车身（平顶）5.0（1830*2760）0.7迎风面积=前轮距*整车高度2奇兵车身（高顶）6.422（1900*3380）0.7536系、9系平顶车身61(2020*3020)0.8重卡风阻系数参考值：0.7-146系、9系高顶车身7.0（2020*3460）0.95高顶加导流罩7.3（2020*3637）0.921.2.3发动机模型建立进入模型创建窗口后，将鼠标选中Engine Model，鼠标左键点击发动机图标，按住左键将图标拖曳到建模区，如下图所示：双击发动机图标后打开发动机参数输入界面，根据参数输入要求依次填写数据：达到全功率响应时间0.1S缸数燃油密度热值燃油类型惯量冲程数额定最高转速发动机工作温度怠速转速发动机排量注解说明作者名陈、注解说明是否有增压器型号1.2.3.1 发动机参数输入规则序号发动机惯量达到全功率的响应时间柴油热值柴油密度1参考值：1.25参考值：0.1参考值：44000kj/kg0.82kg/L231.2.3.2 发动机外特性曲线输入 按照图示箭头位置单击按钮，弹出外特性输入窗口：此处根据厂家提供的发动机数据输入转速与扭矩关系 发动机转速与扭矩的关系从外特性数据表中可以直接得到；填写时注意对应关系即可。1.2.3. 3 发动机万有特性曲线输入此处根据厂家提供的发动机数据输入转速、扭矩、燃油消耗率的关系数据发动机万有特性数据的输入需要注意数据与单位一致；当万有特性数据只有相对油耗（g/kwh）数据时，发动机的万有特性数据输入需要使用Properties选定指定油耗图来输入数据，如下图: 通过选定指定油耗图弹出：Specific Consumptoin Map窗口，在这个窗口里分别输入转速、BMEP、燃油消耗率的对应数据关系。其中BMEP=2*3.14*n（转速）/V（排量）。1.2.4变速箱模型建立 将变速箱模块拖曳到建模窗口中。双击图标后弹出变速箱对话框：添加注解或评论单击此处输入速比添加注解或评论此处输入变速箱各档位速比1.2.5离合器模型建立 将离合器模块拖曳到建模窗口中。单击离合器模块弹出离合器对话框：输入惯量参考值：1.35；输出惯量参考值：0.11输出惯量最大传递扭矩输入惯量添加注解单击Pressure弹出压盘力窗口如下图：压盘力单击此处此处填写离合行程与压盘力的关系曲线离合行程1.2.6后桥主减器模型建立 如下图单击鼠标左键弹出Gear Box控制模块，鼠标左键选中Single Ratio并拖曳到建模窗口：鼠标左键双击Single Ratio弹出主减速器参数窗口：输出惯量：参考值0.02输入惯量：参考值0.02速比注解注解效率：参考值0.94单击此处弹出对话框1.2.7轮间差速器模型建立 鼠标左键将差速器图标拖曳至建模窗口，如下图：双击差速器图标弹出数据窗口，如下：输出惯量：参考值0.02输出惯量：参考值0.02输入惯量：参考值0.02扭矩分配因子：1选择是否锁止注解注解1.2.8制动器模型建立 鼠标左键选中图标并拖曳至建模窗口，如下图： 鼠标左键双击制动器图标，填出制动器数据窗口，如下图：惯量：参考值1.0制动力作用半径制动因子：盘式为1；鼓式大于1制动效率摩擦系数制动缸面积注解注解1.2.9轮胎模型建立鼠标左键选中Wheel图标并拖曳至建模窗口，如下图：鼠标左键双击Wheel图标弹出数据对话框，如下图：参考轮荷轮荷修正系数参考值：0.02惯量：参考值5.0轮胎摩擦系数注解注解 单击Rolling Radius弹出数据对话框，如下图：根据最高车速试验条件为设计满载质量下的测量的，因此，此处轮胎半径统一给静态负荷下半径动态半径静态半径单击Rolling Resistance弹出数据对话框，如下图：滚动阻力参数输入数值表轮胎与地面的滚动阻力参考滚动阻力参数输入数值表输入数据。需要注意的是：轮胎模型数据输入完成后，要通过单击Properties弹出的对话框中指定轮胎的位置前、后、左、右，如下图：1.2.10驾驶员模型建立鼠标左键选中驾驶室图标并拖曳到建模窗口，如右图所示： 单击图标弹出数据对话框，如下图：缓速器级数踏板制动力前进档数注解注解换档方式倒档数鼠标左键单击Acceleration Pedal Characteristic弹出数据对话框如下图：在此对话框中输入加速踏板与油门开启比例的对应关系；通常参考图中给出的数据填写；与此类似，依次点击Clutch Pedal Characteristic和Brake Pedal Characteristic按钮，可以依次弹出离合踏板与离合行程、制动踏板与制动压力的对应关系对话框，其数据填写与加速踏板一样。注意：以上各组件数据的填写除了表明使用参考数据外，其余参数均应以实际数据填写。2、整车模型的搭建2.1 平板车、自卸车8*4整车模型 各组件模块均拖曳到建模窗口并填好数据后，如下图将各组件按照动力传递的顺序连接起来。2.2 平板车、自卸车6*4整车模型3、计算任务的设定根据软件的设计和整车技算的需要，应设定如下计算任务：3.1、全负荷加速度计算任务 其中包括三个子任务：3.1.1、各档位最大加速度计算工况：此工况可以得到各档位下的最大加速度。3.1.2、起步连续换档加速度计算工况：此工况可以得到起步连续换档到某一车速时的加速时间。3.1.3、直接档加速度计算任务：此工况可以得到直接档在某一车速下加速到另一车速下的加速时间。3.2、等速巡航计算工况3.2.1、各档位等速油耗计算工况：此工况可以计算出各个档位在设定车速下的等速百公里油耗。3.2.2、最大车速计算工况：此工况可以计算出整车最大车速。3.3、爬坡计算工况：此工况可以计算各档位最大爬坡度。3.4、最大牵引力计算工况：此工况可以计算出各档位的最大牵引力，而且功率平衡图也是这一工况计算得出的。3.5、制动滑行工况：此工况可以计算制定车速下整车的制动距离和制动时间。3.6、计算任务加载方式前面涉及到的各种计算任务其加载方法是一样的，方法如下：3.6.1、如下图鼠标右键单击Project弹出子菜单，鼠标左键在子菜单上选中addTask Folder添加到项目中。3.6.2、建立完任务夹后，如下图，鼠标右键单击Task Folder弹出子菜单，鼠标左键在子菜单上选中所需的计算任务：比如，全负荷加速时间、等速油耗、爬坡性能、牵引力、制动滑行等。 在各计算任务数据输入时注意选择与计算任务相适应的参数设置。4、计算结果输出4.1、计算数据输出整车模型建立完成，经过检查无误后可以进行计算，计算输出的数据主要有：输出项目整车配置备注动力性最高车速（km/h）最大爬坡度（%）原地起步连续换档至最高车速80%时加速时间直接档最低稳定转速加速到最高车速80%时加速时间最大牵引力（N）初速度50km/h制动距离（mm）初速度50km/h制动时间（S）功率储备（最高档加速度m/s2）制动减速度a=v2/2s（m/s2）经济性L/100km最高档等速30km/h等速40km/h等速50km/h等速60km/h等速70km/h等速80km/h综合计算值次高档等速30km/h等速40km/h等速50km/h等速60km/h等速70km/h等速80km/h综合计算值注：根据交通部发布的“营运货车燃料消耗限制和测量方法”的规定，营运货车的燃料消耗按照综合油耗计算，其计算公式： 因此，在计算完各档位等苏油耗的基础上要根据以上的权重系数和计算公式进行综合油耗的计算。4.2、计算图输出：4.2.1、功率平衡图输出:如下图所示，在Result Manager中左键单击traction force 文件夹，在弹出的下拉数据中左键单击Suumation of Wheel Power即可在右侧显示功率平衡图。4.2.2、爬坡度曲线图：如下图所示，在Result Manager中左键单击traction force 文件夹，在弹出的下拉数据中左键单击Climbing Performance 图标即可在窗口右侧显示爬坡性能曲线图。补充：考虑挂车情况下的牵引车建模 考虑挂车情况下的牵引车建模模型如下图所示：带挂车的牵引车建模模型 挂车参数输入：整车总质量挂车整备质量填0鞍点到挂车轴考虑挂车的整车风阻是通过公式：计算得出的。因此，需要输入整车风阻系数、迎风面积和考虑挂车后被挂车挡住减少部分时的风阻系数、迎风面积等，具体参见下图：风阻系数输入列表：此数据中需要输入整车风阻系数、迎风面积和被挂车挡住后减少的迎风面积之间的关系；该数据需要试验获得迎风面积输入列表：此数据中需要输入整车风阻系数、迎风面积和被挂车挡住后减少的迎风系数之间的关系；该数据需要试验获得 带挂车的牵引车模型虽然可以建立，但是挂车与整车之间的风阻系数、迎风面积、挂车减少后的风阻系数、迎风面积之间的关系却没有试验数据可以支撑，因此建立此详细模型需要一定的数据支持！如果没有详细的挂车模型参数，则仍然借用原有的将挂车等效到牵引头上的简化牵引车模型进行计算，其误差相差不大！说明 以上是运用Cruise进行模型建立的基本数据输入、模型搭建、计算任务、结果输出等基础知识，部分内容尚未完善，今后会随着计算需求的改变和提高进行及时的修正。 1 汽车的纵向动力学分析纯电动汽车的行驶方程为式中，驱动力；滚动阻力空气阻力坡度阻力加速阻力纯电动汽车的驱动力可以表示为纯电动汽车的滚动阻力可以表示为纯电动汽车的空气阻力可以表示为纯电动汽车的坡道阻力可以表示为纯电动汽车的加速阻力阻力可以表示为。将上述方程进行综合得到：算法一：physical 科学算法只需要知道frontal area:迎风面积，drag coefficient:风阻系数，前轮举升系数，后轮举升系数，该算法往往与实际结果又一定偏差。在有条件的前提下，最好使用下面的算法；算法二：characteristic with reference vehicle该算法需要将车速和阻力逐个算出来，绘出曲线图:在这里我们假设车辆在平直路面山匀速行驶，其坡道阻力为0，加速阻力为0则=+其关系式为：Ft=(m+100)gcf0+f1(ua/100)+f4(ua/100) 1/4+式中的f0 ，f1 ，f4推荐范围如下：SRHRSR-M+Sf00.00720.0120.00810.00980.00850.012F10.000250.00280.00120.00250.00250.0034F40.000650.002以上0.00020.00040.00050.001算法三：Function without reference vehicle根据算法二的公式和推荐值，可以算出以上方程的三个系数，Constant part:常数项=（m+100）gcf0 Linear part ：一次项=（m+100）gcf1/100汽车静止时，车轮与地面接触区法向反作用力分布是前后对称的，其合力垂直接触面指向轮心（经接触面的车轮中心垂线n-n）；当车轮滚动时，以从动轮等速滚动为例，接触区法向反作用力的分布前后不对称，合法向反作用力FZ1向前偏移了一段距离a ，见图2-8。这是因为轮胎与地面接触区的前端处于压缩行程，而后端处于松弛行程，因而接触面前端法向力大于后端法向力。如果将合法向反作用力后移距离a 至车轮中心的垂线n-n，则有阻碍车轮滚动的阻力偶矩Ff1。从动轮等速转动时，受力平衡方程为 (2-23) 式中：W1 为重力；Fp1为水平推力。 要使从动轮在刚性路面上等速滚动，必须在轮心上作用水平推力Fp1，与接触面的切向反作用力构成力偶矩来克服滚动阻力偶矩Tf1。即 (2-24) 令f=/r ，则 或 (2-25) 式（2-25）表明，滚动阻力可视为车轮在一定条件下滚动时所需的推力与车轮负荷之比，或单位汽车重力所需之推力。也就是说，滚动阻力等于汽车滚动阻力系数与车轮负荷的乘积，即 (2-26) 这样，人们在分析汽车行驶阻力时，不必考虑车轮所受到的滚动阻力偶矩Tf,而只要知道滚动阻力系数就可求出滚动阻力Ff 。注意：滚动阻力Ff 是无法在受力图上表现出来，只是为了便于计算分析，而引进的一个在数值上等于轮缘地面切向反作用力Fx的值，这将有利于动力学分析。 图2-9是驱动轮在刚性平直路面上等速行驶时的受力分析图。图中Fx2 是车轮驱动力矩Tt 对支承路面作用力在轮缘上的切向反作用力，W2为重力，Fp2 是车轴对轮胎中心的水平作用力。则驱动轮受力平衡方程为 (2-27) 由式（3-27），可导出 Tt/r=Fx2+Fz2/r (2-28) 其中 ，则 Fx2=Ft-Ff2 (2-29) 将图2-2和图2-9比较可发现，前者未考虑车轮滚动阻力而求得车轮驱动力Ft 。实际上作用在驱动轮上驱动汽车前进的力是地面切向反作用力Fx2 。它在数值上等于驱动力Ft 减去滚动阻力Ff2 。 滚动阻力与路面的类型与路况、行驶车速以及轮胎的结构、材料、充气压力、磨损情况等有关。 有人对轿车轮胎试验发现，车速低于100km/h，滚动阻力逐渐增加，但变化不大；当车速超过140km/h时，滚动阻力增加很快；当车速达到某一临界车速（200km/h），滚动阻力迅速增加，见图2-10。此时，轮胎发生驻波现象，轮胎轮缘呈现明显的波浪状。除了阻力快速增加，轮胎温度也很快增加100以上，胎面与帘布层脱落，数分钟后就会出现爆胎。这是高速行驶车辆的一种很危险工况。 轮胎的结构、材料、帘线对f 的影响也很大。子午线轮胎f小，天然橡胶f低。轮胎充气压力对滚动阻力系数f 影响也较大，见图2-11。轮胎充气压力降低时，轮胎变形增大，迟滞损失增加，而使滚动阻力f 增加。据德国奥迪试验表明，轮胎气压比规定压力增加10，可有较好的节油效果。且不降低轮胎的适用寿命。但是，轮胎充气压力不可过高，否则就会降低轮胎寿命和增加道路早期损坏。驱动轮的轮胎大于从动轮的滚动阻力。这是因为在驱动力矩作用下，胎面与接触地面存在一定的滑动，增加能量损耗。驱动力越大，滚动阻力系数越大。 汽车转弯行驶时，轮胎发生侧偏现象，滚动阻力增加。例如，通用公司DFW1100型34.5吨半挂车汽车在半径33m的圆周行驶试验表明，转弯行驶的滚动阻力比直线行驶时增加50%100%。 通常，滚动阻力系数通过试验确定。试验方法有室内底盘测功机、道路滑行试验以及汽车牵引负荷车试验等滚动阻力系数测试方法。道路设计和施工部门也有利用势能与摩擦功守恒的原理，采用摆式摩擦系数测试仪测试轮胎滑动阻力系数。汽车动力性分析的实际中，人们通常根据经验直接选用滚动阻力系数。表2-5给出了汽车在不同路面上以中、低车速行驶时，滚动阻力系数的大致数值。 表2-5 车轮滚动阻力系数路面类型滚动阻力系数路面类型滚动阻力系数沥青或混凝土路面（新）沥青或混凝土路面（磨旧）碎石路面卵石路面（平）卵石路面（坑洼）压实土路（干燥）0.0100.0180.0180.0200.0200.0250.0350.0300.0350.0500.0250.035压实土路（雨后）泥泞土路(雨季或解冻期)干砂湿砂结冰路面压实雪道0.0500.1500.1000.2500.1000.3000.0600.1500.0150.0300.0300.050行车速度对滚动阻力系数影响很大。低速行驶时，滚动阻力近似与车速成正比显得线性关系；高速时滚动阻力近似与车速成平方关系。表2-6是一些常见的轮胎滚动阻力系数经验公式。 表2-6 轮胎滚动阻力系数近似公式序号公式适用条件1f=0.0076+0.000056ua 载货汽车轮胎2f=0.01(1+ua/160) 载货汽车轮胎3f=0.066+0.0000286ua 重型载货汽车斜交轮胎4重型载货汽车子午线轮胎5轿车子午线轮胎 SRHRSR冬夏两用轮胎f0 0.00720.01200.00810.00980.00850.0120f1 0.000250.00280.00120.00250.00250.0034f2 0.000650.0020.00020.00040.0050.00106f=f0+f1+f2ua2 轿车子午线轮胎与硬路面相比，车轮在柔性路面（土路、草地、砂土、雪地）上运动时，还需要克服附加滚动阻力。附加阻力包括接触面材料被压缩和移动行程的车辙阻力和轮辙与轮胎之间的摩擦力（见图2-12）。柔性路面的附加滚动阻力与轮胎对地面的压强有关（见图2-13）。在柔性路面行驶时，降低轮胎充气压力对降低滚动阻力有利。在积水硬路面运动的车轮与路面之间存在三个区域：水膜区、过渡区和接触区，见图2-14。在过渡区轮胎已有变形，与道路有局部接触；而在接触区轮胎与路面之间才完全接触传递力。轮胎排挤水层就行程了排水阻力Fs ，即 (2-30) 式中：h 为水膜厚度；b 轮胎被水膜覆盖部分的宽度；P 水的密度；u 轮胎排水速度。图2-15为排水阻力系数fs （fs=Fs/Fx）随水层的厚度和速度变化的关系。当水层厚度较大时，速度超过一定值后，将出现水滑现象（Hydroplanning），使轮胎完全被水层浮起，使fs 值为定值，而与速度u 无关。此时，汽车基本丧失转向、制动能力。如果车轮也受到侧向力Fy的作用，例如转弯或变更车道行驶，车轮运动方向不垂直其轴线，而是车轮平面与运动方向成某一角度，即侧偏角。此时，滚动阻力将增加。 如图2-16所示，当侧偏角为 时，滚动阻力Ff 为 Ff = F f0cos + Fysin (2-31) 式中：Ff0 为直线行驶的滚动阻力；Fy为侧向力。Fq=Fysin 就是曲线行驶的附加阻力在行驶方向的分量。若定义附加滚动阻力系数Fq为 fq=fq/Fz (2-32) 则附加滚动阻力系数fq 与侧偏角 的关系如图2-17所示。当侧偏角 较小时，侧向力Fy与侧偏角 近似成正比，即 。 对于前束角度为 的汽车，在直线行驶时，相当于同一轴的每个车轮的侧偏角为/2,见图2-18。因前束而引起的附加阻力Fqi 为 (2-33)当=1 时，Fqi 约为整车阻力的3%。汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力，称为空气阻力Fw 。据测试，一辆以每小时100公里速度行驶的汽车，发动机输出功率的80被用于克服空气阻力，减少空气阻力，就能有效地改善汽车的行驶经济性。 空气阻力由压力阻力和摩擦阻力两部分组成。 压力阻力是作用在汽车车身的法向压力在汽车行驶方向的分量见图2-19。压力阻力主要由压差、诱导和内循环阻力组成。压差阻力主要与汽车的形状有关，约占58；诱导阻力主要来自汽车的突出部件，如后视镜、门把手、导水槽、驱动轴、悬架导向杆等，约占14；内循环阻力，是指因发动机冷却系、车身通风等需要气流流过汽车内部产生的阻力，占12；诱导阻力是指空气升力在水平方向的分力，占7。汽车周围包围着空气。汽车向前运动时，附在车身表面的空气附面层随之运动，当车身与空气相对速度增加时，附面层被破坏而离开车身表面，在后面形成紊乱而破碎的气流，便是涡流。由于汽车形状不是“理想的流线型”，在车位尾存在涡流分离现象。汽车的空气压差阻力就是由于车身后部存在涡流区而产生的。如图2-20所示，汽车仅在前部很小的区域存在层流，其余大部分区域的气流状态都是紊流。气流在前窗凹角有一个局部分离区形成局部涡流，在顶盖后缘再次分离以致扩展至尾部，形成尾部涡流区。汽车上部和底部的空气压力不同，引起横向气流和车辆的升力，横向气流也会在车身表面产生涡流分离现象，造成压差，产生所谓诱导阻力，见图2-21。汽车空气阻力中的摩擦阻力是由于空气的粘性在车身表面产生的切向力造成的。当气流流过车身时，因粘性的作用，空气微团与车身表面发生摩擦而阻碍了气体的流动，而形成的一种阻力称为空气摩擦阻力。汽车的空气摩擦阻力很小，约占9。 在汽车行驶速度范围内，空气阻力与气流相对速度的动压力 成正比，即 (2-34) 式中：CD空气阻力系数，一般为雷诺数Re的函数（在车速较高、动压力较高而相应气体的粘性摩擦较小时，CD将不随Re而变化）；为空气密度，一般视为常数；A为汽车正投影面积，通常称为迎风面积(m2)；ur汽车相对空气的的速度（m/s）。影响空气Fw的设计因素是空气阻力系数CD和迎风面积A。由于乘坐空间的制约A变化不大。近年来空气动力学设计取得了很大进展，其中CD变化较大。20世纪50年代至20世纪70年代,CD0.40.6,20世纪90年代CD0.250.4，目前某些概念车CD0.20。CD的大小对轿车（高速）的性能影响极大。图2-22 是大众集团汽车空气阻力系数的逐年变化情况。表2-7为汽车空气阻力系数CD和迎风面积A的变化范围。表2-8为典型轿车空气阻力系数。表2-7 汽车空气阻力系数CD 和迎风面积A 的变化范围车型 迎风面积Am2 空气阻力系数CD I说明 轿车 1.72.