AVL_CRUISE_2014_整车经济性动力性分析操作指导书

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AVL CRUISE纯电动汽车经济性动力性 分析操作指导书

张克鹏

目 录

第一章 AVL Cruise 2014 简介 .................................... 2

1.1 动力性经济性仿真集成平台 ............................................................................................ 2

1.2 AVL Cruise建模分析流程 ................................................................................................. 3

1.3 主要模块功能 .................................................................................................................... 4

1.4 AVL Cruise计算任务的设定 .......................................................................................... 9

第二章 汽车零部件模型建立 ..................................... 14

2.1.软件启动 ........................................................................................................................... 14

2.2.Project创建 ...................................................................................................................... 15

第三章 整车动力经济性分析模型连接 ............................. 44

3.1.部件之间物理连接 ........................................................................................................... 44

3.2.部件之间信号连接 ........................................................................................................... 45

第四章 整车动力经济性分析任务设置 .............................. 49

4.1 爬坡性能任务制定 .......................................................................................................... 50

4.2 等速百公里油耗分析 ...................................................................................................... 53

4.3 最大车速分析 .................................................................................................................. 56

4.4 循环工况油耗分析 .......................................................................................................... 59

4.5 加速性能任务制定 ........................................................................................................ 62

第五章 计算及分析处理 ......................................... 65

5.1. 计算参数设置 ................................................................................................................. 65

5.2. 分析处理 ......................................................................................................................... 65

第六章 整车动力性/经济性计算理论 .............................. 71

6.1 动力性计算公式 .............................................................................................................. 71

6.1.1 变速器各档的速度特性 ............................................................................................. 71

6.1.2 各档牵引力 ................................................................................................................. 71

6.1.3 各档功率计算 ............................................................................................................. 72

6.1.4 各档动力因子计算 ..................................................................................................... 72

6.1.5 最高车速计算 ............................................................................................................. 72

6.1.6 爬坡能力计算 ........................................................................................................... 73

6.1.7 最大起步坡度 ............................................................................................................. 74

6.1.8 加速性能计算 ............................................................................................................. 74

6.1.9 比功率计算 ................................................................................................................. 76

6.1.10 载质量利用系数计算 ............................................................................................... 76

6.2 经济性计算公式 ............................................................................................................ 76

6.2.1 直接档（或超速档）等速百公里油耗计算 ............................................................. 76

6.2.2 最高档全油门加速500m的加速油耗（L/500m） ................................................ 77

6.2.3 循环工况百公里燃油消耗量 ................................................................................... 78

第一章 AVL Cruise 2014 简介

1.1 动力性经济性仿真集成平台

AVL Cruise是AVL公司开发的一款整车及动力总成仿真分析软件。它可以研究整车的动力性、燃油经济性、排放性能及制动性能，是车辆系统的集成开发平台。AVL Cruise软件已经成功的在整车生产商和零部件供应商之间搭建起了沟通的桥梁。

该软件与其他整车仿真工具相比，具有以下主要特点：

1.通过模块化的建模方式，可以快速将传统车辆改变为先进动力传动系统，并支持分层建模，方便客户管理各个子系统。

2.Cruise内置了很多基于汽车工程应用的计算任务。主要有循环工况任务、巡航工况任务、最大爬坡度计算任务、稳态行驶性能任务、全负荷加速性能任务、制动/滑行/反拖任务以及最大牵引车计算任务等。

3.有大量的电气部件，可用于电动汽车或者混合动力汽车的开发；立体式全方位的接口，便于进行整车集成测试；也可以对先进动力传动系统进行分析评价，例如：AT、AMT、DCT和GSI等，其中的GSP模块可进行换挡规律的生成和优化。

4.根据预先设定的动力性、燃油经济性或者排放性指标，可以进行动力参数匹配计算和动力总成匹配计算。

5.内置Function函数，用户可以根据自己的需求编写控制策略。

6.Cruise软件可以与AVL In-Motion、dSPACE和ETAS等硬件系统进行耦合仿真，实现车辆动力总成系统的实时(Real Time)仿真；

也可以调试和分析控制系统，缩短了开发时间并且提高幵发速度。

7.可同时进行正向仿真和逆向仿真。正向仿真是指驾驶员根据车速要求，通过调整油门踏板和制动踏板，使实际车速跟随目标车速的过程，这个过程由于存在驾驶员的主观意识和调整过程，因此实际车速会围绕目标车速呈小幅波动趋势，波动的幅度与控制器的控制特性有关；逆向仿真是指根据车轮的转矩(功率)需求逆向推导发动机的输出转矩；只要该需求转矩在发动机可提供的范围内，逆向仿真可确保实际车速与目标车速完全一致。

8.采用与Oracle对接的数据库管理体系，便于进行系统的管理和资源分配，提高了数据管理的安全性，同时方便实现Cruise软件不同使用群体之间的数据交换和数据读取；强大的数据搜寻和对比功能，使用户在面对大量的数据的情况下可根据自己设定的边界条件便捷的进行数据的获取和对比。

1.2 AVL Cruise建模分析流程

在Cruise软件中建立仿真模型时，需要按照一定的流程图逐步建立整车模型。这样可以避免不必要的错误，防止数据的遗漏，保证仿真过程的顺利进行。在建模过程中，推荐的仿真流程图如1所示。

图1 AVL Cruise建模分析流程图

1.3 主要模块功能

Vehicle模块

Vehicle模块是每个模型的基本组件，在该组件中可以定义车辆的基本尺寸、重量等参数。每个模型只能有一个Vehicle模块。该组件可以计算得到车轮动态载荷、空气阻力、滚动阻力、坡度阻力、加速阻力以及车辆总阻力。Vehicle模块参数输入主界面如图2所示。

图2 Vehicle模块参数输入主界面

在Vehicle模块中，需要输入的主要参数有：油箱容积、较接点到前轴的距离、轴距、台架试验台的固定点到地面的距离、重心到前轴的距离、重心高度、前后轮胎压、整备质量、满载质量、迎风面积、空气阻力系数以及前后轴升力系数等。

Engine模块

Engine模块是通过特性曲线和Map图来建模的。理论上，要求使用在试验台架测定的燃油消耗和废气排放图。这些Map图是在发动机的某一工作温度时测定的。而在冷起动模拟时，可以采用温度和摩

损模块来考虑燃油消耗和废气排放的增加。

如果再输入增压器的一些附加特性(增压器工作压力，进气温度等),就可以研究增压器对全负荷加速时间的影响。

发动机的数据可以根据新发动机的排量进行相应地缩放。所有与发动机排量相关的数据都要乘以发动机的排量比。Engine模块的输入参数主界面如图3所示。

图3 Engine模块参数输入主界面

在Engine模块中需要输入的主要参数有：发动机排量、气紅数、冲程数、发动机怠速转速与最高转速、发动机转动惯量、发动机响应时间、燃油热值以及燃油密度等。

Clutch模块

Clutch模块用于模拟手动变速箱的摩擦式离合器模型，最大传递转矩是摩擦式离合器的主要性能。最大传递转矩可以通过输入的结构尺寸参数来计算，也可以直接输入。Clutch可以由Driver通过离合器踏板行程控制，或者由Clutch Control、Clutch Program来控

制。Clutch模块的输入参数主界面如图4所示。

图4 Clutch模块参数输入主界面

该模块需要输入的主要参数有：离合器输入、输出转动惯量、离合器所能传递的最大转矩、离合器摩擦片的内外工作半径、摩擦面数等。

Gear Box 模块

Gear Box模块中，考虑了传动比、转动惯量和转矩损失等因素，将驱动端的输入转矩转换成动力输出端的输出转矩。Gear Box模块的输入参数主界面如图5所示。

图5 Gear Box模块参数输入主界面

该模块需要输入的主要参数有：挡位数目、各个挡位的传动比、每一挡位的驱动输入端和动力输出端的转动惯量、每一挡位啮合齿轮齿数等。

Single Ratio Transmission 模块

Single Ratio Transmission模块用来模拟主减速器，与Gear Box模块类似，不同的是该部件只提供一个传动比。Single Ratio Transmission模块的输入参数主界面如图6所示。该模块需要输入的主要参数有：主减速比、驱动端和动力输出端的转动惯量等。

图6 Single Ratio Transmission模块参数输入主界面

Differential 模块

Differential模块用来模拟差速器。考虑了转动惯量，该部件可以把驱动端的输入转矩分成两个动力输出端的输出转矩，或者把两个动力输入端的输入转矩求和。另外，该部件还提供了差速锁。Differential模块的输入参数主界面如图7所示。

图7 Differential模块参数输入主界面

该模块需要输入的主要参数有：转矩分配系数、驱动端和动力输出端的转动惯量等。

Wheel/Tire 模块

Wheel/Tire模块是车辆和道路之间的连接模块。该模块可以考虑轮胎滑移。并且有Michelin滚动阻力矩模型，可以考虑众多参数对车轮阻力的影响。Wheel模块输入参数主界面如图8所示。

图8 Wheel/Tire模块参数输入主界面

Cockpit 模块

Cockpit模块用来模拟驾驶室。驾驶室用来链接车辆和驾驶员。并且可以确定哪些信息与数据可以被驾驶员调用以及驾驶员的输出对车辆的影响。Cockpit模块输入参数主界面如图9所示。

图9 Cockpit模块参数输入主界面

该模块需要输入的主要参数有：前进挡数、倒挡数、最大制动力等。

1.4 AVL Cruise计算任务的设定

计算任务的组织管理是通过文件夹的方式来实现的。对于每一项任务都包括以下文件夹：计算任务特性设置文件夹、计算任务文件夹、Course(道路)设置文件夹、Driver(驾驶员）设置文件夹。

对于不同的计算任务文件夹，在不需要计算时，可以关闭来节省计算时间。

大部分计算任务可以设置为道路模式或者底盘测功机模式。这两者的主要区别在于车辆的阻力不同。在底盘测功机模式中，需要定义飞轮的转动惯量。另外，在考虑和不考虑轮胎滑移的计算任务中，可

以考虑理论上所能传递的发动机功率的不同。

计算任务特性设置文件夹

该文件夹主要是设置计算精度、仿真步长等参数，一般取默认值。推荐的默认设置如下:

Calculation Accuracy ： normal (possibly high) Correction Threshold ： high Simulation

Max. Simulation Time Step： 0.05s Output after every 1 Simulation Step(s) Reverse Engineering

Output after every 1 Calculation Step(s) Time Interval： 0.5s Velocity Interval：

O.5km/h 计算任务文件夹

该文件夹用于设置计算任务。Cruise软件内置了多种基于汽车工程应用的计算任务。包括的任务如下:

循环行驶工况(Cycle Run)该任务用来计算整车在标准循环工况（如UDC、NEDC等）中的燃油油耗和排放情况。Cruise内置了各个国家不同驾驶需求的标准路谱，用户可以方便地使用，另外用户也可以根据实际道路谱修正道路谱。

爬坡性能分析(Climbing Performance)该任务属于静态计算，用于计算各个挡位，发动机整个转速范围内的最大爬坡度。另外，也

可以计算在一定转速或者一定车速的最大爬坡度。

稳态行驶性能分析(Constant Drive)该任务也是静态计算，用于计算各个挡位的等速燃油消耗和排放。其中的最高车速子任务可以计算实际达到的最高车速和理论最高车速。优化是通过改变主减速器速比来进行的，结果中可以得到主减速比优化系数。

全负荷加速性能(Full Load Acceleration)在该任务下有三个子任务：

各挡最大加速性能计算(Maximum Acceleration in all Gears)：该子任务也是静态计算，可以计算得到所有车速和挡位下的最大加速度。

原地起步连续换挡加速性能(Shifting Gears from Standstill)：该任务可以计算车辆原地起步连续换挡加速性能。

超车加速性能(Elasticity)：该任务用于计算车辆的超车加速性能。

最大牵引力计算(Maximum Traction Force)该任务也是静态计算，可以得到所有车速和挡位下的发动机最大牵引力。同时在结果中，可以得到驱动力-行驶阻力平衡图和功率平衡图。

巡航行驶工况(Cruising)该任务与循环工况任务相似，可用于计算客户自己定义的已知两城市间的总体燃油消耗和排放。

制动/滑行/反拖(Brake /Coast/ Thrust)通过设置是否换挡和是否有制动力，该任务可用于分析车辆的制动、滑行以及反拖性能。

Course(道路)设置文件夹

Course部件用于描述计算任务的环境条件。为了描述外界环境， 的大气压力、大气密度以及温度等都是必需的。所需输入参数有：

可以与时间或距离相关的一些输入参数： 大气温度 湿度

行驶方向上的风速

过程信号，可以定义为车辆模型的外部输入信号 其他的与距离相关的输入参数还有： 大气密度或压力 道路摩擦系数 道路高度变化 路段车速限制

图10所示为Course文件夹设置窗口：

图10 Course设置窗口

Driver(驾驶员）设置文件夹

驾驶员模块用来实现驾驶员的操作。图11为Driver设置窗口。

图11 Driver设置窗口

Cruise中内置了多种标准的驾驶员操作数据，方便用户选择。在行驶循环测试中得到的车辆的动力性和燃油经济性，很大程度上受到驾驶员操作特征的影响。驾驶员的操纵特征、驾驶员的操纵习惯特点是驾驶员操纵车辆的决策基础。Cruise的模块化理念使得对于同一辆车，可以采用不同的驾驶员来执行大量不同的任务。反过来，同一类型的驾驶员模块也可以用于不同的车辆进行燃油经济性能和动力性能的测试。

第二章 汽车零部件模型建立

本次计算是以某4×2后驱车为基础，进行零部件建模，整车模型搭建、计算任务设定、计算结果处理等，最终评价匹配结果，并对其进行优化，最终满足性能要求。

2.1.软件启动

开始→所有程序→AVL Cruise 2014，打开AVL Cruise 2014，如图12所示。

图12 打开软件AVL Cruise 2014

默认进入User(用户)模式，侧是Project导航窗口，里面包括软件自带的各种案例模型，右侧是project模型的详细信息，如图13所示。

图13 AVL Cruise 2014欢迎界面

2.2.Project创建

在AVL Cruise 2014的安装目录D:\Program Files\AVL\CRUISE \v2014\projects下建立纯电动汽车分析文件夹，点击进去之后再建立文件夹Electric_4×2_Rear-Drive，如图14所示。

图14 建立纯电动汽车分析文件夹

接下来将会在Cruise主界面左侧的Project树中看到纯电动汽车分

析的文件夹，下面有一个名为Electric_4×2_Rear-Drive的Project文件，右键点击该project，选择new→version，创建了一个Electric_4×2_Rear-Drive的算例，如图15所示。

图15 建立Electric_4×2_Rear-Drive算例

右键点击导航窗口中project，选择“load”，进入Desk建模主界面，如图16所示。

图16 进入Desk建模界面

下面将逐一建立纯电动汽车的各个系统及部件。

Vehicle整车模型

首先确保当前编辑状态处于“Vehicle Model”下，点击“Modules”模块下的Vehicles，并将其拖曳到建模主窗口，如图17所示。

图17 建立Vehicle模型

车辆模块包括汽车公称尺寸、质量、空气阻力系数等一些基本的数据，是传动系模型重要的组成部分。车辆模块需要的参数主要包括整车整备质量、最大总质量、行驶阻力、车辆重心位置、车辆动载荷、迎风面积等，车辆模块中主要参数如图18所示。

图18 车辆模块尺寸

其中hv,cog— 车辆重心高度； lv,cog—重心到前轴高度；lv,fr — 轴距；hv,vcp— 铰接点到地面的距离；lv,vcp— 铰接点到前轴的距离。 1、整车质量

汽车的质量是与汽车装载状态有关的。不同装载情况下，汽车的质量是不同的，可表示为：

mv,act mV(ZV,load)

(2-1)

其中， 空载时ZV,load 0 mV(0) mV,min

半载时ZV,load 1 mV(1)

mV,min mV,zul

2

满载时ZV,load 2 mV(2) mV,zul

如果不是上面这三种状态，则可以按式（2-2）计算汽车的瞬时质量：

mv,act mV(0) mV,zul

(2-2)

式中， mV,act：整车的瞬时实际质量，kg；

ZV,load：汽车的载荷状态； mV,min：是汽车的整备质量，kg； mV,zul：是汽车的满载质量，kg。

2、阻力

A）从物理模块得

汽车所受阻力是由空气阻力，滚动阻力，加速阻力和坡度阻力几部分组成的。其中，滚动阻力是对所有车轮逐个进行计算得到的。 空气阻力

vU,V,rel vV vU,air

(2-3) (2-4)

2

FV,air 0.5 cw Av U,air vU,V,rel

式中， vv：车速，m/s；

vU,air：空气的流动速度，m/s；

vU，V，rel：汽车与空气的相对速度，m/s； cw：空气阻力系数； ρ

U，air：空气的密度，一般取

1.2258 N·s2·m-4；

Av：车的迎风面积，m2； FV,air：空气阻力，N。

坡道阻力

U U,up U,dn

(2-5) (2-6)

FV,incl mv,act g sin U

式中， α

α

U,up： U,dn：

αU：实际坡度，rad； FV,incl：坡道阻力，N。

通过相对推力kV,add,trac和kV,add,push来确定额外的牵引力或者推力。它们与汽车的质量有关，其大小可以通过适用于特殊计算任务（如，最大牵引力）的方程解算器来确定。 总的行驶阻力为 ：

FV,res FV,air FV,incl (kv,add,trac kv,add,push) mV,act g

(2-7)

式中， Fv,res：总的行驶阻力，N。 B）从参考汽车的阻力函数得

首先需输入cA，cB和cC三个参数。通过这些参数和式（2-8）可以得出行驶阻力函数，为：

FV,res

mactmcW A2

cA act cB vV cC vV mrefmrefcW,ref Aref

(2-8)

式中， mref：参考汽车的质量，kg。 C）从参考汽车的阻力表得

行驶阻力曲线是由力与车速关系得到的。从这个表中可以得出阻力函数中的常数部分和比例部分。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/v9kj.html