分析主减速比对整车动力性与经济性的影响
刘艳蕾
（武汉理工大学，湖北武汉 430070）
摘要：汽车动力性与燃油经济性是汽车最重要、最基本的性能，动力系统良好的匹配对于提高动力性、改善燃油经济性和降低排放污染物具有显著的效果。本文采用GT-DRIVE软件，对某微型车型车进行了动力性、燃油经济性的仿真分析，通过分析不同的案例，得到主减速比对燃油经济性、最大爬坡度、百公里加速时间有较大的影响。
关键词：GT-DRIVE；主减速比；燃油经济性；最大爬坡度；百公里加速时间
引言
进入21世纪以来，能源和环境已成为世界各国关注的焦点。特别是近几年，石油价格持续上涨，目前石油价格已经突破145美元/桶，能源对人们的生产生活都产生了极大影响，世界各国都纷纷采取措施应对可能出现的能源危机。因此，提高汽车的运输生产率，降低汽车的燃油消耗是目前汽车工业急需解决的重要课题之一。所以作为一个汽车企业，能够设计制造出符合消费者意愿的汽车是开拓并占有市场的必要前提。因此，通过合理匹配汽车动力传动系统来提高汽车运输效率，降低燃油消耗具有较大的潜力。汽车的动力
性和燃油经济性在很大程度上取决于发动机的性能和传动系形式及参数的选择，即取决于汽车动力传动系统合理匹配的程度。本文通过对动力性和燃油经济性的计算，分析主减速器传动比的大小对汽车的动力性和燃油经济性的影响。
1 GT-DRIVE软件结构分析
GT-DRIVE是由美国的Gamma Technologies公司开发的GT-SUITE系列软件的重要组成部分，它是研究汽车动力性、燃油经济性、排放性及制动性能的高级模拟分析软件，灵活的模块化理念使得GT-DRIVE可对任意结构形式的汽车传动系统进行建模和仿真。
1.1 GT-DRIVE软件功能与特点
GT-DRIVE是基于全面满足汽车开发全过程要求的思想而设计的，它主要应用于以下六个方面：
1、车辆/发动机的性能匹配；
2、循环工况模拟-燃油经济性和排放；
3、发动机/传动控制系统仿真；
4、发动机-变速箱-车辆动力性能；
5、驱动系统的部件设计和配置；
6、驱动系统的扭振、驾驶性能、制动性能、牵引能力；
7、发动机台架实验。
GT-DRIVE是基于面向对象技术编写的，其软件界面是GT-ISE（如图1）。从模型图的建立、运行，到数据的后处理，GT-DRIVE的操作都是在GT-ISE中进行，使用方法简便、高效。模型在建模时是以不同的状态出现的，为了方便管理，主要为三层结构：
1、模板（Template）：这是模型的原始状态，出现在数据库中，没有具体参数。
2、实体（Object）：有具体参数的模型，而且该模型用于管理一批类似结构的部件。
3、部件（Part）：出现在建模区模型图上的模型，这是实际物理存在的模型，而不是概念。
图1 GT-ISE操作界面
利用模型生成器能方便的建立各种汽车模型，甚至各种新概念车的模型，如混合动力轿车、多发动机轿车等，并能进行快速仿真运算。GT-DRIVE程序代码还能计算纯运动学模型和运动学/动力学混合模型，如为了研究传动系的低频振动，使用了扭转弹性轴；计算可以是准静态算法，如发动机中的某一控制点，可以包含驾驶员和油门踏板位置的真实情况模拟；复杂的传动系模块也考虑的驾驶员个性特点；在发动机冷启动的驱动力特性模拟中使用了发动机的温度模块。
1.2 GT-DRIVE的程序结构
GT-DRIVE程序结构包括两个部分：计算部分和图形界面部分。
(1)计算部分
计算部分是程序的核心，包含所有算法的必要模块，通过中间文件和包含数据模块的文件传递数据，是一种严格由界面定义的标准设计。模块功能设置非常详细，并且根据需要现有模块能很容易的由用户定义的模块(假如没有使用附加控制参数)替代。考虑到不同的硬件平台，模块在系统中可以单独使用。
数据结构与模块结构一致，结构体系包括：
1)计算中心
计算中心包括：
经济汽车
计算管理器：该单元包含项目处理和控制计算任务要求的全部功能；
数据管理器：提供计算中心和外部模块所需的信息；
方程管理器：包括设置、分析和动态多体系统的解法的全部功能；
信息处理器：控制单个模块的输入信息及设置不同的控制功能；
2)外部模块
不同的外部模块的数量和连接方式不同，如：
机械模块(如发动机、变速器)、车辆基本控制模块(如变速器控制)、一般控制模块(如驾驶员、道路模型)、计算模块(如循环运行、全油门加速)等。
(2)图形用户界面
图形用户界面应用于下面的任务中：计算图标的控制、输入数据、模块的生成和数据的估算。
图形用户界面分为：预处理、后处理、在线检测、数据检查。
2建立模型的主要模块分析以及参数设置
2.1分别介绍各模型的特性
车辆传动系的仿真模型由以下几个模块组成：V ehDriver、V ehiclebody、EngineState、Clutch、
Transmission、GearConn、TireConn、Brake等。主要模块的功能如下
（1）V ehDriver模块
驾驶室模块是用来实现驾驶员和车辆之间的联系的，该部件只能通过数据总线来连接，一方面要接收车辆的信息(如速度、加速度等)，另一方面要把驾驶员的意图(如加速踏板、制动踏板的位置)传送给其他部件。该模块中需要定义加速踏板行程与负荷信号的关系、离合器踏板和制动踏板的特性，当传动系模式为自动时无需定义离合器踏板特性。特性窗口如图2所示。
图2 V ehDriver模块特性窗口
（2）V ehicle_body模块
V ehiclebody模块是整车模型的主要部件之一，通常也称整车模块，该模块包含车辆的基本数据，如相关尺寸和重量参数，只需手动输入即可。每个整车模型中有且仅有一个V ehicle_body模块。对基于载荷状态及各种外部条件的道路循环和台架实验循环，该模块要计算道路阻力和动态轮载荷。在计算动态轮载荷时要考虑动态因素，如加速阻力、空气阻力和滚动阻力等的影响。整车车身模块特性窗口如图3所示：
车身模块所需的数据信息为：整车车装备质量、乘客和货物质量、轿车重心距离、重心高度、轿车质量中心距前轴的距离、前后轴距离、前轴升力系数、后轴升力系数、牵引系数、迎风面积等；此外，还包括悬架的固有频率和阻尼比、不足转向系数。
图3 V ehicle_body模块特性窗口
(3) EngineState模块
发动机模块要制定发动机的外特性、燃油消耗特性和排放特性。当发动机冷起动时，考虑温度对燃油消耗和排放的影响，模块中还包含有温度模型。通过曲线和图形来模拟发动机的特性。特性窗口如图4所示。
计算任务可任意选择动力性、经济性和排放，关闭温度模式，怠速转速设置为固定值，怠速时的燃油消耗和排放为固定值。指定车速和油门位置时，发动机的转速、功率、扭矩、牵引力、加速度、恒速爬坡能力，档位由变速箱的切换策略自动选择；指定发动机转速、油门位置和档位时，发动机的转速、功率、扭矩、牵引力、加速度、恒速爬坡能力；指定发动机转速和档位时的车速；指定发动机转速时的车速，档位由变速箱控制策略自动选择；指定档位时的最大车速，以及限制最大车速的因素；指定车速和发动机负荷时的燃油经济性。恒速行驶时的燃油经济性。指定车速时所需的驱动力；指定加速度/坡度时的最大车速。循环工况情况下车辆的燃油经济性。循环工况情况下车辆的排放。
发动机模块所需要的数据信息为：发动机排量、工作温度、最高转速、转动惯量、怠速转速、燃油类型、燃油密度、热值等。
图4 EngineState模块特性窗口
（4）ClutchConn模块
当传动系模式设置为手动时，对离合器的控制由V ehDriver模块来实现，当传动系
图5ClutchConn模块特性窗口
模式设置为自动时由外部模块来定义对离合器的控制。特性窗口如图5所示。无论传动系模式为手动或自动，离合器模块需要的数据均为：输入、输出转动惯量[2m kg ⋅]；离合器传递的最大转矩
[m N ⋅]；平均有效半径[mm]；离合器摩擦面数。
(5)Transmission 模块
Transmission 模块包含不同档位的变速箱，用户需要定义档位数及每一档位的速比、转动惯量和力矩损
失。通过对速比、转动惯量和力矩损失的考虑，将发动机转矩转换成驱动力矩。特性窗口如图6。Transmission 模块所需数据有：每一档速比、转动惯量和力矩损失。
图6 Transmission 模块特性窗口
变速器中的各齿轮参数如图7。
图7 变速器中的各齿轮参数
(6) GearConn 模块
主减速器能使驱动轮的转动最终与发动机相符，同时使回转方向与驱动轮的回转轴相符的功能。
特性窗口如图8所示。主减速器模块所需数据有：速比、输入输出转动惯量[2m kg ⋅]。