解析先进高强度钢 使用新的动力总成模型评估轻量化收益

2020-11-23 17:17 297 0 来自: 世界钢铁协会
简介
【汽车轻量化在线】文章介绍了由密歇根大学工程院士Danald Malen博士与加州大学布伦环境科学学院Roland Geyer博士共同编写的两个最新开发的动力总成模型的使用情况。
 汽车轻量化在线】文章介绍了由密歇根大学工程院士Danald Malen博士与加州大学布伦环境科学学院Roland Geyer博士共同编写的两个最新开发的动力总成模型的使用情况。

1 动力总成模型的需求

先进高强度钢(AHSS)的使用提供了一种减轻车身重量的方法。车身轻量化的好处包括减少车辆使用寿命内的燃料消耗,并提高了车辆的加速性能。车辆设计师和温室气体分析人员都有兴趣在车辆设计过程的初期评估这些好处。

为此,专门构建了从使用简单系数(例如,质量减少每千克的油耗变化)到只对需要了解数百个车辆参数的专家开放的非常详细的模型。简单系数模型的不足之处在于,该系数基于的假设可能与当前的车辆情况不匹配。详细模型的缺点是需要花费大量的费用和时间,并且结果缺乏透明度;很难把输入和输出相关联。

存在简单模型和复杂模型之间的一种折衷模型,我们称之为简约动力总成模型。简约是模型的基本原则,即最好的模型只需最少的假设,同时仍然能够提供准确的预测值。这些Excel电子表格模型涵盖了内燃机动力总成、纯电动汽车和插电式电动车,并且根据少量的输入数据预测燃料消耗和加速性能。模型输入包括车辆特性(质量、阻力系统、前部面积、滚动阻力),动力总成特性(燃料转换效率、传动比、齿轮传动系效率)和燃料消耗行驶周期。模型输出包括油耗、加速度和行驶地图。

 2 模型物理

燃油消耗取决于整个行驶周期中使用的燃油量。行驶周期指定了车速与时间的关系。图1显示了世界轻型车辆测试程序(WLTP)行驶周期的示例。

图1:燃油消耗行驶周期(WLTP 3b类)

通过图1中的速度历史记录,可以计算车辆向前行驶的阻力。这些力包括惯性力、空气动力阻力和滚动阻力。这些力的总和称为牵引力,必须由车辆推进系统提供,见图2。

图2.  所需牵引力

一旦知道了行驶周期中每个时间点的车速和牵引力,就可以为每个动力总成系统的元件确定所需的扭矩和转速,如图3为内燃系统,图4所示为纯电动汽车。

图3. 内燃机动力总成

图4. 电动汽车动力总成 

通过这种方法,就可以确定发动机或电动机所需的扭矩和速度。然后,使用图3和图4中右边所示的效率图,确定每个时间点的能源需求。将一段时间内的能源需求相加,就可以得到整个行驶周期所用的燃料。

  3 应用范例

作为示例应用程序,可以参考汽车用钢联盟推出的未来钢质汽车(FSV)。未来钢质汽车项目于2011年完成,主要研究通过使用先进高强度高、先进制造工艺和计算机优化评估车身减重的潜力。车身结构使用的最终材料如图5所示。

图5:现代车身中的先进高强度钢含量(未来钢质汽车©世界汽车用钢联盟)

使用先进高强度钢可将整车重量从1200kg降至1000kg。车辆减重对油耗和加速性能将产生哪些影响?

一般情况下,动力总成模型所需的输入如表1所示。

动力总成模型提供的结果总结,如图6加速时间和燃油消耗曲线图所示。A点是1200kg 整车质量的基本情况。B点是相同发动机条件下轻型(1000kg)车辆的基本情况。请注意油耗和加速时间降低。通常需要设置加速时间。对于较轻的车辆,可以减小发动机尺寸以获得原始的加速时间,从而进一步降低燃油消耗,如C点所示。

图6. 普通车辆和轻量化车辆结果汇总 

通过使用简约的动力总成模型,可以以最少的数据输入和透明的方式快速回答“假设类”问题。感兴趣的读者可以登录汽车用钢联盟网站worldautosteel.org免费下载。



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