鮑遠(yuǎn)通，范振勇

（1. 承德石油高等專科學(xué)校，承德 067000；2. 濰柴動力股份有限公司，濰坊 261000）

0 引言

載貨汽車的動力性與燃油經(jīng)濟性的好壞，在很大程度上取決于發(fā)動機的性能和傳動系型式及參數(shù)的選擇，即取決于載貨汽車動力傳動系統(tǒng)合理匹配的程度[1]。即使一臺發(fā)動機具有良好的性能，如果沒有一個與之合理匹配的傳動系，也不能充分發(fā)揮其性能。能與發(fā)動機合理匹配的傳動系可以使發(fā)動機經(jīng)常在其理想工作區(qū)附近工作，但由于問題的復(fù)雜性以及載貨汽車動力性、燃油經(jīng)濟性之間的相互矛盾和制約，使載貨汽車動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計改進(jìn)成為十分復(fù)雜的多變量的優(yōu)化問題[2]。

一載貨汽車裝配原傳動系時動力性與燃油經(jīng)濟性如表1所示。

表1 載貨汽車裝配原傳動系時的整車性能

經(jīng)過類比分析，發(fā)現(xiàn)該載貨汽車存在如下問題：

1）該車的動力性指標(biāo)之一的最高車速偏低，為了提高運輸效率，多數(shù)車輛選擇在高速公路上行駛，因此必須相應(yīng)地提高；

2）如果汽車經(jīng)常處于需要加速超車的工況下，原車的原地起步加速時間和超車加速時間過長，超車時汽車與被超車輛并行時間過長，很容易發(fā)生事故，使超車行駛過程十分危險；

3）原車在多循環(huán)行駛時的百公里燃油消耗量較高，為了降低燃油消耗量，需要對傳動系的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 汽車傳動系統(tǒng)的優(yōu)化匹配

GT-DRIVE軟件自帶的DOE分析，是一個很好的優(yōu)化分析功能模塊，DOE功能模塊可以一起設(shè)多個變量值，給出各個變量的變化區(qū)間及間隔，便可以對多變量自行排列組合，運算速度很快，而且可以對任何性能值，如加速時間，百公里油耗等都可以得到DOE分析結(jié)果。

1.1 DOE分析優(yōu)化設(shè)計變量的確定

在發(fā)動機給定和其他條件相同的情況下，最終影響汽車動力性、燃油經(jīng)濟性的參數(shù)是變速器各擋傳動比以及主減速器傳動比。傳動系參數(shù)的選擇不僅應(yīng)滿足汽車行駛動力性要求，而且應(yīng)使多數(shù)常用工況都處于發(fā)動機特性曲線的最低燃油消耗區(qū)[3]?？赏ㄟ^優(yōu)選變速器傳動比和主減速器傳動比達(dá)到動力傳動系統(tǒng)的最佳匹配。因此對于n擋變速器，優(yōu)化設(shè)計變量為：

式中igk——變速器各擋傳動比，(k =1, 2, , n)；

i0——主減速器傳動比。

1.2 DOE分析約束條件的確定

1.2.1 汽車的動力性要求

1）最大爬坡度要求： 汽車的最大爬坡度imax實際上就是一擋最大爬坡度，它反映汽車最大爬坡能力，約束條件為：

式中il為不同車型汽車最大爬坡度要求的下限值(%)。

2）超車加速時間要求: 超車加速時間tcmax表示汽車在正常狀況下行駛所具有的加速能力。則超車加速時間的約束條件為：

式中th為不同車型汽車超車加速時間要求的上限值(s)。

3）最高車速要求：最高車速uamax表示汽車在水平良好路面上能夠達(dá)到的最高行駛車速，約束條件為：

式中ual為不同車型汽車最高車速要求的下限值(km/h)。

1.2.2 變速器各擋的速比比值要求

變速器相鄰擋位的速比比值影響著變速器的使用性能，比值過大會造成換擋困難，相鄰擋位的速比比值要求如下：

式中ql—相鄰速比間隔的下限值；

qh—相鄰速比間隔的上限值，且有：

1.2.3 汽車的燃油經(jīng)濟性要求

1）等速百公里燃油消耗量要求約束條件為：

式中Qth為不同車型汽車要求的等速百公里油耗量上限值(L/100km)。

2）多工況百公里燃油消耗量要求 約束條件為：

式中Qdh為不同車型汽車要求的多工況百公里油耗量上限值(L/100km)。

1.3 分析目標(biāo)函數(shù)的確定

1.3.1 動力性目標(biāo)函數(shù)

汽車動力性主要可用三個方面的指標(biāo)來評定，即：汽車的最高車速、汽車的加速時間和汽車的最大爬坡度，這三方面的評價指標(biāo)的側(cè)重點各有不同，在本文中，以汽車由原地起步連續(xù)換擋加速到80km/h的時間為動力性目標(biāo)函數(shù)，而其他兩方面在約束條件中得到體現(xiàn)。

式中u1—加速時間計算的初始速度(m/s2)；

u2—加速時間計算的結(jié)束速度(m/s2)。

1.3.2 燃油經(jīng)濟性目標(biāo)函數(shù)

等速行駛百公里燃油消耗量是常用的一種評價指標(biāo)，在本文中，以六工況試驗的燃油消耗量Qd作為經(jīng)濟性性評價指標(biāo)。

式中 Q—整個行駛過程燃油消耗量之和(L)；

s—整個循環(huán)的行駛距離(km)。

下面分別以整車動力性目標(biāo)函數(shù)、燃油經(jīng)濟性目標(biāo)函數(shù)以及權(quán)衡整車動力性和燃油經(jīng)濟性目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化出三種傳動系參數(shù)選擇方案，以滿足對整車性能的不同需要。

2 優(yōu)化設(shè)計

2.1 以動力性目標(biāo)函數(shù)為主的方案一

2.1.1 約束條件

1）汽車最大爬坡度大于等于35%；

2）1.7≥i1≥i2≥i3≥i3/i4≥ ≥i8≥i9≥1.3

3）汽車的最大車速大于90km/h；

4）汽車的原地起步連續(xù)換擋(0～80km/h)加速時間不大于76s；

5）最高擋40km/h的等速百公里油耗量小于27L；

6）汽車的多工況百公里燃油消耗量不大于37L。

動力性優(yōu)化后的傳動系參數(shù)如表2所示。

2.1.2 整車性能模擬計算結(jié)果

通過對該優(yōu)化方案的動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行GTDRIVE模擬計算得出動力性能，整車的動力性主要從爬坡性能、最大車速及加速性能來評定，如表3和表4所示。

由于各擋的速比增加，汽車的最大爬坡度相應(yīng)地增加。雖然主減速比的增大，但由于設(shè)有超速擋，汽車的最高車速從96.5km/h增加為98.2km/h。

表2 按動力性優(yōu)化后的傳動系參數(shù)

表3 優(yōu)化前后各擋最大爬坡度及最高車速對照表

表4 優(yōu)化前后汽車加速時間對照表

從表4得知，優(yōu)化后，汽車的加速能力有了顯著改觀，其中原地起步連續(xù)換擋（0 80km/h）的加速時間降低了2.46s，降低了3.2%；直接擋（30 80km/h）超車加速時間降低了9.19s，降低了13.7%。所以由以上的模擬計算可知，汽車的動力性有了很大改善。

優(yōu)化前后汽車的等速百公里燃油消耗量和多工況燃油消耗量如表5所示。

表5 優(yōu)化前后汽車燃油經(jīng)濟性對照表

2.1.3 分析與評價

通過對比優(yōu)化前后汽車的經(jīng)濟性計算結(jié)果，由于以動力性匹配為主，優(yōu)化后，主減速比增加，使各擋的等速百公里油耗都有所增大，但改變率不大，都不超過5%；汽車的多工況燃油消耗量為36.66L/100km，比優(yōu)化前增加了5.25%。

以動力性為主進(jìn)行優(yōu)化時，并不是代表僅僅考慮汽車的動力性去優(yōu)化，而是應(yīng)該在保證汽車燃油經(jīng)濟性并不惡化的基礎(chǔ)上來進(jìn)行的。本方案在保證原車一定燃油經(jīng)濟性的前提下，盡可能地增強了動力性，模擬仿真結(jié)果表明，優(yōu)化效果明顯。

2.2 以燃油經(jīng)濟性目標(biāo)函數(shù)為主的方案二

2.2.1 約束條件

1）汽車最大爬坡度大于等于30%；

2）1.7≥i1/i2≥i2≥i3≥i3/i4≥ ≥i8/i9≥1.3

3）汽車的最大車速大于96.5km/h；

4）汽車的原地起步連續(xù)換擋(0～80km/h)加速時間不大于85s；

5）汽車的直接擋(30～80km/h)加速時間不大于87s；

6）最高擋40km/h的等速百公里油耗量小于22L。

動力性優(yōu)化后的傳動系參數(shù)如表6所示。

表6 按燃油經(jīng)濟性優(yōu)化后的傳動系參數(shù)

2.2.2 整車性能模擬計算結(jié)果

通過對該優(yōu)化方案的動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行GTDRIVE模擬計算得出動力性能，如表7和表8所示，優(yōu)化前后汽車的等速百公里燃油消耗量和多工況燃油消耗量如表9所示。

表7 優(yōu)化前后各擋最大爬坡度及最大車速對照表

表8 優(yōu)化前后汽車加速時間對照表

表9 優(yōu)化前后汽車燃油經(jīng)濟性對照表

2.2.3 分析與評價

經(jīng)過GT-DRIVE整車性能仿真軟件的模擬計算，得出優(yōu)化前后的整車主要性能指標(biāo)的對比如下：

1）優(yōu)化后，最高擋的40km/h的等速百公里油耗由原來的25.74L下降為21.20L，改變率達(dá)到17.64%；

2）多工況百公里燃油消耗量由優(yōu)化前的34.83L下降為31.05L，改變率為10.85%；

3）汽車的最大車速優(yōu)化前為96.5km/h，優(yōu)化后為105km/h，有一定程度地增大；

4）優(yōu)化后原地起步連續(xù)換擋(0～80km/h)時間為84.78s，優(yōu)化前為76.72s，增加10.5%；

5）直接擋(30～80km/h)超車加速時間由優(yōu)化前的81.42s增加為優(yōu)化后的86.47s，增加6.2%；

6）汽車一擋的最大爬坡度由優(yōu)化前的30.8%下降為30.2%，基本上能滿足重型載貨汽車的要求。

2.3 權(quán)衡動力性目標(biāo)函數(shù)和燃油經(jīng)濟性目標(biāo)函數(shù)的方案三

2.3.1 約束條件

1）汽車最大爬坡度大于等于30%；

2）汽車的最高車速不小于96.5km/h；

3）汽車的原地起步連續(xù)換擋(0～80km/h)加速時間不大于78s；

4）汽車的直接擋(30～80km/h)加速時間不大于85s；

5）1.7≥i1/i2≥i2/i3≥i3/i4≥ ≥i8/i9≥1.3；

6）最高擋40km/h的等速百公里油耗量小于24L；

7）汽車的多工況百公里燃油消耗量小于33L。

權(quán)衡動力性目標(biāo)函數(shù)和燃油經(jīng)濟性目標(biāo)函數(shù)的傳動系參數(shù)如表10所示。

表10 按權(quán)衡動力性和燃油經(jīng)濟性優(yōu)化后的傳動系參數(shù)

2.3.2 整車性能模擬計算結(jié)果

通過對該優(yōu)化方案的動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行GTDRIVE模擬計算得出動力性能，如表11和表12所示。優(yōu)化前后汽車的等速百公里燃油消耗量和多工況燃油消耗量如表13所示。

表11 優(yōu)化前后各擋最大爬坡度及最大車速對照表

2.3.3 分析與評價

經(jīng)過GT-DRIVE整車性能仿真軟件的模擬計算，得出優(yōu)化前后的整車主要性能指標(biāo)的對比如下：

1）優(yōu)化后，最高擋的40km/h的百公里油耗由原來的25.74L下降為23.26L，改變率達(dá)到9.63%；

2）多工況百公里燃油消耗量由優(yōu)化前的34.83L下降為32.35L，改變率為7.12%；

表12 優(yōu)化前后汽車加速時間對照表

表13 優(yōu)化前后汽車燃油經(jīng)濟性對照表

3）汽車的最大車速優(yōu)化前為96.5km/h，優(yōu)化后為102km/h，增加較大；

4）優(yōu)化后原地起步連續(xù)換擋(0～80km/h)時間為77.79s，增加1.4%；

5）直接擋(30～80km/h)超車加速時間由優(yōu)化前的81.42s增加為優(yōu)化后的84.51s，增加3.8%；

6）汽車一擋的最大爬坡度由優(yōu)化前的30.8%下降為30.0%，基本上能滿足重型載貨汽車的要求。

本次優(yōu)化是在保證動力性基本不變的基礎(chǔ)上，盡量減少汽車的行駛油耗，尋找一種權(quán)衡動力性燃油經(jīng)濟性的優(yōu)化方案。經(jīng)過模擬仿真結(jié)果可知：優(yōu)化方案可以達(dá)到預(yù)期的優(yōu)化效果，在保證汽車良好的動力性的基礎(chǔ)上，最大限度地減少了汽車的行駛油耗，改善了汽車的燃油經(jīng)濟性。

3 三種優(yōu)化匹配方案的對比與分析

由圖1，圖2，圖3，圖4可以得知，汽車整車的三種優(yōu)化方案有明顯的優(yōu)化效果。

1）以動力性為目標(biāo)優(yōu)化時，在保證汽車燃油經(jīng)濟性并不惡化的基礎(chǔ)上，汽車的原地起步連續(xù)換擋(0～80km/h)加速時間降低3.2%，直接擋(0～80km/h)超車加速時間減少降低13.7%，爬坡性能也有顯著的提高，整車的動力性得到很大的提升；

2）以燃油經(jīng)濟性為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化時，在保證汽車的動力性并不惡化的基礎(chǔ)下，汽車的最高車速提高到105km/h，最高擋的40km/h的等速百公里油耗減少17.64%，多工況百公里的油耗減少10.85%，整車的燃油經(jīng)濟性有明顯的改善；

3）權(quán)衡動力性和燃油經(jīng)濟性優(yōu)化時，在保證良好的整車動力性的基礎(chǔ)上，盡可能地改善了整車的燃油經(jīng)濟性。優(yōu)化后，整車動力性略有下降，原地起步連續(xù)換擋(0～80km/h)時間增加1.4%，直接擋(30～80km/h)超車加速時間增加3.8%；而整車各擋的等速百公里油耗均有不同程度的下降，其中最高擋的40km/h的等速百公里油耗降低9.63%，整車的多工況百公里燃油消耗量降低7.12%，整車的燃油經(jīng)濟性明顯提升。

圖1 優(yōu)化前后各擋最大爬坡度對比圖

圖2 優(yōu)化前后各擋最大速度對比圖

圖3 優(yōu)化前后汽車的加速性能對比圖

4 結(jié)論

通過對比分析，對于現(xiàn)階段對重型載貨汽車的高速化和提高燃油經(jīng)濟性的要求，以燃油經(jīng)濟性目標(biāo)函數(shù)為主進(jìn)行優(yōu)化的匹配方案更加符合市場的需求。

[1] 余志生. 汽車?yán)碚揫M]. 機械工業(yè)出版社, 2000:1-70.

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