戚景衛(wèi)，呂彩琴(中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，山西太原 030051)

某轎車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化設(shè)計

戚景衛(wèi)，呂彩琴
(中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，山西太原 030051)

為研究發(fā)動機和傳動系統(tǒng)的合理匹配關(guān)系，提出在發(fā)動機已經(jīng)選定的情況下，通過選擇不同的傳動系參數(shù)來使發(fā)動機的工作處于更加接近理想的工作區(qū)域。首先用 AVL CRUISE 軟件對某轎車建模與仿真，得出動力性和經(jīng)濟性相關(guān)參數(shù)值，其后對主減速器和變速器參數(shù)進行優(yōu)化，得到新的傳動系參數(shù)。將優(yōu)化后的整車動力性和經(jīng)濟性仿真結(jié)果與原車型相比，結(jié)果顯示，該轎車的動力性變化不大，經(jīng)濟性有所改善。

動力傳動系統(tǒng)；參數(shù)匹配；動力性；經(jīng)濟性

0 引言

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對轎車各方面的性能的期望和要求也越來越高，如何提高整車性能已經(jīng)成為當(dāng)今研究的一個重要課題。汽車整車性能的提高不僅取決于發(fā)動機和傳動系性能的提高，而且在很大程度上取決于發(fā)動機與傳動系統(tǒng)二者之間的匹配是否合理?，F(xiàn)代計算機仿真技術(shù)的快速發(fā)展使得汽車性能的模擬計算已經(jīng)成為了現(xiàn)實，通過模擬計算能夠更好地選擇汽車動力傳動系統(tǒng)之間的匹配方案，從而大大縮減了汽車產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了成本，有效地提高了設(shè)計質(zhì)量，而且能夠為整車的技術(shù)評價和分析提供理論依據(jù)。

1 轎車整車仿真模型建立

1.1 AVL CRUISE仿真軟件介紹

AVL CRUISE是奧地利AVL LIST公司開發(fā)的一款專門為汽車動力傳動系統(tǒng)匹配而設(shè)計的整車高級仿真分析軟件，可以輕松實現(xiàn)對復(fù)雜車輛動力傳動系統(tǒng)的仿真分析。通過其便捷通用的模型元件，直觀易懂的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以及基于工程應(yīng)用開發(fā)設(shè)計的建模流程和軟件接口，用戶可以便捷地搭建不同布置結(jié)構(gòu)的車輛模型，對任意結(jié)構(gòu)形式的汽車動力傳動系統(tǒng)進行建模和仿真，具體建模流程如下：

(1)從元件庫窗口中拖出所需的元件，建立整車各個部件物理模型。

(2)建立信號傳遞的物理和信號連接。按各元件間信號或能量傳遞的輸入和輸出關(guān)系進行數(shù)據(jù)總線連接。

(3)輸入整車的各性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)，并核實模型的正確性。

(4)設(shè)定所要執(zhí)行的計算任務(wù)，并對計算任務(wù)中不同的參數(shù)變量進行設(shè)置。

(5)模擬計算與仿真優(yōu)化。

根據(jù)微型轎車動力傳動能量傳輸路線建立的整車仿真模型如圖1所示。

1.2 參數(shù)輸入

模型建立后，還需要輸入整車的基本參數(shù)，如表1所示。發(fā)動機的外特性曲線及萬有特性曲線如圖2、圖3所示。

表1 整車的基本參數(shù)

1.3 任務(wù)的制定

在分析該轎車的動力性和經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，對其傳動系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化， 并對優(yōu)化前后的兩組結(jié)果進行比較，最終得到一種新的優(yōu)化匹配方案。因此在定制任務(wù)時，主要包括以下幾種任務(wù)：定制 Full Load Acceleration、climbing 得到動力性相關(guān)數(shù)據(jù)和定制 Cycle Run 任務(wù)得到經(jīng)濟性相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 仿真計算

2.1 動力性計算

根據(jù)上面的建模方法，應(yīng)用AVL CRUISE軟件建立整車模型，輸入?yún)?shù)，設(shè)定計算任務(wù)后，運行得到的所需要的整車動力性及經(jīng)濟性評價指標(biāo)參數(shù)值。

在Maximum Velocity任務(wù)中可以查看各擋最高速度的仿真計算結(jié)果，如表2所示。

表2 各擋最高車速

仿真得到該轎車各擋爬坡度曲線如圖4所示，可知轎車的最大爬坡度為36.96%，滿足最大爬坡度不小于30%的要求。

仿真得到該轎車的最大加速度為2.11 m/s2，0～100 km/h的原地起步加速時間為19.29 s。以4擋由40 km/h加速到100 km/h所需的加速時間為22.42 s。

2.2 燃油經(jīng)濟性計算

多工況循環(huán)試驗是不同強度的等速、加速、減速三種行駛工況和怠速工況連續(xù)循環(huán)的組合，其燃料經(jīng)濟性模擬計算就是這四種工況油耗計算的綜合。應(yīng)用AVL Cruise模擬UDC循環(huán)工況，可以得出該轎車的燃油消耗特性圖如圖5所示。圖中顏色的深淺代表著該發(fā)動機在該工況點工作次數(shù)的多少，顏色越深代表在該工況點工作的頻率越高。由圖5可以得出，在整個模擬工況中，發(fā)動機工作點在低轉(zhuǎn)速下工作，偏離了最佳經(jīng)濟區(qū)，導(dǎo)致燃油消耗率偏高。整個UDC循環(huán)工況的百公里燃油消耗量為6.58 L。

3 動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化

當(dāng)整車及發(fā)動機的參數(shù)確定后，動力傳動系統(tǒng)參數(shù)的選擇直接決定了整車的性能。汽車動力傳動系統(tǒng)主要參數(shù)有：主減速器傳動比、變速器擋位數(shù)、變速器各擋傳動比。主減速器的傳動比越大，汽車的后備功率會隨著增加，那么汽車的加速性能和爬坡能力就越強。由于汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性是相互矛盾的，當(dāng)汽車動力性增強時，其燃油經(jīng)濟性就相對變得比較差。就汽車的動力性而言，擋位數(shù)越多，增加了發(fā)動機在最大功率附近工作的機會，提高了汽車的加速性能和爬坡能力。就汽車的燃油經(jīng)濟性而言，擋位數(shù)越多，增加了發(fā)動機在低燃油消耗區(qū)工作的可能性，降低了燃油消耗量。如何確定傳動系的速比則是汽車動力匹配的核心問題。

3.1 優(yōu)化模型的建立

優(yōu)化模型主要包括設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)及約束條件三部分。該優(yōu)化模型的設(shè)計變量是五擋手動變速器的傳動比及主減速器傳動比，即：

X=[x1,x2,x3,x4,x5,x0]T=[ig1,ig2,ig3,ig4,ig5,i0]T

式中:igj為變速器第j擋傳動比；i0為主減速器傳動比。

分別以轎車的原地起步加速時間和十五循環(huán)工況燃油消耗量作為最佳動力性和燃油經(jīng)濟性分目標(biāo)進行匹配優(yōu)化，并考慮這兩個分目標(biāo)在綜合評價指標(biāo)中相對重要程度方面的差異，采用加權(quán)方法將多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題。

綜上所述，優(yōu)化模型為：

minF(X)=λ1f(X1)+λ2f(X2),X∈{gi(X)≤0,i=1,2,3,…，n}

式中：λ1為動力性加權(quán)因子，λ2為經(jīng)濟性加權(quán)因子，λ1+λ2=1;f(X1)為動力性分目標(biāo)；f(X2)為經(jīng)濟性分目標(biāo)；gi(X)為約束條標(biāo)。

約束條件主要包括：最高車速、最大爬坡度、加速時間、一擋最大動力因數(shù)、地面附著條件、相鄰擋位傳動比、等速百公里油耗、主要污染物排放量等。

3.2 優(yōu)化結(jié)果對比分析

采用MATLAB編程優(yōu)化程序，運行程序，得到優(yōu)化結(jié)果，優(yōu)化前后各擋傳動比如表3所示。

表3 優(yōu)化前后各擋傳動比

優(yōu)化前后整車的動力性及經(jīng)濟性對比分析分別如表4，5所示，可知優(yōu)化后的某些指標(biāo)動力性有所下降，但變化不大，仍滿足設(shè)計要求。優(yōu)化后的各擋等速百公里油耗都有所提高，多工況百公里油耗也由原來6.58 L降低到6.32 L。

表4 整車的動力性對比

表5 整車的經(jīng)濟性對比分析

4 結(jié)論

(1)汽車動力傳動系統(tǒng)各部件之間的匹配程度直接關(guān)系到整車的性能，在發(fā)動機已經(jīng)確定的情況下，通過優(yōu)化主減速器、變速器等參數(shù)可以提高動力傳動系統(tǒng)的合理匹配程度，進而保證整車的動力性和經(jīng)濟性都得到最大程度的發(fā)揮。

(2)利用AVL Cruise軟件可以有效方便地建立轎車的整車模型，并通過修改動力傳動系統(tǒng)各部件參數(shù)和模擬試驗得到優(yōu)化后的轎車的動力性和經(jīng)濟性，有助于設(shè)計者在初期階段預(yù)測整車的性能，大大縮短了開發(fā)周期，減小或避免了錯誤匹配。

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Optimal Design on Power Transmission System Parameters Matching of a Car

QI Jingwei,LV Caiqin
(School of Mechanical and Power Engineering,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China)

To study the rational matching relations between the engine and transmission system,different transmission parameters were chosen to make the selected engine work area in closer to the ideal work area.By modeling and simulation of a car using AVL CRUISE software,the power performance and fuel economy of the relevant parameters were obtained.By optimizing the main reducer and transmission parameters,the new drivetrain parameter was got.The simulation results of vehicle performance and fuel economy of the optimal model were compared with that of the original model.The results show that the power performance of the car changes little and the economy is improved.

Power transmission system;Parameter match;Power performance;Fuel economy

2013-11-11

戚景衛(wèi)(1988—)，男，碩士研究生，研究方向為整車性能分析，動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化。E-mail:qjw880828@126.com。