王 棟，葉文廷，何耀華，朱向洪

(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070;2.湖北三環(huán)專用汽車有限公司 技術(shù)中心，湖北 十堰442012)

經(jīng)過100 多年的發(fā)展，車用發(fā)動機的結(jié)構(gòu)近乎完美、性能優(yōu)異，但由于汽車的運行工況復(fù)雜且不同用途的汽車其運行工況存在巨大差異，加上車用發(fā)動機轉(zhuǎn)矩變化范圍小，遠不能滿足多變的使用環(huán)境，為此需要配置復(fù)雜的變速傳動系統(tǒng)。實踐表明，同一輛汽車在不同地區(qū)、不同道路、不同交通使用環(huán)境、賦予其不同的用途，其整車動力性、經(jīng)濟性及排放都會有明顯的不同。開發(fā)各項使用性能更優(yōu)的汽車產(chǎn)品，需要針對不同用途車輛在使用過程中經(jīng)常遇到的運行工況，對動力與傳動系統(tǒng)進行參數(shù)優(yōu)化。

汽車動力與傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化最先進且最有效的方法是計算機仿真分析和工況試驗。目前國內(nèi)外對動力與傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化研究的指標主要有動力性、經(jīng)濟性和排放［1-4］，其主要方法有罰函數(shù)法、遺傳算法、模糊優(yōu)化法和區(qū)間優(yōu)化法［5-7］。筆者采用AVL Cruise 與Matlab 聯(lián)合仿真和更符合重型牽引車實際使用要求的商用車工況，完成動力與傳動系統(tǒng)的優(yōu)化匹配。

1 動力與傳動系統(tǒng)模型的建立

1.1 重型牽引車的基本技術(shù)參數(shù)

某重型牽引車的基本技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 重型牽引車基本技術(shù)參數(shù)

1.2 動力系統(tǒng)模型

1.2.1 牽引車功率平衡

設(shè)定最高車速，發(fā)動機的功率應(yīng)大于等于該車速行駛時行駛阻力功率之和，由式(1)計算：

式中：ηT=0.9;m=48 800 kg(牽引車質(zhì)量為8 800 kg，牽引總質(zhì)量為 40 000 kg);g=9.81 m/s2;CD=0.8;A=7.2 m2。

將上述參數(shù)代入式(1)可計算出所需功率隨車速的變化曲線，如圖1 所示。該牽引車設(shè)計最高車速為120 km/h，對應(yīng)所需發(fā)動機最大功率Pemax=271.83 kW。

1.2.2 發(fā)動機萬有特性數(shù)學(xué)模型

牽引車發(fā)動機的萬有特性表達的是發(fā)動機燃油消耗率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速、有效轉(zhuǎn)矩和有效功率變化的規(guī)律，其直接決定了發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的匹配性能。計算需要將其二維圖通過插值擬合將其轉(zhuǎn)化為三維圖。筆者選用型號為276 kW/1900 r/min的玉柴發(fā)動機為例，繪制其萬有特性圖，如圖2 所示。

圖1 牽引車車速與所需最大功率圖

圖2 發(fā)動機萬有特性圖

1.3 傳動系統(tǒng)模型

傳動系統(tǒng)最大傳動比為一擋速比與主減速比的乘積，確定最大傳動比時，要考慮3 個方面的因素：最大爬坡度、附著率和汽車最低穩(wěn)定車速。汽車最大傳動比應(yīng)滿足式(2)：

對于載貨汽車，最大爬坡度通常設(shè)計為30%，因此itmin×i0=47.74。

傳動系最小傳動比為變速器最高擋速比與主減速比的乘積。確定最小傳動比時，主要考慮兩方面：最高車速和后備功率。汽車最小傳動比應(yīng)滿足式(3)：

可算得itmax×i0=3.11。

變速器速比應(yīng)盡量成等比數(shù)列，由式(2)和式(3)可得最大與最小傳動比之比為15.35。假設(shè)變速器擋位數(shù)為k，等比數(shù)列每擋速比為ij，j=1，2，…，k，且現(xiàn)有變速器一般有一個超速擋。則有：

根據(jù)式(2)～式(4)可得變速器各擋速比分別為11.97、9.34、7.29、5.69、4.44、3.46、2.70、2.11、1.64、1.28、1.00 和0.78，傳動系統(tǒng)主減速比i0為3.99。

2 整車性能分析

2.1 動力性指標

最高車速是指汽車在良好平直路面能達到的最高行駛車速，此時牽引車的加速阻力與坡度阻力均為0。

最大爬坡度是指牽引車在滿載良好路面所能爬過的最大坡度。

原地起步加速時間是指牽引車從靜止狀態(tài)，由一擋起步，并以最大的加速度(包括選擇最恰當(dāng)?shù)膿Q擋時機)逐步換至高擋后，到80 km/h 所需的時間。

2.2 經(jīng)濟性指標

2.2.1 牽引車工況建立

牽引車工況以世界統(tǒng)一的重型商用車輛瞬態(tài)車輛循環(huán)(world transient vehicle cycle，WTVC)為基礎(chǔ)，調(diào)整加速度和減速度形成的駕駛循環(huán)，即C-WTVC循環(huán)工況。它由市區(qū)、公路和高速工況3 個部分組成，如圖3 所示［8］。

圖3 重型商用車C-WTVC 循環(huán)

不同用途的車輛，由于運行工況各不相同，因此其燃料消耗量存在較大差異。筆者研究的牽引車質(zhì)量為40 t，屬于GCM ＞25 000 kg 半掛汽車系列，在不同路面上的里程分配分別為10%的一般公路和90%的高速公路。

2.2.2 燃油經(jīng)濟性指標與排放

汽車燃油經(jīng)濟性是指燃燒一定數(shù)量的燃油完成運輸工作量的能力，我國用百公里的燃油消耗油量來表示，計算公式如下：

式中：Q(t)為任意t時刻對應(yīng)的燃油消耗量;P(t)為任意t時刻的輸出功率;b(t)為任意t時刻的燃油消耗率;Q循環(huán)為常用工況下，一個循環(huán)的燃油消耗量;S循環(huán)為循環(huán)工況所走的路程;ua(t)為任意t時刻所對應(yīng)的速度;Q為百公里燃油消耗量。

2.3 計算結(jié)果

根據(jù)式(7)及C -WTVC 循環(huán)工況可計算出重型牽引車的動力性、經(jīng)濟性和排放等指標，如表2、圖4 和圖5 所示。

表2 牽引車性能參數(shù)

圖4 牽引車功率平衡圖

圖5 牽引車燃油消耗百分比圖

3 動力與傳動系統(tǒng)優(yōu)化匹配

目前國內(nèi)同級別的牽引車主要有豪沃A7、東風(fēng)天龍和解放J6 等重型牽引車，其主要性能參數(shù)為：最大爬坡度大于30%、最高車速100 ～110 km/h、百公里燃油消耗為36 ～39 L，排放為國Ⅳ標準;國外同類牽引車如奔馳、沃爾沃等，其主要性能參數(shù)分別為：最大爬坡度大于30%、最高車速110 ～120 km/h、百公里油耗約為32 L(某些車輛甚至低于30 L)、排放標準達到歐Ⅴ標準。為了縮小與國外重型牽引車的差距，有必要對動力與傳動系統(tǒng)進行優(yōu)化。

3.1 遺傳算法與聯(lián)合優(yōu)化

遺傳算法(genetic algorithms，GA)是一種基于自然選擇原理和自然遺傳機制的搜索算法，模擬自然界中的生命進化機制，在人工系統(tǒng)中實現(xiàn)特定目標的優(yōu)化。遺傳算法的實質(zhì)是通過群體搜索技術(shù)，根據(jù)適者生存的原則逐代進化，最終得到最優(yōu)解或準最優(yōu)解。筆者采用遺傳算法與Cruise進行聯(lián)合仿真。遺傳算法需確定可行解域及編碼方法，用數(shù)值串或字符串表示可行解域的每個解。根據(jù)汽車行駛的可行性，設(shè)計變量為主減速器速比i0和變速器各擋位速比ij。由速比構(gòu)成遺傳算法的“染色體”I=［i0，i1，…，i12］，由于汽車變速器和主減速器制造限制，各速比受到約束，各點的約束范圍決定“染色體”I的選擇范圍。

遺傳算法對每個解應(yīng)有一個度量好壞的依據(jù)，用函數(shù)表示，叫做適應(yīng)度函數(shù)，為非負函數(shù)。根據(jù)變速器、主減速器和動力系統(tǒng)匹配的要求，可確定將動力性、經(jīng)濟性和排放的優(yōu)化設(shè)計為目標函數(shù)，即最大爬坡度α、最高車速ua、百公里油耗Q和排放。設(shè)計最大爬坡度大于0.3，則當(dāng)爬坡度大于30%時，認為是最優(yōu)解，否則按f1計算。同理得到最高車速的計算公式，考慮變化率的一致性，將每個函數(shù)乘以相應(yīng)的變化率系數(shù)［9-10］。

將以上各單目標優(yōu)化函數(shù)采用線性組合，整合成如下綜合目標，即為算法的適應(yīng)度函數(shù)。

式中，ωi∈(0，1)，反映了各指標對動力與傳動系統(tǒng)匹配的重要程度。Cruise 與Matlab 遺傳算法聯(lián)合仿真流程如圖6 所示。

圖6 仿真流程圖

3.2 仿真結(jié)果分析

由于汽車動力性、經(jīng)濟性和排放都非常重要，因此認為其權(quán)重一樣即加權(quán)系數(shù)ω1=ω2=ω3=1/6，ω4=ω5=1/3。設(shè)Imax和Imin分別為“染色體”的上限和下限，其變化范圍為：Imax=［6. 00，16.00，11.00，8.50，6.50，5.00，3.80，3.00，2.40，1.80，1. 40，1. 00，0.90］，Imin=［2. 00，12. 00，8.60，6.60，5.10，3.90，3.05，2. 45，1. 85，1. 45，1.10，1.00，0.60］。

取染色體交叉率Pc=1，變異率Pm=0.05。經(jīng)過Cruise 與Matlab 聯(lián)合仿真，遺傳算法運算得到一組優(yōu)化結(jié)果：Iop=［3.91，12.10，9.37，7.33，5.62，4.30，3.37，2.63，2.01，1. 58，1. 23，1. 00，0.74］。在該傳動比下，適應(yīng)度函數(shù)達到最優(yōu)，結(jié)果如表3、圖7 和圖8 所示。

表3 初始與優(yōu)化性能對比

圖7 優(yōu)化后的功率平衡圖

圖8 優(yōu)化后燃油消耗百分比圖

由圖8 可知，發(fā)動機轉(zhuǎn)速的主要工作區(qū)域在1 330 r/min 附近。

3.3 試驗結(jié)果

實車試驗得到的動力經(jīng)濟性結(jié)果如表4 所示。

表4 實車試驗結(jié)果

4 結(jié)論

通過牽引車實車試驗，其各指標相差均在5%以內(nèi)，證明模擬計算可靠，可節(jié)省大量前期研發(fā)時間和成本。目前車輛性能國內(nèi)與國際品牌仍有一定的差距，一方面應(yīng)大力提升包括發(fā)動機在內(nèi)的汽車總成部件的技術(shù)水平和質(zhì)量;另一方面應(yīng)通過動力與傳動系統(tǒng)的優(yōu)化匹配，使汽車各總成部件的性能得以充分發(fā)揮。

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