殷文芬

（德州學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東德州　253023）

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汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化選擇

殷文芬

（德州學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東德州253023）

摘要：汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)是決定汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性好壞的關(guān)鍵因素，通過對(duì)汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性分析，總結(jié)出汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化方向，并在此基礎(chǔ)上通過求解約束問題極小值的復(fù)合形法進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：汽車傳動(dòng)系統(tǒng)；優(yōu)化；指標(biāo)

在開發(fā)一款新的車型和對(duì)已有車型進(jìn)行改進(jìn)，汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性始終是研究人員最為重視的一個(gè)方面。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化措施主要包括以下3個(gè)方面。

（1）汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)該與汽車舒適性、操縱穩(wěn)定性、噪聲震動(dòng)等方面相適應(yīng)，為汽車整體的優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

（2）充分考慮汽車在運(yùn)行過程中，空載和滿載等不同工況的特征，考慮到汽車所行駛條件對(duì)汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響。

（3）充分利用科學(xué)技術(shù)的發(fā)展成果，建設(shè)開發(fā)出更加迅速?gòu)?qiáng)大，計(jì)算能力更強(qiáng)的設(shè)計(jì)軟件和系統(tǒng)。

1　汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的概念

圖1　汽車傳動(dòng)系統(tǒng)總成

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間的動(dòng)力傳遞裝置稱為汽車的傳動(dòng)系。傳動(dòng)系統(tǒng)作為汽車重要的組成部分之一，是將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩通過離合器、變速器、傳動(dòng)軸、萬(wàn)向節(jié)、差速器和半軸傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，使車輛運(yùn)動(dòng)。在汽車行駛過程中，通過控制離合器的分離和結(jié)合，以切斷和傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)力矩，向車輪輸入動(dòng)力。如圖1所示。

2　影響傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的指標(biāo)

目前，我國(guó)針對(duì)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化措施是在汽車總質(zhì)量，質(zhì)量的軸荷分配，滾動(dòng)阻力和空氣阻力等量已確定的情況下，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和選擇傳動(dòng)系參數(shù)，從而大幅優(yōu)化汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

一般的，對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的選擇方法是通過汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的。對(duì)于汽車傳動(dòng)系參數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，一般是用汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的加權(quán)值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。汽車動(dòng)力性的好壞，是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要體現(xiàn)之一。同樣的，汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的高低，也可以通過傳動(dòng)系統(tǒng)體現(xiàn)出來(lái)。

（1）動(dòng)力性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)汽車?yán)碚撝R(shí)，汽車動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)有最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度。汽車驅(qū)動(dòng)力的大小能夠體現(xiàn)汽車動(dòng)力性的好壞。驅(qū)動(dòng)力越大，克服汽車行駛阻力的能力越強(qiáng)，動(dòng)力性越好。汽車最高車速是表征汽車動(dòng)力性的評(píng)定指標(biāo)之一，汽車最高車速的增大，能夠確定發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的變化，根據(jù)公式：

式中：Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)功率；ηT為機(jī)械效率；Pf為滾動(dòng)阻力功率；Pw為空氣阻力功率；Pi為坡度阻力功率；Pj為加速阻力功率。

根據(jù)汽車速度公式可以知道，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定，車輪半徑不變的情況下，汽車傳動(dòng)系傳動(dòng)比，即igi0的變化，直接影響到汽車的最高車速。而通過汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率公式可以得到汽車車速的增加能夠提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率，體現(xiàn)出汽車動(dòng)力性的增加。因此，通過討論汽車動(dòng)力性的好壞，可以得到：汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化，是以改變汽車傳動(dòng)系傳動(dòng)比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

（2）燃油經(jīng)濟(jì)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。目前，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性的評(píng)定指標(biāo)主要是等速百公里燃油消耗量和一定燃油量所能行駛的里程。根據(jù)汽車燃油消耗量公式：

式中：Ua為汽車車速，n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r為車輪半徑，ig為變速器傳動(dòng)比，i0為主減速器傳動(dòng)比。

可以得到：汽車燃油消耗量的大小也和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率以及汽車車速有關(guān)。從汽車結(jié)構(gòu)方面，提高燃油經(jīng)濟(jì)性的途徑可以增加汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的檔位數(shù)，增加汽車傳動(dòng)系的檔位數(shù)，也是增加了選用合適檔位使發(fā)動(dòng)機(jī)處于經(jīng)濟(jì)工作狀況的機(jī)會(huì)，從而有利于提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。而檔數(shù)無(wú)限的無(wú)級(jí)變速器，可以在任何條件下提供使發(fā)動(dòng)機(jī)在最經(jīng)濟(jì)工況下工作的可能。因此，通過討論燃油經(jīng)濟(jì)性，可以得到：傳動(dòng)系的優(yōu)化通過改變傳動(dòng)系統(tǒng)的檔位數(shù)和采用無(wú)級(jí)變速的方式實(shí)現(xiàn)。

3　汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

針對(duì)上述汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的討論，結(jié)合動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性模擬計(jì)算程序，從而開發(fā)出一款汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。通過求解約束問題極小值的復(fù)合形法，可以方便的得出汽車傳動(dòng)系參數(shù)的優(yōu)化解。

（1）選取優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。根據(jù)之前的分析，傳動(dòng)系的主要優(yōu)化參數(shù)就是各檔位的傳動(dòng)比ig和主減速器傳動(dòng)比i0，因此，優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)變量應(yīng)該選為：

式中：igi為變速器第i擋傳動(dòng)比，i0為主減速器傳動(dòng)比。

（2）動(dòng)力性目標(biāo)函數(shù)的建立。選取汽車原地起步時(shí)連續(xù)換擋的加速時(shí)間作為目標(biāo)函數(shù)，在優(yōu)化中要求加速時(shí)間盡量小。因此:

式中：Vmin為最小穩(wěn)定車速；δ0為非穩(wěn)定工況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)特性變化及慣性影響回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；Ga為汽車總質(zhì)量。

（3）經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)的建立。在機(jī)動(dòng)車經(jīng)濟(jì)性中，要按照多種工況循環(huán)使用油耗作為評(píng)價(jià)指標(biāo)建立汽車經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)函數(shù)，包括加速、等速、減速和怠速等工況。因此，多工況循環(huán)耗油量只和為：

式中：α、β、γ、σ分別為等速段、加速段、減速段和怠速段總數(shù)；Q1、Q2、Q3、Q4分別為等速、加速、減速和怠速的油耗；γ為燃油的重度；ge為燃油消耗率；s1，s2，s3為等速、加速、減速段行程；u0，ut為加速起始、終了的車速；u01，ut1為減速起始、終了的車速；td為怠速時(shí)間；s為整個(gè)多工況循環(huán)行程。

（4）雙目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化成單一目標(biāo)函數(shù)

f（X）=ω1f（X1）+ω2f（X2）

式中：ω1，ω2分別為動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性加權(quán)因子；f（X1）為動(dòng)力性目標(biāo)函數(shù)；f（X2）為經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)。

（5）變速器速比的約束條件。將五檔變速器機(jī)動(dòng)車進(jìn)行優(yōu)化，變速器各檔傳動(dòng)比之間的公比為:

當(dāng)q值確定后，則有：

（6）整車基本性能要求約束條件

（7）優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。根據(jù)前文分析，可得到優(yōu)化問題模型為：

由于優(yōu)化過程的目標(biāo)函數(shù)和約束條件較為復(fù)雜，需要大量的數(shù)值計(jì)算，因此我們采用matlab編程，選擇求解約束問題極小值的復(fù)合形法進(jìn)行求解。

利用復(fù)合形法程序框圖輸出目標(biāo)函數(shù)最小的點(diǎn)作為汽車傳動(dòng)系的最優(yōu)點(diǎn)。利用該系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣車的汽車傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。已知條件：汽車總重W=26460N，軸距L=2059m，輪距B=1.41m，迎風(fēng)面積A=20846m2，風(fēng)阻系數(shù)CD=0.45。該車發(fā)動(dòng)機(jī)功率Pe=52.3kW，最大扭矩Me=172. 5N，輪胎半徑r=0.317m。

機(jī)械式五檔變速器變速比如表1所示，不同加權(quán)因子條件下的傳動(dòng)比優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表1　實(shí)驗(yàn)樣車變速比

從表2中可以看出，傳動(dòng)系參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化后，功率損失有了下降，同時(shí)降低了六工況實(shí)驗(yàn)條件下的累計(jì)使用油耗。優(yōu)化后的六工況使用油耗比不優(yōu)化的六工況使用油耗降低了2.72%。從表中可以得到優(yōu)化后的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性均有明顯改善。

表2　不同加權(quán)因子條件下傳動(dòng)比優(yōu)化結(jié)果

4　結(jié)語(yǔ)

對(duì)于較為普遍的五檔變速器乘用車，運(yùn)用線性加權(quán)將動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性這兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單一目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)汽車在不同運(yùn)用情況下選取不同的加權(quán)因子，使乘用車傳動(dòng)參數(shù)能夠得到最優(yōu)化的結(jié)果，從而提高汽車的整體性能。

參考文獻(xiàn)

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Optimization and Selection of Parameters of Automobile Transmission System

YIN Wen-fen
（Collegeof Automotive Engineering，Dezhou College，Dezhou，Shandong 253023，China）

Abstract:Parameter of automobile transmission system is a key factor which decides the power performance and the economy of the automobile，through analysis of power and fuel economy of automobiles，this paper sums up the optimizing direction of automobile transmission system parameters，and on this basis，implements optimization experiment of automobile transmission system parameters by complex method.

Key words:Automobile transmission system；Optimization；Index

作者簡(jiǎn)介：殷文芬（1994-），女，大學(xué)本科，主要研究方向：交通運(yùn)輸。

收稿日期：2016-01-07

中圖分類號(hào)：U463.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-980X（2016）02-0032-03