尤國貴，蘇俊收，陳太榮

（1. 合肥工業(yè)大學汽車與交通工程學院，合肥 230009；2. 徐工集團高端工程機械智能制造國家重點實驗室，徐州 221000；3. 徐工汽車事業(yè)部技術(shù)中心，徐州 221000）

前言

隨著全球能源短缺問題日益明顯，新的國家法規(guī)對油耗限值要求越來越嚴格。對于重型半掛牽引車來說，提升整車燃油經(jīng)濟性勢在必行。重型半掛牽引車的常用工況是高速工況，空氣動力學優(yōu)化對于提升整車燃油經(jīng)濟性有立竿見影的效果。雖各大主機廠和研究機構(gòu)對商用車空氣動力學的優(yōu)化方式多種多樣，但很多數(shù)值模擬計算缺乏同步的試驗數(shù)據(jù)支撐，以至于仿真數(shù)據(jù)的可信度需要試驗進一步確認。整車動力總成部件的參數(shù)組合方式直接決定了整車的節(jié)能潛力。而在發(fā)動機確定的情況下，變速器的參數(shù)和后橋傳動比對車輛的功率需求和燃料消耗量有重要影響。

本文中通過對重型半掛牽引車后視鏡進行優(yōu)化設(shè)計，降低了車輛的風阻系數(shù)。并以重型半掛牽引車的動力性和燃油經(jīng)濟性為目標函數(shù)，利用遺傳算法對牽引車的動力傳動系參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，使車輛的動力性和經(jīng)濟性達到最佳。同時優(yōu)化了電控硅油風扇的控制策略。對優(yōu)化后的車輛進行仿真分析和實車驗證，仿真結(jié)果和實車測試結(jié)果一致，車輛的燃油經(jīng)濟性相比于優(yōu)化前有明顯提升。

1 重型半掛牽引車空氣動力學優(yōu)化

重型半掛牽引車的燃油經(jīng)濟性取決于整車行駛阻力的大小。當半掛牽引車的行駛車速超過80 km/h，空氣阻力占整車行駛阻力的2/3。對于常年行駛于高速上的重型半掛牽引車來說，減小整車風阻，能夠有效減小車輛的行駛阻力。

因Base 版本后視鏡迎風阻力較大，為降低車輛的空氣阻力，對后視鏡的迎風面曲率進行了優(yōu)化。將原Base 版后視鏡替換為優(yōu)化后的整體式后視鏡，整體后視鏡引起的氣流分離較弱，優(yōu)化后的迎風面積要小于原后視鏡面積。試驗結(jié)果顯示空氣阻力系數(shù)降低的效果較明顯，相比于Base版本后視鏡降低了12counts。并將整體式后視鏡應(yīng)用到新開發(fā)的車型中。圖1 為風洞試驗Base模型。Base 版本后視鏡模型和優(yōu)化的后視鏡模型見圖2 和圖3。

圖1 風洞試驗Base模型

圖2 Base版后視鏡模型

圖3 優(yōu)化的后視鏡模型

2 整車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

在發(fā)動機已選定的情況下，汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)是車輛動力性和經(jīng)濟性優(yōu)化的重要方向之一。變速器參數(shù)與主減速比的選擇不僅要滿足車輛基本的動力性能要求，而且應(yīng)使車輛運行工況盡可能處于發(fā)動機萬有特性曲線的經(jīng)濟區(qū)域。通過優(yōu)化傳動系的速比實現(xiàn)動力性和經(jīng)濟性最優(yōu)匹配。使車輛在保證動力性要求的前提下，達到最優(yōu)的燃油經(jīng)濟性。整車基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

表1 基礎(chǔ)車型配置參數(shù)

2.1 目標函數(shù)

基于車輛的行駛工況，以綜合工況的燃油消耗量和固定擋位的加速時間作為車輛經(jīng)濟性和動力性的評價指標來創(chuàng)建目標函數(shù)。

式中：為經(jīng)濟性權(quán)重系數(shù)；為動力性權(quán)重系數(shù)，+= 1；為綜合工況的燃油消耗量，L/100 km；為固定擋位加速時間，s。

2.1.1 等速行駛工況燃油消耗量計算

整個等速過程行程的燃油消耗量為

折算成等速百公里燃油消耗量為

式中：為發(fā)動機提供的功率，kW；為燃油消耗率，g/（kW·h）；為等速行駛車速，km/h；柴油的值為7.94-8.13 N/L。

2.1.2 加速行駛工況燃油消耗量計算

在汽車加速行駛過程中，發(fā)動機還須提供克服加速阻力的功率。發(fā)動機提供的功率為

式中：為空氣阻力系數(shù)；為車輛迎風面積，m；為整車重力，N；為車輛的傳遞效率；為滾動阻力系數(shù)；為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

在計算由以等加速度加速行駛至的燃油消耗量時，把加速過程分隔為若干個區(qū)間，速度每增加1 km/h 為一個小區(qū)間，每個區(qū)間的燃油消耗量可根據(jù)其平均的單位時間燃油消耗量與行駛時間之積求得。各區(qū)間起始或終了車速所對應(yīng)時刻的單位時間燃油消耗量Q，可根據(jù)相應(yīng)的發(fā)動機發(fā)出的功率與燃油消耗率求得：

車輛行駛速度每增加1 km/h所需時間Δ為

從行駛初速度加速至+1 所需燃油消耗量1為

式中：Q為行駛初速度時，即時刻的單位時間燃油消耗量，mL/s；Q為行駛初速度+1 時，即時刻的單位時間燃油消耗量，mL/s。

而車速由+1再增加1 km/h所需的燃油量為

式中Q為車速+2 時，即時刻的單位時間燃油消耗量，mL/s。

每個區(qū)間的燃油消耗量為

整個加速過程的燃油消耗量為

2.1.3 怠速停車時的燃油消耗量計算

若怠速停車時間為，則燃油燃油量為

式中為怠速工況單位時間的燃油消耗量，mL/s。

2.1.4 整車循環(huán)工況的百公里燃油消耗量計算

式中：（）為時刻單位時間對應(yīng)的燃油消耗量，mL/s；為循環(huán)工況下的燃油消耗量，mL；為循環(huán)工況所行駛的距離，km；為整車循環(huán)工況百公里燃油消耗量，L；為循環(huán)所需時間；為循環(huán)平均車速。

2.1.5 固定擋位的加速時間計算

固定擋位的加速時間是以直接擋（速比為1的擋位）50-80 km/h的加速時間作為評價指標。

式中：=50 km/h，=80 km/h；為整車滿載總質(zhì)量，kg；為車輛驅(qū)動力，N；為車輛的滾動阻力，N；為車輛的空氣阻力，N。

2.2 設(shè)計變量

以變速器各擋速比和后橋速比作為設(shè)計變量，文中優(yōu)化的車型變速器具有12個前進擋。表達式為

式中：…、為變速器1 擋到12 擋的傳動比；為主減速器傳動比。

2.3 約束條件

在滿足交通部法規(guī)JTT719—2016《營運貨車燃料消耗量限值標準》限值要求的基礎(chǔ)上，本文也制定了新的燃油消耗量性能目標值。GB30510—2018《重型商用車輛燃料消耗量限值》中對滿載49 t半掛牽引車燃油消耗限值要求為40 L/100km，此油耗限值的制定是基于C-WTVC 行駛工況測試而得。C-WTVC 是在世界商業(yè)用車輛瞬態(tài)循環(huán)的基礎(chǔ)上，調(diào)整加速度和減速度形成的駕駛循環(huán)。C－WTVC循環(huán)由市區(qū)、公路和高速工況3 部分組成。為徐工企業(yè)自定的道路測試油耗限值。為C-WTVC工況下，臺架試驗油耗限值。

（1）直接擋最大動力因數(shù)約束

式中：為發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩，N·m；為變速器擋位速比；為車輛的傳遞效率；為車輪滾動半徑，m；為發(fā)動機輸出最大轉(zhuǎn)矩時對應(yīng)的車速，km/h；為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；為主減速比。

（2）最高車速的約束

式中為車輛的最高車速，km/h。

（3）最大傳動比約束

式中：為行駛最大坡度角，%；為最大路面附著系數(shù)；為驅(qū)動輪上的法向反作用力，N。

（4）中間各擋傳動比約束

變速器各擋位傳動比一般按照等比數(shù)列進行分配，有利于發(fā)動機功率的充分利用。擋位數(shù)為12，數(shù)學表達式為

基于目標函數(shù)以C-WTVC 為車輛的循環(huán)工況，利用MATLAB 最優(yōu)化設(shè)計方法中的遺傳算法工具箱完成整車動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化。圖4 為遺傳算法的流程圖。

圖4 遺傳算法流程圖

遺傳算法的運算流程如下。

進行優(yōu)化求解，設(shè)種群的大小為=100；遺傳算法運算的終止進化代數(shù)：=200；交叉概率：=0.6；變異概率：=0.001；

設(shè)計變量的上限為

設(shè)計變量的下限為

優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化前后對比數(shù)據(jù)

3 電控硅油風扇控制策略優(yōu)化

冷卻風扇的轉(zhuǎn)速主要根據(jù)發(fā)動機水溫、進氣溫度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速等來進行控制。目前車輛使用的風扇類型為電控硅油風扇。

如果電控硅油風扇控制邏輯和標定不合理會導致整車燃油消耗和噪聲較大，發(fā)動機溫度過高，從而會影響車輛的正常行駛。根據(jù)發(fā)動機的外部條件（水溫、進氣溫度、空調(diào)等），通過優(yōu)化風扇轉(zhuǎn)速的控制策略動態(tài)調(diào)整風扇的轉(zhuǎn)速，使發(fā)動機盡可能工作在最佳溫度。在滿足整車散熱需求的前提下有效降低風扇功率消耗，最終達到降低油耗且能降低發(fā)動機溫度的效果。

圖5 為風扇控制邏輯圖，圖6 為風扇轉(zhuǎn)速控制模塊。

圖5 風扇轉(zhuǎn)速控制模塊

圖6 風扇轉(zhuǎn)速控制策略模塊

風扇轉(zhuǎn)速控制的模塊主要有兩部分組成，即風扇轉(zhuǎn)速需求計算模塊和風扇轉(zhuǎn)速控制模塊。

風扇轉(zhuǎn)速需求計算是根據(jù)當前整車的冷卻需求，調(diào)整風扇轉(zhuǎn)速需求。如發(fā)動機冷卻需求轉(zhuǎn)速的計算是冷卻水溫和發(fā)動機轉(zhuǎn)速通過查表獲得，并根據(jù)不同的大氣壓力進行修正。優(yōu)化的控制策略將更多影響風扇轉(zhuǎn)速的因素加入控制策略中，對于風扇的轉(zhuǎn)速需求計算更為精準，保證了各部件處于高效狀態(tài)。根據(jù)風扇轉(zhuǎn)速需求值和當前風扇的實際轉(zhuǎn)速差值，優(yōu)化前的轉(zhuǎn)速控制策略采用的是PI 閉環(huán)控制，優(yōu)化后的控制策略采用PID 閉環(huán)控制動態(tài)調(diào)節(jié)PWM（脈沖寬度調(diào)制）占空比，控制電控硅油風扇離合器工作腔硅油量，實現(xiàn)一次風扇轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，控制精度更高。

當風扇控制PWM 占空比小于13%，可判斷風扇斷開；當風扇控制PWM 占空比大于85%，判斷風扇完全接合；當PWM 占空比介于85%和13%之間風扇處于調(diào)節(jié)狀態(tài)。

4 優(yōu)化設(shè)計方案驗證

4.1 仿真結(jié)果驗證

利用Crusie 軟件創(chuàng)建整車性能仿真模型，整車仿真模型如圖7所示。

圖7 整車仿真模型

將優(yōu)化前后的動力傳動系統(tǒng)參數(shù)和風扇控制策略進行仿真對比分析，Simulink 控制策略模型經(jīng)過編譯器生成DLL 文件格式。將生成風扇控制策略DLL 文件集成到Crusie 中進行聯(lián)合仿真計算，對控制策略進行虛擬驗證。聯(lián)合仿真的結(jié)果見表3。

表3 系統(tǒng)優(yōu)化前后的仿真結(jié)果

根據(jù)表3 可知，在滿足車輛動力性能的前提下，系統(tǒng)優(yōu)化后的整車在C-WTVC 循環(huán)工況下的燃油消耗量降低了1.7%，常用車速80 km/h等速工況下，燃油消耗量降低2.1%。

4.2 臺架試驗驗證

與計算機仿真不同，現(xiàn)實中因資源條件限制，在選配變速器和后橋時，不能嚴格按照優(yōu)化的參數(shù)進行變速器和后橋的速比選擇，只能選配最為接近優(yōu)化后的動力總成參數(shù)。利用重型轉(zhuǎn)鼓試驗臺，分別對優(yōu)化前后的車輛進行油耗測試。基于C-WTVC循環(huán)，按照GB T 27840—2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》進行試驗，如圖8 所示。試驗過程中，車輛運行狀態(tài)保持與C-WTVC 循環(huán)一致，速度偏差不超過±3 km/h。每次超過車速偏差的時間不超過2 s，累計不應(yīng)超過10 s。試驗結(jié)果見表4。

圖8 重型轉(zhuǎn)鼓試驗臺

表4 車輛優(yōu)化前后臺架油耗試驗結(jié)果

從表4 可看出，空氣阻力系數(shù)、發(fā)動機附件功耗和動力傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后的車輛，燃油消耗量相比原始車輛降低了2%。仿真計算的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)誤差小于5%，也進一步驗證了仿真計算的準確性。

5 實車道路試驗驗證

實車道路試驗中采用了VBOX整車性能測試系統(tǒng)和德國GREGORY Flowtronic Technology GmbH 公司制造的GREGORY Flowtronic 油耗儀系統(tǒng)。圖9為試驗車輛，滿載總質(zhì)量為49000 kg，圖10為試驗設(shè)備。

圖9 試驗車輛

圖10 試驗設(shè)備

參照法規(guī)GB/T 12543—2009《汽車加速性能試驗方法》和GB/T 12544—2012《汽車最高車速試驗方法》進行車輛動力性能測試。按照交通部推薦測試標準JTT 719—2016《營運貨車燃料消耗量限值及測量方法》在徐州周邊路段進行燃油消耗量測試。將改進后的車輛和基礎(chǔ)車型進行道路對比測試，試驗結(jié)果如表5 所示。表5 表明，優(yōu)化后的車輛在滿足動力性能目標要求的前提下，燃油經(jīng)濟性比優(yōu)化前有明顯提升。80 km/h等速工況燃油消耗量降低了3.8%，加速工況的燃油消耗量也有明顯降低。基于JT/T719—2016 的綜合工況，百公里油耗減少了1.14 L，相當于降低了3%。

表5 優(yōu)化前后車輛性能數(shù)據(jù)對比

6 結(jié)論

（1）針對目前市場上重型半掛牽引車燃油消耗量高的問題，通過優(yōu)化后視鏡的迎風面曲率，將原Base 版后視鏡替換為改進后的整體式后視鏡，降低了車輛的風阻系數(shù)。風洞試驗結(jié)果證明了優(yōu)化方案的可行性。

（2）利用遺傳算法對整車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化，對電控硅油風扇的控制策略進行改進，通過聯(lián)合仿真計算可得優(yōu)化后的車輛，在滿足動力性的前提下，C-WTVC循環(huán)工況燃油消耗量降低1.7%。

（3）分別對基礎(chǔ)車輛和優(yōu)化后的車輛進行實車性能測試。從臺架試驗結(jié)果可知，優(yōu)化了風阻系數(shù)、發(fā)動機附件功耗和傳動系統(tǒng)參數(shù)的車輛，在CWTVC 循環(huán)工況下燃油消耗量降低2%。同時道路試驗結(jié)果顯示，優(yōu)化后的車輛在80 km/h等速工況燃油消耗量降低了3.8%，基于JT/T719—2016 的綜合工況燃油消耗量降低3%，優(yōu)化效果明顯。同時也驗證了本文優(yōu)化方案的可行性。上述方法對重型商用車的燃油經(jīng)濟性開發(fā)和提升具有一定的指導意義。