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

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

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

為研究發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的合理匹配關(guān)系，提出在發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)選定的情況下，通過選擇不同的傳動(dòng)系參數(shù)來使發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)某轎車建模與仿真，得出動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性相關(guān)參數(shù)值，其后對(duì)主減速器和變速器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到新的傳動(dòng)系參數(shù)。將優(yōu)化后的整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果與原車型相比，結(jié)果顯示，該轎車的動(dòng)力性變化不大，經(jīng)濟(jì)性有所改善。

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)；參數(shù)匹配；動(dòng)力性；經(jīng)濟(jì)性

0 引言

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)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(gè)重要課題。汽車整車性能的提高不僅取決于發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系性能的提高，而且在很大程度上取決于發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)二者之間的匹配是否合理?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展使得汽車性能的模擬計(jì)算已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)，通過模擬計(jì)算能夠更好地選擇汽車動(dòng)力傳動(dòng)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(jì)質(zhì)量，而且能夠?yàn)檎嚨募夹g(shù)評(píng)價(jià)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(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配而設(shè)計(jì)的整車高級(jí)仿真分析軟件，可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜車輛動(dòng)力傳動(dòng)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(jì)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(duì)任意結(jié)構(gòu)形式的汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，具體建模流程如下：

(1)從元件庫(kù)窗口中拖出所需的元件，建立整車各個(gè)部件物理模型。

(2)建立信號(hào)傳遞的物理和信號(hào)連接。按各元件間信號(hào)或能量傳遞的輸入和輸出關(guān)系進(jìn)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(shí)模型的正確性。

(4)設(shè)定所要執(zhí)行的計(jì)算任務(wù)，并對(duì)計(jì)算任務(wù)中不同的參數(shù)變量進(jìn)行設(shè)置。

(5)模擬計(jì)算與仿真優(yōu)化。

根據(jù)微型轎車動(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)機(jī)的外特性曲線及萬(wàn)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(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，對(duì)其傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化， 并對(duì)優(yōu)化前后的兩組結(jié)果進(jìn)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(shí)，主要包括以下幾種任務(wù)：定制 Full Load Acceleration、climbing 得到動(dòng)力性相關(guān)數(shù)據(jù)和定制 Cycle Run 任務(wù)得到經(jīng)濟(jì)性相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 仿真計(jì)算

2.1 動(dòng)力性計(jì)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(jì)算任務(wù)后，運(yùn)行得到的所需要的整車動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)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(jì)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(shí)間為19.29 s。以4擋由40 km/h加速到100 km/h所需的加速時(shí)間為22.42 s。

2.2 燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

多工況循環(huán)試驗(yàn)是不同強(qiáng)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(jì)性模擬計(jì)算就是這四種工況油耗計(jì)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(dòng)機(jī)在該工況點(diǎn)工作次數(shù)的多少，顏色越深代表在該工況點(diǎn)工作的頻率越高。由圖5可以得出，在整個(gè)模擬工況中，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)在低轉(zhuǎn)速下工作，偏離了最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)，導(dǎo)致燃油消耗率偏高。整個(gè)UDC循環(huán)工況的百公里燃油消耗量為6.58 L。

3 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化

當(dāng)整車及發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)確定后，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的選擇直接決定了整車的性能。汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)有：主減速器傳動(dòng)比、變速器擋位數(shù)、變速器各擋傳動(dòng)比。主減速器的傳動(dòng)比越大，汽車的后備功率會(huì)隨著增加，那么汽車的加速性能和爬坡能力就越強(qiáng)。由于汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性是相互矛盾的，當(dāng)汽車動(dòng)力性增強(qiáng)時(shí)，其燃油經(jīng)濟(jì)性就相對(duì)變得比較差。就汽車的動(dòng)力性而言，擋位數(shù)越多，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)在最大功率附近工作的機(jī)會(huì)，提高了汽車的加速性能和爬坡能力。就汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性而言，擋位數(shù)越多，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)系的速比則是汽車動(dòng)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(jì)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(jì)變量是五擋手動(dòng)變速器的傳動(dòng)比及主減速器傳動(dòng)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(dòng)比；i0為主減速器傳動(dòng)比。

分別以轎車的原地起步加速時(shí)間和十五循環(huán)工況燃油消耗量作為最佳動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性分目標(biāo)進(jìn)行匹配優(yōu)化，并考慮這兩個(gè)分目標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)中相對(duì)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(dòng)力性加權(quán)因子，λ2為經(jīng)濟(jì)性加權(quán)因子，λ1+λ2=1;f(X1)為動(dòng)力性分目標(biāo)；f(X2)為經(jīng)濟(jì)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(shí)間、一擋最大動(dòng)力因數(shù)、地面附著條件、相鄰擋位傳動(dòng)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(duì)比分析

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

表3 優(yōu)化前后各擋傳動(dòng)比

優(yōu)化前后整車的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析分別如表4，5所示，可知優(yōu)化后的某些指標(biāo)動(dòng)力性有所下降，但變化不大，仍滿足設(shè)計(jì)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(dòng)力性對(duì)比

表5 整車的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

4 結(jié)論

(1)汽車動(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)機(jī)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(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的合理匹配程度，進(jìn)而保證整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)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(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)各部件參數(shù)和模擬試驗(yàn)得到優(yōu)化后的轎車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，有助于設(shè)計(jì)者在初期階段預(yù)測(cè)整車的性能，大大縮短了開發(fā)周期，減小或避免了錯(cuò)誤匹配。

【1】 仇玉林，王貴勇.整車動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性的分析預(yù)測(cè)[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2008，26(5)：28-32.

【2】 高友山，王愛紅，向立明，等.汽車等速燃油經(jīng)濟(jì)性模擬計(jì)算及對(duì)比分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2010，34(1)：191-193.

【3】 杜子學(xué)，劉記君.基于燃油經(jīng)濟(jì)性的汽車動(dòng)力傳動(dòng)系匹配優(yōu)化[J].汽車工程師，2011，25(4)：36-40.

【4】 凌建群.車用發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性分析計(jì)算[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2007，15(2)：18-23.

【5】 劉振軍，趙海峰，秦大同.基于 CRUISE 的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)建模與仿真分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，28(11)：8-12.

【6】 王薇.汽車動(dòng)力傳動(dòng)系計(jì)算仿真及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2006.

【7】 王保華，羅永革.基于CRUISE的汽車建模與仿真[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，12(19):32-36.

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?yàn)檎囆阅芊治?，?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配優(yōu)化。E-mail:qjw880828@126.com。