張曉亮，于 英，王金偉

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配的好壞與整車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性息息相關(guān)，也是人們普遍關(guān)心和研究的重要問題之一。在車輛開發(fā)過程初期，一般基于目標(biāo)設(shè)計(jì)要求和已有發(fā)動(dòng)機(jī)類型參數(shù)等選擇傳動(dòng)系參數(shù)。當(dāng)目標(biāo)車輛的整車質(zhì)量、質(zhì)量分配和輪胎等為已知時(shí)，傳統(tǒng)的合理選擇發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的做法是進(jìn)行大量的試驗(yàn)和動(dòng)力計(jì)算。由于受計(jì)算誤差、模型精確度以及細(xì)節(jié)參數(shù)簡化等條件的限制，結(jié)果往往不盡如人意。但計(jì)算機(jī)通過模擬計(jì)算可以較好地解決這個(gè)難題。建立整車模型及接近真實(shí)的行駛工況條件，可以較好地優(yōu)化計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部件，并且得到良好的優(yōu)化效果。一般可以對發(fā)動(dòng)機(jī)、各個(gè)擋位速比和主減速比進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

1 工程牽引車傳動(dòng)系的建模

圖1為工程牽引車傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖。工程牽引車的傳動(dòng)方式為機(jī)械液力傳動(dòng)，變速器采用了動(dòng)力換擋變速系統(tǒng)。動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)軸傳給液力變矩器，液力變矩器再將動(dòng)力經(jīng)由變速器傳遞給驅(qū)動(dòng)橋，由主減速器和輪邊減速器完成減速增扭之后將動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)輪。

應(yīng)用AVL CRUISE提供的模塊庫，根據(jù)整車傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖(圖1)，依次從各個(gè)子模塊庫中的相關(guān)模塊拖入建模工作界面，然后進(jìn)行物理連接和信號連接。圖2為搭建的整車系統(tǒng)模型［1］。

圖1 工程牽引車傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖

圖2 整車系統(tǒng)模型

2 傳動(dòng)系參數(shù)優(yōu)化方法

近幾年計(jì)算科學(xué)和網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步使許多工程領(lǐng)域都引入了優(yōu)化設(shè)計(jì)思想，應(yīng)用最廣泛的優(yōu)化方法有3種:傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、區(qū)間優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［2］。

任何方法都具有兩面性，只有合理匹配模型與優(yōu)化方法之間的關(guān)系才能使優(yōu)化結(jié)果達(dá)到最佳［3-4］。根據(jù)以上分析，本文建立了動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性雙目標(biāo)函數(shù)，并利用加權(quán)組合法將雙目標(biāo)化為單目標(biāo)，搭建單一目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化模型［5］。

2.1 選定設(shè)計(jì)變量

當(dāng)整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)其他組成部分既定或者已知時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比是決定車輛動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性的最后參數(shù)。因此，本文選定的設(shè)計(jì)變量為整車動(dòng)力傳動(dòng)系的總傳動(dòng)比，即各擋位傳動(dòng)比與驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)比的乘積值，本優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)變量為

式(1)中:igj為第j擋速比;i0為驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)比。

2.2 建立目標(biāo)函數(shù)

最優(yōu)化設(shè)計(jì)是在規(guī)定的各種設(shè)計(jì)限制條件下優(yōu)選設(shè)計(jì)參數(shù)，使某項(xiàng)或者幾項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)獲得最優(yōu)值。根據(jù)特定問題所追求的目標(biāo)，倘若可以針對該目標(biāo)建立函數(shù)關(guān)系，則應(yīng)用設(shè)計(jì)變量搭建所需的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式，此即為目標(biāo)函數(shù)。對于多變量的最優(yōu)化問題，目標(biāo)函數(shù)為

本文建立了動(dòng)力性分目標(biāo)函數(shù)和經(jīng)濟(jì)性分目標(biāo)函數(shù)，并將兩個(gè)分目標(biāo)通過線性加權(quán)組合轉(zhuǎn)換成單一的目標(biāo)函數(shù)，建立傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型［6］。

1)動(dòng)力性分目標(biāo)函數(shù)。本文評價(jià)車輛動(dòng)力性能時(shí)采用熱啟動(dòng)起步連續(xù)換擋加速時(shí)間，并基于此建立分目標(biāo)函數(shù)，如式(3)所示。

2)經(jīng)濟(jì)性分目標(biāo)函數(shù)。車輛燃油經(jīng)濟(jì)性采用多工況循環(huán)行駛百公里燃油消耗量進(jìn)行綜合評價(jià)。本文目標(biāo)車輛的行駛工作循環(huán)工況包含了等速、加速、減速和怠速工況的百公里燃油消耗量(L/100 km)?；诖说慕?jīng)濟(jì)性分目標(biāo)函數(shù)為

式(4)中:s為行駛距離(m);Q1，Q2，Q3，Q4分別為等速、加速、減速、怠速停車過程的燃油消耗量(mL)。

3)綜合目標(biāo)函數(shù)。通過上文的分目標(biāo)函數(shù)線性加權(quán)組合得到綜合目標(biāo)函數(shù)

式(5)中:r1，r2分別為動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性加權(quán)因子。

本文優(yōu)化分析研究建立在滿足項(xiàng)目對整車動(dòng)力性提高要求的基礎(chǔ)上，因此應(yīng)盡量提高其燃油經(jīng)濟(jì)性，減小百公里油耗，故優(yōu)化加權(quán)因子r1=0，r2=1。

2.3 確定約束條件

工程牽引車在日常使用中對燃油經(jīng)濟(jì)性與排放性能的要求建立在滿足一定的動(dòng)力性能要求的基礎(chǔ)上。因此，本文對影響動(dòng)力性的要素(最大車速、爬坡能力、加速能力和速比分配規(guī)律)進(jìn)行討論，對綜合目標(biāo)函數(shù)設(shè)立約束條件。

1)最大車速約束。根據(jù)車輛的最大車速和發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速確定總傳動(dòng)比的上限:

式(6)中:igi為最大車速下的擋位數(shù);i0為驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)比;vmax為最大車速(km/h);nmax為最大轉(zhuǎn)速(r/min)。

根據(jù)車輛最大車速下的行駛阻力和發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩確定速比的下限:

式(7)中:Fumax為最大車速下的行駛阻力(N);Tumax為最大轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩(N·m)。

2)最大爬坡度約束。傳動(dòng)比的下限根據(jù)車輛在最大爬坡度行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出扭矩和行駛阻力確定:

式(8)和(9)中:Fimax為行駛阻力(N);Tmax為最大轉(zhuǎn)矩(N·m);Ui為車速(N)。

3)動(dòng)力因數(shù)約束。為了滿足最高擋動(dòng)力性要求，則需要滿足:

式(10)和(11)中:va為當(dāng)汽車處于最高擋時(shí)對應(yīng)于nT時(shí)的車速。

4)速比分配規(guī)律約束。一般工程牽引車變速器相鄰兩擋比值為1.4～2.0左右，且

3 應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用Matlab優(yōu)化工具箱中的優(yōu)化函數(shù)，基于本文的設(shè)計(jì)變量、綜合目標(biāo)函數(shù)和約束條件編制執(zhí)行程序、目標(biāo)函數(shù)M文件和約束條件M文件，從而優(yōu)化傳動(dòng)系傳動(dòng)比。優(yōu)化前后各擋傳動(dòng)比及驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)比如表1所示。

將優(yōu)化后的傳動(dòng)比參數(shù)代入所建立的整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型中，仿真計(jì)算整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性在優(yōu)化前后的變化，驗(yàn)證優(yōu)化的合理性和正確性。

3.1 最高車速仿真

優(yōu)化后，在最高擋6擋時(shí)最高車速為71.75 km/h，優(yōu)化前后相差2.92%，優(yōu)化后有一定的增加。優(yōu)化前后各擋最高車速對比如表2所示。

3.2 最大爬坡度仿真

優(yōu)化后牽引車各擋爬坡度仿真結(jié)果輸出數(shù)據(jù)對比如圖3所示。優(yōu)化后1擋的最大爬坡度為66.10%，此時(shí)的車速為3.30 km/h，與原車相比各擋位的最大爬坡度大多有所降低。車輛在3、4擋行駛時(shí)，最大爬坡度較原車有微小的變化，說明優(yōu)化后車輛在中高速行駛時(shí)的坡度適應(yīng)性較好。

表1 各擋位傳動(dòng)比

表2 優(yōu)化前后各擋最高車速

圖3 優(yōu)化前后各擋位爬坡度仿真結(jié)果對比

3.3 加速性能仿真

圖4為優(yōu)化前后車輛各擋位加速度對比曲線。由圖4可知，優(yōu)化前后車輛各擋的加速度都有一定的下降，說明整車的加速性能有一定的降低。圖5為優(yōu)化前后各擋最大加速度仿真計(jì)算輸出數(shù)據(jù)。

圖6為優(yōu)化前后原地起步連續(xù)換擋加速曲線。圖6中各曲線分別為加速度曲線、車速曲線和行駛距離曲線;紅色表示優(yōu)化前的曲線，藍(lán)色表示優(yōu)化后的曲線。圖6中:［1］為車輛加速度曲線;［2］車輛車速曲線;［3］為隨時(shí)間的行駛距離曲線。車輛優(yōu)化后，車輛的加速時(shí)間和行駛距離增加，整車的動(dòng)力性稍有降低。

圖4 各擋位加速度曲線對比

圖5 優(yōu)化前后各擋位最大加速度對比

圖6 原地起步連續(xù)換擋加速曲線對比

圖7為優(yōu)化前后從30 km/h加速到60 km/h的加速過程曲線，圖中各曲線分別為加速度曲線、車速曲線、擋位和行駛距離曲線。［1］表示優(yōu)化前的曲線，［2］表示優(yōu)化后的曲線。由圖7可知:車輛優(yōu)化后，車輛在5擋行駛過程中的平均加速度增大，所以車輛在中高速階段的動(dòng)力性較優(yōu)化前有一定的增強(qiáng)。

圖7 30～60 km/h加速過程曲線

3.4 循環(huán)工況仿真

圖8為優(yōu)化前后UDC循環(huán)工況中瞬時(shí)燃油消耗對比曲線。圖9為工程牽引車在UDC循環(huán)工況下車輛怠速、加速、減速、穩(wěn)態(tài)行駛下燃油消耗量優(yōu)化前后的對比曲線，其中:［1］為優(yōu)化前;［2］為優(yōu)化后。

圖8 循環(huán)工況瞬時(shí)燃油消耗對比

圖9 不同工況燃油消耗量對比

從優(yōu)化前后仿真結(jié)果輸出文件可得:優(yōu)化后的循環(huán)工況油耗為23.40 L/100 km，降低了1.02 L/100 km，改善了牽引車的經(jīng)濟(jì)性能。

3.5 穩(wěn)態(tài)行駛工況仿真

穩(wěn)態(tài)行駛工況下不同擋位和車速的燃油消耗量優(yōu)化前后的對比如表3所示。從表3可以看出:優(yōu)化后最高擋位穩(wěn)態(tài)行駛的燃油消耗量都較優(yōu)化前有所降低，車輛總體的燃油經(jīng)濟(jì)性得到了提高。

表3 最高擋等速百公里燃油消耗量對比L/100 km

3.6 優(yōu)化前后整車性能對比

表4為優(yōu)化前后整車性能對照表。由表4可知:在動(dòng)力性方面，優(yōu)化后最高車速提高了2.92%，最大爬坡度下降了3.15%，加速時(shí)間延長了，動(dòng)力性有少量下降。這是因?yàn)楸疚牡膬?yōu)化建立在滿足動(dòng)力性要求的基礎(chǔ)上，傾向于經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化的要求;在經(jīng)濟(jì)性方面，車輛循環(huán)工況的油耗降低了4.17%，達(dá)到了優(yōu)化的目的，優(yōu)化效果良好。由此可見，利用所建立的模型對原車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)取得了較顯著的效果。

表4 整車性能對比

4 結(jié)束語

本文搭建了基于CRUISE平臺(tái)的整車傳動(dòng)模型，對一般傳動(dòng)系參數(shù)優(yōu)化方法進(jìn)行了說明，并確定優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。對傳動(dòng)比進(jìn)行優(yōu)化，并將優(yōu)化后的傳動(dòng)比代入搭建的整車傳動(dòng)模型對傳動(dòng)系進(jìn)行仿真分析。分析結(jié)果表明車輛在滿足動(dòng)力性要求的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)性得到了提高。

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