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分析主减速比对整车动力性与经济性的影响刘艳蕾（武汉理工大学，湖北武汉 430070）摘要：汽车动力性与燃油经济性是汽车最重要、最基本的性能，动力系统良好的匹配对于提高动力性、改善燃油经济性和降低排放污染物具有显著的效果。本文采用gt-drive软件，对某微型车型车进行了动力性、燃油经济性的仿真分析，通过分析不同的案例，得到主减速比对燃油经济性、最大爬坡度、百公里加速时间有较大的影响。关键词：gt-drive；主减速比；燃油经济性；最大爬坡度；百公里加速时间引言进入21世纪以来，能源和环境已成为世界各国关注的焦点。特别是近几年，石油价格持续上涨，目前石油价格已经突破145美元/桶，能源对人们的生产生活都产生了极大影响，世界各国都纷纷采取措施应对可能出现的能源危机。因此，提高汽车的运输生产率，降低汽车的燃油消耗是目前汽车工业急需解决的重要课题之一。所以作为一个汽车企业，能够设计制造出符合消费者意愿的汽车是开拓并占有市场的必要前提。因此，通过合理匹配汽车动力传动系统来提高汽车运输效率，降低燃油消耗具有较大的潜力。汽车的动力性和燃油经济性在很大程度上取决于发动机的性能和传动系形式及参数的选择，即取决于汽车动力传动系统合理匹配的程度。本文通过对动力性和燃油经济性的计算，分析主减速器传动比的大小对汽车的动力性和燃油经济性的影响。1 gt-drive软件结构分析gt-drive是由美国的gamma technologies公司开发的gt-suite系列软件的重要组成部分，它是研究汽车动力性、燃油经济性、排放性及制动性能的高级模拟分析软件，灵活的模块化理念使得gt-drive可对任意结构形式的汽车传动系统进行建模和仿真。1.1 gt-drive软件功能与特点gt-drive是基于全面满足汽车开发全过程要求的思想而设计的，它主要应用于以下六个方面：1、车辆/发动机的性能匹配；2、循环工况模拟-燃油经济性和排放；3、发动机/传动控制系统仿真；4、发动机-变速箱-车辆动力性能；5、驱动系统的部件设计和配置；6、驱动系统的扭振、驾驶性能、制动性能、牵引能力；7、发动机台架实验。gt-drive是基于面向对象技术编写的，其软件界面是gt-ise（如图1）。从模型图的建立、运行，到数据的后处理，gt-drive的操作都是在gt-ise中进行，使用方法简便、高效。模型在建模时是以不同的状态出现的，为了方便管理，主要为三层结构：1、 模板（template）：这是模型的原始状态，出现在数据库中，没有具体参数。2、 实体（object）：有具体参数的模型，而且该模型用于管理一批类似结构的部件。3、 部件（part）：出现在建模区模型图上的模型，这是实际物理存在的模型，而不是概念。图1 gt-ise操作界面利用模型生成器能方便的建立各种汽车模型，甚至各种新概念车的模型，如混合动力轿车、多发动机轿车等，并能进行快速仿真运算。gt-drive程序代码还能计算纯运动学模型和运动学/动力学混合模型，如为了研究传动系的低频振动，使用了扭转弹性轴；计算可以是准静态算法，如发动机中的某一控制点，可以包含驾驶员和油门踏板位置的真实情况模拟；复杂的传动系模块也考虑的驾驶员个性特点；在发动机冷启动的驱动力特性模拟中使用了发动机的温度模块。1.2 gt-drive的程序结构gt-drive程序结构包括两个部分：计算部分和图形界面部分。(1)计算部分计算部分是程序的核心，包含所有算法的必要模块，通过中间文件和包含数据模块的文件传递数据，是一种严格由界面定义的标准设计。模块功能设置非常详细，并且根据需要现有模块能很容易的由用户定义的模块(假如没有使用附加控制参数)替代。考虑到不同的硬件平台，模块在系统中可以单独使用。数据结构与模块结构一致，结构体系包括：1)计算中心计算中心包括：计算管理器：该单元包含项目处理和控制计算任务要求的全部功能；数据管理器：提供计算中心和外部模块所需的信息；方程管理器：包括设置、分析和动态多体系统的解法的全部功能；信息处理器：控制单个模块的输入信息及设置不同的控制功能；2)外部模块不同的外部模块的数量和连接方式不同，如：机械模块(如发动机、变速器)、车辆基本控制模块(如变速器控制)、一般控制模块(如驾驶员、道路模型)、计算模块(如循环运行、全油门加速)等。(2)图形用户界面图形用户界面应用于下面的任务中：计算图标的控制、输入数据、模块的生成和数据的估算。图形用户界面分为：预处理、后处理、在线检测、数据检查。2 建立模型的主要模块分析以及参数设置2.1 分别介绍各模型的特性车辆传动系的仿真模型由以下几个模块组成：vehdriver、vehiclebody、enginestate、clutch、transmission、gearconn、tireconn、brake等。主要模块的功能如下（1）vehdriver模块驾驶室模块是用来实现驾驶员和车辆之间的联系的，该部件只能通过数据总线来连接，一方面要接收车辆的信息(如速度、加速度等)，另一方面要把驾驶员的意图(如加速踏板、制动踏板的位置)传送给其他部件。该模块中需要定义加速踏板行程与负荷信号的关系、离合器踏板和制动踏板的特性，当传动系模式为自动时无需定义离合器踏板特性。特性窗口如图2所示。图2 vehdriver模块特性窗口（2）vehicle_body模块vehiclebody模块是整车模型的主要部件之一，通常也称整车模块，该模块包含车辆的基本数据，如相关尺寸和重量参数，只需手动输入即可。每个整车模型中有且仅有一个vehicle_body模块。对基于载荷状态及各种外部条件的道路循环和台架实验循环，该模块要计算道路阻力和动态轮载荷。在计算动态轮载荷时要考虑动态因素，如加速阻力、空气阻力和滚动阻力等的影响。整车车身模块特性窗口如图3所示：车身模块所需的数据信息为：整车车装备质量、乘客和货物质量、轿车重心距离、重心高度、轿车质量中心距前轴的距离、前后轴距离、前轴升力系数、后轴升力系数、牵引系数、迎风面积等；此外，还包括悬架的固有频率和阻尼比、不足转向系数。图3 vehicle_body模块特性窗口(3) enginestate模块发动机模块要制定发动机的外特性、燃油消耗特性和排放特性。当发动机冷起动时，考虑温度对燃油消耗和排放的影响，模块中还包含有温度模型。通过曲线和图形来模拟发动机的特性。特性窗口如图4所示。计算任务可任意选择动力性、经济性和排放，关闭温度模式，怠速转速设置为固定值，怠速时的燃油消耗和排放为固定值。指定车速和油门位置时，发动机的转速、功率、扭矩、牵引力、加速度、恒速爬坡能力，档位由变速箱的切换策略自动选择；指定发动机转速、油门位置和档位时，发动机的转速、功率、扭矩、牵引力、加速度、恒速爬坡能力；指定发动机转速和档位时的车速；指定发动机转速时的车速，档位由变速箱控制策略自动选择；指定档位时的最大车速，以及限制最大车速的因素；指定车速和发动机负荷时的燃油经济性。恒速行驶时的燃油经济性。指定车速时所需的驱动力；指定加速度/坡度时的最大车速。循环工况情况下车辆的燃油经济性。循环工况情况下车辆的排放。发动机模块所需要的数据信息为：发动机排量、工作温度、最高转速、转动惯量、怠速转速、燃油类型、燃油密度、热值等。图4 enginestate模块特性窗口（4）clutchconn模块当传动系模式设置为手动时，对离合器的控制由vehdriver模块来实现，当传动系图5 clutchconn模块特性窗口模式设置为自动时由外部模块来定义对离合器的控制。特性窗口如图5所示。无论传动系模式为手动或自动，离合器模块需要的数据均为：输入、输出转动惯量；离合器传递的最大转矩；平均有效半径mm；离合器摩擦面数。(5)transmission模块transmission模块包含不同档位的变速箱，用户需要定义档位数及每一档位的速比、转动惯量和力矩损失。通过对速比、转动惯量和力矩损失的考虑，将发动机转矩转换成驱动力矩。特性窗口如图6。transmission模块所需数据有：每一档速比、转动惯量和力矩损失。图6 transmission模块特性窗口变速器中的各齿轮参数如图7。图7 变速器中的各齿轮参数 (6) gearconn模块主减速器能使驱动轮的转动最终与发动机相符，同时使回转方向与驱动轮的回转轴相符的功能。特性窗口如图8所示。主减速器模块所需数据有：速比、输入输出转动惯量。图8 gearconn模块特性窗口（7）tireconn模块车轮作为汽车与道路之间的传力部件，传递着汽车与路面之间的一切力和力矩，起着承载车体重量及产生驱动力、制动力的作用。特性窗口如图9所示。所需数据信息有：静态轮胎半径、动态轮胎半径、转动惯量、轮胎摩擦系数等。图9 tireconn模块（8）brake模块制动系统是使汽车减速、停车；其直接影响汽车的安全性能。对于整车模型而言，其主要通过驾驶员的控制，而不是与车轮的传动进行连接。brake模块特性窗口如图10所示。图10 brake模块特性窗口（9）shaft模块传动轴是连接或装配各项配件而可移动或转动的圆形物体配件，一般均使用轻而抗扭性佳的合金钢管制成。对前置引擎后轮驱动的车来说是把变速器的转动传到主减速器的轴，它可以是好几节由万向节连接。shaft模块特性如图11所示。图11 shaft模块特性窗口2.2 整车系统模型的建立根据整车动力传递的路线，利用gt-drive提供的元件库，依次将gt-drive中各元件库窗口中拖入所需元件, 然后进行物理连接，建立模型。在进行物理连接时，需要注意动力传递的方向性。 建立该微型车的系统模型（如图12）。图12 整车系统模型3 模型设计1） 点击“open run setup”，设置运行时间。窗口如图13。图13 “open run setup”窗口（2）点击“out put setup”图标，设置输出文件标题，设置数据存储间隔。窗口如图14。图14 “out put setup”窗口现在双击位于模型中的每个零件（part）弹出的属性窗口都会增加了一个plot页左键点击小方块即可选中根据模型输入和计算内容，如果此选中内容包含在计算结果中，那么就可以在后处理中看到如果不对每个零件进行选择，后处理将看到很少的默认输出信息。3）点击“case setup”图标，使用按钮append case追加4个（共计5个case），如图15。图15 “case setup”窗口4）点击“run simulation”运行该模型。5）点击gt-post工具栏上的“create plots of rlts”图标，选择time rlt，而后点击“xy scatter plot”，点击“next”，得到如图16。图16 “xy scatter plot”窗口（6）鼠标点击x下第一行空白处左下角树形目录展开到如图17所示右下角last vehicle speed上点击鼠标左键。图17 “run rlt macro” 窗口（7）点击“finish”。4 整车性能分析主减速器传动比的大小对汽车的动力性和燃油经济性都有影响，驱动桥速比的变化影响着行驶阻力功率曲线在发动机万有特性图中的位置，大的传动比使曲线右移；小的传动比使曲线左移，接近万有特性的低油耗区。当驱动桥速比减少时，汽车单位行程内发动机曲轴总转数减少，内部摩擦损失也减少，燃料效率提高。主减速器传动比增大，可以增加汽车的后备功率，使汽车加速性能提高，但加速性能的提高会使汽车的燃油经济性降低。由于增大，汽车后备功率虽然增大了，但在等速行驶时，发动机负荷率却降低，一般传动系参数的优化，应该在保证汽车一定的动力性，即最高档具有最大动力因数的条动机的负荷率在90%左右时经济性为最佳，随着负荷率的减少，燃油消耗率逐渐增加。因此，动力传动系参数的优化，应该在保证汽车一定的动力性，即最高档具有最大动力因数的条件下使燃油经济性最好。4.1 分析整车的燃油经济性1）计算出与速度和传动比相对应的发动机转速： （1）2）计算在此速度下，发动机消耗的功率： （2）3）根据发动机所消耗的功率及对应的转速，求得发动机有效转矩： （3）4）由发动机有效转矩和转速n，计算出发动机有效燃油消耗量： （4）5）计算出发动机单位时间内燃油消耗量： （5）6）将求得的值代入式，即求得速度下等速燃油经济性。图18是gt-post运算得到的各档单位燃油等速行驶里程。7）变换与值，即可计算出不同档位下汽车各速度下等速百公里燃油消耗（如图19），即汽车燃油经济特性图18 各档单位燃油等速行驶里程该微型车等速百公里燃油消耗量测试试验：试验路段设在路面良好、平直的道路上，长度为500m（或1000m）。用最高档（经济档）以20km/h、30km/h等10km/h的整倍数车速等速驶过测量路段（表1），利用燃油流量计与秒表测出通过该路段的油耗与时间，计算出相应的百公里油耗与实际平均车速，即得到百公里油耗与车速的关系曲线（如图19）。表1 某微型车百公里燃油消耗量序号试验车速（km/h）百公燃油消耗量（l）1205.972304.483404.034504.515604.946705.567806.168906.891007.55101108.67111209.901） 将等速行驶过程s(m)行程的燃油消耗量(ml)为： 折算成（l/100km）为 （6）图19 等速百公里燃油消耗曲线由图19可以看出，该车以5档行驶时，发动机的经济工作区在3200r/min4000r/min，对应的车速是50km/h70km/h。而用户在实际行驶中多以40km/h60km/h，满足设计的需求。4.2 爬坡性能汽车的爬坡能力是用满载时汽车在良好路面上的最大爬坡度表示的。显然，最大爬坡度是指i档最大爬坡度。轿车的最高车速大，加速时间短，经常在较好的道路上行驶，一般不强调它的爬坡能力；然而，它的i档加速能力大，故爬坡能力也强。货车在各种地区的各种道路上行驶，所以必须具有足够的爬坡能力，一般imax在30%即16.7。左右。更进一步说明的是：imax代表汽车的极限爬坡能力，它应比实际行驶中遇到的道路最大爬坡度超出很多，这是因为应考虑到在实际坡道行驶时，在坡道上停车后顺利起步加速、克服松软坡道路面的大阻力、克服坡道上崎岖不平路面的局部大阻力等要求的缘故。有的国家规定在一定到的坡道上必须达到的车速来表明它的爬坡能力。控制这个指标可以保证各种车辆的动力性相差不致太悬殊以维持路面上各种车辆畅通行驶。如要求单车在3%的坡道上能以60 km/h的车速行驶，汽车列车在2%的坡道上能以50 km/h的车速行驶。美国规定新一代轿车的爬坡能力为：在epa试验规定的质量下，应能以104km/h的车速通过6%的坡道，而在满载时车速则不能低于80km/h。4.2.1 最大爬坡度要求汽车的最大爬坡度实际上就是一档最大爬坡度，它反映汽车最大爬坡能力，约束条件为: （7）式中：为不同车型最大爬坡度要求的下限值。4.2.2 一档驱动轮爬坡、附着条件校核传动系最大传动比是变速器一档传动比与主减速器传动比的乘积。一档传动比需满足的条件为： （8）式中：f为滚动阻力系数，为最大爬破度。在确定一档传动比时还应该校核附着条件，即最大牵引力必须小于或等于汽车在地面上的附着力。一档驱动轮附着条件为: （9）式中：为道路利用附着系数；驱动轮上的法向反作用力。图20 各档爬坡能力4.3 百公里加速时间汽车的加速时间表示