（动力机械及工程专业论文）整车动力传动系统综合评价体系的研发及应用.pdf

中文摘要 中文摘要 本文讨论了整车动力传动系统匹配的目的和意义，并对国内外模拟匹配软件 的发展现状作了介绍。同时还描述了一种系统整合模拟计算和试验的先进整车动 力传动系统开发体系。 在此基础上提出了构建包含整车动力性、经济性和排放的综合评价体系的设 想。该体系由评价方案的构建、评价指标的确定、评价指标量纲统一化、权重指 标的分配以及目标函数的建立5 部分组成。 1 ) 充分考虑国家相关标准法规，并根据项目实际要求和产品的市场需求提出评 价指标，体现出了综合评价体系的严谨性和实用性； 2 ) 评价指标量纲统一化指的是不同指标优化趋势的统一以及单位的统一，在研 究过程中对量纲统一化的算法做了详尽的研究，对算法进行改良以突出了算 法的科学性和合理性； 3 ) 对权重指标的分配则提出了类指标以及项指标的概念，通过控制类指标的权 重能从宏观上把握整车动力传动系统的设计方向，而项指标的权重则能考虑 微观上每个指标的重要性； 4 ) 目标函数则根据评价指标的设定及权重的分步决定，具有很大的灵活性、体 现了产品设计的个性化；在这些研究成果的基础上提出了综合评价体系的实 现流程。 5 ) 本文从评价方案的构建引伸出了对整车动力传动系统设计参数敏感度的研 究，提出了整车动力传动系统优化设计参数的概念，通过对发动机排量、怠 速转速、最高转速等1 3 个参数的敏感度计算分析得出了主减速比是最适合 优化设计的参数等一系列对提高优化匹配的效率有指导意义的结论。 本文将综合评价体系与a v lc r u i s e 软件进行整合，将综合评价体系从理 论转变为实用工具，完成了方案设定、指标选择、模拟计算、结果处理和评估等 一系列匹配优化计算流程，大大降低了利用综合评价体系评估方案工作强度。 本文采用修改后的c r u i s e 软件利用从台架试验获得的发动机数据对目标车 型建立建模和计算，对某款s u v 的自动换档规律进行优化设计，采用的是双参 数换档规律的优化设计和综合评价体系，进行最终设计出的换档规律比较最佳单 参数动力性换档规律整车的综合性能优化了1 1 8 ，经济性换档规律优化达 1 1 2 3 ，最佳单参数换档规律优化1 1 5 。计算结果证明了综合评价体系在整车 动力传动系统优化匹配应用上的有效性。 最后本文对后续工作做了展望，提出了j 下交分析在综合评价体系实现流程中 的应用前景以及与c r u i s e 进一步的整合工作和对c r u i s e 提出了改进意见。 关键词：传动系统匹配，综合评价体系，参数敏感度，软件整合，换档规律 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep u r p o s ea n dm e a n i n go ft h em a t c h i n go fv e h i c l ep o w e rt r a i na r ed i s c u s s e di n t h i sp a d e r t h ed e v e l o p m e n to fm a t c h i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ea r o u n dt h ew o r l di s i n t r o d u c e d m e a n w h i l ead e v e l o p m e n tp r o c e d u r eo fp o w e rt r a i nc o m b i n gs i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n ti sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r as y n t h e t i ce v a l u a t i o ns y s t e mc o n c e r n i n gp e r f o r m a n c e f u e lc o n s u m p t i o na n d e m i s s i o no fp o w e rt r a i ni sc r e a t e dw h i c hc o n s i s t so ft h ee s t a b l i s h m e n to fe v a l u a t i o n c a s e s ，d e c i s i o no fi n d i c e s ，n o r m a l i z a t i o no fi n d i c e s ，d i s t r i b u t i o no fw e i g h t i n gf a c t o r s a n de s t a b l i s h m e n to fo b j e c t i v ef u n c t i o n 1 ) t h ed e c i s i o no fi n d i c e si sm a d eo nt h eb a s i so fc o n c e r no ft h er e q u i r e m e n to f r e l a t e dn a t i o n a ll e g i s l a t i o n ，s p e c i f i cp r o j e c ta n dm a r k e t i n g , 2 ) n o r m a l i z a t i o no fi n d i c e sm e a n st h eu n i f i c a t i o no fi n c l i n a t i o na n du n i t so f d i f f e r e n ti n d i c e s a l g o r i t h mf o rn o r m a l i z a t i o ni sr e s e a r c h e ds o a st om a k et h e e v a l u a t i o np r a c t i c a la n df a i r , 3 ) c o n c e p t so fg r o u pi n d e xa n di t e mi n d e xa r ec r e a t e di n t h i sp a p e r b ya d j u s t i n g w e i g h t i n gf a c t o r so fg r o u pi n d i c e st h ed e s i g nd i r e c t i o no fp o w e rt r a i nc a nb e c o n t r o l l e d ，o nt h eo t h e rh a n dt h ei m p o r t a n c eo fs p e c i f i ci n d e xc a nb ec o n c e r n e d b ya d j u s t i n gw e i g h t i n gf a c t o r so fi t e mi n d i c e s 4 ) o b j e c t i v ef u n c t i o ni sd e c i d e db yi n d i c e sa n dw e i g h r i n gf a c t o rd i s t r i b u t i o n ，w h i c h i sh i g l l l yf l e x i b l e w i t ht h eo u t c o m eo fr e s e a r c ha b o v et h ew o r k i n gf l o wo ft h e s y n t h e t i ce v a l u a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e d 5 ) t h er e s e a r c ho ns e n s i t i v i t yo fd e s i g np a r a m e t e r so fp o w e rt r a i ni se x t e n d e df r o m t h ee s t a b l i s h m e n to fe v a l u a t i o nc a s e s c o n c e p to fo p t i m i z a t i o nd e s i g np a r a m e t e r o fp o w e rt r a i ni sc r e a t e di n t h i sp a p e r b ya n a l y z i n gs e n s i t i v i t i e so f1 3d e s i g n p a r a m e t e r si n c l u d i n ge n g i n ed i s p l a c e m e n t ，i d l es p e e d ，m a x i m u ms p e e da n d s oo n au s e f u lr e s u l ti so b t a i n e dw h i c hi n d i c a t e st h a tm a i nt r a n s m i s s i o nr a t i oi st h em o s t s u i t a b l ep a r a m e t e rf o ro p t i m i z a t i o n i nt h i sp a p e rt h es y n t h e t i ce v a l u a t i o ns y s t e mi si n t e g r a t e dw i t ha v lc r u i s es o a st op u tt h i ss y s t e mi n t oa p p l i c a t i o n t h i si n t e g r a t i o nc o m p l e t e st h ef u l lp r o c e d u r e f r o mc a s ed e s i g n ，i n d i c e sd e c i s i o n ，s i m u l a t i o n ，p o s tp r o c e s s i n gt oe v a l u a t i o ns oa st o d e c r e a s et h et i m ef o rs y n t h e t i ce v a l u a t i o n as i m u l a t i o nm o d e lo fas u vi sc r e a t e di nc r u i s eb ye n g i n ed a t ac o l l e c t e d f r o me n g i n eb e dt e s t t h eg e a rs h i f t i n gp r o g r a mo ft h i ss u vi so p t i m i z e di nc r u i s e w i t hs y n t h e t i ce v a l u a t i o ns y s t e m c o m p a r e dw i t ho p t i m i z e ds i n g l ep a r a m e t e rg e a r s h i f t i n gp r o g r a mt h eo p t i m i z e dt w op a r a m e t e r sg e a rs h i f t i n gp r o g r a mi sb e t t e rb y 11 8 a n dw i t he c o n o m yg e a rs h i f t i n gp r o g r a mb y1 12 3 a n dw i t hp e r f o r m a n c e g e a rs h i f t i n gp r o g r a mb y1 1 。5 ，w h i c hp r o v e st h ee f f e c to ft h ea p p l i c a t i o no f s y n t h e t i ce v a l u a t i o ns y s t e m a tl a s t ，f u r t h e rw o r ki sl i s t e d o r t h o g o n a la n a l y s i sh a sa p p l i c a t i o np o t e n t i a li n t h i ss y n t h e t i ce v a l u a t i o ns y s t e ma n dt h ei n t e g r a t i o nb e t w e e nc r u i s ea n dt h es y s t e m w i l lb ep u s h e di n t oan e wl e v e l k e yw o r d s ：p o w e rt r a i nm a t c h ，s y n t h e t i ce v a l u a t i o ns y s t e m ，p a r a m e t e rs e n s i t i v i t y ， s o f t w a r ei n t e g r a t i o n ，g e a rs h i f t i n gp r o g r a m l i 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 翱炎 胁年；月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：冬凌斫n 学位论文作者签名： 弦6 年3 月日 年月日 同济大学学位论文原创性声明 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：翔爻签名：旱嗡汉 2 砷年 月( 日 第一章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 整车的动力传动系统主要由发动机、变速箱、离合器、传动轴、主减速器、 差速器和轮胎及其控制部件组成，决定了整车的动力性( 加速、爬坡、制动等) 、 经济性( 等速油耗，不同工况百公里油耗) 和排放( 不同排放法规) 。市场竞争 的日益激烈推动整车制造商对其产品进行改进，在满足越来越严格的排放法规的 同时不断提升整车的动力性，降低整车油耗，而且要求达到上述目标所需花费的 成本及开发时间越少越好。而这些都需要在动力总成的开发阶段中完成。 发动机被誉为动力总成的心脏，对整车的动力性、经济性及排放起决定性作 用。鉴于这一点，长久以来针对动力传动系统的改进和优化工作往往意味着对发 动机的改进和优化作为传统整车动力的内燃机经过一个多世纪的发展已日臻完 善，内燃机改进的潜力也越来越小，改进花费的成本越来越高。而作为一个整体， 动力传动系统的性能不仅仅取决于发动机，还和与之相匹配的传动系统有关，同 时传动系统本身结构较发动机简单，不论是设计还是改进，其成本都低于发动机， 据估计达到相同的改进目标花费在传动系统上的成本约是发动机的一半，如图 1 1 所示。 厂 改进传动系统 一一改进发动机 ， 一一， l23 油耗的改进 图1 1 发动机及传动系统改进成本与改进效果的比较 6 5 4 3 2 l o 幡键越器 一绪论 因此，通过改进传动系统及其与发动机的匹配效果束提升整车的动力性、经 济性干u 排放比单纯改进发动机柬的更自效。 1 2 动力总成匹配研究的目的和意义 动力总成对整车的动力性、经济性和排放的影响很大。匹配得当可以以较低 的成本获得整车性能较大的改善。通过调整传动比和其他零部件可以对发动机工 况点进行转移而达到改变整车动力性、经济性和排放的目的。在行驶工况相同的 前提下，整车的车速和行驶阻力不变，如不考虑发动机转速变化带来的传动系统 机械效率和附件耗功的影响，那么发动机的输出功率保持不变。这样发动机的工 况点就可咀通过改变传动比在特性场的等功率曲线上任意移动。这就为通过改变 传动系统参数影响整车的动力性、经济性和排放提供了可能。 如图12 所示，在保持整车的行驶速度和行驶阻力不变，发动机的输出功率 也不发生变化时，通过降低传动系统传动比将发动机工况点从a 转移至b ，发 动机的工作点由高油耗区向低油耗区发生了转移，这样整车的油耗就降低了。然 而与此同时由于旋动机负荷率上升从而导致n o x 排放发生恶化，使整车排放超 出法规限制。此外传统发动机的最佳燃油经济区一般都在中等转速、高负荷区 附近，如果发动机工况点向该区域转移，在降低排放的同时也降低了发动机扭矩 储备，从而导致整车动力性能变差。所以动力总成的匹配是一个多目标( 动力性， 经济性，排放) 任务，不同目标的变化趋势并不相同，往往一个目标的目标 值优化了，其他日标值却发生劣化。所以需要对各个目标的实现进行统筹考虑， 否则很容易出现顾此失彼的情况。 第一章绪论 图1 2 发动机工况点的转移 传动系统零部件的匹配有两种方法。传统的方法是选择已经开发完毕的组件 并将其组成传动系。这种方法需要建立在大量试验的基础上，由于匹配的组件缺 乏灵活性而无法保证匹配效果能达到最佳。同时为了确定配置方案需要做大量的 试验，这样所花费的成本和时间也是相当可观的。 另一种更为现代的匹配方法是在总体方案设计和部件选择的最初阶段针对 整车性能进行模拟计算。在分析计算结果的基础上对匹配方案进行调整及优化。 这不但可以将匹配效果调整到最优，而且还可以将开发流程中出现错误的可能性 降至最低。 这两种开发方法各有优缺点，前者灵活度差，成本高，时间长，但是准确性 是最高的。后者调整灵活，成本低，开发速度快，但要保证计算结果尽可能接近 真实值。所以若两种开发方法同时应用并相互联系，便可以获得最佳的开发效果。 目前，国外汽车业特别是欧美国家对模拟计算与试验相结合的动力总成开发 体系十分关注，并进行了大量的研究。国内在这方面投入的力度很小，也没有完 整的试验和仿真计算体系。本文的主要工作是在动力总成开发体系内研究模拟计 算结果的统筹处理方法，并在多目标的前提下评估不同传动系统配置的匹配效 果，达到减少开发时间降低开发成本的目的。 1 3 国内外关于动力总成匹配研究的现状及发展趋势 国外汽车界在整车动力总成的优化匹配方面做了大量工作，匹配模拟计算模 型已较为完善，并开发出许多应用模拟程序。如：g p s i m 程序、c v t o p t 程序、 w o t s i m 程序、福特汽车公司的t o e f p ，康明斯公司的v w s ，美国交通部的 v e e s i m ，日本日产汽车公司的c s v f e p ，德国奔驰汽车公司的t r a s c o 等。使 用这些程序在样车制造前就能较准确地对汽车动力性和燃油经济性进行预测，并 可以根据改变传动系速比等结构参数所引起的整车性能的变化来与所选发动机 进行最佳匹配。 我国在汽车动力传动系的匹配和模拟计算方面的研究起步较晚。8 0 年代后， 长春汽车研究所、吉林工业大学、清华大学和江苏大学等单位陆续开展了一些工 作，取得了一定的成果。总的来说，国内外对于动力传动系匹配模拟计算的研究 虽已取得了一定的进展，但还有许多问题没有完全解决，尤其是对于汽车动态行 驶过程和排放性能的处理，在相当大的程度上还只能依靠经验进行处理。 至于动力总成的性能评判，因涉及到动力性、经济性和排放性能等指标，通 常的做法是在目标函数中以加权系数的方式来确定指标的重要性。这种方法基本 3 第一章绪论 上能对动力传动系的匹配作出较为合理的选择。然而，加权系数如何确定以及如 何正确、全面地评价并合理地选择发动机与传动系，一直是动力总成优化设计的 重要课题。有关这方面研究成果公开发表的并不多。有些学者曾提出采用“汽车 平均行驶效率 作为综合评价指标，前苏联学者1 9 8 2 年提出的利用车辆使用最 低成本、最大燃料速度指标、汽车的最大比生产率和最大汽车工作效率系数 作为综合性能的评价指标的方法。尽管如此，这些评价方法仍还未能研究和考虑 对环境污染有很大影响的排放性能，且没有涉及到整车动力性、经济性和排放的 综合考虑与协调， 均有其局限性，利用这些评价指标作为目标函数进行优化会使产品趋向单 1 4 综合评价体系构建和应用的研究目的和意义 动力传动系统匹配的工作之一是根据整车的使用工况通过调整动力总成零 部件的参数对发动机的使用工况点作合理的分配，然而该分配过程要考虑多个目 标，比如更低的油耗、更低的排放、较高的功率储备等等，而且这些目标之间的 关系很复杂，变化趋势不一致，甚至是相反的，如何在这些变化趋势中作取舍， 找出最佳折衷值对匹配工作而言是一个十分重要的课题。 同时动力传动系统的开发过程是一个系统部件和系统参数的筛选过程，不论 部件还是参数都不会是单一的，比如确定发动机的排量，变速箱的档位分布和换 档策略，怎样找出其中的最佳值或最佳组合也是匹配工作必须考虑的问题。动力 传动系统的匹配过程还是一个多参数的优化过程。 在动力总成匹配过程中这一个多目标多参数的优化问题是不可避免的，这正 是本文的研究重点之一。要解决多目标问题，首先要将这些目标具体化，换而言 之就是要有明确的量化指标，这样才能进行相互比较。国家制定了相关的法规和 标准，根据这些法规标准取得的数据，可以对整车的动力传动系统的指标进行客 观的评价，但这是单一的，而不是综合的。由于量化指标不止一项，所以评价工 作是多目标的，一个有效的方法就是将众多的量化指标统一起来形成一个综合的 评价指标，这正是本文建立动力总成匹配综合评价体系的目的所在。 在针对动力传动系统的不同组成部分，在实际匹配过程中能有不同的选择， 比如对某型号的1 2 座轻型客车进行匹配，就有三种发动机、四种变速箱和五种 主减速比可供选择，如要从这些选择中寻找出最佳组合方案就需对所有的组合可 能性，共计3 4 5 6 0 个方案进行评估，而对每个方案的评估又要分为动力性、 经济性和排放三方面，每一方面的评估又由若干试验构成。这样，所有方案的评 4 第一章绪论 估将会涉及大量的试验，而且根据方案的不同整车的动力传动系统的部件均需要 重新安装和调试，整个流程将花费大量的人力、物力和财力。所以完全通过试验 来完成评估是很不经济的。整车动力传动系统模拟仿真进过多年的发展已日趋完 善，并在各大整车制造企业中获得应用，其计算结果的准确度已获得人们的广泛 认可。上面的例子中虽然有多达6 0 种不同的匹配方案，其中有些方案可能在排 放方面达不到国家法规的要求，或者由于经济性、动力性过差而没有实用意义， 完全可以凭借模拟计算来淘汰。因此在匹配初期，根据某一标准利用模拟仿真对 不同匹配方案进行筛选，再对筛选出的若干方案进行试验验证来寻找最佳匹配方 案能大大降低匹配成本和匹配时间。 本文工作的还有一个重点就是将综合评价体系和a v lc r u i s e 相整合，完 成从“c r u i s e 获得计算结果一评价体系计算一评价结果输出 的全自动化过程， 将综合评价的工作量和工作时间降至最低。 1 5 本文的主要工作 1 ) 阐述模拟计算与试验相结合的动力总成开发体系，表明本文工作在该开发体 系中位置和作用； 2 ) 讨论发动机使用性能、汽车动力性、燃油经济性和排放性能的评价指标；分 析动力总成匹配原理和方法； 3 ) 建立综合评价体系的概念，对其各个组成部分进行分析研究，包括评价指标 的选择、评价指标的量纲统一化算法、评价指标权重的分配方式、评价体系 目标函数的构成、参数敏感度的研究和综合评价体系的最终确定； 4 ) 在确定综合评价体系的基础上将其与c r u i s e 整合，详细描述整个评价体系 与c r u i s e 整合后的工作流程，包含输入输出用户图形界面的设计、目标函 数的实现算法、数据格式和实际效果； 5 ) 在完成软件整合后进行实际应用的测试，并利用评价体系对市场上一著名品 牌s u v 的换档规律草案进行优化设计。 5 第一章先避j f 艟疏程度传功系统“e 论 第2 章先进开发流程及传动系统匹配理论 为了使模拟技术在整车动力传动系统匹配丌发过程中发挥最大的作用，何时 可以使用模拟仿真，何时应该进行试验，在不同开发阶段模拟仿真能完成怎样的 工作，达到何种目的都是需要仔细考虑的。模拟计算不是简单的嵌入开发过程， 而是与之有机结合形成一种先进的整车动力传动系统开发流程。 2 1 模拟技术在动力传动系统开发流程中的应用 图21 所示为a v l 公司提出的模拟计算与试验相结合的整车动力传动系统 开发流程，以jr 发时问为横轴，从左至右代表了不同的丌发阶段，其中实物丌发 的比例逐渐升高，模拟计算所占的工作量逐渐降低，同时丌发精度随实物比例的 升高而升高。可以看到整个开发流程由六部分组成午鲢据丌发顺序分别是：模拟 蚺一章先进_ l _ 蛙m 动系统匹m 理论 计算、硬件回路模拟( h i l ) 、发动机传动系统台架试验、动力传动系统台架 试验、整车台架试验及道路试验。值得注意的是在眩体系中发动机和传动系统的 丌发并不是相互独立的，而是相互联系共同进行的。这么做不佩能缩短丌发时间， 而且由于是同时丌发，发动机和传动系统的一些关键匹配参数能在，r 发过程中及 时调整，从而使得匹配效果能达到最优，并且尽可能消除匹配不当的可能性。 图21 的下方所示为不同的丌发工具咀及在不同丌发阶段的使用情况。其中 b o o s t 和c r u i s e 分别为a v l 公司丌发的一维流体发动机工作过程模拟和整 车模拟软件；a r e s 为发动机硬件回路模拟系统，能够在热力学定律的基础上绘 制完整的发动机特性场图，v s m 为高动态整车实时模拟系统；c a m e o 则是a v l 公司开发的自动化发动机标定系统，能够自动完成e c u 中不同发动机控制特性 场的标定工作ii s a c 为发动机及传动系统高动巷试验台；d r i v e 为驾驶性相关 参数优化系统。 根据图21 对动力传动系统开发匹配任务的分类，这里将整个开发流程分 为四个阶段： 1 ) 开发阶段i 对待优化的车型进行模拟计算的工作位于开发流程的晟前端。在对传动系统 部件作初步选择之后该阶段起到了分析的作用，如图22 所示。 图2 2 动力传动系统的模拟计算 泼阶段丌发丁作的目标为： 汁算动力性( 蛀高车速、加速、超车) 预测燃油消耗和排放 优化参数( 设定功率、传动比、换档策略) 第二章先进开发流程及传动系统匹配理论 比较传动系统类型( 传统形式、c 、仃、混合动力) 为计算决定载荷数或测量耐久性 将变量数最小化( 当产品型号很多时) 该阶段的最终成果就是确定将要开发或购买的传动系统组件的明确规格。 该阶段主要使用的开发工具就是传动系统模拟软件。在c r u i s e 中一个典型 的模拟过程不仅由稳态工况点定义，还要考虑用户或项目设定的使用工况以及法 规规定的测试循环。这些要求值将通过驾驶员模型传递至发动机模型，即通过某 种控制算法将驾驶目标转化为要求的扭矩。在c r u i s e 发动机模型中，发动机特 性场中的工况点由发动机参数决定，例如负荷率和发动机转速，并不模拟燃烧过 程，而利用特性场插值来替代。诸如喷射起始角、点火正时等影响燃烧的因素以 及废气再循环的影响将通过特性场的形式来考虑，并通过相加或相减的方法来修 正相对应的扭矩输出。 在获得发动机的瞬时状态后，这些状态将以一系列负荷的形式收集起来。通 过这一系列的负荷及发动机特性场就能插值计算出每一时间步长的燃油消耗和 排放。 c r u i s e 利用离合器模型将发动机模型的运行状态信息传递至传动系统模 型，该模型由三块组成。在传动比模块中，要求根据档位策略模块的设定来调整。 策略模块的输入则可以根据实际应用自由选择。为了能完全体现传动系统的效 果，传递损耗通过损耗模块来获得。最终车轮的输出转矩就等于发动机转矩减去 传递损耗的转矩。 来自于传动系统的信息可以通过使用轴及微分模型而传递到整车模型。在整 车模型中，整车具体特性，例如滚动阻力、空气阻力、轮胎滑移、可能的拖车载 荷以及坡度等均能考虑并组合成总行驶阻力。在模型链的最后一块就能得到当前 车速和行驶距离。并将结果反馈至驾驶员模型。 2 ) 开发阶段 一旦传动系统方案被采纳，就能把发动机、传动系统组件和相关控制系统组 合在一起，要注意的是，这个过程与发动机组件和传动系统的开发或购买是同时 进行的。 在所谓的硬件回路阶段，实时模拟与控制系统实物通过导线相连接。如果先 前控制单元的基本功能( 比如换档策略模块) 在上一阶段只能通过计算机模拟的 话，那么在该阶段真实的控制单元则承担了这部分工作，如图2 3 所示。 8 蚺十丸进 m 传动系论 图2 3 传动系统控制单元的硬件回路模拟( h i l ) 该阶段需要完成以下开发任务： 发动机控制单元( e c u ) 、传动系统控制单元( t c u ) 、联接导线、传感器 和执行器的电子整合测试。 控制单元间的通讯测试( c a n 总线) 功能开发( 换档时离台器的结合规律、错误诊断) 自动预标定和参数化( 在线诊断o b d ) 实践表明，通过上述试验和开发流程能够将出现错误的可能性降到最低，同 时也减少发动机台架试验和传动系统台架试验的测试时间。更重要的是所有这些 试验和测试不需要依靠昂贵的试验台或整车这样开发成本就降低了。 3 ) 开发阶段1 1 i 一旦控制系统的功能及其相互作用得到确认，就将传动系统测试平台上和同 时开发并已经完成的其他组件比如发动机及传动系部件一个一个的联接起来组 成目标车型的动力传动系统。测试平台上传动系统被安装成整车的“骨架”，即 没有车身的整车。而这恰恰是其优点所在。在这样的骨架上大量测试任务的完成 质量比在整车上好得多。测量可以在不考虑天气状况的条件下进行，通过试验台 的控制，测试能被完全的复制，关键的驾驶状态或整个驾驶循环工况也能被测试， 如图2 4 所示。 第= 章先进开发搋程及传动系统匹配4 论 圈24 动力传动系统的台架试验测试 以下工作能在这些高度专业化的测试台架上完成： 机械电子整合测试 驾驶性能测试 功能测试及验证 使用a v l c a m e o 进行参数化和标定 使用a v l d r i v e 评估行驶性 气候调整( 使用相关设备) 可以使用c v s 系统完成测试循环 耐久性的持续测试 n v h ( 噪声、振动、不平度) 研究 传动系统测试平台是评估、开发和优化所有组件间相互作用的理想工具。同 样在该开发阶段故障的校正、对运行策略的测试及优化以及控制系统数据记录 的重新梳理是首要任务。 4 ) 开发阶段l v 一旦传动系统测试平台上的机械和电子形式系统的质量得到确认，将进行整 车安装。如图25 所示。 第= 章先进* 发流程厦传动系统匹e g 论 图2 5 整车道路试验 在第四也是最后一个阶段，将对整车作如下调整： 4 1 1 道路及底盘测试 行驶性能验证 驾驶性能调整 高原夏季冬季测试 数据记录定案 噪声振动平顺性( n v h ) 优化 如果能保证先前3 个阶段的开发步骤并如先前所述的使用模拟技术，那么经 验有时将在第四阶段中得到体现。整车的开发所需的原型车，测试行驶和改进花 费将更少。这样的开发过程如果能认真计划并坚持执行，将能减少错误出现的可 能性和频率，并达到降低成本和开发时间的目标，同时能对最终产品的质量和进 一步开发产生积极的影响。 2 2 本文工作在该开发流程中的作用 该开发流程的发展已日渐成熟，并被大众，宝马等整车生产厂家所使用，证 明了该流程的高效及合理性。如前文所述，第一阶段的主要目标是在预测整车动 力性、经济性和排放的基础上确定整车传动系统组件的形式和规格。这么做的意 义在于：如果能在开发阶段的初期就确定将要开发的动力传动系统的参数和规格 的话，那么就可以减少开发后期对传动系统组成部件硬件方面的改动，从而降低 开发成本。这是因为在模拟软件中改动传动系统布置或参数所花费的成本与开发 阶段后期作相同改动所需成本相比可以忽略不计。因此该阶段的模拟计算起了对 第= 章先进开发流程传动系统匹配理论 后续丌发工作的决策作用。对传动系统布置形式及其参数的决策是一个多参数多 目标的优化过程，而本文建立的综合评价体系能快速有效地对计算结果进行评 估，决麓的工作量和需要的时间。本文更进一步编制程序完成了综台评价体系在 软件上的实现并与模拟计算软件相整合，将建模一计算一分析一优化的过程串联 起来进一步加速开发过程，完成了综合评价体系由理论向实用的过渡。 2 3 整车动力总成匹配原理 汽车是通过轮胎与路面之间的作用力和反作用力，将发动机输出的动力转化 为对车体的牵引力而行驶的。为了更有效的利用发动机所输出的有限的动力发 动机和轮胎之间需要连接界面，即需要动力传动装置。和发动机一样，传动系也 是构成一台完整汽车所必需的装置。它包括离合器、变速箱、传动轴、主减速器、 差速器以及动力分配装置等。因此，整车性能取决于发动机性能和传动系参数的 良好匹配。 2 3 1 动力总成工作原理 为了深入理解汽车在行驶过程中动力传动装置的作用，这里有必要讨论汽车 行驶的基本原理及其特性。 1 ) 牵引力 牵引力实际上就是轮胎对路面作用力的反作用力通过车轴向车体传递的推 动汽车前进的推动力。如图2 6 所示： 图2 6 轮胎的驱动扭矩和牵引力之问的关系 由发动机原理可知，当气缸数f ，气缸工作客积为k ，平均有效压力为p 一一时 7 冲程发动机的输出扭矩为： r ：3 1 8 3 p , , v h i r、 第二章先进开发流程及传动系统匹配理论 根据发动机的速度特性，输出扭矩随发动机转速变化，但其变化范围与汽车 行驶时的路面阻力矩变化量相比较时显得很小。因此每一台汽车都需要变速器以 满足汽车行驶的基本要求。图2 7 所示为通过变速器进行变速时的扭矩特性。 拿 z 蕃 奄，( k m i f 。 j 图2 7 变速时的扭矩特性 2 ) 汽车行驶特性 汽车的运动特性主要取决于发动机发出的牵引力和各种汽车行驶阻力。当整 车在某一车速下匀速行驶时，所需要的牵引力f 和行驶阻力相平衡，即： f ：f f + f i + f w + f j ：t t q i k i o r 。 ， ( 2 2 ) 其中，乃= f 形，表示轮胎的滚动阻力( 平路) 。是指汽车总质量( k g ) ， 是轮胎的滚动阻力系数。 昂2 案，表示空气阻力。f i ：w s i n p ，表示坡道阻力。 2 3 2 传动装置参数的选择 整车性能的好坏不仅取决于发动机性能，而且取决于发动机和传动装置的良 好匹配。发动机性能再好，如果没有良好的传动装置与之相适应，则不仅不能发 挥发动机性能的优势，而且不能保证良好的汽车性能。近年来对整车动力性、经 济性和排放特性的要求不断提高，不仅要求良好的发动机性能，而且要求传动装 置得到最佳匹配，以保证汽车整车性能的优化。 由整车万有特性可知，整车的性能不仅与发动机的性能有关，而且还取决于 汽车传动装置的参数。所以为了保证汽车的行驶性能，根据所用汽车的实际条件 选择好发动机，同时，确定传动系统的参数使之与发动机性能良好的匹配，这是 表征整车性能的一个很重要的环节。 1 3 第二章先进开发流程及传动系统匹配理论 ( 1 )发动机功率的选择 在选用发动机时一般根据所用汽车的最高车速要求按下式选择发动机的功 率。即 只2 吉c 罴v a i n “ 1 黑v 一3 。眨3 ， 对货车，由于其最高车速及加速性要求相对较低，所以估算发动机功率时可 忽略空气阻力所以由上式( 2 3 ) 有 e e - - i 1 i 旦3 6 0 0v 一( k w ) ( 2 4 ) “ ，l ，u ，、，小 p p ， 对同类车因最高车速相差不多，所以一般取t r y 之比为常数。 汽车最小传动比的选择 最小传动比就是汽车的最高档位，而汽车经常以最高档行驶。当不带动力分 配装置时，总传动比为： o f 2 i 。o k ( 2 5 ) 一般变速器的最小传动比为：7 石2l ，即直接档( 最高档) 。此时整车的最 小传动比等于主减速比l 。即 27 0 ( 2 6 ) 若最高档不是直接档，而是超速档。k m i n ( 一般取o 8 ) 时，整车的最小传动 比为： 曲= i o 。曲 ( 2 7 ) 所以，主减速比一定时，整车最小传动比就取决于变速器的最高档k m i n 。在 选择7 k m i n 时，主要考虑以下几个方面因数。 a ) 应考虑整车最高档的爬坡能力和加速能力。即具有足够的最高档最大动力因 数d 0 一。即 d o 一= ( 等竽一罴v 乙】，形 眨8 ， i ，-z 1 1 ) ， 1 4 第二章先进开发流程及传动系统匹配理论 式中，v a m 为最高档时发动机最大输出扭矩点的转速所对应的车速。最终 选定k 曲时还要考虑整车的经济性和动力性。 一般，货车d 0 吣= o 1 o 4 ；b 一= o 4 - , 0 3 ( 小型重型) 客车d o 雌= 0 0 8 , , - 0 0 3 ；q 眦= 0 3 5 - 4 ) 1 2 ( 小型铰接式) 轿车域懈= 0 0 7 - - - 0 1 5 ；d i n a “：0 3 - 0 5 ( 微轻中型) d o 一= 0 1 4 - 4 3 2 6 ；d l 一= o 3 0 5 ( 高级轿车) b ) 从传动装置和发动机性能合理匹配的观点确定最高变速比，并根据道路情况 选定i 。和，后，使最高档行驶于平路时的牵引力功率曲线与发动机外特性曲 线相交于最大功率点。即 p ，v hx 7 9 6 i r m ，“ i o 一，7 = 町+ 丽c o a ( 0 3 7 7 x r r _ r _ 冬nj 。) 2 i 2 ( 2 9 ) ， 1 1 )j ( 3 ) 整车最大传动比的选择 整车的最大传动比，即最低档f ，是根据整车最大爬坡度来确定的。确定最大 传动比后如图2 8 所示，一般按等比级数确定阻力功率曲线，由此确定中间的档 位，这样可以使发动机的功率得到全面的利用，同时发挥各档的最大效用。 图2 8 各档传动比的选择 在确定最大传动比时，除考虑最大爬坡能力外，还要考虑附着力和整车最低 稳定车速。一般最大传动比嗽等于变速器第一档速比与主减速比乞之积，即： 一= f ，屯 ( 2 1 0 ) 1 5 第二章先进开发流程及传动系统匹配理论 最大传动比的确定方法有以下三种。即 a ) 根据最大爬坡度确定变速器第一档速比。整车爬坡行驶时， 忽略空气阻力。则最大牵引力为： p r 懈b + e 一 式中b 一滚动阻力 一一最大坡道阻力 又因为 m i 缸m i i 栩 p r 嗽2 了一 车速不高，故 ( 2 1 1 ) 一= c o s + s i n ) = w 所以， t t q i t i 。? ? _ w ( f c 。s + s i i l ) ：w 即： f ，兰纽：!( 2 1 2 ) l 删l d ，7 式中= f c o s 0 + s i n ，最大道路阻力系数；厂是滚动阻力系数；，为 驱动轮滚动半径。 b ) 根据驱动轮与路面的附着力确定第一档速比。整车行驶时为了使驱动轮不 打滑，必须使驱动力小于或等于驱动轮与路面间的附着力。即 t 幻u i t i o t l n 矿 ( 2 1 3 ) 这里缈指道路附着系数，一般伊= 0 5 o 6 ；n 指驱动轮垂直( 法向) 反力。 有 = ( x c 。s 9 + s 办s i n 功警 x ，s 指当后轮驱动时，x = a ，s = + 1 ；当前轮驱动时x = b ，s = 一1 ；当全 轮驱动时x = 三，s = 0 。 1 6 第二章先进开发流程及传动系统匹配理论 a ，b 分别为整车质心距前后轴的距离；l 指整车前后轴距；h 指整车满载 时的质心高度。 所以，由此确定的第一档速比7 i 为 n 咿 j ，= 二- 一 1 屯刁 ( 2 1 4 ) c ) 根据最低稳定车速确定第一档速比f ，。对于越野车为了保证在松软路面上的 地面附着力，f ，应保证汽车能在极低车速下稳定行驶。所以设最低车速为 ，。曲，则第一档传动比为： ；一0 3 7 7 刀i i l j n ，i f = 二：= o 1 a r m a 1 0 7 ( 2 1 5 ) 式中，一车轮滚动半径 刀r a i n 一发动机最低转速 f 一动力分配装置的低挡传动比 由上述三个条件所确定的第一档传动比不相等时，取其中最小值为整车的最 大传动比。 ( 4 )各档传动比的确定 最高档和最低档确定之后，相邻档位之间一般按几何级数公比变化。即 一2 肿l 。g ( 2 1 6 ) 式中g - ( 叫7 乞为几何公比；七为变速器的档数。 但这种几何级数公比法并不代表最佳的档位分配。 2 4 本章小结 本章首先阐述了一种结合模拟计算和实验相结合的整车传动系统开发流程。 实践证明，该开发流程能有效降低开发成本和开发时间。本文所建立综合评价体 系能在开发流程初期加快模拟计算结果的评估速度降低评估工作量来提高开发 速度。其次本文讨论了整车动力总成匹配原理，为整车动力总成的匹配模拟计算 和参数优化提供了理论依据。 1 7 第三章综合评价体系的理论研究 第三章综合评价体系的理论研究 3 1