（光学工程专业论文）汽车发动机与传动系参数的优化匹配.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 汽车整车性能主摹考虑动力性与经济性，整车性能的好坏取决于汽车动力参数匹配 即传动系与发动机匹配程度的好坏，因此发动机与传动系参数的匹配确定成为汽车设计 中一个重要的组成部分。随着汽车工业的发展，专业分工越来越细，整车组装厂总是选 择合适的发动机和传动系进行匹配，传统的参数的优化方法，认为其具有设计周期长， 工作量大，精度差等不足，满足不了现代汽车发展的要求，并且整车厂在实际的设计、 生产中，都一定程度上存在二者参数匹配不合理的现象。因此，本论文主要以我厂目前 的一个畅销车型3 0 4 7 j d d 1 为研究对象，首先对其动力性和燃油经济性进行模拟，然后 研究如何将优化理论引入到汽车传动系参数设计当中，以实现汽车的发动机与传动系的 最佳匹配，达到充分发挥汽车整体性能的目的。 为了使整车具有良好的动力性和燃油经济性，本论文将两者的综合效果作为追求的 设计目标，建立数学模型，并选择了合适的优化方法对此模型进行优化计算。并以v b 为开发平台，编写了相应的计算程序。实现发动机的扭矩特性曲线和万有特性曲线的拟 合。最后，文章对该车型进行了优化，得到了受好的效果。 关键词：汽车动力性；经济性；参数匹配；优化 王玉成：汽车发动机与传动系参数的优化匹配 t h eo p t i m i z a t i o no f m e e n g i n ea n d t r a n s m i s s i o np a r a m e t e r 慨i t t e o t t r a n s m i s s i o ns y s t e mh a sg r e a ti n f l u 咖eo na u t o m o b i l e sp o w e rp e r f o r m a n c ea n d e c o n o m yp e r f o r m a n c e ，s oi t sp a r a m e t e ri sv e r yi m p o r t a n ti nt h ed e s i g no fac a l a st h e d w d o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y ，s p e c i a l i z a t i o n i sm o r ea n dm o r ep a r t i c u l a r ，t h e a u t o m o b i l ef a c t o r ya l w a y ss e l e c t st h ea p p r o p r i a t ee n g i n ea n dt r a n s m i s s i o nt om a t c h ，t h e t r a d i t i o n a lo p t i m i z i n gm e t h o dc a nn o tf i tf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e ma u t o m o b i l e i n f a c t 。t h ep a r a m e t e rd on o tm a t c hi sa l w a y se x i s t i n g s oi nt h i sp a p e r , is d e e t3 0 4 7 j d da st h e r e s e a r c ho b j e c t f i r s t ，is i m u l a t ei t sp o w e rp e r f o r m a n c ea n de c o n o m yp e r f o r m a n c e ，t h e n s t u d yh o wt oi n t r o d u c eo p t i m i z a t i o nt h e o r yi n t ot h ea u t o m o b i l e st r a n s m i s s i o np a r a m e t e r , t o r e a l i z et h eo p t i m i z a t i o n t ol e tt h ea u t o m o b i l eh a v eb e s tp o w e rp e r f o r m a n c ea n de c o n o m yp e r f o r m a n c e , i nt h e p a p e r ，ia c tt h ec o m p o s i t i v er e s u l ta st h ed e s i g na i m s ，s e t t i n gu pt h em o d e la n ds e l e c t i n gt h e a p p r o p r i a t em e t h o dt oo p t i m i z et h em o d e l i nt h i sp a p e r ，1w r i t et h ec o m p u t e rp r o g r a mw i t h v b a tl a s t , ig e tt h et o r q u ec a r v ea n dt h eu n i v e r s a lc h a r a c t e r i s t i cc u l w eo f t h e e a $ i n e k e y w o r d s ：a u t o m o b i l e sp o w e rp e r f o r m a n c ee c o n o m yp e r f o r m a i i e e t p a r a m e t e rm a t c h i n g ；o p t i m i z a t i o n 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 i 课题研究的意义及目的 汽车工业经历了一个多世纪的时期发展到今天，全世界范围内的汽车保有量越来越 多，汽车工业的发展水平成为衡量一个国家整体工业水平和综合经济实力的标志之一， 充分显示出其巨大的经济效益和社会效益。我国的汽车工业虽然起步较晚，但随着社会 的进步，特别是近十年的发展，在全国形成了几大汽车生产基地，汽车工业在我国国民 经济中所起着的作用越来越重要。随着我国国民经济的发展，汽车所承担的交通运输的 任务愈来愈重，对汽车动力性的要求便越来越高，同时能源需求量的增加加重了燃料供 应紧张，从而对汽车燃油经济性的要求也随之越来越高。而在对汽车整车性能的评价中 汽车的动力性和燃油经济型是最重要的性能，动力性和燃油经济性的好坏，直接影响汽 车的运输生产率和运输成本。要想使汽车的动力性好，就应该使汽车能有足够高车速， 很好的加速能力及较强的爬坡能力，而要想使汽车的燃油经济性好，除了让发动机的燃 油消耗率最小这一基本要求之外，同时还要求在实际行驶工况时，发动机总是处于燃料 消耗率最小的经济区域内工作。 汽车动力性和燃油经济性的好坏，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，即取决于汽车传动系统合理匹配的程度。即使一台发动机具有良好的性 能，如果没有一个与之合理匹配的传动系，也不能充分发挥其性能。与发动机合理匹配 的传动系经常工作在其理想工作区附近，这样不仅可以减少燃料消耗，减轻发动机磨损， 提高发动机的使用寿命，而且可以取得良好的排放效果。然而，在汽车研制过程中，由 于专业分工较细，往往缺少各部门之间的配合。如果不将发动机与底盘视为一个有联系 的综合整体进行合理匹配，任何一个部件的性能改进完全有可能由于与另一部件的匹配 不当而造成汽车整体性能未获得应有的改善。因此，通过合理匹配汽车动力传动系统来 降低燃料消耗具有较大的潜力，这是一个值得深入研究的课题。 在进行汽车设计时，理论上发动机与传动系的各个参数可以连续任意变化的选择， 以便获得最优的发动机与传动系匹配效果。但在实际应用过程中，由于发动机与传动系 个零部件的标准化生产，使得其参数不再是连续变化的，其各个参数都离散化了。因此， 如何选择市场上存在的发动机和传动系中各零部件的型号，以获得最佳的匹配，成为汽 车设计过程中一项非常重要的任务。 本课题来源于淄博汽车制造厂技术攻关项目。淄博汽车制造厂是我国重要的轻卡生 产基地，年产各类轻型货车3 万量。我厂在进行新车型设计时，对于发动机与传动系参 数的匹配问题，由于受到测试手段和计算工具的限制，我厂以往的做法，往往是根据设 王玉成：汽车发动机与传动系参数的优化匹配 计者的经验或者根据市场上同类产品的动力匹配为参考进行定性分析和简单的定量计 算，得出几种参考方案，然后通过试制、试验，通过试验结果的对比，修改设计方案， 然后再进行试制、试验，在经过多轮试制后才能得出相对较好的设计方案。这种设计方 法耗资大，周期长，各部件参数的选取带有一定的盲目性，并且较好的匹配方案容易被 遗漏。本课题以3 0 4 7 j d d l 车型为基础，将优化理论引入到发动机与传动系合理匹配的 研究之中，实现发动机与传动系的最佳匹配，以发挥汽车的最佳性能，同时也为我厂其 他车型及新车型的开发提供理论和实际应用的支持。在本次课程设计中，首先对我厂 3 0 4 7 j d d 一1 车型的动力性及燃油经济性进行了计算机仿真，并开发出一套关于汽车发动 机动力性及燃油经济性与传动系参数匹配的软件，利用这些软件，可以对汽车的动力性 及燃油经济性进行评价，对所设计的动力匹配进行校验，较为迅速的找到与所选发动机 合理匹配的传动系，这样既节省了大量的试验费用，也加快了新产品的试制进度，为新 产品的迅速成功的上市赢得了宝贵的时间。因此本课题的研究对我厂来说是非常必要 的。 1 2 文献综述 课题研究的是发动机与传动系的优化匹配问题，它始于5 0 年代末，而普及应用于7 0 年代。其特点是将优化技术应用于设计过程之中，最终获得较理想的的设计参数。以前 由于测试手段和计算工具的限制，一直是采用定性分析和简单的定量计算，靠大量积累 的试验数据和经验进行设计。这不仅需要大量的试验费用，很长的研制周期，而且有很 大的局限性。随着现代测试技术的加强，特别是电子计算机的高速发展，很多公式都可 以在几分钟甚至几秒钟计算出正确的结果：同时数学算法在工程中的应用也促进了优化 学的发展，各种优化方法应用在汽车设计的各方面：电子计算机的应用和测试手段的提 高，使通过模拟计算和试验相结合的方法来研究汽车动力传动系统匹配问题成为可能。 由此对汽车动力传动系统的优化匹配的研究也愈来愈深入，愈来愈广泛了。 国外，在样车未测试之前，用电子计算机模拟和预测，基本上可以掌握汽车的基本 性能，并有一定的精确性。这就可以大大地节省试验费用，缩短设计周期。目前，用计 算机程序，可以保证在一定的动力性前提下，选择汽车的结构参数，降低汽车的燃料消 耗量，改善排气污染。1 9 7 2 年，美国通用汽车公司首先开发汽车动力性、燃油经济性的 通用预测程序g p s i m ( g e n e r a lp u r p o s ea u t o m a t i cv e h i c l ep e r f o r m a n c ea n de c o n o m y s i m u l a t o r ) ，该程序可以模拟汽车在任何行驶工况下的瞬时油耗、累积油耗、行驶时间 和距离，预测汽车设计参数如重量、传动系速比、空气阻力系数等的变化对汽车性能的 影响。除此之外，还有美国福特汽车公司的t o f e p ( t e s t i n go p e r a t i n gf u e le c o n o m y 大连理工大学专业学位硕士学位论文 p r o g r a m ) ，美国康明斯公司的v m s ( v e h i c l em i s s i o ns i m u l a t i o n ) 以及美国交通部的 v e h s i m ，日产汽车公司的c s v f e p ，奔驰汽车公司的t r a s c o 等。使用这些程序，可以在样 车制造之前就能准确地对汽车动力性然料经济性进行预测，并可以根据几种传动系速比 的变化引起整车的变化，找到这种变化间的关系，形成“最佳动力性燃料经济性曲线” 和“c 曲线”，从而找到能与所选发动机合理匹配的传动系。这样，就可以节省大量人 力物力，缩短设计周期。 在国内，我国汽车动力传动系统最优匹配研究起步较晚，从上世纪8 0 年代初开始， 国内汽车行业和有关高校开展了一些汽车动力传动系统仿真和匹配方面的研究工作，最 初的研究侧重于典型城市、城郊道路、运行工况进行测试与分析。1 9 8 3 年，长春汽车研 究所开发的汽车动力性和燃料经济性通用模拟程序，能够考察影响汽车基本性能的各个 参数，消除随机因素( 如司机、车辆、天气等) 的影响。而在清华大学汽车工程系有关 汽车动力性燃料经济性计算机模拟方面的研究工作中，较多地借鉴了国外一些经验性模 型，由发动机特性、传动系效率、轮胎行驶特性、离合器起步过程以及发动机万有特性 关系，简练而合理地阐述了汽车动力传动系统的基本工作过程。 在近些年来这方面的研究主要围绕汽车动力传动系统最优匹配的评价指标和汽车 动力传动系参数的优化以及利用汽车动力性和燃料经济性模拟计算程序进行传动系参 数优化。 由于汽车动力性和嫩料经济性之间既相互联系、又相互对立，要获得最佳的综合优 化方案，首先应明确的问题是：如何全面、合理评价动力传动系统匹配效果，建立正确 的优化目标函数。比较常见的方法是以动力性能为约束条件、燃料经济性能作为目标函 数，或以动力性指标和燃料经济性指标的加权值为综合评价指标或利用价值分析方法将 多项指标综合成一个能从整体上衡量计算方案相对优劣的单一评价值，这种方法虽然十 分简单、明确，但只能得到一个优化结果，而不能反映汽车动力传动系统匹配优化的物 理过程，没有考虑各种不同用途的汽车行驶工况特点。为此，近年来研究人员对汽车动 力传动系统合理匹配的评价标准问题进行了探讨，如有文献提出以发动机常用工作区域 与发动机经济区域的相对位置来反映汽车燃料经济性方面的匹配程度：有些则采用“驱 动功率极限发挥率”为优化目标，考虑汽车档位的实际使用情况对传动比进行优化设计， 从而保证汽车具有最好的动力性能：还有的则综合以上两方面，建议以“驱动功率损失 率”作为动力性发挥程度评价指标、以“有效效率利用率”作为经济性发挥程度评价指 标，并用“能量利用率指标”来统一汽车动力性和燃油经济性指标，这些研究在一定程 度上为解决汽车动力传动系统参数与整车及发动机的最佳匹配提供了理论依据。 下面，对国内一些关于发动机与传动系最优匹配的文章作一下简述： 王玉成：汽车发动机与传动系参数的优化匹配 ( 1 ) 汽车动力性传动系统参数的最佳匹配f 1 j 该文分别从动力性和经济性两个方面来作性能优化。其评价函数具有一定的代表 性。该文献中建立了动力性目标函数和经济性目标函数，并给出了约束条件。 ( 2 ) 汽车动力传动系统最优匹配的研究和发展【2 1 该文献综述了我国汽车研究者在汽车动力传动系统最优匹配研究方面进行的工作， 分析现有研究中存在的问题，提出研究的关键是确定汽车动力传动年个匹配的评价指 标：驱动功率损失率、有效功率利用率、汽车的能量效率。并对以后的研究提出建议。 ( 3 ) 汽车发动机与传动系参数最优匹配的研究【3 】 该文对匹配方案研究的较全面，有以下几种分配方案：a 、发动机参数给定，优选 传动系参数。b 、给定传动系参数、优选发动机参数。对于具体目标函数选择，也采用 了多种形式，现分别为：1 、以驱动功率作为目标函数的优化设计。2 、以加速时间作为 动力参数，以六工况百公里油耗作为经济性参数的优化设计。 ( 4 ) 汽车动力系统的合理匹配评价【4 】 该文在选择动力源的基础上，对影响汽车动力性能的主要指标提出了理想的评价方 法，并以此为依据，建立了汽车动力系统的多因子加权分值评价法。 ( 5 ) 汽车动力参数模糊优化设计【5 】 该文中提出了模糊优化的思想，该篇文章对汽车传动参数进行了全面的模糊优化， 在提出了最高车速，最高档最大动力因数和最大爬坡度的设计要求后，通过考虑档位利 用率和实际路面附着系数对传动比的影响及汽车动力性和经济性的权重，从不同侧面考 虑了设计者的设计意图，从而达到预期的设计目的和效果，并得到总体上的优化。 ( 6 ) 汽车动力性和燃油经济性的计算机模拟与传动系参数优化设计【6 j 该文建立了汽车动力性和燃油经济性的模拟计算教学模型，编制了模拟程序，在此 基础上，以动力性和燃油经济性为目标函数，对传动系进行了优化设计。 ( 7 ) 仿真技术在汽车传动系参数优化设计中的应用【7 】 该文介绍了在保证发动机理想工作状况与汽车使用状况相适应的前提下，应用仿真 技术对汽车传动系参数进行优化设计的方法。为了提高汽车传动系仿真的精度，就要精 确的描述汽车行驶过程中能量输出和能量损失的情况。为此，须测定汽车稳态行驶时的 行驶阻力、曲线行驶的行驶阻力、牵引力对行驶阻力的影响及车速对轮胎滚动半径的影 响，并进行离合器起步过程、驱动桥效率等项试验。通过对上述实验结果的分析研究， 建立各种情况的数学模型。为了更好的评价传动系与发动机在保证汽车燃油经济性方面 的匹配程度，该文还提出了发动机经济区段接近系数的概念。其定义是，在汽车行驶过 程中，发动机工作区域内各点燃油消耗率为其使用概率的加权平均值与发动机理想工作 大连理工大学专业学位硕士学位论文 区段燃油消耗率的比值。 该文选择了复合型法进行了优化。然后再计算机上建立该优化程序的数学模型，完 成了对汽车传动系参数的优选。该程序采用模块组合形式，把所需要的各部分数学模型 用模块子程序分别进行储存，使其便于修改和扩充，适应性更强。 ( 8 ) 汽车发动机万有特性曲面拟合的一种新方法【8 】 该文给出了发动机万有特性曲面拟合的一种新方法。对于发动机万有特性的数值计 算方法，一般有三种：二元抛物线插值法、降维处理法、曲面拟合法。上述三种数值方 法中，前两种计算简单，使用方便，得到广泛应用，但计算速度慢，精度也不高，方法 三理论上成立，但是由于程序复杂，对试验数据有特殊要求。该文从方法2 合方法3 的 基本原理出发，将二元非线性函数的处理问题转换为多元线性函数的问题来处理。 ( 9 ) 汽车性能优化方法及程序设计 9 】 通过介绍对汽车后桥减速比和变速器传动比的不断匹配，从而使汽车动力性和经济 型优化的原理，重点叙述汽车性能优化数学模型的建立、复合形优化方法的原理和优化 的具体步骤，以及程序的各个功能模块和运行流程及程序运行环境： ( 1 0 ) 汽车发动机与传动系参数的优化匹配【1 0 】 该文首先建立了动力性目标函数和经济性目标函数，并建立了目标函数，接着对其 进行了优化，最后进行了计算机模拟，得到了万有特性曲线，实现了优化。 1 3 课题研究的目的、方法及内容 ( 1 ) 本课题研究目的： 在车型动力性、燃油经济性模拟计算的基础上，建立汽车发动机与传动系参数优化 匹配模型，按照汽车动力性、燃料经济性达到优化匹配效果的条件下，实现对任意车型 传动系参数的优化。 ( 2 ) 本课题的研究方法是： 首先进行车型动力性、经济性性能模拟，绘出功率平衡图、加速时间曲线图和六工 况油耗曲线，获取车型动力性经济性参数。然后按照动力性经济性的要求构造传动系参 数优化匹配的数学模型。接着优化分析此数学模型，最终得到最佳匹配的传动比。考虑 到这个数学模型的特点，选择碰壁函数法来求解此模型，在求解多目标优化问题时，可 以将其多个目标函数中的一个设为主要目标函数，其他目标函数作为次要的目标函数。 综合考虑一下汽车的动力性和经济性，以及上述模型的特点，我们可以把经济性目标函 数作为主要目标函数，动力性目标函数作为次要目标函数，这样这个多目标优化问题可 以转化为两个单目标约束优化问题；再根据碰壁函数法的基本原理，将约束优化问题变 王玉成：汽车发动机与传动系参数的优化匹配 为无约束优化问题；最后可利用鲍威尔算法对变换得到的无约束优化问题求解，并得到 最终的计算结果。这样通过对经济模型的优化，就可以直接得到最佳主减速比，然后再 通过对动力模型的优化就可以得到其他各档的最优传动比。 ( 3 ) 研究主要内容如下： 拟合3 0 4 7 j d d 一1 车型所用的y z 4 1 0 2 q b 发动机外特性曲线及万有特性曲线。 进行车型动力性的计算机模拟。 进行车型经济性的计算机模拟。 根据汽车动力性与经济性的要求，建立发动机与传动系的参数优化匹配的数学模 型。 采用p o w e l l 算法，对所建立的模型进行优化，获取传动系优化参数。 采用3 0 4 7 j d d 一1 车型的基本参数，验证优化结果。 以上内容，利用v b 进行了界面开发和实现程序编制。 6 大连理工大学专业学位硕士学位论文 23 0 4 7 j d d 一1 车型动力。| 生及燃油经济性的计算机模拟 2 13 0 4 7 j d d 一1 车型动力性的计算机模拟 2 1 1 汽车动力参数的评价指标 汽车的动力性、动力参数，是汽车最基本、最重要的性能，它决定着汽车的行驶效 率、运输效率。从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发，汽车动力性的评价指标主 要包括：最高车速、加速时间、最大爬坡度。从优化的角度来看上述三种都可以作为目 标函数，在实际的设计过程中，往往根据车型的特点将其中的一个作为主要目标函数， 其他两个目标函数作为次要目标函数。 2 2 2 汽车动力参数计算机模拟 汽车动力参数的计算就是由已经知道的结构参数，来求其它的性能参数。是一种输 入与输出的关系，也是一种优化反馈的过程，这样不断的输入，不断地输出，不断地评 价反馈，就可以达到提高汽车动力性能，改进汽车设计，优化汽车设计。其计算法则是 要遵守汽车的运动规律的。 2 2 3 发动机扭矩特性曲线拟合 。 在动力性评价指标的计算机模拟中，要涉及发动机的外特性转矩曲线，目前常用的 是根据发动机的台架试验数据来描述。 王玉成：汽车发动机与传动系参数的优化匹配 下图是厂家提供的y z 4 1 0 2 q b 发动机的扭矩特性曲线。 y z 4 1 0 2 0 b 型机外特性线 m en m 有2 3 0 i z ，。 矩1 9 0 r b p ? 嚣 m e 、_ p et y 彳 g e 7 1 。穿 2 度 k w 7 0p e 有 5 0 效 功 3 0 率 1 2 0 01 6 0 02 0 0 02 4 0 02 8 0 03 2 0 0 1试验前 转速n m m 图2 1y z 4 1 0 2 q b 型发动机扭矩特性曲线 f i g2 1 t h et o r q u ec a r v eo f e n g i n eo f y z 4 1 0 2 q b 为了计算的方便，常用多项式来描述由试验台测得的，接近于抛物线的发动机转矩 曲线，即t t 。= a o + a l n + a 2 n 2 + + a k n 。式中，系数a o ，a 1 ，a 2 a k 可由最小二乘法来确定；拟 合阶数k 随曲线而异，一般在2 ，3 ，4 ，5 中选取。下面介绍一下最小二乘法的原理。 ( 1 ) 最小二乘法的原理 在科学试验和统计研究中，往往要从大量的实验数据( x i ，y i ；) ( i = l ，2 ，m ) 中寻找 其函数关系y = f ( x ) 的近似表达式y = p ( x ) 。由于试验观测数据不可避免的带有误差，甚 至是较大的误差，因此，不必要去求近似函数y = p ( x ) 满足p ( x i ) 一y i ，而只要求其偏差r i = p ( x ) 二y ，按照某种标准最小，以反映所给数据的总体趋势，消除局部波动的影响，这就 是最小二乘法的曲线拟合问题。函数p ( x ) 称为拟合函数。为了便于计算，在曲线拟合过 程中通常用偏差平方和来衡量r i 的总体大小。 ( 2 ) 利用g a u s s 消元法解线性方程组 我们知道，最小二乘法最终需要求解线性方程组。 所谓消元法就是对线性方程组a x - - b 经过一系列推导给出一个等价的线性方程组 一8 删驴瑚瑚啪洲驴脚脚弦燃油消耗率 大连理工大学专业学位硕士学位论文 u x = g ，使得系数矩阵u 是一个上三角矩阵。这时，解线性方程组u x = g 仅仅是一个回 代问题。 综上所述，发动机扭矩特性曲线拟合的步骤应如下： 首先构造发动机扭矩特性曲线拟合后的多项式t t q = a o + a l n + a 2 n 2 + + a k n k 在发动机扭矩特性曲线图上取若干组数据( ( n i ，t t q i ) ，一般取6 到1 2 组。 根据所给的数据构造关于系数a o 、a l 、a 2 、ak 的线性方程组。 利用高斯消元法求解此线性方程组，解出系数a o ，a l 、a 2 ，ak 的值。 这样就完成了发动机扭矩特性曲线的多项式拟合。下面是y z 4 1 0 2 q b 的扭矩特性曲 线拟合输出界面。 图2 2y z 4 1 0 2 q b 型发动机扭矩特性曲线拟合输出界面 f i g2 2 d a t ao u t p u tw i n d o wo f t h et o r q u ec a l v eo f e n g i n ey z 4 1 0 2 q b 王玉成：汽车发动机与传动系参数的优化匹配 ( 3 ) 曲线拟合中出现的问题： 在发动机外特性曲线的拟合中，刚开始以为曲线设定次数越高，拟合结果越精确， 但是当设定曲线最高次为5 次时，得出的曲线与理想的曲线有很大的差别，于是又把最 高次设定为3 ，拟合得出的结果比较符合理想的发动机外特性曲线。 2 2 4 动力参数的计算 ( 1 ) 计算最高车速： 最高车速指汽车以最高档或次高档在水平良好的路面上行驶所能达到的最大车速。 此时d u d t = o ，坡度i = o ，发动机油门全开。根据装有有级式固定传动比变速器汽车的 行驶方程式： t , q i g l i o q r ：6 f + g f + c a u 丝+ 6 竺! 垫 ( 2 1 ) r2 1 2 5d t 此公式标明了汽车行驶时驱动力和外界阻力的关系的普遍情况。当发动机的转速特 性、变速器的传动比、主减速比、传动效率、车轮半径、空气阻力系数、汽车迎风面积 以及汽车质量等初步确定后，并可利用此式分析在附着性能良好的典型路面上的行驶能 力，即确定汽车在节气门全开时可能达到的最高车速、加速能力何爬坡能力。 汽车行驶时，不但驱动力何行驶阻力相互平衡，发动机功率何汽车行驶的阻力功率 也总是平衡的。就是说，在汽车行驶的每一瞬间，发动机发出的功率始终等于机械传动 损失功率与全部运动阻力所消耗的功率。 与力的平衡处理方式相同，功率平衡方程式可用图解法表示。若以纵坐标表示功率， 横坐标表示车速，将发动机功率、汽车经常遇到的阻力功率对车速的关系曲线绘在坐标 图上，即得汽车功率平衡图。 图中发动机功率曲线与阻力功率曲线相交点处对应的车速便是在良好水平路面上 汽车的最高车速。下面是计算机模拟得到的功率平衡图。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图2 2 功率平衡图 f i g 2 2p o w e rb a l a n c ec h a r t 从图上我们可以看出，发动机功率曲线( v 档) 与阻力功率曲线交点处对应的车速 便是在良好水平路面上汽车的最高车速u 。即最高车速为8 4 3 2 ( k m h ) 。 ( 2 ) 计算汽车加速时间： 汽车加速时间的计算方法有很多种，如实验的方法、定积分面积法、计算机仿真分 析法。 实验法：这种方法是在道路实验的情况下测试得到的汽车加速时间，比较的直观， 迅速，但容易受到天气、驾驶员换挡时间的把握、设备的精确度的影响等。 定积分面积法：就是根据加速度倒数曲线图，由公式 丁：r 2 ( 2 2 ) 屯a 便可以求出加速的时间，这种方法比较的繁琐，计算工作量较大，逐渐被淘汰，不宜采 用 王玉成：汽车发动机与传动系参数的优化匹配 计算机仿真分析法：利用计算机编程语言，分析，绘制加速度图像，计算加速度时 间的方法，其中也采用了数形结合法，通过图形结合程序会一目了然的得到加速时间和 加速性能，是一种新型的计算方法。其设计程序的根据如下：设汽车由初速度u o 加速到 末速度u 。，其中各工况参数可由下列公式求得 加速度表达式： ) = 。二一 j 5 m 由初末速度定积分求加速时间： ，：r a h 上。 ( 2 4 ) 式中t 是加速时间，艿汽车旋转质量换算系数，r 车轮半径，单位为米a 为拟合外特性系数，5 ) 1 。 根据g b t1 2 5 4 3 - - - - 9 0 ( ( 中华人民共和国国家标准一汽车加速性能实验方法中规定， 汽车起步连续换档加速性能试验过程如下：将汽车停于试验路段之一段，变速器置入该 车的起步档位，迅速起步并将油门踏板快速踩到底，使汽车尽快加速行驶，当发动机达 到最大功率转速时，力求迅速无声的换档，换档后立即油门全开，直至最高档最高车速 的8 0 以上。测出全加速过程的行驶时间。根据此规定，可以求解此模型中带五档变速 器的汽车起步连续换档加速时间。 根据国标规定，我们总假定发动机达到最高转速时，换入下一档，直到达到最高车 速的8 0 ，所以整个加速过程的时间我们可表示为： r = r 一言d v + e d v + 仨去d v + e 去d v + 睚一1 民d v c z 渤 其中a l ，a 2 ，a 3 ，a 4 ，a 5 为汽车在各档的加速度， 旷而1 。f ，- ( r s 堋 = 志l 华缶厂一黑i 沼s ， 其中g = l ，2 ，3 ，4 ，5 这样就可以求得原地起步连续换档的加速时间。 以上编写了计算机程序。 2 23 0 4 7 j d d - 1 车型燃油经济性的计算机模拟 2 2 1 汽车燃料消耗评价指标 汽车燃料经济性的评价指标常用一定运行工况下行使百公里的燃料消耗量或用一 大连理：i ：大学专业学位硕士学位论文 定燃料消耗量能使汽车行驶的里程数来表示。 根据各国度量单位制及习惯的不同，汽车燃料经济性指标的表示方法主要有以下几 种： ( 1 ) l k m ，指的是汽车行驶单位公里的燃料消耗的升数： ( 2 ) l l o o k m ，即汽车行驶1 0 0 公里燃料消耗的升数，其数值越大，汽车燃油经济 性越差。中国和欧洲各国一般用l l o o k m 数表示汽车燃料的经济性指标； ( 3 ) m p g 或m i l e u s g a l ，指每美加仑燃油能行驶的英里数。 ( 4 ) k m l ，指消耗1 升燃料的汽车行驶里程数。 ( 5 ) k g k m 或k m k g ，主要用来表示气体燃料( 天然气或液化丙烷气等) 时的汽车 燃油经济性，有时也用来表示使用液体燃料( 如酒精等) 时的汽车燃料经济性。 2 2 2 计算六工况燃油消耗量 由于实际车辆在运行过程中特别是在市区行驶中会频繁出现加速、减速、怠速停车 等行驶工况，因此，在对实际车辆进行跟踪测试统计的基础上，各国都制定了一些典型 的循环行驶试验工况来模拟实际汽车运行状况。我国也制定了货车和客车的路上行驶循 环工况，还规定以等速百公里燃油消耗量和最高档全油门加速行驶油耗作为单项评价指 标，以循环工况燃油消耗量作为综合评价指标。 循环工况规定了车速一时问行驶规范，例如，何时换档、何时制动以及行车的速度 和加速度等数值。因此，它在路上试验比较困难，一般多规定在室内汽车底盘测功机( 转 鼓试验台) 上进行测试；而规定在路上进行试验的循环工况都比较简单。 在本课题中，我以六工况试验的燃油消耗量o 作为经济性性评价指标，根据j b 3 3 5 2 8 3 中华人民共和国机械工业部部标准一载货汽车燃料消耗量试验方法，中规 定，六工况试验的试验方法如下：汽车用最高档，以2 5 k n y h 的速度稳定驶入试验路段， 在第一组标杆处启动燃油流量计，保持2 5 k m h 的稳速行驶至第二标杆处( 5 0 m ) ，匀加速 行驶至第三组标杆处( 2 0 0 r e ) ，车速达4 0 k m h ，保持等速行驶至第四组标杆处( 4 5 0 m ) ，再 匀加速行驶至第五组标杆处( 6 2 5 m ) ，车速达5 0 k m h ，保持等速行驶至第六组标杆处 ( 8 7 5 m ) ，匀加速行驶至第七组标杆处( 1 0 7 5 m ) ，车速达2 5 士3 k n d h ，关闭流量计。 根据国标的规定我们可以知道，六工况试验法的总的燃油消耗量为q ，q 可以表示 为：q = q l + q 2 + q 3 + q 4 + q 5 + q 6 ，q l q 6 分别为六种工况下的燃油消耗量，而这六种 工况又可以分为等速行驶，加速行驶，减速行驶三种情形，下面就分别叙述一下这三种 情形下燃油消耗量的求法： ( 1 ) 等速行驶时的燃油消耗量的计算 王玉成：汽车发动机与传动系参数的优化匹配 在进行汽车燃油经济性计算时，常需要根据发动机台架试验得到的汽车发动机的万 有特性曲线图，在万有特性图上有等燃油消耗率曲线。根据这些曲线，可以确定发动机 在一定转速n ，发出一定功率p 时的燃油消耗率b 。为了计算的方便，本课题中利用最 小二乘法对该特性曲线进行曲线拟合，得到形如b = b ( p ，n ) 的函数，这样根据等速行驶的 车速、及阻力功率p ，就可以得到相应的燃油消耗率b 。 已知汽车的行驶速度为“。( k m h ) ，每小时的燃料消耗量为q t ( k s h ) ，则汽车的百 公里燃料消耗量： q ：9 - s q _ _ _ 塑r 1 0 0 ( n l o o k m ) ( 2 - 7 ) u d 或q ：9 8 q r 1 0 0 ( l l o o k m ) ( 2 - 8 ) u 。y 式中，y 燃料的重度，汽油为6 6 9 7 1 5 n l ，柴油为7 9 4 8 1 3 n l 只要知道q ，值，就可求得各速度下汽车等速燃料经济性，其计算步骤为： 计算出与速度“。、传动比f 相对应的发动机转速k ( r m i n ) ： ：型生 一 ”e2 0 。3 7 7 r ( 2 - 9 ) 计算在速度。下，发动机所消耗的功率( k w ) ： 只= 寺r ( 盟3 6 0 0 + 堕3 6 0 0 + 蜊7 6 1 4 0 + 籍3 6 0 0 d ) ( 2 - 1 0 ) c t 、， 这样根据求的的p 。、n 。，就可以求得燃油消耗率b ，从而计算出以该车速行驶时单 位时间内的燃油消耗量q 。( 单位为m l s ) 为： d ： 旦：! ( 2 1 1 ) 一 3 6 7 1 r 式中b 一燃油消耗率，单位为( k w h ) ； t 一燃油的重度 这样整个等速过程中的燃油消耗量q ( 单位为m e ) 为： q 咄仁蒜。 ( 2 - 1 2 ) 这样就可以求出六工况中的qq 3 ，q 5 ( 2 ) 等加速行驶时燃油消耗量的计算 在汽车加速行驶时，发动机还要提供位克服加速阻力所消耗的功率。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 下面计算由ui 以等加速度行驶至uz 的燃油消耗量，把加速度过程按每增加lk m h 为一个小区间，分隔为若干区间，每个区间的燃油消耗量可根据其平均的单位时间然有 消耗量与行驶时间之积来求得。各区间起始或终了车速所对应时刻的单位时间燃油消耗 量q ，( m l s ) ，可根据相应的发动机发出的功率与燃油消耗率求得 d ：卫：皇( 2 一1 3 ) 。 3 6 7 1 r 而汽车行驶速度每增加lk m h 所需要的时间a t ( s ) 为： 1 f = 三( 2 - 1 4 ) 3 6 a v 从行驶初速度v 1 加速到v l + l k m h 所需要的燃油消耗量q 。为 q 。，= 去( q 。+ q f ，) a t 式中，q t 0 为行驶初速为u - ，即t o 时刻的单位时间燃油消耗量 v l + l k m h ，即t 1 时刻的单位时间燃油消耗量。 由车速ul + l k m h 再增加1k m h 所需要的燃油消耗量q ：为 d ：= 去( q 。+ q ：) & 以此，每个区间的燃油消耗量为 瓯= 去( q f 。，+ 绋) a t 整个加速过程的燃油消耗量q q = q 。l + q 2 + q 3 + + q 。 这样就可以求出两段加速过程的燃油消耗量q 2 、q 4 ( 3 ) 匀减速行驶时燃油消耗量的计算 ( 2 - 1 5 ) q “为车速为 ( 2 1 6 ) f 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 减速行驶时，油门松开( 关至最小位置) 并进行轻微制动，发动机处于强制怠速状态。 其燃油消耗量即为正常怠速油耗。所以减速时燃油消耗量等于减速行驶时间与怠速油耗 的乘积。减速时间“曲为 f ：避 ( 2 1 9 ) 3 6 ，d v 班 式中，u1 、u2 为起始、减速中了的车速。du d t 为减速度。 王玉成：汽车发动机与传动系参数的优化匹配 匀减速行驶时的油耗o 为 1 ， q = 上去。(2-，20) 3 6 二 出 q i 一一为怠速燃油消耗，可通过发动机的负载特性曲线得到。 这样就可以求出最后一段减速过程的燃油消耗量q 6 分别得到上述六个工况的燃油消耗量之后，其整个试验循环的百公里燃油耗量q e l ( 1o o k m ) 为： v 门 q j = 鱼兰1 0 0 ( 2 - 2 1 ) s 其中q 六个工况的燃油消耗量之和，单位为m l s 一整个循环的行驶距离，单位为m 。 纵上所述，就可以求得六工况百公里的燃油消耗量q ，将其作为经济性的评价指标。并 在程序中表示出该数学模型。 2 2 3 万有特性曲线拟合 万有特性曲线是表征发动机燃油消耗率与发动机功率、发动机转速的一族曲线。根 据这些曲线，可以确定发动机在一定转速n ，发出一定功率p e 时的燃油消耗率b 。在本 课题中，需要计算发动机在某个扭矩和转速下的燃油消耗率，因此，需要将万有曲线进 行拟合，由于万有曲线为三维曲线，直接拟合比较困难，因此，本文采用插值法和高斯 消元法相结合的方法来实现万有曲线的拟合。万有特性曲线拟合的基本步骤如下： ( 1 ) 根据发动机台架实验所得数据为，每一转速下发动机燃油消耗率与功率之间 的对应数据，由此在每一转速下构造功率对应于燃油消耗率的多项式。 ( 2 ) 从实验所得数据构造系数方程式。 ( 3 ) 利用高斯消元法求解此线性方程式，得出系数解。 ( 4 ) 确定燃油消耗率，根据转速的变化，求解出功率相对于转速的变化，在曲线图 上以转速为横坐标，功率为纵坐标，画出此燃油消耗率下的曲线。 ( 5 ) 在分别以不同的燃油消耗率，画出对应的转速功率曲线，得到燃油消耗率的等 值线图，也就是万有特性曲线图。 曲线拟合中出现的问题： 在拟合得到的发动机万有特性曲线中，由于时间紧张，纵坐标设置的不合理，因此 未出现闭合曲线，这需要再进一步的程序开发中注意，可以得到闭合曲线。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 33 0 4 7 j d d 车型动力性及燃油经济性的匹配的优化 3 1 建立数学模型 3 1 1 建立设计变量 汽车动力装置参数系指发动机的功率、传动系的传达比。它们对汽车的动力性、燃 油经济性起到很大的作用。在确定这些参数时，必须充分考虑到满足这两个基本性能的 要求。此外，还要注意满足驾驶性的要求，使得换档轻松，灵活。本文目的是将 z b 3 0 4 7 j d d 一1 车型进行优化，该车型采用5 档变速器，故将主减速比及各档传动比设计 变量，表示如下： x ( i ) ，其中i = 0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 ， x ( 0 ) 为主减速比i o ， x ( 1 ) 为一档传动比培， x ( 2 ) 为二档传动比i ， x ( 3 ) 为三档传动比i 勘， x ( 4 ) 为四档传动比i 朗， x ( 5 ) 为五档传动比i 9 5 3 1 2 建立目标函数 本文研究的目的就是通过对我厂生产的z b 3 0 4 7 j d d 一1 车型的发动机与传动系的优 化，从而使得该车获得良好的动力性和燃油经济性。因此，我们将该车的动力性和燃油 经济性作为目标函数。考虑到该车型载质量较大，工作环境也比较恶劣，经常在凹凸不 平的路面上工作，加之用户超载严重，因此，综合考虑一下该车的动力性和燃油经济性， 以及上述模型的特点，决定把动力性目标函数作为主要目标函数，经济性目标函数作为 次要目标函数，这样这个多目标优化问题可以转化为两个单目标约束优化问题。 ( 1 ) 动力性目标函数 前面第二章我们说过，汽车的动力性可用三个方面的指标来评定，即汽车的最高车 速，加速时问及最大爬坡度。最高车速，加速时间反映了汽车的极限行驶性能，而加速 时间则反映了汽车的综合行驶性能，因此，本文将加速时间作为动力性目标函数，其它 两个在约束条件中得到体现。通过前面的分析，我们得知： r = r 一玄d v + e 吉d v + 亡言d v + e 去+ d v + 二一1 。，d v ( 3 - 1 ， 王玉成：汽车发动机与传动系参数的优化匹配 ( 2 ) 经济性目标函数 前面通过分析，我们将六工况试验的燃油消耗量q 作为经济性性评价指标，因此， 我们将六工况试验的燃油消耗量q 作为目标函数来研究。即： q = q ，+ q ：+ q ；+ + q 。 ( 2 一1 8 ) 3 1 3 建立约束条件 由于本文的设计变量为各档的速比及后桥主减传动比，因此要对建立各传动比的约 束条件。 ( 1 ) 速比约束条件 我们知道，汽车发动机在一定的转速下能够达到最好的状态，此时发出的功率比较 大，燃油经济性也比较好。因此，我们希望发动机总是在最好的状态下工作。但是，汽 车在使用的时候需要有不同的速度，这样就产生了矛盾。这个矛盾要通过变速器来解决。 汽车变速器的作用用一句话概括，就叫做变速变扭，即增速减扭或减速增扭。 汽车传动系各档的传动比大体上是按等比级数分配的，般为： ：g 。( 3