（光学工程专业论文）汽车动力改进及传动系统参数优化匹配.pdf

摘要 摘要 以某款s u v 汽车的动力传动系统为研究对象，展开了其整车性能匹配分析 及参数优化研究。 首先基于g t - d r i v e 软件建立了其整车性能仿真模型，运用该模型对其动 力性和燃油经济性进行了计算分析，并将计算结果与试验结果进行比对，验证 了该仿真模型的正确性和精确性。 分析了原有发动机存在的问题，对其燃油喷射系统、增压器、材料、e g r 系统等进行了改进，通过台架试验获得了改进后发动机的万有特性，最后将改 进后的发动机与原车的传动系做整车匹配分析，模拟计算结果表明其经济性和 排放性得到了相当的改善，但爬坡度略显不足。 为了进一步优化整车动力性、燃油经济性和排放，选择以动力性为目标， 以经济性和排放性为约束条件，基于d o e 优化设计功能对该车型传动参数进行 了优化设计，仿真计算结果表明：优化后汽车动力性有较大的提高，最高车速 提高了1 0 5 k n g h ，原地起步0 - 1 0 0 k m h 加速时间缩短了2 9 s ，直接挡5 0 1 0 0 k m h 加速时间缩短了3 3 s ，爬坡度提高7 8 ，弥补了改进发动机后爬坡度稍微有所 下降的缺点；燃油经济方面略有改善，n e d c 和u d d s 循环工况油耗分别降低 0 3 0 、o 3 6l 1 0 0 k i n ；排放较原车的欧i i 标准，已经良好的达到了欧i h 标准。 本文有效结合发动机性能的改进和传动系统优化匹配技术，在燃油经济性 稍微得到改善的基础上，提高了现有车型的动力性和排放。使得该车型的性能 在总体上得到较大提升；借助c a e 建模与分析技术，使得对现有车型的优化进 程迅速、低成本化。 关键词：动力传动系统；参数优化匹配；动力性；燃油经济性；排放性 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rt a k e st r a n s m i s s i o ns y s t e mo fas u v 懿t h er e s e a r c ho b j e c t , a n dt h e n r e s e a r c h e so nt h e m a t c h i n g o ft h ev e h i c l e p e r f o r m a n c e a n dt h e p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o no f t h et r a n s m i s s i o n t h i st h e s i sf i r s t l yb u i l d st h es u vs i m u l a t i o nm o d e l so nt h eb a s i so fv e h i c l e p e r f o r m a n c es i m u l a t i o ng t - d r i v es o t t w a r ea n ds i m u l a t e si t sd y n a m i ca n df u e l e c o n o m y b yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s 埘mt h er e a lv e h i c l et e s tr e s u l t s ，i t v e r i f i e st h ep o s s e s sp r e c i s i o no ft h es i m u l a t i o nm o d e l t h ep r o b l e m sp r e s e n t e di nt h eo r i g i n a le n g i n ew e r ea n a l y z e da n di m p r o v e m e n t o ff u e li n j e c t i o ns y s t e m ，s u p e r c h a r g e r , m a t e r i a la n de g rs y s t e mw e r ep u tf o r w a r d u n i v e r s a lc h a r a c t e r i s t i co ft h ee n g i n ew e r ef o u n dt h r o u g hs t a n dt e s t b ya n a l y z i n gt h e i m p r o v e de n g i n ea n do r i g i n a lc a r st r a n s m i s s i o n ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e e c o n o m ya n de m i s s i o n sh a v ei m p r o v e d h o w e v e r , t h eg r a d ea b i l i t y i sn o ts o s a t i s f y i n g i no r d e rt of u r t h e rr e f i n et h ed y n a m i cp r o p e r t yo ft h ev e h i c l e ，f u e le c o n o m ya n d d i s c h a r g e ，t h i sp a p e ro p t i m i z e st h ep a r a m e t e ro ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e mb yt a k i n g d y n a m i c 鹊t a r g e t ，e c o n o m ya n de m i s s i o n sa sc o n s t r a i n t st oo p t i m i z et h ep a r a m e t e r s o ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e m t h ef i n a lo p t i m i z e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ed y n a m i ch a s b e e ne n h a n c e d ，t h em a x i m u mv e h i c l e s p e e d i n c r e a s e d1 0 5 k m h , 0 1 0 0 k m h a c c e l e r a t i o nt i m ed e c r e a s e d2 9s e c o n d s ，d i r e c t l yg e a r5 0 - 10 0 k m ha c c e l e r a t i o nt i m e r e d u c e d3 3 sa n dt h el a r g e s tg r a d ei n c r e a s e d7 8 ，w h i c ho f f s e t st h ed i s a d v a n t a g eo f t h ei m p r o v e de n g i n e a tt h es 铷：i l et i m e ，t h ee c o n o m ya n de m i s s i o n sh a v eb e e n i m p r o v e d , f u e lc o n s u m p t i o no fd r i v i n gc y c l eu d d s a n dn e d cd e c r e a s e d0 3 0a n d o 3 6 l lo o k m e m i s s i o nh a v er e a c h e de u r oi l ls t a n d a r dc o m p a r e dt h eo r i g i n a le a l - w s e u r o p ei i s t a n d a r d t h i sp a p e re f f e c t i v e l yc o m b i n e dt h ee n g i n ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ta n d t r a n s m i s s i o no p t i m i z a t i o nm a t c h i n gt e c h n o l o g y , b a s e do ne x i s t i n gm o d e l st oi m p r o v e p o w e ra n de m i s s i o n s ，a n da l s oi m p r o v e df u e le c o n o m ys l i g h t l y , s ot h ep e r f o r m a n c eo f t h ev e h i c l eg e tal a r g e ri n c r e a s ei nt h eo v e r a l l w i t ht h es u p p o r to fc a em o d e la n d a b s t r a c t a n a l y s i st e c h n o l o g y , i tm a k e st h eo p t i m i z a t i o np r o c e s so fe x i s t i n gv e h i c l e sq u i c k e r a n dc o s tl o w e r k e y w o r d s ：p o w e r t r a i n ；p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nm a t c h i n g ；d y n a m i c ；f u e le c o n o m y ； e m i s s i o n i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 汽车是1 9 世纪最伟大的发明之一，自1 8 8 6 年问世以来，汽车已逐渐成为 人们生活中不可缺少的一部分，对社会生活、人类经济的发展产生了极大的影 响，可以说已经渗透到人类生活的各个方面，从日常生活到工农业生产，从休 闲娱乐到军事活动，处处离不开汽车。在美国、日本等发达国家，汽车工业产 业早已成为这些国家的支柱产业【1 】。我国汽车工业自改革开放以来，也以前所未 有的速度迅猛发展，0 8 年汽车产量跃居世界第二，从而在我国国民经济中占据 了举足轻重的地位 2 1 。 人类在享受汽车带来的速度、便利、高效和舒适的同时，也承受着汽车带 来的一系列社会问题。比如汽车消耗了大量的石油资源；汽车尾气污染、噪声 污染和生产过程中的工业污染已成为环境污染的重要因素：道路交通事故成为 人类的头号杀手。因此，石油能源紧缺、地球环境污染和交通安全三大问题已 成为了今后汽车发展所面临的重大课题【3 】。从汽车发展史来看，直到2 0 世纪前 期为止是人类发明汽车基本结构的过程，而2 0 世纪后期直到现在，汽车的发展 历史主要是提高性能与人类社会环境要求以及多科学技术协调发展的过程。 为了解决能源紧张的问题，近年来世界各国着力开发研究汽车新能源及其 应用技术，如太阳能、电能、氯能、生物质能等；而且天然气、液化石油气、 醇类、二甲醚等代用燃料已经开始投入市场应用 4 j 。 为了有效解决汽车尾气排放对大气环境的污染问题，世界各国相应制定了 随不同年代越来越严格的节能和排放限制法规。节能减排的目的，就是减少国 家整个经济发展对能源的需求，以尽可能少的能源消耗来获得尽可能多的经济 效益。世界节能委员会的报告提出：节能减排的中心思想是采用技术上现实可 行，经济上合理和环境与社会上可以接受的方法，来有效地利用资源 5 1 。可见， 节能的目的，要求从开发到利用的全部过程中获得更高的能源利用率。 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。为达到降低油耗、减少尾气排放和提高运输生产率的目的， 目前形式来看，世界各主要汽车生产企业围绕汽车和发动机主要采取以下几种 第1 章绪论 主要措施0 1 ： 表i 1 节能降排措施 措施具体方案比较 l 、减少行驶阻力改进车身造型、改通过可靠性设计技术使整车质量 提高汽 善车身结构轮胎结构；轻量化，降低各种阻力，可以达 车行驶2 、底盘轻量化采用新型轻质材料： 到降低燃油消耗，但轻量化的潜 力被迅速增加的新部件所耗尽， 效率 3 、提高驱动效率减少轴承与齿轮的 还局限 安全性，舒适性及价格 摩擦损失。 方面的考虑。 提高发 l 、提高能源利用率可变气门定时、 核心是提高发动机热效率，我国 动机性 变排量技术及电控喷射、电子点火； 技术方面比较落后，在这方面的 能 2 、改进现有发动机利用涡轮增压提 节能潜力比较大，但增长幅度也 高附属装置效率。 受技术及价格上的限制。 1 、利用新一代发动胡- 电动车采用混 其他燃料替代石油，能缓解石油 开发利 台动力； 危机，但是在动力性、效率方面 用新型2 、利用代用燃料乙醇、甲醇等：不足以及开发新能源技术上所耗 动力得代价也大，目前使用混合动力 3 、利用新能源研制高效太阳能电池 等。 的占多数。 1 、发动机的选型汽油机与柴油机的 如果没有一个与发动机合理匹配 优化匹 选择：发动机使用特性的选择；发动 的传动系，也不能充分发挥低燃 配动力 机排量的选择； 耗发动机性能。不管前面的节能 传动系 2 、传动系型式及参数的选择变速器 途径做得多好，匹配，r = 作到位了 统 的型式、速比范围、挡位数、速比间 才能发挥其效果。技术上的日趋 隔；液力变矩器型式及尺寸；驱动桥 成熟，加上代价不高，越来越多 的类型及尺寸。 的企业开始重视。 由上面所述的四种措施分析可见，即使在付出一定代价之后，虽然汽车技 术随节能和排放控制法规要求的不断强化，得到空前的发展，并且发动机的技 术也得到进一步的完善，但如果不将发动机和底盘视为一个整体进行合理匹配， 它们其中任何一个总成的性能改进，完全有可能与其它总成匹配不当而造成整 体性能不能获得预期的改进。根据统计分析表明，目前国产装备有级变速器的 汽车，其发动机的使用工况多数是远离其最佳经济区域的，未能实现动力传动 系统的最佳匹配。为了充分发挥发动机的优越性能，以完善汽车综合性能，汽 车动力传动系的优化匹配已成为很关键的环节。 2 第i 章绪论 1 2 本课题的研究意义 根据汽车产业在国民经济中的重要地位，如何有效解决节能、排放及交通 环境等问题是汽车产业稳步可持续发展的关键。而汽车的动力性、经济性及排 放特性的优劣，在很大程度上取决于发动机的性能和动力传动装置的型式及参 数的选择，即汽车动力传动系统的合理匹配程度。 在我国的汽车产品研制过程中，由于专业分工过细，往往存在这样的情况： 发动机研制部门着霞于改善发动机的工作过程，降低机械损失，以减少燃油消 耗：底盘研制部门则着重于提高传动效率，降低运行阻力等。更重要的情况是， 发动机的生产厂商和底盘的生产厂商并不属于同一企业，因此在整车的匹配过 程中，未将发动机与底盘视为一个有联系的综合整体进行匹配。于是造成目前 大部分车用内燃机工作状态均偏离其最佳经济油耗区这一现象。虽然四冲程汽 油机最佳效率可达3 0 - - - 3 5 ( 柴油机已达到4 0 - 4 5 ) ，但是在发动机整个持 续工作时间内，内燃机的平均有效效率仅为1 1 1 8 。说明车用内燃机的性能 还有很大的优化提升空间。 因此，为了达到汽车节能和降低排放的目的，在不断完善发动机的性能的 同时，需要充分发挥发动机的性能，以达到整车综合性能最佳状态。所以，根 据汽车行驶条件进行发动机参数优化，匹配发动机和动力传动系，以提高汽车 运输效率、降低燃料消耗，具有较大的潜在的价值，是一个值得进一步研究的 课题。 计算机技术摆脱传统的简化计算和反复试验的方法，减少了试验次数，缩 短了开发周期，大幅度提高了汽车的设计水平，为今后的汽车开发提供了很好 的参考价值。同时随着计算机的广泛应用和现代计算方法的发展，计算机模拟 计算法为汽车动力性和燃料经济性的预测提供了有效而准确的工具。本课题正 是通过高级仿真软件g t - d r i v e 建立s u v 整车模型，在尽可能改善发动机性能 的后，优化匹配动力传动系统参数，充分发挥发动机的性能，以达到整车综合 性能最佳状态。 1 3 整车匹配技术国内外研究综述 1 3 1 国外研究现状 汽车电子控制技术以及计算机的硬件、软件技术的不断发展，为汽车动力 3 第1 章绪论 传动系统的开发研究。提供了很好的数值仿真模拟研究平台【1 卜1 3 l 。 国外发达国家，如美国。日本，欧洲等汽车大国，整车设计已经形成了以 整车需求、道路特点为先导，通过精确模拟和整车性能模拟预测的先进手段进 行整车匹配设计的模式1 1 4 1 6 1 。这种模式配合大量的道路试验数据，大大提升了 整车匹配设计的前期符合性，有效地缩短了产品推出周期。 1 9 7 2 年，美国通用汽车公司首先开发了汽车动力性与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 e p 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 化对性能的影响l 】。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。目前，国外各 大汽车公司在这方面做了大量的研究工作，并开发了各自的模拟程序，除美国 通用汽车公司的g p s i m 外，还有福特汽车公司开发的t o f e p ( t e s t i n go p e r a t i n g f u e le c o n o m yp r o g r a m ) 软件，美国康明斯公司开发的v m s ( v e h i c l em i s s i o n s i m u l a t i o n ) 软件，美国交通部开发的v e h s i m ( v e h i c l ed y n a m i c ss i m u l a t o r ) 软 件，日本日产汽车公司的c s v f e p 软件，德国奔弛汽车公司的t r a s c o 软件， a v l 公司的c r u i s e 软件，日本西迪亚特公司开发的g t - d r i v e 软件等，都是 针对汽车动力传动系统的匹配计算分析和整车性能评估而开发的。这些专门为 汽车动力传动系统匹配计算分析而设计的整车性能仿真软件，如g t - d r i v e 软 件，除了实现汽车动力性经济性的仿真计算分析外，还能计算整车的排放性能。 因此，这些软件的使用对在样车的动力性、经济性和排放性的预测和评估等方 面能起到很重要的作用，并可以很容易找到根据几种传动系速比的变化所引起 整车性能的变化，并且找到这种变化闻的关系，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，为新型车 的开发研究节省了大量的试验费用，可有效缩短设计周期。 7 0 年代中后期，欧美各国主要通过减小变速器和驱动桥的传动比来改善燃 油经济性，但却降低了动力性l l 引。8 0 年代初，为了满足用户提如的高效率、高 燃油经济性的要求，动力传动系统工程师通过减小汽车尺寸和发动机排量达到 此目的【1 9 1 。 自8 0 年代后期开始。随着电子技术的发展，微电子技术逐渐应用于这一领 域，主要体现在发动机最佳运行工况的选择、混合电动控制、电子控制、汽车 4 第1 章绪论 无级变速系统的设计以及机械变速器的自动控制等【2 0 - 2 3 。 1 3 2 国内研究现状 而我国关于汽车动力传动系统优化匹配方面的研究起步较晚，进入8 0 年代 后国内汽车行业和有关高校围绕以下几个方面开展了一系列工作：汽车动力 传动系统数学模型的研究【2 4 2 5 】；有级变速器、自动变速器及无级变速器的研 究【2 6 】；汽车动力传动系统参数的优化及控制【2 7 也8 】；仿真软件及程序的开发 和研究 1 1 - 1 2 , 2 9 1 ；汽车动力传动系统参数匹配设计评价指标【3 0 ：不同车型的实 际真实路况和给定循环工况的研究【3 i 】。并在这些方面初步取得了一定的成果。 目前，我国对整车的动力性、经济性以及排放特性的评价试验，主要是在整车 转鼓试验室中进行的，或是在进行整车道路试验后对这些特性进行最后整车评 定等。这样开发周期长、成本高，而且在产品设计阶段对整车及各种总成设计 方案的确定、结构参数的选择、传动系统参数与发动机性能的匹配等工作中， 有定的盲目性，使得产品性能不佳，进而造成人力、物力、财力上的浪费。 目前国内大的汽车企业都没有形成自己的通用计算程序和方法，基本上都 是购买美国g a m m at e c h n o l o g i e s 公司的g t - s u i t e 和奥地利a v l 公司的c r u i s e 模拟软件。2 0 0 6 年武汉理工大学开始购买美国g a m m at e c h n o l o g i e s 公司的 g t - s u i t e 中的g t - p o w e r 和g t - d r i v e 两个模块，将其应用于发动机的性能、 排放、噪声的计算以及控制功能的设计及发动机一传动系统的动力性与经济性 的仿真计算，包括对循环工况和驱动系统的分析，在合理匹配汽车动力传动系 统中取得了卓越的成绩，有效地提高了汽车运输效率，降低了燃油消耗。 我国现有相关的研究的现状为： ( 1 ) 汽车动力性、燃油经济性的模拟计算方法与优化理论已经普遍应用于汽 车动力传动系统匹配的研究2 _ 中 s 2 - 3 3 1 。 ( 2 ) 在汽车行驶工况的规范化，发动机和传动系特性的数学模型化方面，限 于条件，基本上还是利用稳态工况下发动机试验获得的数据近似地模拟非稳态 工况发动机的瞬态特性【3 4 。3 7 1 。 ( 3 ) 汽车动力传动系统的优化匹配主要是传动系参数优化。其方法普遍是以 汽车动力性能为约束条件，多工况燃油经济性为目标，没有考虑各种不同汽车 的行驶工况特点【3 8 。3 钒。 ( 4 ) 现有的汽车动力传动系合理匹配的评价指标一般为多工况燃油经济性， 5 第l 章绪论 或为汽车原地起步连续换挡加速时间【柏】。 ( 5 ) 汽车动力性和燃油经济性在一定条件下是相互矛盾的，所以，现有的汽 车传动系参数优化方法还不可能使两者都达到最优【4 1 删。 1 4 本文研究的内容及方案 1 4 1 研究内容 作为本课题的研究对象某款s u v 车型s p o n su t i l i t yv e h i c l e ，即“运动 型多功能车 。这款车型是参考国外现有的车型，引进发动机搭载配置自己研发 的底盘，因此在最初整车的匹配过程中，没能够将发动机与底盘视为一个有联 系的综合整体进行匹配。本文针对这款s u v 车，为了完善整车综合性能，对其 发动机和动力传动系统进行优化匹配的工作。基于g t - d 褂v e 进行动力性、燃 油经济性建模和仿真，分析问题后找出进一步改进和优化的途径，通过优化动 力传动装置发动机和变速器，在保证一定的经济和排放性的条件下，提高 s u v 车的动力性。论文主要工作为： l 、对整车匹配方法和指标进行深入的探讨，包括发动机的选型、传动系型 式及参数的选择；动力性、燃油经济性、排放性的评价指标的研究。 2 、基于g t - d r i v e 建立s u v 车整车模型，并进行动力学和运动学仿真， 验证和分析动力性和燃油经济性仿真结果；根据仿真结果，分析存在的问题， 获得进一步优化的途径。 3 、在原有发动机的基础上改进发动机，通过对s u v 车进行发动机台架试 验，获得到发动机的实际性能参数，并对参数进行优化；并将改进后的发动机 与原车的传动系做整车匹配分析，以检验改进的效果。 4 、迸一步优化传动系参数主减速比和变速器，在满足一定经济性和排 放性的条件下，提高s u v 车的动力性能。 1 4 2 研究方案 本文主要是针对s u v 车进行发动机和动力传动系统的优化匹配，借助 g t - d r i v e 软件结合整车匹配的方法来评价其匹配合理程度，并优化动力装置， 提高整车性能。本课题研究方案详细流程图如1 1 所示。 6 第1 章绪论 图i 1 课题研究方案流程圈 汽车行驶基本原理，是汽车动力性和燃油经济性的理论基础，也是汽车整 车匹配工作的重要理论基础。因此首先是在汽车理论基础上，选择合理的软件 模块来建立自己的s u v 整车模型并对模型进行校验。整个传动系链为发动机一 离合器一变速器一传动轴一主减速器一半轴车轮；然后是仿真计算，依据动 力性和经济性各项指标，针对计算结果进行整车性能的评价。其中动力性指标 有最高车速、最大爬坡度和加速时间，经济性指标有等速百公里油耗和循环工 况油耗及n o x 、h c 等排放指标。然后分析存在的问题，并找出进一步优化性能 的途径：改进发动机配置，比如改善喷射系统以改善燃烧、匹配更合理的增压 器等，以此来提高发动机性能；为了充分的发挥发动机的优越性能，优化动力 传动系参数，在满足特定经济和排放性的前提下，最大限度的提高s u v 车的动 力性能。 7 第2 章整车模型的建立与验证 第2 章整车模型的建立与验证 2 1 整车性能匹配的理论依据 2 1 1 汽车行驶基本原理 为了保证汽车的正常行驶，必须有一定的驱动力，以克服汽车所遇到的各 种行驶阻力【4 3 1 。 根据力平衡关系建立汽车行驶方程式f = f 。 装有有级式固定传动比变速器汽车的行驶方程式为： f = 0 + f w + 只+ c ( 2 1 ) 具体写为； 华= g f + 丛2 1 1 5 + g s i n a r + j m l1鲁 ( 2 - 2 ) ， 西 、7 式中：e 一驱动力，n ；乃一滚动阻力，n ；只一空气阻力，n ； e 一坡度阻力，n ；c 一加速阻力，n ；乙一发动机转矩，n m ； 一变速器传动比；乇一主减速器传动比；聊一传动系统机械效率； ，一车轮滚动半径；厂一滚动阻力系数；口一道路坡度角； c d 一空气阻力系数；“一迎风面积，m 2 ；一车速，k m h ； 万一旋转质量换算系数；咖出一车辆加速度，m s 2 。 功率平衡方程式为： = 去 盯c 。s 口+ 警+ g s t n 盯+ 锄警 蠡 g 固 式中：只一发动机的功率，k w 。 通过上述公式，可以计算汽车在附着性能良好的典型路面( 混凝土或沥青 路面) 上的行驶能力，即确定出汽车在节气门任何开度时可能达到的加速能力、 爬坡能力和最高车速。 8 第2 章整车模型的建立与验证 汽车行驶的基本条件为推动汽车前进的牵引力的大小和路况，包括驱动条 件和附着条件f 4 3 】。 ( 一) 驱动条件 汽车必须有加速能力，根据汽车行驶方程式可得， 砌罢= e 一( 弓+ f w + ) 0 ，a g e r ：+ f w + e ( 2 1 4 ) 此为汽车的驱动条件。 ( - - ) 附着条件 汽车行驶除满足驱动条件外，还要满足地面附着条件，汽车才能正常行驶。 由附着作用所决定阻碍车轮滑动的力的最大值称为附着力。附着力与车 轮承受垂直于地面的法向力g ( 或称为附着重力) 成正比： = g - 驴 ( 2 5 ) 由此可知，附着力是汽车所能发挥驱动力的极限，其表达式为： c ( 2 6 ) 此式称为汽车行驶的附着条件。 综合公式2 4 和2 6 ，汽车的行驶条件为：乃+ e + 巧s # 。即，驱动 力要大于或等于行驶阻力，同时要小于或等于最大附着力。 2 1 2 整车性能评价指标 整车匹配设计的首要任务是确定评价指标。因为在对整车的动力系统进行 匹配优化设计过程中，当发动机和传动系参数确定后，需要对整车的使用性能 进行评价，以判断传动系统与发动机匹配是否合理。评价指标也是优化动力系 统的依据，评价合理与否直接影响到优化决策。 汽车的动力性、燃油经济性和排放性是汽车整车性能评价中最重要、最基 本的组成部分l 。 2 1 2 1 动力性评价指标 汽车的动力性能，就是受发动机动力支配的行驶性能，它是汽车各大性能 中最基本、最重要的性能。汽车动力性能的好坏，是汽车工作效能的标志。汽 车的动力性能主要由满载状态下的最高车速、加速性能和爬坡能力三方面的指 9 第2 章整车模型的建立与验证 标来评定【4 3 1 。 ( a ) 、最高车速 最高车速“衄是指在水平良好的路面上汽车能达到的最高行驶速度。从理论 上讲一般系指加速度d v l s t = 0 时的车速，常用最高挡位下的驱动功率曲线和水 平路面上的行驶阻力曲线的交点来确定，仅仅反映汽车本身具有的极限能力， 并不反映汽车实际行驶中的平均速度。现代轿车的最高车速一般在1 4 0 - 2 5 0 k m h 之间，货车的最高车速一般在8 0 1 2 0 k m h 之间。 ( b ) 、加速性能 加速性能，能较全面地反应汽车动力特性的过程变化。一般常用原地起步 连加速时间与超车加速时间来表示。原地起步的加速时间是指用i 挡或i i 挡起 步，按最佳换挡规律逐次换至高挡，油门开度保持全开，加速至某一预定的距 离或车速所需要的时间。超车加速时间是指用最高挡或次高挡由某一较低车速 在油门全开情况下，加速至某一较高车速所需要的时间。加速性能好的车辆， 不仅能缩短起步和超车的时间，而且能提高平均技术速度。 ( c ) 、爬坡能力 汽车的爬坡能力，系指汽车在良好路面或干燥路面上，在不同挡位下的可 能爬坡度。显然，最大爬坡度k 是指i 挡时的最大爬坡度。汽车的爬坡度既是 动力性能的标志，也是通行能力的标志。不同挡位下所能爬坡的最大爬坡度， 体现着汽车对外界负荷变化的适应能力。 2 1 2 2 经济性评价指标 汽车的燃油经济性是指在保证动力性的条件下，在尽量少的燃油消耗量下 经济行驶的能力，常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃 油量能使汽车行驶的里程来衡量。目前，一般采用等速燃油经济性和多工况循 环行驶燃油经济性来评价汽车的燃油经济性。 ( a ) 、等速燃油经济性 汽车等速燃油经济性是常用的一种评价指标，它指汽车在一定载荷( 国标规 定轿车为半载、货车为满载) 下，以最高挡在水平良好路面上等速行驶1 0 0k m 的 燃油消耗量。 车辆等速燃油消耗量的计算方法：通过以下公式求出等速百公里耗油量， 单位l 1 0 0 k m ； 1 0 第2 章整车模型的建立与验证 q = 上1 0 2 垃v p g ( 2 7 ) 式中：吃燃油消耗率，g ( k w ) ；硝油密度，瞎上。 f b ) 、多工况循环行驶燃油经济性 多工况包括加速、减速、等速以及怠速等工况，分别计算出各段的油耗再 累加起来，并以这些试验循环的百公里油耗量来评定相应行驶工况的燃油经济 性。汽车多工况循环行驶，是在进行大量汽车实际行驶工况调研和统计的基础 上获得的，因而采用多工况循环行驶试验规范获得的汽车燃油经济性更接近实 际行驶状况。 对于由等速、等加速、等减速、怠速停车等行驶工况组成的循环，其整个 循环工况百公里油耗( l 1 0 0k m ) 为， g ：业 ( 2 8 ) 式中：q 一整个循环过程的总油耗量，包括等速、加速、减速和怠速。 2 1 2 3 汽车的排放 汽车的有害排放物主要包括噪声和尾气有害排放物，其中有害排放物包括 一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化合物( n o x ) 、粉尘微粒其他杂质 等【4 5 舶】，影响排放的主要因素有可燃混合气的空燃比，点火提前角，发动机的 负荷和转速以及发动机的内部结构等f 4 7 4 3 l 。 我国目前执行的汽车排放法规基本等效采用或借鉴了欧洲的相关法规，是 在全面等效采用欧洲e c e 技术内容和部分采用e c e 的基础上形成的，标准中采 用的评价指标是排放因子，即单辆车行驶每公里某种排放污染物的排放质量， 单位是g l 【m 。 分别于2 0 0 0 年和2 0 0 4 年开始执行的第一阶段和第二阶段轻型汽车污染排 放限值就是我们通常所称的欧i 和欧i i 标准。欧洲目前所应用的标准是从2 0 0 5 年开始实施的欧标准。我国目前采用的轻型汽车排放试验规范就是由欧洲的 e c e 1 5 和e u d c 两部分构成的n e d c 循环( g b l 8 3 5 2 3 与欧3 4 排放标准的一 型试验工况相同) 。表2 1 给出了欧洲i 至阶段轻型汽车的污染排放限值。 第2 章整车模型的建立与验证 表2 1 欧洲轻型车排放标准( g k m ) 基准质量( k g ) 标准名称时间 c oh c + n o xn o xp m e u r oi1 9 9 4 + 1 02 7 20 9 7o 1 4 e u r oi i1 9 9 8 o l1 0o 6 00 1 0 m 1 3 5 0 e u r o 2 0 0 0 0 1 0 6 4 o 5 6o 5 0o 0 5 e u r o 2 0 0 5 0 1 0 5 0 3 0o 2 5 0 0 2 5 e u r oi 1 9 9 4 1 05 1 7 1 4 0 o 1 9 e u r oi t1 9 9 8 0 l1 2 1 1 o 1 5 1 3 5 0 m 1 7 6 0 e u m 2 0 0 2 0 20 9 50 8 60 7 80 1 0 e u r oi v2 0 0 6 0 10 7 40 ，4 6o 3 90 0 6 2 2 整车模型的建立 在越野车性能仿真之前先要建立起整车动力传动系统的数学模型，而模拟 的准确性又取决于建立模型的精确度，担口取决于参数来源的准确性( 参数由项目 厂家直接提供) 和模块选择的合适度。 建模的主要过程为：根据所研究的对象分析选择合适的模块( g t - s u i t e 软件 具有车辆的各种模块) ，进行参数设置，将各个模块进行信号连接。 2 2 1g t - d r i v e 软件的介绍 g t - s u i t e 是一个集成化的c a e 软件包，主要应用予发动机、动力传动系 统、车辆性能等设计和分析工作，主要包括g t _ p o w e r 、g t - d r j v e 、g b f u e l 、 g t - c o o l 、g t - c r a n k 、g t - v t r a i n 等模块。其中g t _ d r j v e 软件是g t - s u i t e 系列软件的重要组成部分，是专门为汽车传动系统匹配分析而设计的整车性能 1 2 第2 章整车模型的建立与验证 软件，主要应用于发动机、变速箱以及车辆驱动系统的选型和匹配计算，循环 驾驶工况的整车循环燃油经济性和排放特性的仿真计算，车辆性能预测，驱动 系统部件的模拟以及发动机和动力系统的控制等。 g t - d r i v e 根据不同的仿真任务，同时也为了方便用户的使用，提高工作效 率，提供了4 种计算模式1 4 9 j ； ( 1 ) 静态计算模式。主要应用于发动机、变速箱以及车辆的选型和匹配计 算；各挡位下的牵引力、牵引功率、零坡度加速性、恒定速度下的最大爬坡能 力及燃油消耗率的计算等。 ( 2 ) 动力学计算模式。主要应用于加速踏板、离合器、挡位及换挡规律、 制动器的控制、驾驶员的模拟；各种负荷( 包括全负荷) 下的加速时间、最大 爬坡度、最高车速以及牵引性能的计算；燃油消耗率及排放特性的计算；零部 件的扭转振动、离合器结合过程分析等。 ( 3 ) 运动学计算模式。主要通过输入车速曲线或循环驾驶工况。计算相 应的发动机转速、转矩、燃油消耗率、百公里油耗或等速油耗等，并对发动机 稳态与瞬态工况进行分析，以实现预定的驾驶工况。 ( 4 ) 专家模式。该模式涵盖了静态分析、运动学分析和动力分析的部分； 专家模式封装了许多常见的问题，减少了用户前后处理的工作量；用户只要在 问题表格中描述相应的问题，g t - d r i v e 将自动完成该问题的设置，可以快速得 到计算结果，即为“问题回答”模式。 2 2 2 越野车主要技术参数 原车发动机主要技术参数如表2 2 所示： 表2 2 原发动机主要技术参数 序号 项目 2 4 t 柴油机 直列、水冷、四冲程、四气门、 l 型式 双顶置凸轮轴、增压中冷、共轨 2 气缸数缸径行程( m m x m m ) 4 。8 9 9 x 9 4 6 3 气缸工作容积( l ) 2 4 4 压缩比 1 7 5 最大功率( k w ) 辟睾速( r m i n ) 8 5 3 5 0 0 5 最大功率点排气背压( k p a ) 3 2 1 3 第2 章整车模型的建立与验证 序号项目 2 4 t 柴油机 6 最大扭矩( n m ) 车搴速( r r a i n ) 3 1 0 1 8 0 0 2 0 0 0 7 怠速转速( r r a i n ) 8 0 0 士2 5 8 最大空载转速r p m 4 5 0 0 士5 0 9 最低燃油消耗率( g k w h ) 2 1 5 1 0 低速扭矩 ( n m ) ( r r a i n ) 】 2 0 0 1 2 0 0 1 1 最大气缸压力( b a r ) 1 3 5 1 2 发火顺序 l 342 原车的整车参数如表2 3 所示： 表2 3 越野车原车底盘参数 车型名称 2 4 t 型柴油机s u v 越野车 外形尺寸长宽高( m m ) 4 7 4 0 x 1 8 9 5 x1 8 2 5 轴l 臣( m m ) 2 7 5 0 轮距( 前，后) ( r a m ) 1 5 7 0 1 1 5 7 0 整备质量( k 曲 1 8 5 5 总质量( k g ) 2 5 1 0 前后轴荷( k g ) 1 0 5 0 8 0 5 驱动形式前置后驱 迎风面积( m m 2 ) 2 7 3 8 8 92 4 7 51 5 3 6 l 0 8 0 7 各挡变速比 传动效率均为0 9 5 主减速比 3 8 1 8 道路阻力系数 0 0 1 5 轮胎半径( m ) 0 3 7 8 最高车速( k a n h ) 1 5 0 0 - 1 0 0k m 1 1 连续换挡加速时间( s ) 2 1 最大爬坡度( ) 4 5 n e d c 循环- t 况油耗( l 10 0k m ) 8 4 l 五批9 0k m h 等速油耗( l 1 0 0k m ) 7 1 6 2 2 3 整车模型的建立 根据s u v 整车动力传动系统路线，利用g t - d r i v e 提供的元件库建立动力 性和经济性模型，分别如图2 1 、2 2 所示。 1 4 第2 章整车模型的建立与验证 图2 1 动力性模型 动力性仿真模型是根据用户输入的发动机油门位置、离合器位置、制动器 动作、换挡规律等，求出车辆的动态反应，实际上就是由加速的动作控制车辆 的运动，与运动学计算模式不同，该模式采用正向计算模式，得到车辆的运行 情况，计算驾驶方法( 如油门、离合器的不同使用情况) 对车辆性能的影响等， 计算从静止到指定速度的加速时间、位移等，计算各负荷下包括全负荷下的最 大爬坡度、最高车速及牵引性能。该模型可以输出相应过程的发动机功率、油 耗等参数。 图2 2 经济性模型 经济性仿真模型，由用户输入车速曲线或循环驾驶工况及路面情况，计算 得到由路面传递给车辆的负荷，反向求勰得到发动机驱动系统的扭矩、转速及 燃油消耗率、百公里油耗或等速油耗等参数，以满足速度曲线或实现指定的驾 驶工况。如果车辆性能不能满足所要求的循环工况，( i t - d r i v e 将自动修正循环 工况曲线。 该s u v 车主要包含的模块有：驾驶室( v e h d r i v e r ) 模块、车身车身及传动系 1 5 第2 章整车模型的建立与验证 ( v e h i c l e b o d y v e h i c l e ) 模块、发动机( e n g i n e s t a t e ) 模块、离合器( c l u t c h c o n n ) 模块、 传动轴( d r i v e n s h a f i ) 模块、变速器( t r a n s m i s s i o n ) 模块、主减速器( g e a r c o n n ) 模块、轮胎连接( t i r e c o n n ) 模块、道路( r o a d ) 模块、制动( b r a k e ) 模块、环境 ( v e h i c l e a m b i e n t ) 模块。下面对越野车各模块进行详细建模。 2 2 3 1 驾驶室( v e h d r i v e r ) 模块 驾驶室模块的作用是用来实现驾驶员和车辆之间的联系，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( 如车速、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) 传递给其他部件。 驾驶室模块如图2 3 所示，可以通过驾驶员的运作或输入控制策略来控制发 动机油门位置、离合器踏板位置、变速器挡位和刹车踏板的位置，该模块包含 三种驾驶员模式：全手动模式手动变速箱，用户控制油门和刹车、离合器 和换挡；油门刹车模式自动变速箱，用户只控制油门和刹车；速度曲线模 式采用p i d 控制器实现用户定义的速度曲线。 t 口m i 曲l