（动力机械及工程专业论文）城市公交车动力传动系统优化匹配的研究.pdfVIP

硕：i ：学位论文 摘要 城市公交车是城市交通的重要组成部分，为了降低城市公交车燃油消耗，提 高其经济性，对发动机与城市公交车传动系的匹配问题做了深入的探讨，并对某 城市公交车动力传动系统参数进行了全新的优化匹配设计。根据公交车的运行特 点，如何保证某些动力性的前提下，最大化的降低公交循环工况的百公里油耗是 本文研究的重点。 本文首先阐述了动力性、经济性的评价指标，并将这些指标应用到后续的公 交车性能评估与比较中。对公交车动力传动系统进行了匹配设计，其中结合了发 动机万有特性图，并阐述发动机与行驶功率的匹配原理，仔细的分析比较并初选 出两款发动机，之后按照动力性为主要原则设计了传动系参数。 以计算机模拟为手段，建立了详细的仿真模型，对装配了初选的两款发动机 的公交车进行了动力性和经济性模拟计算，得到了详细的各评价指标，对结果进 行了分析，比较了两款发动机的优劣，优选出合适的发动机。 说明了传动系参数优化的重要性，阐述了发动机与传动系匹配的原理。将优 化设计应用到传动系参数匹配中，将d o e 试验技术、计算机仿真和遗传算法结合 起来，对传动系参数进行了优化，优化中以动力性为约束，以公交循环工况综合 油耗为目标。对优化前后的各项性能指标进行了比较，优化结果使得在保证动力 性的前提下( 其中部分动力性还得到了提高) ，降低了循环工况的综合油耗。最后 分析了发动机怠速状态对油耗的影响，优化得到最低油耗下的怠速转速。结果表 明，本文所阐述的优化匹配理论、采用的优化技术方法是有效的，可以应用到今 后的整车开发中去。 关键词：公交车；动力传动系统；优化匹配；燃料经济性；计算机模拟 a b s t r a c t c i t vb u si st h em o s ti m p o r t a n tp a f t0 fc i t y t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m i n0 f d e r t o r e d u c et h ef u e lc o n s u m p t i o n o fc i t yb u s ，t h em a t c h i n gp r o b l e mb e t w e e ne n g i n ea n dc l t y b u st r a n s m i s s i o nw a sd e e p l yd i s c u s s e d n e wo p t i m a ld e s i g n0 fp o w e r t r a i np a r a m e t e s o fc i t vb u sw a sc a r r i e do u t b a s e0 nt h ec y c l ec h a r a c t e r i s t i co fc i t yb u s ，h o w t or e d u c e t h ef u e lc o n s u m p t i o ni nd r i v i n gc y c l ew i t ht h ec o n s t r a i n to fp o w e rp e r f o 加a n c e l st n e k e yp o i n to ft h i ss t u d y e v a l u a t i o ni n d e x e s f o rb u s s p o w e rp e r f 0 咖a n c e a n df u e le c o n o m y w e r e n l u m i n a t e df i r s ta n dt h e yw e r eu s e di n t h ec 伽p a r i s o no f b u sp e r f 0 珊a n c e - p n m a r y p a r a m e 士e r sd e s i g no fp o w e t r a i n w a sc a r r i e do u t m a t c hp r i r i c i p l eb e 似e e ne n g l n ea n d n i n n i n gp o w e rw a sp u tf o r w a r d b a s e o nt h ee n g i n ef u e lc o n s u m p t l o nm a p 1 th a s c h 0 0 s e dt 1 od i s e le n g i n e sf r o mf o u re n g i n e sa n dm a t c h e d t h et r a n s m i s s l o nf o fe a c n t t l ed e t a i l e d b u sm o d e l i n gw a se s t a b l i s h e d b a s e o nt h ec o m p u t e rs l m u l a t l o na n d p o w e rp e r f 0 珊a n c ea n df u e le c o n o m yo fc i t yb u s m a t c h e dw i t he n g i n ea a n de n g l n eb w e r ec o m p u t e d nh a sa n a l y s e dt h e r e s u l t sa n dc o m p a r e dt h ep e 0 衄a n c e0 t 帆o e n g i n e s 1 t l eo p t i m a le n g i n e w a sc h o o s e da tl a s t t h ei m p o r t a n c eo fo p t i m i z a t i o nf o rt r a n s m i s s i o n p a r a m e t e r sw a sp o i n t e do u t m a t c hp r i n c i p l eb e t w e e ne n g i n ea n dt f a n s m i s s i o n w a sp u tf o r w a r d o p t l m l z a t l o n t h e o r y w a sa p p l i e d t ot h e p o w e r t r a i n m a t c h i n g d o e ( d e s i g n o f e x p e n m e n ) ， s i m u l a t i o na n dg a ( g e n e t i c 舢9 0 r i t h m ) w e r ec o m b i n e da n dt 啪s m i s s i o np a r a m e e r s w e r eo p t i m i z e df o rf u e le c o n o m yo fd r i v i n gc y c l e w i t hd y n a m i cc o n s t r a i n t a n a l y s l s a n dc o m p a r i s o no fb u sp e r f 0 咖a n c eb e t w e e np r e - o p t i m i z a t i o na n d a f t e 卜o p t l m l z a t l o n w e r ec a r r i e dt h r o u g h n er e s u l ts h o w st h a tf u e lc o n s u m p t i o no f b u sd r i v i n g c y c l ew a s r e d u c e da n dp a f to fp o w e rp e r f o r m a n c ew a si m p r o v e d a tl a s t ，t h e i n n u e n c eo le n g m e i d l es p e e do nf u e l 咖s u m p t i o no fd r i v i n gc y c l ew a s a n a l y s e da 们0 p t i m a le n 9 1 n ei d l e s p e e dw a sf o u n d t h es t u d yi n d i c a t e dt h a t t h eo p t i m a lm a t c h i n gt h e o r y a n dt h e o p t i m i z a t i o nm e t h o di nt h i sp a p e ra r ee f f e c t i v ea n dt h e yc a n b ea p p l i e d t od e v e l o p m e n t n fa u t n m o b i l e k e yw o r d s ：b u s ；p o w e r t r a i n ：o p t i m a lm a t c h i n g ；f u e le c o n 。m y ；s i m u l a t i o m 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 彦彩 1 日期：谚年r 月7 箩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期：伊矽年r 月7 珀 日期：坩歹月心日 忧漭蓼 第1 章绪论 1 1 论文研究的目的及意义 1 1 1 匹配的概念 任何产品由众多零部件组成，两个或两个以上的体系及运动形式之间，将它 们的结构和参数结合并产生良好的工作特性称匹配。故匹配的本质是优化问题。 总系统可分解成多个子系统，每个子系统都需匹配优化，而且各子系统之间必须 匹配和协调，才能获得好的总系统。 汽车动力传动系统中匹配主要包括与结构有关的匹配和与性能有关的匹配。 与结构有关的匹配主要是：动力传递路线的匹配；动力传动系与汽车总体布置的 匹配；结构紧凑性和拆装维护保养方便性的匹配等。与性能有关的匹配是本文研 究的重点，动力传动系包含多个子系统，它们有各自的特性，尽管性能优良的子 系统或部件，若缺乏精心匹配，很难组成性能优良的总体，甚至是很差的总体， 严重时以致不能正常工作。在汽车设计中，性能匹配主要指根据整车中各个部件 系统的特性，合理地选择发动机、变速器和其它部件的类型和参数，将其进行优 化组合，通过计算、仿真和实验等手段来估计和评价整车性能，使整车具有最优 的动力性、经济性、排放性能和制动性能的过程和方法。 直接对总系统匹配求解往往很困难，因总系统包含多个子系统，它还可分解 为多个分系统，对子或分系统建立模型就比较方便求解。分解方法或策略主要从 功能入手，层层分解直至分解到重要零件。因此，匹配问题的求解是由整体到局 部再到整体的过程。 1 1 2 公交车动力传动系统优化匹配的重要性 城市公共交通是与居民息息相关的，其中城市公交车又是城市公共交通的重 要组成部分。随着城市规模与人口的迅速膨胀，石油危机和价格的上涨，城市交 通的日益恶化，城市公交车的重要性日益凸现。城市公交市场大，前景好，据统 计，仅上海就有公交车近1 8 万辆，每年更新率为8 左右，所用发动机的功率覆 盖范围在7 3 2 0 6 k w i l l 。 在公交车运输成本中，燃料消耗成本占2 0 3 0 ，降低燃料成本已成为当 务之急。时下，环境污染和能源紧张已成为威胁人类生存的两大突出矛盾。国际 能源机构的统计数据表明：世界石油的5 7 被消耗于交通领域。全球汽车保有量 目前约为8 亿辆，同时还在以每年3 0 0 0 万辆的速度递增，预计到2 0 1 0 年，汽车 城市公交车动力传动系统优化匹配的研究 保有量将突破1 0 亿辆，其中中国和印度的市场增长潜力巨大【引。美国能源部预测， 2 0 2 0 年以后，全球石油需求与常规供给之间将出现净缺口，这个缺口将在2 0 5 0 年达到5 0 0 亿桶。为了解决能源危机，世界上各主要汽车厂商都在研究能够替代 石油的新能源汽车，如混合动力汽车、氢能源汽车、燃料电池汽车和纯电动汽车 等新技术。 近年来我国正在积极开发研究清洁燃料( 液化石油气l p g 、压缩天然气c n g 、 二甲醚d m e 等1 发动机，燃料电池汽车以及油电混合动力汽车，但是l p g 等清洁 燃料只占我国能源的2 3 ，而且这些清洁燃料目前还受到充气站建设等一系列问 题的困扰；另外混合动力及燃料电池汽车目前正在研发，混合动力汽车3 5 年内 无法在国内大规模使用，而燃料电池在1 5 年内都无法在国内应用，同时这两种汽 车都存在一个废旧电池的污染问题。因此装配常规发动机的公交车在目前及近1 5 年内都占据绝对的市场优势。 国内公交车发动机主要使用的还是柴油机，即使是混合动力公交车，其发动 机还是采用柴油机，少量使用天然气机和汽油机。无论使用何种燃料的发动机， 都应致力于降低其燃料消耗量。 城市公交车运行过程存在以下特点： ( 1 ) 车速慢，换挡变速频繁。公交车在城市或城郊运行，道路行人多，道口 红绿灯多，停站多，因此车速都比较低，平均车速只有2 0 4 5 l 【r n h 。发动机大部 分时间在中低速挡运行，同时换挡变速频繁使得发动机常处在变速变负荷状态下 运转，有时刚加大油门提速，车速刚上去又不得不紧急减速。 ( 2 ) 怠速时间长，起步频繁。公交车站距短，平均站距只有几百米，站点多， 穿越红绿灯多，因此停车起步频繁，累计怠速时间长。 ( 3 ) 负荷量变化大。高峰时处于满载或超载状态，平时大部分时间处于半载 状态，因此发动机负荷率变化较大。 种种情况使得城市公交车的运营经济性和排放性变差。而在公交车研制工作 中，由于专业分工过细，往往存在着这样的情况，即发动机研制部门着重于改善 发动机的工作过程，降低机械损失，以减少燃油消耗率；底盘研制部门则着重于 提高传动效率，降低运行阻力等。这些工作无疑是很重要的，但如果不将发动机 与传动系统作为一个有机整体进行合理匹配，任何一个部件的性能改进完全有可 能由于另一部件的匹配不当而造成整车性能未获得应有的改进。合理的匹配对改 善公交车的燃油经济性具有重要的意义。 发动机与传动系的匹配设计参数，对汽车动力性和经济性有决定性的影响。 为了提高整车设计质量，缩短研制周期，在总布置之前就应对整车和各总成的参 数进行优化选择、合理匹配，对整车和各总成的性能进行初步预测。当整车方案 和各总成的设计参数确定以后，还要根据各总成、部件设计所提供的具体参数对 2 硕：l 二学位论文 整车性能尽快地做出全面、准确的预测和评价，以便尽早发现问题并进行调整和 修改。 匹配中最重要的是优化设计，各参数之间经过匹配能否达到目标要求，如最 经济的限定工况燃油消耗、等速最低百公里油耗、最低比油耗、最大爬坡度、最 高车速等一系列经济性和动力性目标，这就要通过优化设计来达到。优化设计是 在电子计算机推广应用到工程设计以后发展起来的一项新的设计技术。常规的设 计方法，由于人力物力及时间的限制，只能提供几种设计方案以供选择。而优化 设计由于是以数学理论及方法为基础、以电子计算机为计算手段，采用迭代的计 算方法，因此，它可以极为迅速地从一切可能的设计方案中选出在给定工程条件 下的最佳方案，可以应用到汽车总成及零部件的参数选择、结构形状选择和性能 匹配等设计环节中。 1 2 国内外研究现状 传统设计方法是设计者根据经验参照同类车型选择各部件或者经过一些简单 的定性计算得到传动系各参数，对汽车性能进行简单估算，然后样车设计、制造， 对样车进行路试，测试其各项性能包括动力性和经济性。若达不到预定要求，再 改进、再设计、样车试制、道路试验。这样整个公交车开发周期很长、浪费大量 人力、物力、财力，而且还可能错失市场先机，浪费机会成本。其部件的选择方 面还可能带有部分盲目性，将较优的方案遗漏。 因此，为了提高设计质量缩短开发周期，在开发设计初期就需要根据有关设 计参数对公交车动力性、经济性指标进行预测。传统计算方法对部分动力性可以 做近似估算，而难以估算出燃料经济性，尤其是循环工况的油耗。计算机模拟计 算为公交车动力性、燃料经济性预测提供了有效的方法。 计算机模拟计算方法具有下述主要优点： ( 1 ) 在指定参数下，可以求解较复杂且精确的数学模型( 模型中包含大量的 非线性微分方程) ，对整车动力性和燃料经济性做较为精确的模拟计算，避免了道 路试验带来的耗时、耗财、耗力。同时还可以避免道路试验中驾驶员的操作波动、 气候、道路条件等外在和内在因素对整车性能测试的影响。 ( 2 ) 部分参数作微小变化时，计算机模拟则可计算出其对整车性能结果的影 响，做参数灵敏度分析，找出影响最大的因素，从而针对性的进行改进，直到满 足设计要求为止。 ( 3 ) 在产品开发设计阶段对整车参数进行分析和优化，找出按目标函数( 如 动力性约束的循环工况百公里油耗最低) 下最优的参数匹配。从而实现在较短的 时间内完成产品设计，满足开发进度的要求。这必将使产品设计成功率提高、大 幅度降低公交车的设计研制周期和开发费用，提高公交车整车性能，提高企业的 3 城市公交车动力传动系统优化匹配的研究 市场综合竞争力。 国外在发动机与传动系匹配方面研究较早，也比较成熟，大量采用计算机模 拟计算方法【3 ，4 ，5 1 。国外大公司相继开发出一系列匹配计算软件1 6 l 。早在1 9 7 2 年美 国通用汽车公司首先开发了汽车动力性和燃料经济性的通用预测程序g p s i m ，该 程序可以模拟汽车在任何工况下的瞬时油耗、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车辆性能的影响。 之后还有美国福特汽车公司的t o e f p 程序，康明斯公司的v m s 程序等。如今市 场上有较为成熟的商业模拟软件，如奥地利a v l 公司开发的c r u i s e ，用于研究行 驶特性、燃油消耗与废气排放的高级模拟软件，由于采用了模块化的方法，可以 自由的建立任何一种配置的汽车模型，并且精密完善的算法程序保证了较快的运 算速度。美国可再生能源实验室( n r e l ) 在m a t l a b 和s i m u l i n k 软件环境下开发 了电动汽车仿真软件a d v i s o r 。美国g a m m at e c h n o l o g y 公司开发了g t - d r i v e ， 其内含丰富的车辆系统模块，应用范围主要包括：整车动态性能( 如加速性的测 试) ，传动系统和发动机的性能匹配，循环工况模拟燃油经济性和排放性，发 动机和传动系统控制系统仿真，发动机变速箱车辆动力性能，驱动系统的部件设 计和配置，驱动系统的扭振、驾驶性能、拖车、刹车，h e v 混合动力的控制策略 仿真。g t - d r i v e 还集成了优化设计软件包。利用这些程序或软件，在样车制造 前就可对汽车动力性和燃料经济性进行预测，并可根据部分参数的变化对整车性 能的影响绘制目标函数的“c 曲线”，对参数进行优化。国外也有专门的优化软件和 这些模拟软件进行耦合，如意大利e s t e c o 公司开发的m o d e f r o n i t e r 多目标稳 健设计优化包，美国s g i 公司的i s i g h t 多学科设计优化集成平台等。 我国客车生产厂家在客车设计中的参数匹配还主要以经验参照选取和简单的 定性计算。一些乘用车生产厂家如奇瑞、上汽研究院分别将a 、厂l c r u i s e 和 g t - d r i v e 应用到整车开发中，取得了良好的效果。国内科研所和高校在发动机 与传动系匹配方面也有一定研究，如江苏大学、吉林大学、湖南大学、上海交通 大学等都发表了相关文章对发动机与传动系匹配的理论原则、优化方法等作了介 绍。其中江苏大学的何仁等在参数匹配及优化方面做了大量研究，采用了模糊优 化方法优化了传动系参数【7 ，8 ，9 1 。上海交大在整车性能模拟程序的开发、传动系参 数优化匹配的软件开发、城市客车工况的采集与整理等方面都做了大量的工作 【1 0 ，1 1 】。 1 3 本论文研究的主要内容 本课题来源于湘潭电机城市公交车研制之子项目动力传动系统优化匹配。 研究的主要内容集中在满足动力性设计指标的条件下，优选合理的发动机、充分 优化传动系参数，最大化的发挥发动机的性能，达到节能降耗的目的。本文主要 4 硕l 学位论文 内容包括： ( 1 ) 根据实际工程经验，提出主要匹配设计流程。 ( 2 ) 阐述公交车动力性经济性评价指标及其计算方法。 ( 3 ) 通过市场调研、数据采集，对动力传动系统进行初步的参数设计。 ( 4 ) 建立整车各部件的详细数学模型，详细讨论了部分模型的具体参数。 ( 5 ) 利用g t - d r i v e 对初选的发动机进行了整车性能模拟计算，优选出一款 发动机。并提出原设计参数需要改进的地方。 ( 6 ) 将d o e 试验设计、遗传算法综合应用到传动系统参数优化中，对传动 系参数进行优化，取得了较好的结果。 完整的匹配设计流程如下： 1 调研与发动机选型： 了解国内外最新动态，收集相关信息资料。计算发动机的基本参数，根据设 计要求对发动机进行初步选型。 2 数据采集与参数初选： 若是改型设计可以采集系统各个参数，对于全新开发也可参照相近车型的参 数对一些参数进行预估或计算。 ( 1 ) 对基本选型的发动机进行各种性能参数收集和摸底实验，如体积、重量、 排量、功率、转速范围、怠速转速、比油耗、外特性曲线、燃油m a p 图、排放 m a p 图、噪声等。进行动力性和经济性匹配时，外特性曲线和燃油脚图尤为 重要若厂家不能提供，可自行进行发动机台架试验获得。 ( 2 ) 整车基本参数的采集，如总质量、迎风面积、风阻系数、车轮滚动半径、 各旋转部件的转动惯量等。 ( 3 ) 其他参数的采集，如环境、道路等影响参数。 3 动力传动系统参数的基本匹配计算： 针对所选的发动机，按照满足设计要求，如动力性的要求进行动力传动系统 参数的计算。主要为初步确定与发动机匹配的变速器的型式及各挡传动比、主减 速器传动比。 4 数据分析和仿真计算： 对所采集的数据进行计算分析，对整车的动力性、经济性、排放性进行仿真 计算。通过仿真计算结果，结合发动机万有特性图，分析并优选较为理想的发动 机。 5 动力传动系统参数的优化匹配计算： 对初选的传动系参数进行优化匹配，找出满足目标要求的最佳参数，兼顾动 力性的同时，最大限度地降低油耗。确定最优方案。 6 实施最终方案： 5 城市公交车动力传动系统优化匹配的研究 图纸设计、加工、样车试制、调试等。 7 实验测试： 对样车整车性能测试分析、验证。 8 改进定型： 对样车参数进行采集，精确的得到各参数，进一步对设计参数进行优化匹配。 整车性能仿真计算，最终定型。 因为项目整体进展关系，本文主要工作集中在1 5 。 6 硕一l ：学位论文 第2 章公交车动力传动系统匹配基础 2 1 整车行驶平衡方程 公交车行驶过程中，受到的阻力包括滚动阻力、空气阻力、坡道阻力、加速 阻力。驱动力应等于各种行驶阻力之和，即公交车行驶过程中力学平衡方程为： e 一+ ，乙+ e + ( 2 1 ) 式中，r 一内燃机转矩在公交车驱动轮上产生的驱动力，e 生笙盟。其中， ，i d 分别为七挡和主减速器传动比；仇为传动系总传动效率；为车轮滚动半径， 滚动阻力，e 一盯c 0 s 口，其中厂为滚动阻力系数；小4 为整车总 质量，k g ；a 为道路坡度角。 己二空气阻力，e 一0 0 4 7 3 c d a 匕2 ，其中，c d 为空气阻力系数；a 公交 车迎风面积，m 2 ；昨为相对车速，k m h 。 e 坡道阻力，e 一他g s i n 口。 砰一加速阻力，汽车行驶中加速和减速都承受惯性阻力，惯性力包括两 部分，即由平移质量和回转质量的惯性力组成。6 詈，6 为旋转质量换算 成平移质量的换算系数，6 的计算公式为： + 磬+ 等 仁2 ， ，吃，r 式中，k 一车轮的转动惯量，k g m 2 牛一飞轮的转动惯量，k g m 2 在进行性能计算时，若不知道l 、厶准确的值。可用下述经验公式估算6 的值： 6 1 + 6 1 f 詈+ 6 2 ，6 l o 0 4 一o 0 6 ，6 2 o 0 3 一o 0 5 2 2 动力特性及其计算 公交车作为一种高效的运输工具，其运输效率的高低在很大程度上取决于汽 车的动力性。动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能。 2 2 1 动力因子 评价动力性一个重要指标为动力因子d 。由于用驱动力评价汽车动力性有一 7 城市公交车动力传动系统优化匹配的研究 定的局限性，必须把驱动力与车重结合起来考虑，才能科学的评定汽车的动力性。 此外，即使驱动力和车重都相近，还必须考虑它们在行驶中遇到的空气阻力有无 差异。所以表征动力性的指标应该是考虑驱动力的同时包含车重和空气阻力的综 合性参数。 。一学叭嚣 ( 2 3 ) g 。 2 d f 、7 式中，g 一汽车的总重量，n 妒道路阻力系数，当坡度角a 不大时妒a 厂+ f ， 由式2 3 可以看出，无论汽车的重量和风阻系数如何，只要有同样的动力因子 d ，就可以克服同样的坡度并且产生相同的加速度。 从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发，汽车的动力性还可由以下三个 指标来评定【1 2 1 。 2 2 2 最高车速 最高车速是指在水平良好的路面上汽车能达到的最高行驶速度。它仅仅反 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。城市公交车 的最高时速一般在8 0 一1 0 0 k m h 。 最高车速可以用作图法得到，汽车达到最高车速时l f ，一厂，加速度也为零 譬。o ，d - 厂，在d ，图上作直接挡与厂曲线的交点即为汽车的最高车速。最高车 速的数值计算方法如下： 设最高车速时发动机转速为，最大功率点转速刀p ，则确定汽车最高车速的 步骤如下： ( 1 ) 取汽车最大功率点对应的车速y 。为初选最高车速，并计算发动机最高转 速对应的车速屹一。 ，p 0 3 7 7 华 ( 2 4 ) l 】d ，。一。o 3 7 7 掣 ( 2 5 ) o ( 2 ) 计算此时汽车行驶阻力功率： 半一丢懿+ 篇) ( 2 j 6 ) 仇，7 ，、3 6 0 0 7 6 1 4 0 7、7 ( 3 ) 计算此时发动机发出的有效功率r ： 他一赢 ( 2 7 ) 他。面耘 ( 乙7 ) 8 硕：七学位论文 一等 ( 2 8 ) ( 4 ) 计算有效功率与阻力功率墨互的差值只： j q l 只。一世( 2 9 ) j q l 判断只的绝对值是否小于预先给定的值占( 可先设定) 。按下面情况计算： 若1 只l 且只 o ，则说明 ，邮 1 ，令 ，一y + y 转( 2 ) 。若y 之 ，则v 一一眦。 结束计算。 若1 只i e 且只 o ，则说明，一 l ，令 ，- y 一y 转( 2 ) 。 若1 只l ， ，叫y ，结束计算。 2 2 3 加速性能 汽车的加速能力常用原地起步连续换挡加速时间与最高挡或次高挡加速时问 来表示。原地起步连续换挡的加速时间是指用i 挡或i i 挡起步，以最大加速度按 最佳换挡时间逐步换至最高挡，加速至某一预定的距离或车速所需要的时间。该 项指标反映了汽车在各种车速下的平均动力性。 最高挡或次高挡加速时间是指用最高挡或次高挡由某一较低车速全力加速至 某一高速所需用的时间。因为超车时汽车与被超汽车并行，容易发生安全事故， 所以最高挡或次高挡加速能力强，行驶就更安全。对最高挡加速时间的测定还没 有统一的规定，一般以最高挡或次高挡以3 0 k i 蚰或4 0 k i n h 的速度全力加速到一 较高速度所用的时间。 v r妇 车速y 图2 1 各挡加速度倒数与车速关系曲线 关于加速时间的计算一般包括包括实验法，数值积分法。 试验法是通过道路试验测得的汽车加速时间，比较直观、迅速，但是也有很 9 城市公交车动力传动系统优化匹配的研究 大的弊病，如受到道路条件、天气的变化、驾驶员换挡的时机、操作的误差、设 备精确度等影响。此种方法一般用作样车试制出来后性能的测试。 数值积分法求解利用计算机编程，分析绘制1 口一 ，图( 图2 1 ) ，计算加速时 间，数形结合，一目了然的计算各种加速性能。 设汽车由初速度 ，j 到末速度屹，其加速时间计算过程如下： ( 1 ) 挡位为七时，对应车速耽计算发动机转速 一一揣 ( 2 1 0 ) 一。菇麓 ( 乙1 0 ) ( 2 ) 由发动机外特性插值得到对应转速以l 的最大输出转矩“疗f ) ( 3 ) 计算汽车的驱动力 e 。蛐( 2 1 1 ) ( 4 ) 计算汽车空气阻力和滚动阻力 e + 弓- 纂+ 饥g ( 2 1 2 ) ( 5 ) 计算汽车瞬时加速度 吒掣 ( 2 - 1 3 )吒。：。【z - 工j ) u l h 4 ( 6 ) 计算汽车由初速度v j 到末速度也的加速时间 吩= r 如- a ( 2 1 4 ) t 吒一吩2 上i 如。a ( 2 1 4 ) a 七为七挡位下j 肠曲线与z 轴所围成的面积，即为初速度到末速度屹的加 速时间，如图2 1 。 以上是未考虑加速过程中的换挡问题，原地起步连续换挡的加速时间的计算应 考虑驾驶员换挡经历的时间和换挡时机问题。结合j 肠一 ，曲线图2 1 ，为获得最大 的加速度而求得最短的加速时间，最佳换挡规律的车速可由如下方法确定： ( 1 ) 若相邻两挡j 口v 曲线有交点，则交点的对应车速为换挡车速。 ( 2 ) 若相邻两挡j 4 ，曲线无交点，则在低挡运转到发动机最高转速，l 眦时所 对应的车速应为换入高挡的换挡车速。 由此，原地起步连续换挡的加速时间为 f = 刀螂址+ f 吨1 + 。一a ( 2 1 5 ) 式中，刀蝴加速过程中驾驶员的换挡次数。 缸每次换挡所历经的时间。 文献【1 3 】介绍了一种新的方法，其实质上是一种解析方法，其与以往数值方法 1 0 硕上学位论文 比较可以达到一般工程计算的要求，但其涉及的中间变量过多不适合采用计算机 计算。 2 2 4 爬坡能力 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f 一来表示的。显： 然，最大爬坡度是指i 挡时的最大爬坡度。有些国家用汽车在一定坡道上能达到 的车速来表明其爬坡能力。该项指标所反映的是汽车低速时的动力性。城市公交 车进出站频繁，要求起步快，因此对低速动力性要求较高。 最大爬坡度可以用动力因子来计算： 设i 挡时最大动力因子为d 一，其全部用来爬坡和克服滚动阻力，则 d 一，c o s a 一+ s i n 口一 ( 2 1 6 ) 整理得最大爬坡角度 口一岫堕掣等丛 ( 2 1 7 ) 则最大爬坡度 f 恤- t 趾口一 ( 2 1 8 ) 现有的汽车动力性的评价指标只是反映了汽车本身具有的极限能力，在一定 程度上反映了汽车动力性的好坏，但由于未与复杂的实际使用工况统一考虑，因 而往往与汽车实际使用效果相差很大。例如国内目前的城市公共汽车，尽管其最 高车速设计在7 0 9 0 k m h 左右，而实际汽车运营时的平均车速只有2 0 。4 5 k m h 。 2 3 经济性及其计算 在保证动力性的条件下，汽车以尽量小的燃油消耗率经济行驶的能力称为汽 车的燃油经济性。 汽车的燃油经济性与发动机的燃油消耗特性、汽车结构参数和汽车行驶条件 等密切相关。其中发动机的经济性直接影响汽车的燃油经济性。其他汽车结构参 数对汽车经济性也有着非常重要的影响，如风阻系数、滚动阻力系数、变速箱和 主减速器的速比等。 汽车的燃油经济性通常用一定工况下汽车行驶一百公里的燃油消耗量或一定 燃油量能行驶的里程来衡量。在我国及欧洲，燃油经济性指标的单位为l 1 0 0 k m ， 即行驶1 0 0 k m 所消耗的燃油量，其数值越大燃油经济性越差。美国为m p g 或 m i l e 儋a l ，指的是每加仑燃油能行驶的英里数，其数值越大燃油经济性越好。目前， 一般采用等速燃油经济性和多工况燃油经济性来评价汽车的燃油经济性。 城市公交车动力传动系统优化匹配的研究 2 3 1 等速燃油经济性 等速行驶百公里燃油消耗量是常用的一种评价指标，指汽车在一定载荷下， 以最高挡在水平良好路面上等速行驶1 0 0 k m 的燃油消耗量。测出每隔1 0 k m h 或 2 0 k m h 速度间隔的等速百公里燃油消耗量，绘制成曲线，称为等速百公里燃油消 耗量曲线，用它来综合评价汽车的燃油经济性。 等速百公里油耗计算过程如下： ( 1 ) 计算汽车等速行驶时发动机的有效功率 - 去篇+ 锰) ( 2 1 9 ) 计算y 速度下发动机转速 刀型l ( 2 2 0 ) 0 3 7 7 r 。 ( 2 ) 计算发动机转矩瓦 竺婴墅竖盟( 2 2 1 ) i 一- 一 i 三_ 刀 b ( 3 ) 由z 和刀在发动机燃油m a p 图插值得到对应的燃油消耗率6 ( 4 ) 汽车瞬时耗油量为 g ，- 志( k 纠 ( 2 2 2 ) u - 一 i k 譬，s ，i 二二二j 1 0 0 0 3 6 0 0 、97、7 式中，江燃油消耗率，( k w h ) ( 5 ) 百公里油耗g l 为 一半一蠹 亿2 3 ， 式中，p 燃油密度，k g l 2 3 2 多工况燃油经济性 等速行驶工况并没有全面反映汽车的实际运行情况，特别是在市区行驶中频 繁出现的加速、减速、怠速停车等行驶工况。因此，在对实际行驶车辆进行跟踪 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 运行工况，并以其百公里燃油消耗量来评价相应行驶工况的燃油经济性。这种多 工况法包括怠速、加速、减速、等速和换挡等行驶模式在内，该方法综合考虑了 汽车行驶的典型路面和特殊环境，最大程度上避免了采用单一工况进行试验所带 来的评价误差。尽管如此，目前等速燃油经济性仍是汽车经济性的评价指标之一， 人们常将它和多工况燃油经济性结合起来考察汽车的经济性能。 美国环境保护局( e p a ) 规定，要测量城市循环工况( u d d s ) 及公路循环工况 1 2 硕上学位论文 ( h w f e t ) 的燃油经济性( 单位为每加仑燃油汽车行驶英里数m i l e g a l ) ，并按下式计 算燃油经济性( 单位为m i l e g a l ) 。 综合燃油经济性一 1 0 5 50 4 5 面丽葫五丽甄藤丽至+ 面葡葫i 丽两蘸爵硅 以它作为燃油经济性的综合评价指标。我国也制定了货车与客车的路上行驶 循环工况。对总质量在3 5 0 0 1 4 0 0 0 k g 的载货汽车按六工况进行试验，对城市客 车按四工况进行试验，对轿车按十五工况进行试验。 1 矿。 柚 二二二二二二二二二二二二二二二：乏i 广 笛一o ；雒事触 弋。 i ?1 i o 1 7 5 ii 伯u n 啪 翻m l l j ， 瞳5 x u 1 1 1 7 0 i t 7 2 t ) i i i l7 y l 量3 图2 2 四工况循环图 四工况循环分别在国家标准g b l 3 3 4 7 7 以及g b 厂r 1 2 5 4 5 1 9 9 0 汽车燃料消耗 量试验方法中予以颁布。2 0 0 1 年颁布的国家标准g b t1 2 5 4 5 2 2 0 0 1 商用车辆 燃料消耗量试验方法将1 9 9 0 年颁布的四工况循环予以少量修改，修改将四工况 循环中的单车最高车速由3 5 k m h 提高到4 0 k m h 。如图2 2 。 该工况循环分为四个阶段，即加速、等速、加速、减速，其中减速阶段包括 滑行与制动过程，以滑行为主。四工况循环制定于上世纪7 0 年代后期，是根据当 时我国城市客车的运行特点，在北京、天津、西安大城市通过对大量的城市客车 进行工况实测，并在统计分析的基础上得出城市客车四工况循环标准。随着我国 道路交通的发展，四工况也不能准确地反应我国城市客车的行驶工况，尤其是城 市公交车的行驶工况。四工况模型过于简单，并且无怠速工况，这与城市公交车 的运行工况不吻合。而我国尚未制定城市公交车的运行工况标准。近年来众多学 者对北京、上海、武汉、广州等大城市的公交车运行工况进行了研究与测定1 1 4 ，1 5 以7 1 。 国外有专门针对城市公交车的运行工况，如美国的c y c b u s r t e 工况、 c y c m a n h a t t a n 工况、c y c n e w l r o r k b u s 工况，德国的c y c n u r e m b e r g r 3 6 工况， 英国的c y c u k b u s m a s s v a r 工况等。 城市公交下动力传动系统优化匹配的研究 循环工况中各工况的油耗计算如下： 1 等速工况内耗油量 i ：) c ，越。一g ，f 眺( k g )( 2 2 4 ) 式中，f 础汽车匀速行驶的时间，s 2 加速工况内的耗油量 1 2 q 施= r g 。m ( k g ) ( 2 2 5 ) 葺 式中，f j ，f r 分别为加速过程开始和结束时间，s 。 3 怠速工况内的耗油量 ( k g 协f 池( k g )( 2 2 6 ) 式中，瓯怠速状态耗油率，k s i 珧怠速时间，s 4 减速工况内的耗油量 在减速工况下，驾驶员松开油门滑行或轻微制动，发动机处于怠速状态，所 以减速工况内的油耗应按怠速油耗率计算。 q 捌- g 协f 捌( 2 2 7 ) 式中，f 删减速时间，s 其中，等速和加速工况内的瞬时耗油量g f 参照等速百公里油耗内g f 的计算方 法。由以上各工况内的耗油量可得到循环工况内的百公里油耗 。1 0 0 坠d 刍掣丛 ( 2 2 8 ) ) p 式中，江循环工况内汽车行驶的总路程，k m 2 4 综合性评价指标 在进行匹配评价和传动系参数优化时，一般应同时考虑公交车的动力性与燃 油经济性，而通常情况下，公交车的这两种性能又是相互制约的，即动力性好的 公交车而经济性不是很好，反之经济性好的动力性又不一定好。为此可以采取综 合评价指标，即把动力性与经济性两个指标加权求和，以此评价动力与传动系统 匹配的状况。 ( 1 ) 指标的形式：原地起步连续换挡加速时间和多工况燃油消耗量两者的加权 综合。 ( 2 ) 加权系数的选择：通常各占5 0 ，也可根据设计的具体情况和对公交车性 能的具体要求进行确定；还可由实践经验进行确定。 1 4 硕上学位论文 2 5 本章小结 本章首先就公交车动力性匹配中的基本方程汽车行驶阻力平衡方程进行 了分析。指出了动力性、经济性的评价指标，并对其计算公式进行了详细推导， 最后提出了综合性评价指标。 城市公交车动力传动系统优化匹配的研究 第3 章动力传动系统参数匹配设计 3 1 发动机的选择 发动机是汽车的动力源，发动机选择的好坏直接关系到整车的动力性、经济 性、和排放性。发动机的选择也是匹配问题中最关键的问题之一。针对城市公交 车的运行特点，选型中对发动机的要求主要有以下几个方面： 1 动力性要求 动力性首先要求满足一定的功率需求，如要满足公交车行驶中对最高功率的 需求；随着转速的升高，功率线上升的同时，转矩曲线下降少j 以免高速行驶时 遇到较小的坡道就要减速而限制车辆的高速行驶性能；由于城市公交车在上下班 高峰时期经常处于超载运行，同时要满足车辆的起步迅速，要求发动机的低速转 矩大，同时怠速转速低，使车辆能够在重载时减轻起步对发动机和汽车传动系的 冲击，提高动力传动系的可靠性【1 引。 2 经济性要求 经济性要求发动机具有较低的比油耗，同时低比油耗区范围应该尽可能的大 具有较宽的转速和转矩范围，这样就可以在较为复杂的行驶工况下具有较好 的经济性。发动机选择时，要使发动机与常用行驶工况合理匹配，由于发动机发 出的功率是经过传动系传至驱动轮来克服道路阻力功率推动公交车前进的，所以 必须采用与变速器无关的汽车行驶阻力功率来合理选择发动机。发动机发出的有 效功率 与行驶阻力功率p ，存在如下关系： 曼( 3 1 ) 碾 可以将公交车常用行驶工况的阻力功率p ，加以统计，就可得出公交车行驶阻 力功率范围为p ，j o k ，车速在一耽之间。根据式3 1 也就能确定发动机常用工作 的功率范围，如果所选择发动机的经济区在该功率范围，可以认为所选发动机与 公交车常用工况具有合理的匹配关系，如图3 1 。 跟据城市公交车的运行特点，要求其低油耗区覆盖到低转速，小转矩范围内， 尽量使发动的万有特性低油耗区与整车常用工况耦合。 3 排放性要求 随着环境问题的日益严峻，排放已成为发动机不可忽视的一个重要因素。本 项目对发动机排放标准要求为欧。 另外，发动机的选型还应兼顾发动机在底盘上的安装布置，要求发动机尺寸 1 6 硕上学位论文 尽可能的小，重量尽可能的轻。 发动机转速h a ) 匹配合理b ) 匹配不合理 图3 1 发动机与