（车辆工程专业论文）公交客车动力传动系统优化匹配.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o 保密2 年 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fe n g i n e e r i n gm a s t e r t h e m a t c h i n go p t i m i z a t i o no fp u b l i cb u s p o w e r t r a in s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo fa u t o m o b i l e m a i o r ：v e h i c l ee n g i n e e r i n g 一 一一 c a n d i d a t e ： j i a n gl i u s u p e r v i s o r ：p r o f d r j i m i nn i v i c es u p e r v i s o r ：p r o f d r l i x i np e n g m a r c h ，2 0 0 7 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：立3 疆 如7 年弓月夕e l 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，均己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。 学位论文作者签名： 易、 疆 叩年弓月夕日 摘要 摘要 随着地球石油存储量的不断减少和对环境污染要求的日趋严格，节能、环 保是新一代城市公交客车的重要特征。只有通过整车动力传动系的优化匹配才 能实现公交客车的最佳运行性能。 本课题建立了公交客车动力传动系统优化匹配的总体思路，具有一定的先 进性和实用性。 应用a v l - c r u i s e 商用软件建立了公交客车的仿真模型。对模型中重要模块： 发动机进行性能试验，发动机所带附件逐一进行耗功试验，整车进行动力性和 经济性能试验。对仿真模型中未知参数的确定：转动惯量、传动效率也分别进 行分析研究。将试验与模拟计算结果进行了比较分析，分析结果表明模型具有 较高的精度。 阐述了车用运转循环工况对公交客车动力传动系统匹配的重要性，对国内 公交客车所适用运转循环工况进行了仔细分析对比。对实际运营公交线路进行 了道路谱的采集与分析，把实测道路谱作为匹配计算用运转循环工况的输入来 评价整车的经济性能。 建立了公交客车基于动力性、经济性和排放性能的综合指标评价体系该 体系的核心思想是综合地、充分地考虑各类性能指标地影响作用，根据整车不 同的用途，有侧重地考虑。 本课题在正确的公交客车仿真模型的基础上，对1 种公交车型采用5 种发动 机( 柴油机) 、9 种变速箱和6 种主减速比共2 7 0 种组合方案进行优化匹配模拟 计算。通过公交客车的综合评价体系对整车性能进行评价，最佳匹配方案 d k 2 5 01 2 2 与原始车型d k 2 6 0 相比综合性能提高了1 2 。 关键词：公交客车，动力总成优化匹配，柴油机，循环工况，综合评价体系 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h es t o r a g eo ft h ee a r t h so i la r ec e a s e l e s s l yd e c r e a s i n g a n di no r d e r t or e a c ht h er e q u i r e m e n to fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，t h ee m i s s i o nr e g u l a t i o nb e c o m e s m o r ea n dm o r es t r i c t e c o n o m i z i n ge n e r g ya n dp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n ta r et h em o s t i m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c so fn e wc i t yp u b l i cb u s n oo t h e rt h a nu s i n gt h em e t h o do f t h em a t c h i n go p t i m i z a t i o no fa u t o m o b i l ep o w e r t r a i n ，t h ep u b l i cb u sc a na c h i e v e dt h e b e s to p e r a t i o np e r f o r m a n c e t h i s p a p e r c o n s t i t u t e st h em e t h o do fm a t c h i n go p t i m i z a t i o n p u b l i c b u s p o w e r t r a i n ，t h em e t h o dh a sd e f i n i t ea d v a n c i n g a n dp r a c t i c a l i t y t h i sp a p e re s t a b l i s h e dt h es i m u l a t e dm o d e lo fp u b l i cb u sw i t ht h ec o m m e r c i a l s o f t w a r eo fa v l - c r u i s e t h ei m p o r t a n tm o d u l eo ft h ee n g i n ea n dt h ev e h i c l ew a s t e s t e d t h et e s ti n c l u d e de n g i n ee c o n o m i ca n dd y n a m i c a lp e r f o r m a n c e , a c c e s s o r i e s a n dv e h i c l ep e r f o r m a n c e t h eu n k n o w np a r a m e t e r so ft h em o m e n to fi n e r t i aa n dt h e e f f i c i e n c yo ft r a n s m i s s i o nw e r er e s e a r c h e da n da n a l y z e d t h er e s u l t so ft e s ta n d s i m u l a t i o nw e r ec a r e f u l l yc o m p a r e d ，t h ec o n c l u s i o no fa n a l y s i si n d i c a t e dt h e s i m u l a t e dm o d e lh a sh i g hp r e c i s i o n t h i sp a p e re x p o u n d e dt h ei m p o r t a n c eo fd r i v i n gc y c l et ot h em a t c h i n g o p t i m i z a t i o n o fp u b l i cb u sp o w e r t r a i na n da n a l y z e dt h ed r i v i n gc y c l et h a ti s a p p l i c a b l et ot h ep u b l i cb u so fc h i n a t h er e a lp u b l i cb u s r o u t e sw e r et e s t e dw i t ht h e m e t h o do fv e l o c i t yc h a r t , t h e ni n p u tr e a lv e l o c i t yc h a r ti n s t e a do fd r i v i n gc y c l et o a v l - c r u i s e ，f i n a l l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t se v a l u a t e dt h ep e r f o r m a n c eo ff u e l c o n s u m p t i o no fp u b l i cb u s t h i sp a p e ra l s oe s t a b l i s h e dt h ee v a l u a t i n gs y s t e mo fp u b l i cb u ss y n t h e s i z e d p e r f o r m a n c eb a s e do nt h ev e h i c l ep e r f o r m a n c eo fe c o n o m y ，d y n a m i c sa n de x h a u s t p o l l u t a n t s t h i se v a l u a t i n gs y s t e ms y n t h e t i c a l l ya n da d e q u a t e l yt o o ki n t oa c c o u n tt h e i n f l u e n c eo fa l lk i n d so ff a c t o r so fp e r f o r m a n c ea n dl e a n e dt oc o n s i d e ra c c o r d i n gt o t h ep u r p o s eo fv e h i c l e b a s e do nt h er i g h ts i m u l a t e dm o d e lo fv e h i c l e ，t h i sp u b l i cb u sw a ss i m u l a t e d n a b s t r a c t c a l c u l a t e db y2 7 0c o m b i n a t o r i a lp r o j e c t s ( 5d i e s e le n g i n e s ，9t r a n s m i s s i o n s ，6f i n a l r a t i o s ) a c c o r d i n gt oe v a l u a t i o no fs y n t h e s i z e dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i n gs y s t e m ，t h e b e s tm a t c h i n gp r o j e c td k 2 5 0 1 2 - 2c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lp r o j e c td k 2 6 0 _ 9 5 ， t h i sp u b l i cb u ss y n t h e s i z e dp e r f o r m a n c ei m p r o v e d1 2 k e yw o r d s ：p u b l i cb u s ，m a t c h i n go p t i m i z a t i o no fp o w e r t r a i n ，d i e s e le n g i n e , d r i v i n gc y c l e ，s y n t h e s i z e de v a l u a t i n gs y s t e m i i i 目录 目录 第1 章绪论。1 1 1 引言1 1 2 国内城市公交客车发展现状。2 1 3 国外城市公交客车发展现状2 1 4 国内外公交客车动力传动系统匹配设计研究的现状。3 1 5 国外汽车动力模拟仿真技术及汽车行驶性能评价研究概况4 1 6 主要完成的工作及研究内容。6 第2 章公交客车动力传动系统匹配总体思路8 2 1 公交客车行驶性能的各项评价指标8 2 1 1 动力性评价指标。8 2 1 2 经济性评价指标9 2 1 3 捧气污染物排放限值9 2 2 公交客车动力传动系统匹配的总体思路。1 0 2 2 1 产品原型机的建模标定。1 0 2 2 2 目标市场的调研。1 2 2 2 3 整车实际运营的仿真。1 3 2 3 本章小结1 3 第3 章公交客车的整车建模和验证1 5 3 1 公交客车模型的建立1 5 3 2 计算任务的选择1 5 3 3 模型中重要模块输入参数的试验1 6 3 3 1 发动机性能试验。1 6 3 3 2 公交客车性能试验，2 6 i v 目录 3 4 模型的验证2 8 3 4 1 模型中未知参数的确定2 8 3 4 2 模型的验证3 0 3 5 本章小结。3 1 第4 章公交客车道路谱的采集与分析3 3 4 1 运转循环工况介绍3 3 4 1 1 国外运转循环工况简介3 3 4 1 2 国内运转循环工况简介。3 6 4 2 运转循环工况的分析对比j 3 6 4 2 1 城市客车四工况运转循环分析3 7 4 2 2 城际客车六工况运转循环分析3 8 4 2 3g b t1 9 7 5 4 - 2 0 0 5 中国典型城市公交循环数据分析3 9 4 2 4j a p a n l 0 1 5 日本城市车辆运转循环工况分析3 9 4 2 5 上海市典型车辆运转循环工况a 分析4 0 4 2 6 上海市典型车辆运转循环工况b 分析4 1 4 2 7 各运转循环工况的综合分析对比 。4 2 4 3 实测道路谱的分析研究。4 3 4 3 1 道路谱的采集4 3 4 3 2 道路谱的分析4 4 4 4 本章小结5 2 第5 章公交客车动力传动系统优化匹配5 3 5 1 公交客车动力传动系统优化方案5 3 5 2 公交客车的换档规律5 4 5 3 公交客车综合评价体系5 5 5 3 1 公交客车动力传动系统匹配综合指标评价体系的建立5 5 5 3 2 公交客车动力传动系统评价否决指标。5 6 5 4 公交客车优化匹配计算结果综合分析。5 7 v 目录 5 5 关于权重值的分配6 1 5 6 公交客车优化方案与原型机的比较6 9 5 7 本章小结。7 0 第6 章总结与展望7 1 6 1 总结7 2 6 2 下一步工作的展望7 4 翌贮谢。7 6 参考文献。7 7 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果7 9 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 城市公交作为市内交通的重要组成部分，是城市形象和文明的象征，始终处 于优先发展的战略地位。公共交通在为人们带来便捷、经济、实惠的同时，也为 城市减少交通阻塞创造有利的条件，它能充分利用有限的道路资源，缓解城市交 通拥挤状况。数据显示，运送同样数量的乘客，公共交通与小汽车相比，分别节 省土地资源3 4 ，建筑材料4 5 ，投资5 6 ，空气污染只是小汽车的1 1 0 ， 交通事故率也仅为小汽车的1 1 0 0 ，被普遍认为是效率最高的交通方式，“公交 优先”已成为世界上越来越多大中城市认可和执行的城市交通主要发展原则。资 料表明，北京市占客运车辆4 8 的企事业、团体及私人用车只承担了6 的客运 量，占客运车辆2 9 的出租车也只承担了6 的客运量，而占有2 3 的城市公 共交通却承担了8 8 的客运量，可见改善解决城市交通拥挤的根本出路在于发 展城市公共交通。上海市也在2 0 0 2 年颁布的上海城市交通白皮书中确定了 公共交通优先发展的方针，城市公交将作为未来公共交通的基础，充分发挥灵活 方便、覆盖面广的优点，为市民创造更加快捷和舒适的出行条件。 2 0 0 6 年，客车行业整体销量增长1 7 2 5 ，是近5 年来的最好成绩。其中， 公交客车同比增长2 7 6 6 ，总增量达到8 7 5 8 辆，大大高于行业平均水平，而且 公交客车占客车总量的比例从2 0 0 5 年的2 6 4 2 上升到2 0 0 6 年的2 8 7 7 。可见， 公交客车的增长是客车行业增长的主要拉动力量。2 0 0 6 年1 2 月，建设部、发改 委、财政部、劳动和社会保障部联合发布了关于优先发展城市公共交通若干经 济政策的意见，其中，加大城市公共交通的投入、建立低票价补贴机制、认真 落实燃油补助及其它各项补贴、规范专项经济补偿等政策要求将推动城市公交进 一步快速发展。从市场现状来看，大城市的公交客车更新还远未达到预期目标， 公交客车的档次增长十分缓慢，说明更新换代仍有较大空间，特别是2 0 0 7 年的 欧i i i f l 放标准的实施，将对公交客车更新具有很强的促进作用。 近年来，由于城市化的迅猛发展，城市规模和城市人口急剧膨胀，城市交通 路网建设又往往滞后于机动车的增长速度，再加之旧有的城市交通结构和模式的 不合理性，使得世界各国的大中城市都面临着严重的交通拥挤状况。在这种情况 下，作为城市交通主力军的公交客车时走时停，行车缓慢，由于发动机始终运行 于低效率高排放的工况下，因而燃油消耗大、排放水平差、黑烟现象严重，对城 市环境产生了很大的负面影响，因此使得客车的动力系统的匹配能有广泛的发挥 空间，加上现代模拟仿真技术的成熟程度，使得动力系统的匹配走向了以现有发 第一章绪论 动机和传动系统来组合方案或在确定动力系或传动的基础上对传动系或动力系 进行优化，以汽车的实际行驶性能指标为评价目标的多目标评价的范畴。本论文 将以实际的公交客车匹配项目为例，对公交客车的动力系统匹配方法和技术结合 公交客车行驶性能的综合评价体系作全面分析和研究。 1 2 国内城市公交客车发展现状 1 9 9 7 年，我国城市公交客车拥有量约1 7 万辆，其中大中型城市公交客车约 为9 万辆，年客运总量达2 8 0 万亿人次。到2 0 0 6 年，城市公交客车超过3 0 万辆， 其中大中型公交客车超过2 0 万辆，约每1 5 0 0 一2 0 0 0 人拥有1 辆公共客车，与国 外8 0 0 1 0 0 0 人拥有一辆公交客车相差甚远。人民日报曾开展了“明天我们怎 样出行”的讨论，结果公众提出的第一途径，就是公交客车应成为城市交通的大 动脉。与其他出行方式相比，公交客车更能发挥快捷、方便、安全、集中、效率 高、道路占有率低、耗能低廉的优势，是有效解决城市交通拥堵的最好方式。因 此，在许多集中型城市和汽车化程度不高的国家，特别是交通状况欠佳的发展中 国家的城市，公共交通处于优先发展的地位。一些私人轿车占有率较高的国家也 提出要恢复和发展公共交通。如美国纽约上下班时利用公共交通工具的人数超过 半数。法国巴黎早晚高峰时，公共交通车辆出行比达8 5 ，平时为5 6 一6 0 。 近几年我国城市公交客车的水平获得了长足的进步，从沿用载货车底盘到开 发客车专用底盘，发动机功率由小到大，油耗由大到小，噪声由高到低，排放不 断改善，出现了天然气和液化石油气公交客车、地板高度也开始从8 0 0 - 9 0 0 m m 降至5 0 0 一- 6 0 0 m m ，车厢的居住性、舒适性也日臻完善。 我国当前生产量和使用量最大的是车身长度1 0 m 以下的中型客车，这种底 盘的公交客车适应性很强，曾经是我国公交的唯一车种。但是，对于我国城市人 口密集、客流量大，特别在客流量的高峰期，拥挤不堪现象就显得运量不足。据 有关资料记载，高峰期车内每平方米站立1 1 人之多，使人感到很不舒适。解决 这一问题的有效办法之一就是加大车身长度，使车身长度加大到1 1 - - - 1 2 m ( 包括 双层客车和全铰接式客车) ，增加客容量。 1 3 国外公交客车发展现状 国外比较著名的客车及客车底盘生产厂家有：日本的五十铃、日产柴、日野； 德国的奔驰、m a n 、凯斯鲍尔、尼奥普兰；英国的利兰、m c w 和d e n i s ；法 国的雷诺；意大利的依维柯( 菲亚特集团) ；瑞典的沃尔沃和斯堪尼亚；匈牙利 2 第一章绪论 的伊卡露斯等。至今，欧洲的大客车技术水平和科研能力仍居世界的前列，尤其 是德国的大客车技术一直保持领先地位。由于客车市场需求量大大低于轿车，具 有产量低、品种多的特点，所以自动化水平都不很高，普通客车厂一般都保持在 年产量1 5 0 0 - - 3 0 0 0 辆的水平。 面对2 1 世纪的人口老龄化的社会问题，日本城市交通部门重点提出：为保 障高龄和残疾人能安全、方便地乘用交通工具，有必要改善交通设施。为此，东 京市交通局向日本4 家有名的客车生产公司( 五十铃、日野、三菱、日产柴) 提 出了开发研制上下车方便的低地板城市客车的要求。随后，营运公司于1 9 9 0 年 末向客车生产公司订购8 辆低地板城市客车，并在1 9 9 1 年4 月投入营运。客车 地板离地高度从原来的8 4 0 - - 9 1 5 m m ( 中门处) 降至5 5 0 - - 5 7 0 m m ；同时，车内 三级踏步改为一级踏步。为方便轮椅乘客能自如地上下车，还装备了斜板通道装 置。随后，汽车厂与营运公司共同对乘客进行了采访调查。结果表明，低地板城 市客车的利用率高，经济效益、社会效益均占明显优势。 v o l v o 公司设计低地板公交客车的目的是为了方便行动不方便的乘客，其 工作重点一直集中在低踏步、低通道上。相应的特征是车门入口宽度1 2 0 0 m m ， 轮拱宽度5 0 0 m m ，其上可放置8 个座椅。 凯斯鲍尔s 3 0 0 m c 型低地板公交客车的尾部横置m a n l 8 0 k w v 型发动机， 装有z f 公司为低地板客车设计的最新独立前悬架和后部组件，z f - e c o m a t 自动 变速器与发动机都横置于车身尾部，经9 0 0 转角传动与低2 1 7 m m 的中心下沉式 车桥相接。该传动系统可降低车厢后部高度，增加后门宽度，实现整车低地板化， 同时保持正常的离去角。该车使用的是阿鲁斯依斯公司的铝合金车身构件，有3 个宽1 2 5 0 m m 的车门，踏步正常高度3 4 0 m m ，空气弹簧排气后高为2 6 0 m m 。 雷诺c s s 客车底盘，装有1 5 2 k w 的t 1 8 6 k 发动机，自动变速器，二者都 横置在底盘尾部，前后都为可自动调平的空气悬挂，前盘后鼓式制动器，装有 a b s 和a s r 系统。用该底盘制造的客车，可实现车内无横台阶，乘客可达1 1 5 人。另外，为了环保需要，该底盘可选用天然气发动机。 1 4 国内外公交客车动力传动系统匹配设计研究的现状 客车的动力系统匹配设计研究，国外7 0 8 0 年代技术水平已经非常成熟了。 根据公交客车的使用条件，对保护环境的各种排放法规，以及世界能源危机的影 响，客车的匹配技术已经从7 0 年代以前优化汽车的行驶性能，到8 0 年代控制汽 车的排放污染物，再回到9 0 年代后期汽车的节能技术。社会的发展对汽车动力 传动系的匹配提出了要求，同时科技的发展、新技术的发明又为汽车动力传动系 3 第一章绪论 匹配提供了更多的方法。 国外的汽车动力传动系的匹配设计以各种排放法规为目标而发展，通常依据 不同使用用途的汽车的实际行驶模式( 多工况循环) 来评价这些汽车的燃油经济 性和污染物排放。通过在底盘测功机上模拟多工况循环来测量油耗和排放，或通 过先进的模拟仿真技术进行多工况模拟计算油耗和排放。模拟仿真技术是近几年 来汽车动力传动系匹配技术主要发展内容。 国内的汽车动力传动系匹配研究的内容较少，因为多数车型都是引进的。主 要的研究单位是同济大学、吉林大学、清华大学、北京理工、江苏大学。起初是 简单的传动系参数的设计，如吉林大学汽车研究所的模拟仿真研究，清华大学和 江苏大学汽车动力传动系匹配评价方法的研究等。目前已可以通过商用软件进行 分析，但能很少考虑到实际的道路谱。 国内的商用车的市场刚刚起步，多数厂商对商用车用柴油机的特性还不了 解。发动机的机型停留在引进的程度上，虽然请了很多的国外资深的发动机技术 公司，如a v l 、f e v 、美国西南研究院做了优化，但是由于优化的目标不明确或 不同，所以与国内的商用车匹配时存在很多问题。此外，虽然很多研究机构对汽 车动力传动系匹配设计的评价方法做了一些研究，但是还不完善，需要进一步的 研究。 1 5 国内外汽车动力模拟仿真技术及汽车行驶性能评价研究概况 从六十年代中期至七十年代以来，有关动力传动系的模拟一直处于建模和模 拟软件开发的水平上。八十年代初，随着计算机技术的进步，仿真模拟技术得到 了飞速发展，在车辆设计中的应用越来越广泛。 国外在这方面的研究成果很多，并开发了不少应用模拟程序，如：1 9 7 2 年由 美国通用汽车公司开发的g p s i m 程序，该程序包含稳态计算和变工况计算( 变 速、换档时发动机转速的滞后) 两个部分，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、传动系速比和 空气阻力系数等的变化对整车性能的影响。该程序的缺点在于只能使用稳态特性 场，而且不能进行排放模拟计算。c v t o p t 程序可模拟计算汽车动力传动系循 环油耗，如果发动机的基本参数可变，则可以进行基于排放约束的循环油耗计算。 w o t s i m 程序利用发动机的外特性进行汽车动力性计算显然，其模拟计算内 容过于单一。到目前为止，国外各大汽车公司和相关机构都相继开发了自己的模 拟计算程序，除了上述程序外，还有福特汽车公司的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 4 第一章绪论 t r a s c o 等。 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。进入八十年 代后，长春汽车研究所、吉林大学、清华大学、江苏理工大学和同济大学等单位 陆续开展了一些工作，取得了一定的成果。但除了吉林大学和长春汽研所开发的 a u t o d y n 用于车型的开发设计中，其他的都停留在研究的程度。 随着计算机技术的发展，模拟仿真技术的积累，各方面的模拟仿真技术的商 业化的时代也开始了。具有代表性的是奥地利a v l 公司联合欧洲各大汽车制造 商开发的c r u i s e 软件。这款软件采用了图形操作界面，使用起来特别的方便， 可以实现一般的动力性、经济性和排放的模拟计算，还能模拟传动系的动态扭矩 传输以及传动系的扭振，能用于控制系统的模拟仿真的优化。除此之外，还有美 国的一个研究部门利用m a t l a b 开发的基于m a t l a b 的a d v i s o r ，但是它只能用于 单轴驱动的模拟仿真。 汽车的动力传动系优化设计实际上是一个多目标的优化过程，这涉及到评价 体系。有些文献以发动机经常工作的位置与经济工作区的相对位置做定性的评 价，也就是将发动机经常工作区和发动机万有特性场画在一起，通过它相对于经 济区和工作区的位置的远近来评价发动机于传动系匹配的好坏。这种方法直观， 但是只考虑经济性，没有考虑动力性能以及排放。还有就是9 0 年代中后期，江 苏大学的学者们探讨的多目标评价体系，采用的主观和客观的加权方法，以权值 的大小来评价动力传动系匹配设计的好坏。还有就是前苏联学者八a 托卡列夫 将提高燃油经济性和提高生产率作为目标，提出汽车的使用成本、燃油消耗、车 速和汽车比生产率作为汽车速度性能和燃油经济性的综合评价指标。这种评价方 法需要大量汽车运输技术经济统计数据为基础，使用起来非常的复杂，但是对于 商用车的评价上非常有价值。 实际上，这些评价方法均有其局限性，因为用这些评价指标作为目标函数进 行优化，最终将导致产品的单一化。而且，这些研究局限在汽车动力性和燃油经 济性两方面，未能全面考虑整个动力传动系的综合性能，特别是未能研究对环境 污染有很大影响的排放性能。本课题认为，对整车性能的综合评价应以动力性和 燃油经济性的加权统一作为目标函数，以排放性能指标作为约束条件，这样才能 全面、客观地反映动力传动系的匹配效果。 同济大学对动力总成的开发建立在商用软件上的二次开发，并结合了具体的 产品，积累的大量的经验，并且提出了综合评价体系的理论和计算方法，具有实 用性。但目前所欠缺的是在公交车上的动力总成优化匹配和考虑实际道路情况的 优化匹配方案的设计。 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 第一章绪论 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在相当大的程 度上还是在依靠经验进行处理。 1 6 本论文主要研究内容 基于目前本课题研究领域内所取得的成果和存在的问题，通过本课题的研 究，进一步深入研究整车动力传动系的匹配设计的原理和方法。同时研究公交客 车辆用发动机的特性以及车用发动机的经济性评价方法，探讨公交客车辆的性能 的评价方法。以及在实际道路行驶状态下的性能优化。 整车动力传动系的优化匹配涉及到发动机和传动系，通过发动机的特性场来 链接整车性能和发动机的性能的仿真与试验技术( 图1 1 ) 。 图1 - 1 基于发动机特性场的整车和发动机性能仿真 本文主要工作是应用商用软件进行二次开发，建立同时考虑动力性、经济性 和排放性能并结合计算机仿真和试验技术的整车动力传动系优化匹配的公交客 车开发体系。以某一公交客车为模型，探讨公交客车动力匹配的总体思路、模型 建立、模型参数采集与计算、道路谱的采集与分析。协调模拟仿真和汽车性能试 验的关系。 本论文的主要工作如下： ( 1 )查阅关于公交客车辆匹配设计的各种文献和资料，分析公交客车辆动力传 动系的匹配设计原理和方法： ( 2 ) 研究公交客车用发动机的特性和特征，探讨公交客车用发动机的性能的评 价指标： ( 3 ) 城市公交客车道路谱的采集与对比分析；各循环工况的对比分析，提出汽 车行驶性能评价指标，建立实用的公交客车性能评价体系，对公交客车的 第一章绪论 行驶性能作合理的评价； ( 4 ) 应用商用软件进行二次开发，以典型的公交客车为原型，建立公交客车辆 动力传动系匹配设计研究的仿真模型； ( 5 )以在保证行驶性能的前提下提高公交客车的实际行驶燃油经济性为目标， 对传动系结构参数进行优化匹配，并提出优化设计方案； ( 6 ) 协调整车道路试验、发动机台架( 稳态、动态) 试验的试验技术与公交客 车辆动力传动系匹配的模拟仿真；试验内容包括整车试验和发动机试验， 本论文研究所遵循的标准有： 汽车道路试验方法通则g b 厂r1 2 5 3 4 - - 1 9 9 0 ； 汽车滑行试验方法g b t1 2 5 3 6 - - 1 9 9 0 ； 汽车牵引性能试验方法g b t1 2 5 3 7 1 9 9 0 ： 汽车爬陡坡试验方法g b 厂r1 2 5 3 9 - - 1 9 9 0 ； 汽车加速性能试验方法g b 厂r1 2 5 4 3 - - 1 9 9 0 ： 汽车最高车速试验方法g b 厂r1 2 5 4 4 1 9 9 0 ； 汽车燃油消耗量试验方法g b 厂r1 2 5 4 5 - - 1 9 9 0 ； 汽车最低稳定车速试验方法g b 厂r1 2 5 4 7 - - 1 9 9 0 ； 商用车辆燃料消耗量试验方法g b t 1 2 5 4 5 2 2 0 0 1 ； 重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法 g b 厂r 1 9 7 5 4 2 0 0 5 汽车用发动机净功率测试方法g b 厂r1 7 6 9 2 1 9 9 9 ； 汽车发动机性能试验方法g b t1 8 2 9 7 - - 2 0 0 1 ； 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物 排放限值及测量方法( 中国、v 阶段) g b1 7 6 9 1 2 0 0 5 7 第二章公交客车动力传动系统匹配总体思路 第二章公交客车动力传动系统匹配总体思路 2 1 公交客车行驶性能的各项评价指标 根据国家汽车道路试验标准中的规定，汽车的行驶性能的评价指标包含：动 力性、经济性以及排放三个方面。 2 1 1 动力性评价指标 公交客车动力性评价指标包含的内容有：最高车速、加速性能、爬坡性能。 1 ) 最高车速 在风速不大于3 m s 、无雨无雾的天气条件下，汽车在平坦路面上行驶，行 驶阻力与驱动力相平衡时达到的最高稳定车速称为最高车速。图2 1 为行驶阻力 与最高档驱动力的交点位置。 o 5 0i i1 91 5 01 7 52 0 0 ”- ( k i n h 一) 图2 1 汽车行驶阻力平衡图 2 ) 加速性能 汽车的加速性能分为最高档或次高档加速性能和起步连续换档加速性能。 最高档或次高档加速性能是指汽车用最高档或次高档，以预定车速作等速行 驶，当车速稳定后，迅速将油门踏板踩到底，使汽车加速至最高车速的8 0 以上 车速时所需的时间。 起步连续换档加速性能指的是汽车由低档起步并以最大加速度逐步换至高 档后到达最高车速8 0 以上车速时所需的时间。 3 ) 爬坡性能 8 蛳姗咖姗咖湖咖罩!咖蛳 ，4 4 3 3 2 2 l 第二章公交客车动力传动系统匹配总体思路 汽车的爬坡能力是指汽车满载时在良好路面上等速行驶的最大爬坡度。汽车 的最大爬坡度是最低档的最大爬坡度，反映是车辆行驶的动力性能。 2 1 2 经济性评价指标 公交客车行驶的经济性主要体现在燃油经济性上，是衡量车辆性能的一个很 重要内容。根据国家标准商用车辆燃料消耗量试验内容，以及重型混合动力电动 汽车能量消耗量试验方法，评价燃油经济性的指标包括：等速行驶的燃油消耗量、 多工况循环行驶燃油消耗量。 1 ) 等速行驶燃油消耗量 等速行驶燃油消耗量通常以等速行驶的百公里油耗量来表示，即汽车在额定 载荷下，以直接档或超速档在水平良好路面上等速行驶1 0 0 k i n 的燃油消耗量。 通常测出每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，以曲线来表示。 2 ) 多工况循环行驶燃油消耗量 等速行驶不能全面地反映汽车的实际运行情况。很多国家制定了一些典型的 循环行驶工况来模拟汽车的实际运行状况，并以其百公里燃油消耗量来评定行驶 工况的燃油经济性。 循环工况测试标准有许多种，美国、日本、欧洲都有自己的测试法规。我国 的相关标准g b t1 2 5 4 5 2 2 0 0 1 城市客车( 4 工况) ，载货汽车( 6 工况) 的试 验工况以及g b 厂r1 9 7 5 4 2 0 0 5 重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法标准 中规定的典型城市公交循环工况，以循环工况燃油消耗作为综合经济性评价指 标。 2 1 3 排气污染物排放限值 普通汽车产生的废气中的主要有害物质是n o x 、c o 、h c 等，由于大多数 重型车使用柴油机，因此重型车的排放指标还包括碳烟和颗粒含量。各国都对这 些有害物质的限制值做出了明确的规定。在中国，随着汽车工业的飞速发展，人 们对车辆排放的要求也逐步提高。根据国家法规规定，汽车的排放指标是一项约 束条件。 商用车辆的整车质量 3 5 0 0 k g ，多数使用柴油机作动力。车用压燃式、气体 点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法( 中国i i i 、v 阶段) g b l 7 6 9 1 2 0 0 5 中的排放限值见表2 1 ，执行日期见表2 2 。 9 第二章 公交客车动力传动系统匹配总体思路 表2 1e s c 和e l r 试验限值 一氧化碳( c o )碳氢化合物 氮氧化合物( n o x )颗粒物( p m )烟度 阶段 【g ( k w h ) 】( h c ) 【g ( k w h ) 】【g ( k w h ) 】【g ( k w h ) 】 m i 2 1 0 6 65 0 o 1 0o 8 1 50 4 63 5o 0 2o 5 v1 50 4 62 0o 0 2o 5 e e v1 50 2 5 2 o o 0 20 1 5 表2 - 2 型式核准执行日期 第i 阶段第阶段第v 阶段 2 0 0 7 年1 月1 日2 0 1 0 年1 月1 日2 0 1 2 年1 月1 日 2 2 公交客车动力传动系统匹配的总体思路 对于一个整车厂来说，在开发每一款新产品的时候都对其产品的目标市场有 了明确的定位。那么整车企业的研发部门该如何去适应市场来设计自己的产品 呢? 如果单纯满足上面所介绍的各性能指标，这样一款产品推入市场以后是不一 定成功的，特别是对城市公交客车市场。 众所周知，客车市场不仅有价格战，更突出的是企业之间的品牌竞争。品牌 竞争包括：价格竞争、成本竞争、生产组织竞争、质量竞争、服务竞争、生产资 料竞争、市场竞争、技术竞争、人力资源竞争等方面。而在公交客车市场最为残 酷的是价格竞争和技术竞争，公交公司总希望能买到价廉物美的产品，特别是要 求油耗要低，因为这直接影响到了公司的运营成本。而影响公交客车燃油耗的因 素非常的复杂，比如司机的驾驶习惯、当天的工作情绪、不同线路、不同时段、 红绿灯的变化、站点的变化、载客量的变化等等。 因此在产品设计阶段就应该从两个方面入手，一方面是根据标准规定要求进 行新产品的建模仿真和试验，另一方面就是进行目标市场的调研，充分考虑该产 品的市场需求( 即实际运行状态) 2 2 1 产品原型机的建模标定 1 ) 产品原型机的建模 本课题所应用的c r u i s e 软件是用于研究整车行驶特性、燃油消耗和废气排 放等性能的高级商用软件。主要用于计算和优化汽车的动力传动系的优化匹配及 发动机的开发。可以进行： 行驶特性( 加速性，平稳性、最大车速、爬坡能力) 1 0 第二章 公交客车动力传动系统匹配总体思路 燃油的消耗 各种行驶工况( 如f 1 r p 7 2 ，e c e ，h d c 等) 的排放 传动比优化 制动及其制动性能 集中载荷点应力计算 传动引起的振动 等计算和对性能作出评价。 软件采用模块式结构，利用软件提供的各种模块( 如发动机，变速箱，离合 器等) ，可以根据具体的车型建立计算模型，甚至连奇异的概念车，如混合动力 车或多发动机车也能建摸，并能进行快速的模拟运算。 对有冷起动的工况，还提供了发动机预热模块。 该软件所能提供的计算模块有： 汽车和拖车 发动机( 发