（车辆工程专业论文）基于gtdrive的微型汽车动力传动匹配分析及优化.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车动力性与燃油经济性是汽车最重要、最基本的性能，动力系统良好的匹 配对于提高动力性、改善燃油经济性和降低排放污染物具有显著的效果。在以往 通常需要在完成汽车道路试验以后才能进行评价，如果评价结果不理想，还需更 改设计，无形中加长了开发周期，提高了人力和物力成本。随着汽车技术、计算 机技术的发展、消费者需求的提高以及市场竞争的结果，使得对汽车动力性与经 济性的分析在概念开发阶段就已经开始了。这样可以缩短设计周期，节省开发试 验费用，并可以对所开发车辆的性能进行预测。 汽车动力传动系统匹配的首要任务是：保证传动系各部件之间以及与发动机 之间良好的匹配，确保汽车能在不同条件下正常行驶，并具有良好的动力性和燃 油经济性。动力传动系统动态模型的建立是车辆设计、匹配及性能研究的基础， 但其建模复杂，调试过程时间相对较长，给研究工作带来了很大的不便。采用专 业软件进行建模及仿真研究，不仅可以使建模过程简单化，节省大量的时间，而 且程序运行可靠、调试方便、结果准确，便于分析研究。本文采用g t - d r i v e 软 件，对某微型车型车进行了动力性、燃油经济性的仿真分析，并与实验结果进行 对比分析，进而利用仿真结果优化传动系的参数，具体研究内容如下： 1 、对现有汽车动力性与燃油经济性评价指标进行论述和分析，并提出了一套 综合评价汽车动力性燃油经济性的指标体系，这些评价指标的确定，解决了以往 评价指标的不适宜性，更好地反映了汽车动力性、燃油经济性。 2 、对g t - d r i v e 软件的功能、特点及程序结构及应用方法进行了研究。详细 分析了仿真程序中各个模块的功能与参数设置方法，针对某微型车的变速器、主 减速器的控制，选择相应的控制模块，完成了参数及性能的设置、选择与调整。 3 、应用g t - d r i v e 建立了汽车动力传动系优化数学模型，在此基础上，对微 型车进行动力性、燃油经济性进行仿真计算，并对计算结果进行分析。 4 、通过仿真计算结果与实验数据的对比，利用g t - d r i v e 软件对整车进行优 化计算，并分析优化结果，提出了改进的建议。 关键词：动力传动系统，动力性，燃油经济性，匹配研究 武汉理工大学硕士学位论文 a b s tr a c t t h ea u t o m o b i l ed y n a m i c a la n df u e le c o n o m i cc h a r a c t e r i s t i ca r ev e r yi m p o r t a n ta n d b a s i cp e r f o r m a n c e ，ag o o dm a t c ho ft h ep o w e t r a i ni sw e l lf o ri m p r o v i n gt h ep o w e ra n d t h ef u e le c o n o m y , m e a n w h i l er e d u c i n ge m i s s i o n sw i t hs i g n i f i c a n tr e s u l t s i nt h ep a s t ，w e e v a l u a t e dt h er e s u l t sa f t e rt h er o a dt e s t i n g ，i ft h er e s u l tw a sn o tg o o d ，w eh a dt og ob a c k t om o d i f yt h ed e s i g n ，t h e ni tw i l lc o s tal o to ft i m ea n dm o n e y b u ti i o w 谢t 1 1t h e d e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l et e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r , b e s i d e st h ec u s t o m e r sr e q u e s t a n dt h em a r k e tc o m p e t i t i o n ，t h es i m u l a t i o no ft h ed y n a m i c a la n df u e le c o n o m i c c h a r a c t e r i s t i cs h o u l db es t a r ta tc o n c e p tp h r a s e ，t h e nw ec a ns a v eal o to fm o n e ya n d t i m e ，a tt h es a m et i m ew ec a nf o r e c a s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec a r i no r d e rt og u a r a n t e et h ev e h i c l et or u nn o r m a l l yu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o na n d h a v eg o o dp o w e rp e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m y , t h ec h i e ff u n c t i o no ft h ev e h i c l e p o w e rt r a i ns y s t e md e s i g ni sm a t c h i n gp o w e rb e t w e e ne n g i n ea n de a c hp a r to fd r i v e l i n e e s t a b l i s h i n gt h ed y n a m i cm o d e lo fp o w e r t r a i ns y s t e mi st h ef o u n d a t i o no ft h e v e h i c l ed e s i g n ，m a t c h i n ga n dp e r f o r m a n c er e s e a r c h b e c a u s eo ft h ei n c o n v e n i e n c ed u e t ot h e c o m p l i c a t e dm o d e l i n ga n dt i m e c o n s u m i n gd e b u g g i n g ，t h ea d o p t i o n o f p r o f e s s i o n a ls o f t w a r et oa c c o m p l i s hm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nr e s e a r c h i sn o to n l y t i m e s a v i n ga n dm a k e st h em o d e l i n gp r o c e s ss i m p l i f i e d ，b u ta l s oa s s u r e st h ep r o g r a mt o r u nr e l i a b l yw i t hc o n v e n i e n td e b u g g i n ga n de x a c tr e s u l t s t h eg t - d r i v ei su s e di n t h i sp a p e rt os i m u l a t ep o w e rp e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m yo fam i c r o b u s ，a n dt h e r e s u l t sa r ea n a l y z e dt h r o u g hc o m p a r i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s f u r t h e rm o r e ，t h e p a r a m e t e r so ft h ep o w e rt r a i na r eo p t i m i z e db yu s i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，e s t a b l i s h i n g t h ef o u n d a t i o no ni m p r o v i n gt h ea u t o m a t i cm e c h a n i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m t h ec o n c r e t e r e s e a r c hc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 、d i s c u s s i n gt h et r a d i t i o ne v a l u a t i o no ft h ea 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 t h ee c o n o m yp e r f o r m a n c e ，a n di n v e s t i g a t e sas e r i e so fc o m p a r a b l ee v a l u a t i o nt h a t e s t i m a t et h ea 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 de c o n o m yp e r f o r m a n c es y n t h e t i c a l l y i tc a nr e p o r tt h ee x e r t i n gd e g r e eo ft h ea u t o m o b i l e sp e r f o r m a n c eb e t w e e nt h er e a l w o r k i n gs t a t i o na n dt h ei d e a lw o r k i n gs t a t i o no ft h ee n g i n e ，f u r t h e rm o r e ，i te v i n c e st h e w a y t oi m p r o v et h ep o w e rp e r f o r m a n c ea n dt h ee c o n o m yp e r f o r m a n c e 2 、t h ef u n c t i o n ，a n di t sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep r o g r a mc o n s t r u c t i o na n da p p l i c a t i o no f t h eg t - d r ea r es t u d i e d a i ma tt h et r a n s m i s s i o nc o n t r o li nm i r o b u s ，t h ec o n t r o l m o d e li sc h o s e n ，a n dt h es e t t i n g ，c h o i c ea n da d j u s t m e n to fp a r a m e t e r sa n dp e r f o r m a n c e 武汉理工大学硕士学位论文 a r ea c c o m p l i s h e d 3 、u s i n gg t - d r i v et oe s t a b l i s ht h eo p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lb e t w e e n t h e e n g i n ea n dt h ep o w e rt r a i no ft h ea u t o m o b i l e ，b a s e do nt h i s ，u s i n gt h eg t - d r i v et o c a l c u l a t et h ep o w e rp e r f o r m a n c ea n dt h ee c o n o m yp e r f o r m a n c eo ft h em i c r o b u sb y s i m u l a t i n g 4 、t h r o u g ht h es i m u l a t i o nd a t aa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o m p a r i s o n ，t h e na n a l y s e s t h er e s u l tw h i c hs h o w st h ef e a s i b i l i t ya n dt h ep r a c t i c a l i t yo ft h eg t - d r i v es o f t w a r e a tl a s tt h ea u t h o rg i v e ss o m ep i e c e so fa d v i c et og oo nw o r k i n go nt h i so b j e c t k e yw o r d s ：p o w e r t r a i n ，d y n a m i c a l , f u e le c o n o m i c ，m a t c h i n g r e s e a r c h i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：复坌e t 期：逃g 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车动力系统匹配的目的和意义 进入2 l 世纪以来，能源和环境已成为世界各国关注的焦点。特别是近几年， 石油价格持续上涨，能源对人们的生产生活都产生了极大影响，世界各国都纷纷 采取措施应对可能出现的能源危机。与此同时，人类的活动产生的温室效应对气 候的影响越来越明显，有专家预测全球变暖将使全球的灾害性天气越来越频繁， 使人类的生存环境恶化。而汽车作为当今世界最普遍的交通工具之一，在给人们 带来便利的同时，对能源和环境的影响不容忽视。有必要采取各种措施，降低汽 车对能源的消耗和对环境的污染。因此，提高汽车的运输生产率，降低汽车的燃 油消耗是目前汽车工业急需解决的重要课题之一。所以作为一个汽车企业，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。 为降低油耗，各公司主要围绕汽车和发动机采取以下几种主要措施【1 】： ( 1 ) 提高汽车行驶效率 减少行驶阻力，通过改进车身造型、改善车身结构来减少迎风面积和空气 阻力；通过改进轮胎结构减少滚动阻力。 轻量化，采用新型轻质材料，通过可靠性设计技术使整车质量轻量化，使 各总成部件、附件紧凑，如前置发动机、前轮驱动化。 提高传动效率，采用自动或无级变速系统，减少轴承与齿轮的摩擦损失， 提高传动系统的传动效率。 ( 2 ) 提高发动机性能 改进现有发动机，通过改善燃烧，减少冷却损失来提高热效率，采用可变 气门正时、变排量技术以改善部分负荷性能，通过降低运转部件的摩擦损失和发 动机辅助设备的损失来提高机械效率，采用汽油喷射、电子点火和微机控制使发 动机工作过程最佳化。 提高能源利用率，利用涡轮增压回收废气能量，利用储能装置( 飞轮) 回收制 动能量，提高附属装置( 空调、电器装置等) 的效率。 ( 3 ) 开发利用新型动力 开发新一代发动机，研制高效率循环发动机，研制氢气发动机，研制利用 电能的电动车，采用混合动力驱动系统。 利用代用燃料，采用外燃机燃烧低质燃油，利用天然气、液化石油气等燃 料，利用乙醇、甲醇等合成燃料。 武汉理工大学硕士学位论文 利用新能源，研制高效太阳能电池；应用氢气储存法和氢气混合燃烧法。 ( 4 ) 优化匹配动力传动系统 发动机的选型；汽油机与柴油机的选择；发动机使用特性的选择；发动机 排量的选择。 传动系型式及参数的选择；变速器的型式、速比范围、档位数、速比间隔； 液力变矩器型式及尺寸；驱动桥的类型及尺寸。 汽车动力性与燃料经济性的好坏，在很大程度上取决于发动机的性能和传动 系型式及参数的选择，即取决于汽车动力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。能与发动机合理匹配的传动系可以使发动机经常在其理想工作区附近工作。 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，而且还 可以取得良好的排放效果。 在汽车研制工作中，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i - n 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另一部件的匹配不当而造成整体性能未获得应有的 改进。根据统计分析表明，目前国内汽车发动机使用工况多数是远离其最佳经济 区域，未能实现动力传动系统的最佳匹配。因此，通过合理匹配汽车动力传动系 统来提高汽车运输效率，降低燃油消耗具有较大的潜力，这是一个值得进一步研 究的课题。 1 2 国内外汽车动力传动匹配研究现状 国外汽车公司在开发一款新车前，要由市场和产品质量等相关部门进行预测， 即针对目前的市场、竞争对手的车型，分析要投放车型的尺寸、技术参数、成本、 价格、效益率等等。通过此分析，基本上明确了要开发车型的主要技术参数，剩 下的只是设计部门如何实现这些目标。在这些性能当中，汽车动力性与燃油经济 性是汽车最重要、最基本的性能。通常对汽车的动力性和燃料经济性水平，是在 进行实车道路试验之后给予最后评价的。这样做不但周期长，成本高，而且在产 品设计阶段对整车及各总成方案的确定、结构参数的选择、传动系参数与发动机 的匹配等，就有一定的盲目性，可能会使较优的方案遗漏，使得产品的性能不能 令人满意，进而造成人财物力的浪费。以往动力传动系统的匹配，由于测试手段 和计算工具的限制，一直都采用定性分析和简单的定量计算，靠大量积累的试验 2 武汉理工大学硕士学位论文 数据和反复测试的结果进行设计。例如要试验某种车型，有三种整车总质量、四 种发动机、三种变速器、三种驱动桥及两种轮胎可供选择，那么各种不同组合的 试验方案可达2 1 6 种。而每种方案都需要设计、制造一系列不同的零部件，需花 费大量的时间和费用。因此，为了提高设计质量，缩短研制周期，在设计阶段就 需要根据有关设计参数，对汽车动力性和燃料经济性进行预测，随着计算机的广 泛应用和现代计算方法的发展，计算机模拟计算方法为汽车动力性和燃料经济性 预测提供了有效而准确的工具。 计算机模拟与一般的性能计算方法相比，有着许多优点： ( 1 ) 它可以考察出汽车结构参数是如何影响汽车动力性和燃油经济性的，特 别是这些参数微小变化时，实际车辆试验往往测量不出对动力性和燃料经济性的 影响，而计算机模拟则可算出其微小的影响。 ( 2 ) 它可以求解较复杂而精确的数学模型，过去无法求解的或需大量时间才 能求解的线性或非线性系统的微分方程组，采用电子计算机和现代数值计算方法 以后，就可以很快地求出其数值解。所以，在计算机模拟的情况下可以采用能准 确描述所研究运动的较复杂模型，这就使计算结果更接近实际。 ( 3 ) 它能按预定的程序模拟各种行驶工况，包括瞬变的非稳定工况，因而能 全面地预测汽车在各种工况下的动力性和燃料经济性。 ( 4 ) 它能在很短时间内对大量的设计方案进行运算，查明这些方案和参数对 汽车性能的影响，有助于设计人员很快地找到比较有利的设计方案和匹配参数。 由此可见，计算机模拟计算方法是汽车总布置设计的有力工具，它不仅能分 析和预测汽车的动力性和燃油经济性，而且能运用于设计的综合，即根据预定的 性能指标和技术要求找出最佳的设计参数。 最早应用程序模拟分析汽车动力性与经济性的是美国通用公司，它们在1 9 7 2 年首先开发了g p s i m 计算程序，该程序可以模拟汽车在任何行驶工况下的瞬时油 耗、累计油耗、行驶时间、距离等，同时也可以预测重量、变速箱速比、后桥速 比、空气阻力系数等对汽车动力性与经济性的影响。此外还有美国g a m m a t e c h n o l o g i e s 公司的g t - s u i t e 、福特公司的t o e f p 、康明斯公司的v m s 、德国 奔驰的t r a s c o ，a v l 的c r u i s e 等。这些程序的出现，使得汽车厂家在设计阶 段就能对汽车的动力性与经济性进行预测，可以根据几种传动系速比的变化所引 起整车性能的变化找到变化间的关系，找到与所选发动机合理匹配的传动系；甚 至可以根据整车要求和汽车经常行驶工况来对发动机性能提出要求，作为发动机 选型或设计的依据。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，但同时降低了动力性。9 0 年代初，为了满足用户提出的 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 3 武汉理工大学硕士学位论文 排量达到此目的。自9 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和电子控制，以及汽车无 级变速系统的设计与机械变速器的自动控制等【2 。3 l 。 我国在这方而的研究起步较晚，8 0 年代后，长春汽车研究所及国内几所大学 开展了一些这方面的工作，也取得了一些成果。但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，目前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，并着手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； 应用于发动机一传动系统的动力性与经济性的仿真计算，包括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效果。有效的提高了汽车 运输效率，降低燃油消耗。 通过文献检索分析，现有的研究有以下特点： ( 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 ) 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。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 ) 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。 ( 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， 或为汽车原地起步连续换档加速时间。 ( 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。 1 3 本课题研究的内容 本课题主要是以本人参与的某微型车换档操纵性能提升项目为例，通过应用 g t - d r i v e 软件，建立整车性能分析模型，对发动机传动系统的匹配性能进行分析， 使发动机合理匹配的传动系可以使发动机经常在其理想工作区附近工作。达到减 少燃料消耗，减轻发动机磨损，提高发动机的使用寿命，提高企业的经济效益。 研究汽车动力传动系数学模型、车辆动力性与燃油经济性的模拟计算方法，在此 基础之上，应用g t - d r i v e 建立了汽车传动系参数优化数学模型，对微型汽车的动 4 武汉理工大学硕士学位论文 力性、经济性匹配做详细的分析。主要工作内容如下： ( 1 ) 建立整车发动机一传动系统分析模型； ( 2 ) 发动机外特性拟合、发动机万有特性拟合； ( 3 ) 整车动力性计算； ( 4 ) 整车燃油经济性计算； ( 5 ) 评价方法的探讨； ( 6 ) 微型车整车动力性经济性优化计算。 1 4 本课题拟采取的研究方法和技术路线 本课题主要研究方法、技术路线如下： ( 1 ) 对现有汽车动力性与燃油经济性评价指标进行论述和分析，提出汽车动 力性、燃油经济性的综合评价指标体系。 ( 2 ) 建立汽车动力传动系数学模型，在此基础之上，概括总结出汽车动力性、 燃油经济性各项评价指标的模拟计算方法。 ( 3 ) 以原地起步连续换档加速时间和多工况循环使用油耗作为衡量动力性和 燃油经济的两个分目标，应用g t - d l i v e 建立汽车传动系参数优化数学模型， 开 发出汽车动力传动系参数优化设计系统。 ( 4 ) 利用g t - d r i v e 对某微型车的动力性和燃油经济性各项评价指标进行模 拟计算；对其传动系参数进行优化设计，通过对优化前后汽车整车性能的对比分 析，同时结合试验数据，验证了该优化模型的精确性。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽车动力性与燃油经济性的综合评价 汽车的动力性与燃油经济性是评价汽车性能的重要指标，它主要取决于汽车 动力传动系、发动机的参数及二者的匹配关系。因此，在进行动力传动系优化匹 配时，常用动力性燃油经济性的综合评价指标作为目标函数建立数学模型。 2 1 汽车动力性评价 汽车的动力性是指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定 的、所能达到的平均行驶速度。汽车是一种高效率的运输工具，运输效率之高低 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【5 1 。 从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发，汽车的动力性主要由最高车速、 加速时间、最大爬坡度三个指标来评定。 2 1 1 最高车速 最高车速是指在良好水平路面( 混凝土或沥青) 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。 现代轿车的最高车速一般在1 2 0 - 2 5 0k m h 之间，货车的最高车速一般在8 0 1 2 0k m h 之间。 2 1 2 加速时间 汽车的加速时间表示汽车的加速能力，它对平均行驶车速有着很大的影响， 特别是轿车，对加速时间更为重视。它的评价指标很多，但通用和统一的评价准 则还没有。欧美等多数国家采用汽车油门全开时的加速距离和时间作为加速性能 评价指标；而前苏联学者认为除此之外，还应包括汽车加速度系数( 最大加速度 与发动机最大功率之比) 、汽车油门全开加速到最高车速一半的时间和距离。 通常用原地起步加速时间与超车加速时间来表示汽车的加速性能。原地起步 加速时间是指汽车由第1 档或第1 i 档起步，并以最大的加速强度( 包括选择恰当 的换档时机) 逐步换至最高档后到某一预定的距离或车速所需的时间。超车加速 时间是指用最高档或次高档由某一较低车速全力加速至某一高速所需的时间。对 于超车加速能力还没有一致的规定，采用较多的是最高档或次高档由3 0 k m h 或 4 0 k m h 全力加速行驶至某一高速所需的时间【5 1 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 爬坡性能 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表示的。显然， 最大爬坡度是指i 档最大爬坡度。轿车的最高车速大，加速时间短，经常在较好 的道路上行驶，一般不强调它的爬坡能力；然而，它的i 档加速能力大，故爬坡 能力也强。货车在各种地区的各种道路上行驶，所以必须具有足够的爬坡能力， 一般i m 瓠在3 0 1 1 1 1 6 7 0 。左右。更进一步说明的是：k 代表汽车的极限爬坡能力， 它应比实际行驶中遇到的道路最大爬坡度超出很多，这是因为应考虑到在实际坡 道行驶时，在坡道上停车后顺利起步加速、克服松软坡道路面的大阻力、克服坡 道上崎岖不平路面的局部大阻力等要求的缘故。 有的国家规定在一定的坡道上必须达到的车速来表明汽车的爬坡能力。控制 这个指标可以保证各种车辆的动力性相差不致太悬殊以维持路面上各种车辆畅通 行驶。如要求单车在3 的坡道上能以6 0 k m h 的车速行驶，汽车在2 的坡道上能 以5 0 k r n h 的车速行驶。美国规定新一代轿车的爬坡能力为：在e p a 试验规定的 质量下，应能以1 0 4 k m h 的车速通过6 的坡道，而在满载时车速则不能低于 8 0 k m h 。 2 2 汽车燃油经济性评价 汽车的燃油经济性是指在保证动力性的条件下，汽车以尽量少的燃油消耗量 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。 2 2 1 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，以最高档在水平良好路面上等速行驶1 0 0 k m 的 燃油消耗量。通常测出每隔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， 然后在图上连成曲线，称为等速百公里燃油消耗量曲线，用它来评价汽车的燃油 经济性。但是，这种评价方法并没有全面反映汽车的实际行驶工况，特别是市区 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 拟实际汽车运行状况，并以其百公里燃油消耗量来评定相应行驶工况的燃油经济 性。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 多工况循环行驶燃油经济性 汽车多工况循环行驶，是在大量进行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。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。 自7 0 年代起，各国为了能正确地模拟汽车行驶工况，在测定汽车典型使用工 况的基础上，制定了各种试验规范，如联合国欧洲经济委员会颁布的e c e l 5 循环 工况，美国环境保护局( e p a ) 制定市循环工况( u d d s ) 及公路循环工况( h w f e t ) ， 美国汽车工程师学会s a e 制订的燃油经济性测量道路试验程序j 1 0 8 2 b ，日本的十 工况和十一工况试验循环，中国的载货汽车六工况试验循环j b 3 3 5 2 、城市客车四 工况试验循环j b 3 9 7 2 等。 欧洲经济委员会( c e c ) 规定，要测量车速为9 0k m h 和1 2 0k m h 的等速百 公里燃油消耗量和按e c e r 1 5 循环工况的百公里燃油消耗量，并各取1 3 相加作 为混合百公里燃油消耗量来评定汽车燃油经济性。美国环境保护局( e p a ) 规定， 要测量市内循环工况( u d d s ) 及公路循环工况( h w f e t ) 的燃油经济性，并按 下式计算综合燃油经济性( 单位为m i l e g a l ) 1 5 综合燃油经济性= 瓦霸二1 殍百一 - 、- 4 、 城市循环工况燃油经济性公路循环工况燃油经济性 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，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5 0 0 m 的加 速油耗作为单项评价指标，以循环工况燃油消耗量作为综合性评价指标。 循环工况规定了速度一时间行驶规范，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，一般规定在室内测功器( 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均很简单。 2 2 3 汽车燃油消耗量的测定 汽车的燃油经济性是用汽车的单位行驶里程所消耗的燃油量来衡量的。汽车 在实际使用中工作状态的变化非常复杂，为了测量出反映汽车实际使用特点的燃 油消耗量，人们针对不同车型，对大量的行驶工况进行了统计和分析，制定出了 一套针对不同车型按不同的行驶工况运行的燃油消耗量试验方法，归纳为1 5 工况 法、1 0 工况法、6 工况法、4 工况法等燃油消耗量试验方法，各工况试验方法如表 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 。多工况试验方法是按汽车实际运行工况统计分析而制定出的一种试验规范， 它是与汽车的实际使用工况接近的，以此方法来进行汽车燃油经济性分析具有真 实性和准确性。本文仿真使用的车辆为微型汽车，故采用1 0 工况燃油消耗量试验 方法，试验时载荷为空载加两名乘员。 表2 1 多工况燃油消耗量试验方法 工况每一循环平均车速 装载质量 适用范围 名称距离( m )( k m h ) 规定乘员数的 轿车和总质量小于 1 5 工况 1 0 1 3 3 2 7 o 一半( 取整) 3 5 0 0 k g 的货车 1 0 工况 6 6 3 72 3 1 空载加两名乘员微型汽车 总质量大于3 5 0 0 k g 的货 6 工况 1 0 7 5 3 9 6满载 车和客车( 城市客车除外) 4 工况7 0 01 9 5 总质量的6 5 城市客车 2 3 汽车动力性、燃油经济性的综合评价 由内燃机原理和汽车理论可知，现有的汽车动力性和燃料经济性指标是相互 矛盾的，因为动力性好，特别是汽车加速度和爬坡性能好，一般要求汽车稳定行 驶的后备功率大；但是对于燃料经济性来说，后备功率增大，必然降低发动机的 负荷率，从而使燃料经济性变差。从汽车使用要求来看，既不可脱离汽车燃料经 济性来孤立地追求动力性，也不能脱离动力性来孤立地追求燃料经济性，最佳的 设计方案是在汽车的动力性与燃料经济性之间取得最佳折中。目前，在进行动力 传动系统优化匹配时，一般应用多工况燃料经济性或汽车原地起步连续换档加速 时间与多工况燃料经济性的加权值作为综合评价指标，而这些指标实际上是汽车 基本性能指标，并不能定量反映汽车动力传动系统的匹配完善程度，也不能提示 动力传动系统改善的潜力和途径。汽车动力性燃料经济性的综合评价指标，应该 能定量反映汽车动力传动系统匹配的程度，能够反映汽车实际行驶工况所对应的 发动机工况与其理想工况的差异，能够反映动力传动系统改善的潜力。 ( 1 ) 动力性能发挥程度的评价指标一驱动功率损失率。在行驶档位一定的情 况下，驱动功率损失率表示实际汽车动力传动系统特性与理想的动力传动系的差 距，反映了汽车动力性的大小与汽车动力性能发挥程度。其值越小，发动机与传 动系统在动力性能方面匹配得越好。 ( 2 ) 经济性能发挥程度的评价指标一有效效率利用率。有效效率利用率为发 动机常用工况平均有效效率与经济区有效效率的比值。有效效率利用率能够反映 9 武汉理工大学硕士学位论文 出发动机经济性能发挥程度，其值越大，发动机与传动系在经济性能方面匹配得 越好。 ( 3 ) 汽车动力传动系统匹配的综合指标一汽车能量利用率。汽车的能量利用 率是一个新的概念。这个指标把发动机和底盘的固有特性与汽车实际行驶条件相 接合，既反映汽车具有的能力，又反映了汽车的实际使用效果，因此用它作为汽 车动力传动系统合理匹配综合评价指标，既反映汽车动力传动系统与使用工况的 匹配程度，又能提示动力传动系统改善的潜力和途径【6 】。 2 3 1 驱动功率损失 驱动力是由发动机的转矩经传动系传至驱动轮上得到的。有了汽车的发动机 外特性曲线、传动系的传动比、传动效率、车轮半径等参数后，就可以求出各档 的驱动力f t 值，再根据发动机转速与汽车行驶速度之间的转换关系求出速度u a 。 f ：玉盟銎( 2 - 1 ) ， “：竺：! z z ! s ( 2 2 ) “。= k z 。z ， l 譬l o 式中，乙为发动机有效转矩( n 肌) ；f g ，分别为变速器和主减速器传动比； r i 。为传动系传动效率；r 为轮胎滚动半径( m ) ；毗为发动机转速( r r a i n ) ；f 。 为汽车驱动力( n ) ；u 。为汽车的行驶速度( k m h ) 。 图2 1 驱动特性曲线 图2 1 为装有四档变速器的汽车驱动力与车速关系图，曲线上方的区域为因 发动机功率所限汽车不能达到的工作范围，下方的阴影部工作区。在汽车前进档 数一定的条件下，优选变速器各档的传特性最接近理想特性，即图2 1 阴影面积 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 最小。 对于n 档变速器，第j 档时车轮驱动力：，= 墨正业( 1 j n ) ； 其中发动机的转矩t t q 可用多项式表示为： m = a k 刀： ( 2 3 ) 式中，m 为发动机转矩模型中多项式的阶数；出为多项式的系数。 则第j 档时驱动力f t 在驱动力车速图中所围面积为： 即也：r 鼍竺： 0 3 7 7r m 川k + l 一刀k + 1 ) 口i ( 七+ 1 ) r ( 2 - 4 ) 令钆：0 3 7 7 r t a k ，则n 档变速器各档驱动力曲线的面积和为： 喜c e ( “) 也= 否n 荟m 瓯( ，z 川k + l 一咒，k + 1 ) ( 2 5 ) 而理想特性应使发动机在任何车速下都能发出最大功率，这种具有理想特性 的汽车变速器传动比应随车速u a 按下式规律变化： f g = 塑马生 ( 2 _ 6 ) 一一 l z b ， u 口1 0 因此，理想特性的驱动力如下： f ：竺：! 二二三! 坠( 2 - 7 ) u4 式中：乙为发动机最大功率时转矩( n m ) ；疗，为发动机最大功率时转速 ( r m i n ) 。则理想驱动力曲线下覆盖的面积： 聃也= 华如一o 3 7 7 t p n t , r l , h 百u u + l 悟8 ， 嘲， 电j“ 定义驱动功率损失率刁p 为： 耻一： 0 3 7 7 t ，n p r p 1 i l 盟一窆芝瓯喇一蚋 0 3 7 7 t p n p r p i n “u + 1 1 ( 2 - 9 ) 式中：n j ，力川发动机在第，+ 1 档时的转速工作范围。 驱动功率损失率反映了实际汽车动力传动系特性与理想的动力传动系的差 距，也能够反映汽车动力性的大小与汽车动力性能发挥程度。值越小，发动机 1 l 武汉理工大学硕士学位论文 与传动系统在动力性能方面匹配得越好。 2 3 2 有效效率损失 对于汽车发动机而言，其实际使用工况位于以转速和负荷( 扭矩) 构成的二 维平面内，其燃油消耗率不仅取决于该二维平面区域的位置、形状、大小，而且 取决于不同区域的持续时间，从经济性角度考虑，希望内燃机工作在经济区域内。 发动机燃油消耗率表示发动机将化学能转化为有效功的效率，内燃机的有效 效率仉与燃油消耗率g 。之间存在如下关系： 巧。：三：鱼兰! q ： ( 2 1 0 ) i u 刁。2 万一 kz 一 】h g p 式中：日。为燃油的低热值( k j k g ) ，汽油h 。= 4 3 9 6 1 4 k j k g ，柴油 h 。= 4 2 4 9 6 k j k g 。 内燃机有效效率r ，的最大值出现在理想的发动机工作区，也就是燃油消耗率 最低区。而在实际行驶条件下，汽车发动机能不能经常工作在发动机的理想工作 区( 经济区) ，不仅与汽车行驶工况有关，而且还与传动系参数和发动机本身的特 性有关。 汽车常用行驶工况可以应用数理统计方法对工况进行统计测定和随机模拟获 得，进而可以确定发动机的常用工况。如已知汽车常用工况为速度u 。u 。：和驱 动力e ，e ：所包围的区域，由下式可以推知发动机常用工况为转速u 订“。：和转 矩疋。疋：所包围的区域。 万。：坐 ( 2 一1 1 ) 0 3 7 7 厂 z = 9 5 4 9 f , u ( 2 - 1 2 ) 7 7 f 咒e 当发动机的常用工况覆盖经济区时，这时发动机的经济性能得到最大发挥， 汽车也有最佳的使用经济区，从这个角度出发，可获得发动机经济性能发挥程度 的评价指标。 发动机在常用工况下平均燃油消耗率玩可由下式求得 t 驴b 。( 刀d ，t 巧) f = 型七- 下一 ( 2 1 3 ) t 矿 i = i - ，= i 式中：也q d ，乙) 为发动机比燃油消耗数学模型；乇为发动机在转速和扭矩 乃下的工作时间( s ) ：m 、r 1 分别为发动机转速和扭矩的分段数。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 设发动机经济区比燃油消耗率为k ，则根据式( 2 1 0 ) ，由发动机经济区有 效效率与常用工况平均有效效率r 。，可定义发动机有效效率损失率品为： 善g = 业= 避 ( 2 1 4 ) l | ge 发动机有效效率损失率磊能够反映发动机经济性能发挥程度，先值越小，发 动机与传动系在经济性能方面匹配的越好。在进行经济性匹配时有两种途径，一 是优化传动系参数，比如调整变速比；二是改善发动机的油耗特性场，使得发动 机的最佳经济区位于汽车行驶过程中经常对应的区域。 2 3 3 汽车能量利用率 汽车的能量利用率是指燃料的化学能转化为汽车有用功的效率。一辆汽车的 客观功用