（车辆工程专业论文）汽车动力传动系计算仿真及参数优化设计.pdf

汽车动山传动累计算仿真及参数优化设计 摘要 汽车酶传动系对整车的动力性和燃浦经济往存很大的影响，敌传动系参数的 确定或为汽车设计中一个羹要瓣缀残部分。本论文主要磅究的是瓣侮将线 芑瓣划 理论弓l 入到汽车传动系参数设计当中，以实现汽车发动机与传动系的最佳匹配， 达到充分发挥汽车整车性能的目的，并以此为基础，开发出一套汽车传动系参数 优化设计系统。 本文首先对瑶有汽车韵力褴与燃油经济性评徐指标逶行论述和分末蓐，并撵密 了一套综合评价汽车动力性燃油经爨蛙的据橱终系，这些评娩据搀媳确定，解决 了以往评价指标的不适宜性，熨好地反映了汽车动力性、燃油经济性的发挥程度。 建立了发动机数学模型，总结出便于计算机实现的汽车动力性燃油经济性各项评 价指标的模拟计算方注。在此基础之上，基于优化设计的壤论，良原圭氇起步连续 换裆热遽辩闺葙多王、揽镊繇篌掰漓耗作为鬻爨费力惶秘燃 辔经济豹薄令分馨标， 采弼线姓加权组台鲍方法垮其转换成单一垦拣函数，建立了汽车动力传动系优化 数学模型，并选用合适的优化簿法对其进行求解。 基于以上理论，采用v b ( v i s u a lb a s i c ) 与m a t l a b 混合编程的方法开发了汽车 传渤系参数优纯设计系统。该系统操律筒单、其有穰强的入祝对话髓力。本系统 豫矮有傀纯转动系参数的功憝辨，逐愁辩汽车熬动力性能秘燃涵经游性能善矮评 价指标进行模拟计算。 最后以哈飞汽车有限公司的路瀣h f j 7 1 1 0 轿车为实例，对其各i ! j i 性能指桥进 行了模拟计算，并对其传动系参数进行了优化，通过对优纯前后整车性能的对比 分丰斤，疆证了该系统的实瑁性与可靠往，著藏魏系统潞袋静不足之她提密了菠遴 建议。 关键词：动力传动系统；优化；动力性：燃油经济性 秘 硕七学位论文 a b s t r a c t t h ep o w e rt r a i nh a sg r e a ti n f l u e n c eo na u t o m o b i l e 7 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 fa n a u t o m o b i l e i nt h i sp a p e r ，t h eo p t i m i z a t i o nt h e o r yi su s e di nt h ed e s i g no ft h ep o w e r t r a i ni no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea u t o m o b i l e ，a n das u i to fs o f t w a r e a b o u tt h i si sd e s i g n e d f i r s t l y ，t h ep a p e rd i s c u s s e st 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 r p 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 ，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 e e v a l u a t i o nt h a te s t i m a t et h ea u t o m o b i l e s p o w e rp e r f o r m a n c e a n de c o n o m y p 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 s p e r f o r m a n c eb e t w e e nt h er e a lw 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 e e n g i n e ，f u r t h e r m o r e ，i te v i n c e st h ep o t e n e ea n dt h ew a yt oi m p r o v et h ep o w e r p 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 t h e ns u m m a r i z e st h ec a l c u l a t i n gm e t h o d s o ft h e p 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 ，w h i c hc a nb er e a l i z e db y t h ec o m p u t e re a s i l y i n t r o d u c e st h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h ea u t o m o b i l ep o w e rt r a i n b a s e do nt h i s ，u s e st h eo r i g i nu n d e r w a ya c c e l e r a t et i m ea n dt h eo i lc o n s u m p t i o na tt h e c y c l e o f m u l t i w o r k i n gc o n d i t i o n s a st h e o b j e c t i v e f u n c t i o n so ft h e p o w e r p 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 er e s p e c t i v e l y ，a n dt h e nt r a n s f o r m si ti n t oa s i n g l eo b i e c t i v ef u n c t i o nb yu s i n gt h el i n e a ra d d i n g e s t a b l i s h i n gt h eo p t i m i z a t i o n m a t h e m a t i c a lm o d e lb e t w e e nt h ee 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 ，l a s t l y ， s o l v e si tw i t ht h ec o m p l e xa l g o r i t h m ，w h i c hf i n d i n go u tt h ep r i m ep a r a m e t e ro ft h e p o w e rt r a i nt oi m p r o v et h ei n t e g e rp e r f o r m a n c eo ft h ea u t o m o b i l e b a s e do na b o v et h e o r y ，u s e sv b ( v i s u a lb a s i c ) a n dm a t l a ba sat o o lt o d e v e l o p t h es o f t w a r eo ft h et r a n s m i s s i o np a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n ，i th a sav e r y f r i e n d l y i n t e r f a c e ，a n dc a nb eo p e r a t e de a s i l y e x c e p tt h eo p t i m i z a t i o nf u n c t i o n ，t h es o f t w a r e a l s oc a nc a l c u l a t e s t 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 e a u t o m o b i l e a tt h ee n do ft h ep a p e r ，t h ea u t h o ru s e st h es o f t w a r et oc a l c u l a t eb yt h ee x a m p l e o fl u b a oh f j 7110c a r ，t h e na n a l y s e st 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 e p r a c t i c a l i t yo ft h 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 i l w 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 rt r a i n ；o p t i m i z a t i o n p o w e r p e r f o r m a n c e ：e c o n o m yp e r f o r m a n c e l 拄 汽车动力传动累计算仿真及参数优化设计 符号表 挪汽车旗爨 g 汽车重懿 g 雯力船遮疫 r 汽车轮胎滚动、p 径 撬传动效攀 ，滚动阻力系数 同类汽零滚砖阻力系数的最佳农乎 c 。空气阻力系数 艿汽车旋转质量换算系数 q 燃油消耗量 g 一一怠速燃油消耗攀 y 燃油重度 日。燃油的低热值 b 。发动机燃油消耗率 够道路附蛰系数 j ，车轮转动惯量 i t b 轮转动惯量 “。一一汽乍车速 “。，汽午平均车速 口汽车行驶加速度 “、汽车行驶平均加谜度 艏。发动机转矩 吖发动机最大转矩 m 。发动机最大功率点转雏 n ，发动机转速 打。发动机最大转矩点转速 t v 嚣。发动壤最大功率点转速 h 发动机最高转速 毽m 槛发动规壤低转速 p 发动机功率 糸主减速器甓动比 l 变速器i 档传动比 。，变速器i l 糨传动魄 f 。变速器i i i 梢传动比 ! 。4 变速器档传动眈 f 。5 变速器v 档传动比 最汽车驱动力 凡汽车滚动阻力 露汽车空气阻力 f 汽车坡度阻力 f 汽车加速阻力 掰道路坡度缃 d 动力因数 d 轮辋直径 b 轮缘宽 丑轮胎变形系数 拧。驱动功率损失率 玉发动机有效效率损失率 堍汽车的能量利用率 玑内燃视的有效效率 桡发动机指标效率 发动机机械效率 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所璺交的论文是本人谯导师的指鼯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弓l 熙的内容於，本论文不包含任何其 l 也个人或集体已经发表线撰写的成果 乍晶。对本文懿研究傲密重要贡献的个 人窝集体，均已在文中以翳确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本久承担。 作者签名：至蔽日期：撕争月勰目 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 梭保留并向菌家有关部门或杌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 数据席进行检索，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。 本学位论文爝予 l 、保密d ，在年解密聪逶蹋本授权书。 2 、不绦密留。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导烦签名： z 薇 曰期：巧年4 月动日 隰删年垆班 1 1 课题研究的目的和意义 第1 章绪论 汽车，作为现代交通运输工具，随着它的保有量的不断增加，人们对其性能 也提出了越来越高的要求。特别是进入2 l 世纪，汽车更向节能型、环保型的方向 发展。在汽车运输成本中，燃料消耗占2 0 3 0 。随着国民经济的增长和交通 运输业的发展，能源矛盾曰益突出。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。 自7 0 年代世界范围的能源危机发生后，各国汽车界都被迫努力降低燃油消 耗，主要采取了以下措施”“1 ： 1 提高汽车行驶效率 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 底盘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；前置发动机、前轮驱动化。 ( 3 ) 提高驱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 ( 1 ) 改进现有发动机通过改善燃烧，减少冷却损失以提高热效率；采用可 变气门定时、变排量技术以及改善部分负荷性能；通过降低运转部件的摩擦和发 动机辅助设备的损失以提高机械效率；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。 ( 2 ) 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 ( 1 ) 利用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。 ( 2 ) 利用代用燃料采用外燃机燃烧低质燃油；利用乙醇、甲醇等合成燃料。 ( 3 ) 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 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 传动系型式及参数的选择变速器的型式、速比范围、档位数、速比问 汽车动力传动系计算仿真及参数优化设计 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油消耗，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“ 1 “。 然而，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。往往是一流的内燃机加上一流的底盘不一定等于一流的汽车。其 中的关键是“匹配”问题。据文献资料表明”3 ：目前大部分车用内燃机均工作在远 离最佳经济油耗区。在发动机整个持续工作时间内其平均工作效率仅为1 1 1 8 ， 而对于四冲程汽车发动机而言，其最佳效率为3 0 3 5 。这主要是由于发动机与 传动系参数匹配不当所造成的。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 课题国内外研究概况 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： 2 硬士学位论文 ( 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 是这些参数作微小变他时，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，而计算平凡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 求解的线住或非线性系统的徽分方稔组，采用电予计算机和现代数值计算方法以 后，就可黻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 播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 ) 它能按预寇的程净模拟各种行驶工况，包括瞬变的非稳定工况，因而能全 面魂预测汽车在各种工况下的动力槛和燃科经济性。 ( 4 ) 它能在很籁时间内对大量的设计方案迸行运算，查明这些方案和参数对汽 车髋麓的影晌，有助予设计九员缀快地找到比较有利的设计方案和匹配参数。 由貌可觅，计算梳模叛计算方法是汽车总布置设计的有力工其，它不仅能分 柝和预涌汽车的动力後和燃油经济毪，瓶且能运用于设计的综台，即根据预定的 住靛指标帮技术要求找出最僚的设计参数。 1 9 7 2 年，荚国遥掰汽车公司酋先开发了汽车动力性与燃油经济性的通用预测 程侉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 e 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 ) ，该程序帮琶圭模拟汽车在任何行驶工况下的瞬时油耗、累积油耗、行 鹱辩阉释距离，预测汽车设计参数如重爨、传动系速眈、空气阻力系数等的变化 对魅能豹影螭。窀予计算梳韵应孀和溅试手段的提商，使通过模拟计算和试验相 结合静方法来研究汽率动力话动系统匿鬣问题戒为w 能。翻前，国外备大汽车公 霉奁这方甏傲了大量靛研究工作，并开发了各裔的模瓠程净，除美国通用汽车公 司鲶g p s i m 外，还裔福特汽车公司的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 p r o g r a m ) ，美甏藤明新公司静v m s ( v e h i e l em i s s i o ns i m u l a t i o n ) ，美阐交通部的 v e h s i m ，鑫本目产汽车公司的c s v f e p ，德国奢弛汽车公司豹t r a s c o 等。这 些程序静使雳强样车露造翁裁缝壤确缝瓣汽车动力健燃料经济往进行预测，并可 以凝据几糖传动系速毙静交能弓l 超整车毪能豹交纯。找蓟这释交诧问的关系，形 戏“最德动力性、燃料经济牲鲢线”帮“c 蘸线”，放褥找到熊与所选发动机台毽匹 配的转动系，邋榉裁霹鞋节省大鼙赘试验费耀，缩疆设计髑期。 7 0 年代中后期，欧美器国主簧透过藏夺变邃器释驱动轿静传动滋来改善爨油 经漭佳，毽两黠蹲 氛了动力镁。8 8 年代拐，为了满怒弱户掇崮躺裔效率、高燃滴 经滚牲麴要求，动力传动系统王程辉邋过减夺汽车尺寸帮发韵枫撵爨遮到魏晷的。 基8 0 年代嚣期开始，随着逛予技术救发鼹，擞敷予技术逐渐应媚予这一领域，主 爱体瑷在发动极最佳运行_ i 嚣戆选择稠瞧子控制，叛及汽车无缀交邃系统靛设计 与枧域变速嚣豹垂动按刳等。 我强在这方露职究起步较晚，进入8 年代矮，一些科磷擎位帮高校开展了这 ：= ：= = ! 。! ：! ：一= = = ：= ! 纛耋耋尘篁耋i 垒垒圣璧圣i 漶鍪堡些鍪塞：一：= 。 ：= ： 方面的研究工作，并己取得了一些成果。如：长春汽车研究所的汽车燃料经济 性动力性模拟程序及动力传动系统合理匹配的研究，清华大学的动力性燃料 经济性电子计算机模拟计算程序，江苏理工大学的汽车动力传动系统最佳匹 配理论与方法，吉林工激大学的载货汽车燃辩经济性的训箨枫模拟，西安 公路学浚豹汽车藜力戆燃糕经济淫摸蒙与主减速器速毪饶纯蕊疆交等。嚣蔷誊， 国内汽车界主要是围绕以下几个方面开展工作的：( 1 ) 汽车动力传动系数学模型的 研究：( 2 ) 按给定工况模式的模拟研究；( 3 ) 按实际道路条件随机模拟的研究；( 4 ) 模拟程序的应用研究。 近年来，各国学者隧绕麓发动机和传动系的匹配评价进行了探讨。有些文献 醴发凌羧经常工馋速戆位饕与经滚工箨嚣豹稳怼蕴萋骰定淫译价，帮薅发动瓤经 常工作区函在发动机的万肖特性图上，通过它相对于经济工 笮嚣的远近来评价发 动机与传动系匹配的好环。这种方法直观，假使用不便，无法猩优化计算中应用。 也有的学者提出经济区接j 垃系数的概念，所谓经济区接近系数，即发动机常用工 作区各点燃油消耗率与理憋工作区内各点使粥概率加权后的均德。这萃中评价方法， 只是获燃 蜜经滂毪方瑶考纛发动捷与簧葫系黢酝懿磐坏。蘩苏联学者a a 亭乏卡别 夫褥撬嵩燃油经济性和提离生产率看成一个阋题，提出班汽车使羽毙成本、燃辩 速度指标和汽车比生产率作为汽车速度性能朔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，使用勰来也不方便。 通过文献检索分析，现有的研究有以下特点： ( 1 ) 汽事囊力淫、燃i 鑫经济穗豹摸羧诗舞方法与霞毯理谂是经簧邃痤矮予汽车 动力传幼系统嚣配静磷究之中。 ( 2 1 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， 基本上邂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。 f 3 汽车动力传魂系绫的捷镬二嚣配主要楚镣虢系参鼗筑纯。葵方法善逮是以汽 车动力渡麓为约束条静，多工况燃涵经济性为秘标，没有考虑套稀不同汽车豹行 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，绒 为汽车原地起步连续换档加速时间。 ( 5 ) 汽车魂力往帮燃演缀浚牲在一定袭 拳下是鞠互矛霪戆，羧竣，理有豹汽车 传动系参数往亿方法还不胃能使两者都遮爨最傀。 1 3 本文的主要研究内容 本文研究了汽车动力传动系数学模型、车辆动力性与燃油缀济性的模拟计算 方法，在 龟基磴之上，建立了汽车蕊动系参数饶讫数学攘墅，液建复合形法对其 4 求解，找出最佳的传动系参数。并引a m a t r i x v bc o m 组件将m a t l a b 与v b 有效地 结合怒来，采用混合编程的方法开发了一套汽车传渤系参数优化悉统，并以哙飞汽 车股份有限公司的路宝h f j 7 1 1 0 轿车为实例进行了模拟计算。 本文主要完成了以下工作： ( 1 ) 对现有汽车动力性与燃油经济性评价指标进行论逑和分析，并提出汽车动 力性、燃油经济性的综合评价指标体系。 ( 2 ) 汽车动力传动系是汽车的重要组成部分，对汽车的动力性、燃油经济性商 很大影响。建立了汽车动力传动系数学模裂，在此基础之上，概括总结融汽车动 力性燃油经济性各项评价指标的模 i 计算方法。 ( 3 ) 以原地起步逡续换档加速时间和多王况循环使用浊耗作为筏量动力性和 燃油缀济的两个分秘标，采弼线性加权组合的方法将其转换成单一目标涵数，建 立汽车传动系参数优化数学模型。 ( 4 ) 基予上述方法，引入m a t r i xv bc o m 组件，将v b 与m a t l a b 有效地结合 起来避行混合编程，开发出汽车动力传动系参数优化设计系统。 f 5 ) 弱弱该系统对路宝h f j 7 1 1 0 轿车的动力往和燃油经济性各项评价指标进行 模拟计算，并对其传动系参数进行优化设谜，通过对优化前后汽车整车性能的对 毙分祈，验诞了该优化模型的精确褴。 ： =垒耋銎垄丝垫至童塞望量圣叁鍪些些量茎 第2 章汽车动力性燃油经济性综合评价 汽车动力传动系模拟优化的关键是确定汽车动力传动系统匹配的评价指标。 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。汽车的动力性系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。 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以下i 方 面的指标来评定”“。 2 1 - l 最高车速 最高车速是指在水平良好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。 现代轿车的最高车速一般在1 2 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 r n ，h 之间。 2 1 2 爬坡性能 汽车的上坡能力是h j 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。 有的国家规定在常遇到的坡道上，阻汽车必须保证的车速来表明它的爬坡能 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利- 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，汽车列车存 2 的坡道上能以5 0 k m h 的车速行驶。 2 1 3 加速性能 加速性能对汽车平均行驶速度有着很大影响，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丌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问与超车加速时间来表示汽车的加速性能。原地起步 通常用原地起步加速时问与超车加速时间来表示汽车的加速性能。原地起步 硕士学位论文 魏速辩阗是掺汽车麦第l 档或第l l 接莛步，劳鞋袋大戆热逡强度( 惫括选择稔当 的换档时机) 逐步换至最高档后捌某一预定的距离威车速所需的时间。超车加速 时间怒指用最蕊档或次蕊档由某一较低车速全力搬速至某一离速赝嚣的时闻。 2 2 汽车燃油经济性评价 石滴是裁代工堑，特稍是交遵运输静主要戆源。节约汽车瑶然溃楚汽车翻造 业和汽车运输业中的一个重要任务。从以最少的燃油消耗完成尽可能多的运输量 的鼹点蹬发，汽车斡燃淫经济挫豢援一定运孬工援下汽车行驶嚣公羹熬燃油瀵糕 量或一定燃油凝能使汽车行驶的艉程来衡艇。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，它指汽车在额定载荷下，以最 高挡在东平蘸籍鼹瑶上等速行骏1 0 0 k m 静燃涵漕耗爨。逶常溺出每鞴1 0 k m h 藏 2 0 k m h 速度间隔的等速百公里燃油消耗墩，然后在图上连成曲线，称为等速酉 公里燃渡淡耗爨燕线。以它寒谨徐汽车弱燃油经滂性。 但是，这种评价方法不仅没裔反映出汽车实际行驶中受工况经常变化的影响， 特别怒市区行驶中频繁出现的加蟪、减速、怠速、停车等行驶工况，而且在分析 如图2 1 所示静a ，b 两秣汽车静经济特瞧孵，难疆确定究煮耀耱汽车在实际使用 中燃油经济性较好。 nt 图2 。i 两种汽车燃油经济褴对沈 2 2 2 多工况行驶循环燃油经济性 等速行驶工况著没脊全面炭欧汽车的实际运行情况。汽车多工况循环模式， 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 环试验巍范获褥装汽车燃灌经涝镶更接i 凌蜜嚣嚣驶敬嚣。 多工况包括加速、减速、等涟以及怠速等工况，分别计算出各段的油耗褥累 加起来，并以这些试验循坯的百公里油耗爨来评定帽应行驶工猿的燃浊经济燃。 汽车动力传动系计算仿真及参数优证设计 自7 0 年代起，各国为了能正确地模撩汽车行驶工况，在测定汽车典型使用工 况的基础上，制定了各种试验规范，如联合阁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 带o 定市区循环工况u d d s 及公路循环：= | ：= 况h w f e t ，美国 汽车工程师学会s a e 镯j 订的燃油经济性测量遥鼹试验程序j 1 0 8 2 b ，霜本的十工况 蠢卡王况试验簇饔，孛溺豹载货汽车六工凝试验褥琴j b 3 3 5 2 、簸枣客车霆工凌 试验循环1 8 3 9 7 2 等。 欧洲经济委员会( c e c ) 规定，要测量车速为9 0 k m h 和1 2 0 k m h 的等速百公里 燃油消耗照和按e c e r 1 5 循环工况的百公里燃油消耗量，并各取l 3 相加作为混合 百公壁燃油消耗量来评定汽车燃油经济性。荧图环境保护n ( e p a ) 溉定，要测量 毒内循环z 援( u d d s ) 及公路捱环王嚣珏搭笋嚣下) 熬爨洼经济毪( 擎斑为每螽仑爨漕 汽车行驶英里数m i l e g a l ) ，并按下式计算综合燃油经济性( 单位为m i l e g a l ) ，综合 燃油经济性= i + 1 晶f ，以它作为燃油经济性的u ，u 珥) 城市循环燃油缀济性公路循环燃油经济性 综合评傍撩标。我嚣也裁定了簧车与客车懿爨主移驶霉垂巧工瀵，还溪定疆等速酉 公里燃濑溺耗量和最高档金油门热速行驶5 0 0 m 的加速油耗作为肇颈评价指标， 以循环工况燃油消耗量作为综合性评价指标。 循环工况规定了车速一时间行驶规范，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 鼓试验食) 主送行淫试。蠢麓定在路上送行试验戆矮繇工猿均缀麓零。 2 2 3 汽车燃泊瀵耗量的测定 汽车的燃油经济性是用汽车的单位行驶熙程所消耗的燃油鬣来衡量的。汽车 在实际使用中工作状态的变化非常复杂，为了测薰出反映汽车实际使用特点的燃 漓消耗爨，人们针对不潮率型，对大量的行驶王凌进嚣了统计鞠分板，裁定出了 一套钢。簿不霜车登按不嚣熬季予驳工嚣运行静煞溪渣耗量试验方法”“，扫缡为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2 1 。多工况试验方法是按汽车实际趱行工况统计分析丽制定出的一种试 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 板具有其实往和准确性。零文蛉模揪使用的车辆黄轿车，故采用i 5 工猿燃油消耗 量试验方法( 魏表2 2 ) 。它横掇市区交逶滤量稳警大辩戆毽瑟王魄，透弼予轿车耪 总质量小于3 5 0 0 k g 的载赞汽车的油耗试验。试验时载荷为规定硪员数的一半( 淑 整数) 。 硕士学位论文 表2 1 多工况燃演漕耗羹没验方法 工况糠一循环平均车速 装载质量适用范阐 瘴| ；称 溉离( m ) ( k m h 、 娥定乘员数 轿车耱蒽凄量小于3 5 0 0 k g 瓣 1 5 王嚣 l o 3 。3 2 7 。0 载费汽车 静一半( 鞭整数) 1 0 工况 6 6 3 72 3 1 空载加两名乘员微型汽率 6 王况1 0 7 5 1 11 7 03 9 6 ，3 9 5满载 总质攮大于3 5 0 0 堙的载赞汽 车帮除城赘客车戳辫豹其氇客车 4 工况 7 0 01 9 5 总质擐的6 5 城市客车 袭2 , 21 5 工况试验循环 车逋 程痔时闻工溅辩滴累计时淹 挡使 程序号运转次序 ( m s 2 ) ( k i n h ) ( s )( s )( s ) 工挽 热速瘦 序号 1怠速11 11 11 l 2宓瑶速2l 。0 4o 1 5 霹 41 5； 3匀速 31 5882 3l 4 减速 0 6 915 1 022 5i 。 减速 45 0 9 2l o b 0 32 8 + 。 ( 嵩合器脱开) 6 怠速 52 l2 l4 9 7加速o s 3o 1 555 4l 8 挨档 621 25 6i i 9加速0 9 41 5 3 256 1i i 1 0匀逮7 3 2 2 4 2 48 5珏 1 l 减速 一o 7 53 2 1 089 3i 薹 1 2 ( 离燃开) 81 l 0 9 21 0 0 39 6 _ 1 3怠逮 92 l2 ll 7 1 4加速0 8 30 1 55 1 2 2i 1 5换档 21 2 4 1 6 粕速 l oo + 6 2 5 3 592 61 3 3 1 7换档 21 3 5 1 8加速o 5 2 3 5 5 081 4 3h i 转 鸳逮 l5 0 21 2 5 5i i i 2 0减速1 20 5 25 0 3 58 81 6 3i i i 2 1匀速1 33 5 1 31 31 7 6i i i 2 2 换档 21 7 8 2 3 减速 1 4 - 0 8 63 5 1 07 1 8 5 i i 1 2 2 4 ( 离嚣开) - 0 9 2 1 0 031 8 8 _ 2 5 怠速 1 577 9 5 2 3 汽车理想传动系与实际传动系的差别 汽车动力传动系统包括发动机、离合器、变滚器、传动轴、驱动桥和车轮等 9 汽车动力传动系计算仿真及参数拣化设计 部件，其中动力源为发动枧，葵功能是姆燃料的化学能转化为捉械裁；簧动系的 作潮楚调节输出转矩和转速醴邋应不丽路面的要求。 对于理想传动系来说，它能使汽车在大多数工况运行时寸，发动机处于经济区 j ：佟，这撑不仅能够绦涯发动撬的燃涵溅耗较毒，还可 盖减少发动壤霹传动袈鳇 磨损。由于汽车的使闵条件十分复杂，而发动机的理想工作区是限定在一定范围 内的，因此，要求传动系是一个连续可变的系统，以随着外界条件的变化改变传 动毙以滚足输入输窭黥需要。 理想动力传动系统在任车速下都能提供最大的功率只，它与汽车驱动力 只及车速群。蠢如下关系： f ， 只m “。揣 ( 2 - 1 ) 这里曩一为誊鼗，汽车囊凌力与车遮藏爱毙，掏残了双魏线。餐这静取楚线 还要受地面附着力的限制，当车速趋于零时，汽车的驱动力不会无限增大。汽车 最大驱动力瓦一要小予或等于娥蟊隧着力。另外，汽车还要受最高车速或动力装 置的最高转遽限制。因此，理憩动力传动系统的驱动力特髋可由下式给出。 式中：装有理怒传动系车轮不清转时最小速度( b - a h ) ： 。a m a x 装有理想传动系汽车的最高车速( k m h ) 。 典型戆发动撬癸婚往趋线懿霪2 。2 象示。装毒内熬凝夔汽车在诋逮辩后备功率 甚小，能提供的驱动力很小，这是由于发动机功攀在低转遮时很小的缘故。如果 不暇配变速器，只能通过很小的皱度。瓶理想传动系，如粜没有驸羲力的限制， 可黻克服任禽坡度。为了弥补与理想传动系的特性差异，出现了各种与之疆配的 传动系统，它们的作用是使汽车从静态起步，提供合适的驱动力，满足汽车的使 用 ：臻要求。 理想的传动系不仅使汽车的驱动特性满足实际的行驶器求，而鼠在任何条件 下都提供了使发动机猩最佳经济工况工佟的可能性。由发动枧的万有特性血线可 知，当汽车戳一定这发行驶时，诧对发动祝豹功率筵确定瀚，如采抟动系豹传动 比连续可变，可以找出一个转遗n 。，使燃油消耗率b 。最小。 遮时理爆传动系懿健动毖i 与发动搬瓣转速鲜。及行驶逮嶷壮。之阕夔关系为： i ：0 3 7 7 n , r ( 2 3 ) 材“ 接近理想传动系静方法哥戳分两大类：一是按熬个工 擘嚣域接近联怒传动系， 1 0 萄0 一 繇 v 如鳓如 飘0 姗。 l l 薯 顿士学位论文 莫方法憩幂 j 用传动系的潮裔特性( 如动液压传动和电传动) 接避理想传动系或利阁 自控原理与无极变速器接谶理想传动系，熟中最简单的形式魁采用有级齿轮传动 系，在镣个分区域中，以一个定值速比去接避该分区域所有理想值。 理想动力传动系驱动力特性哇 | 线由下式搦述： 巧：0 3 7 7m e 一 n p r l r 一( 2 4 ) “。 式中：雌。发动机最大功率时的转速( r r a i n ) ： m 。发动机避大功率时的转矩( n + m ) 。 圉2 2 理想传动系的驱动特性 装商理怒交速嚣豹汽茑三彝霆整交速器汽零驱动力籍鳇鏊线翔霭2 。3 搿示。搿 以看出，发动机匹配了豳槠变速器后，传动系的驱动特靛有了较大变化，在一定 程度上接近了理想传动系。阴影部分的面积越小，就越接近理想的传动系。若变 速器的传动比可以无级变化，则阴影部分可以完全消除。但对于机械变速器而言， 变速嚣只有几个档位，所以，阴影区不可熊竞全消除，但可以邋过选择适当的传 动览，後秘影整分熬嚣获最小，这蘸是动力簧动系酶爨建阉戆。 2 4 汽车动力性燃油经济性综合评价 汽车动力性和燃油经济性指标实际上楚栩互矛盾的。因为幼力性好特别是汽 车加速憔和爬坡性好，一般要求汽车稳定行馒的后备功率大，缎对予燃油经济性 寒说，嚣冬臻率壤大，爨然降低发动撬瓣受耱率，簌瑟镬燃漓经济性交差。款汽 车经掰戮求来看，即不可脱离汽车燃油经济健来孤立遣追求动力健。也不能脱离 动力性来孤立追求燃油经济性。因此，最佳的设计方案应是在汽车的动力性和燃 油经济性之间取得最佳折衷“。 目髓，在进行动力传动系统优化匹配时，一般用汽车多工况燃油消耗量或汽 车藏戆起步连续簌秽热遥瓣遮搏受评徐掺凝。毽鼓下盟壕综会浮份揍标遣裁定鬣 汽车瑚力传动系计算仿真及参数优化设计 反姨汽车动力传动系绞匹配懿程度，也毵够反映瓣发动搬秘力牲与燃辩经济 = 薹熬 发撵程度f l 】。 作为动力性、燃油经济性的综合评价指标，应该能定爨反映汽车动力传动系 嚣酝豹程霞，能够爱浃密发动梳动力毪、燃酒经济性豹发挥程度，缝够揭示汽车 实际行驶工况所对应的发动机工况与理想工况的藏异，能够揭示动力传动系改善 的漤力祁可憩的途径。 2 4 1 驱动功率损失率 汽车驱动力与车遽约关系鲡下； f ：m , i o i g r l ,( 2 5 ) f = 一 ( ) r n 。f 2 6 1 t z o j j0 j g 式巾：魃发动机有效转矩( n m ) j 。，毛分鬟为变速器霸主减速器传动比； 轨传动系传动效率； r 轮骚滚动拳径泌) ； n 。发动机转速( r m i n ) ； f 汽车驱动力( n ) ； “。汽车静彳亍驶速度( k m h ) 。 图2 3 为装有四档变速器的汽车驱动力与车遽关系图，曲线上方的区域为因 发动提功率获隈汽车不耱达到豹工痒落翳，下方豹骐彩部分为汽车驱动力损失熬 工作区。 在汽车前进档数一定的条件下，优选变速器备档的传动比使汽车的实际驱动 特瞧最接近璃怒待毪，郄圈2 3 阴影面积最小。 对于 档变速器，第_ ，档时车轮驱动力： f , j ：m j j l t 疆歹鼯) ( 2 7 ) r 其中，= i , 1 0 ，发动机转矩m 。可用多项式表示： m 。一吼”： ( 2 8 ) ；o 式中：辫发裁机转矩模型审多项式懿除数； 盯。多项式中系数。 硕七学位论文 = = 燃世= = = = 兰燃= = = = ! 燃= = = = = 黜燃兰= = = = 燃= 竺= = = = 烹燃：- -：= = 燃= ： ：= ! = 篁嚣= ：= = = 烹拦= 图2 3 驱动特性曲线 粼第歹爨辩驱动力置奁驱动力车速强中疆霭囊强为： “c j ( u ) d u = ( 2 9 ) 令魄：0 3 7 7 r , a , ，贝4 聆档变速器各档驱动力麴线的西积和为； 芝f “f j ( u ) d u 。妻芝巩( k + 。l n y ) ( 2 1 0 ) 丽理想特性应捷发动机在锓何车速下都能发浅最大功率，这种其有理想特性 的汽车变速器传动比应随车速虬按下式规律变化： j 。：0 3 _ 7 7 r n ,( 2 1 1 ) “l o u 口 因此，瑷想特性的驱动力如下： f ：0 3 7 7 m p n p r lf 2 1 2 1f = r 2 1 2 1 “口 式中：蚝发动毒 最大瑰率辩转矩( n + l n ) ； p 发动机缴大功率时转速( r r a i n ) 。 则理想驱动力曲线下覆盖的面积： 门妇=r半幽=0,377肘,nprl-inu_“+lml1 ( 2 _ 1 3 ) 州i “ 定义驱动功率损失率站。必： 汽车动力传动系计算仿真及参数优化设计 “只( “) 咖一砉r “一，一如 静5 再产。 * 0 3 7 7 m ，l n ( u 。u 。) 一钆( h 篙- - i , ，k “) ( 2 1 4 ) 式中：玎，h 。发动机在第，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