（动力机械及工程专业论文）汽车动力传动系统匹配优化应用研究.pdf

摘要 动力传动系统的匹配优化是提高汽车动力性，降低汽车燃油消耗和排放的重要措施之 一。本论文在充分研究国内外相关文献的基础上，紧密结合j m 汽车公司的动力传动系匹配 优化项目，在理论分析、模拟计算、试验研究和匹配优化应用等方面作了较深入的研究，简 要归纳如下： 1 ) 本文讨论了理想动力传动系与实际动力传动系的差别，系统地分析了发动机性能和整车 动力性、燃油经济性、排放性能的评价体系。提出以加权综合评价作为综合考虑汽车动 力性、燃油经济性和排放性能的指标。 2 ) 建立了发动机外特性模型、万有特性模型：从分析汽车行驶时的受力出发，建立了行驶 方程式；给出了燃油消耗方程式，详细阐述了多工况燃油消耗计算方法；在建立排放万 有特性基础上将多工况燃油消耗计算方法推广到了排气污染物的计算。 3 ) 本论文研究基于大量试验，主要包括发动机台架试验、滑行试验、整车道路试验，试验 数据详实。论文紧扣国家标准，详细地分析了试验结果和试验数据处理，并与模拟计算 结果进行了比较分析。 4 ) 由于国内技术开发薄弱，数据积累有限，计算参数的获取较困难。作为应用性研究，本 文结合整车道路试验详细探讨了滚动阻力系数、风阻系数等模拟计算参数的确定。 5 ) 本文应用整车模拟计算软件c r u i s e ，并进行二次开发，对j m 公司新车型的匹配作了 详尽的计算分析，指出了改进的方向，提出了一些优化方案。通过整车结构参数敏感性 的揭示了提高汽车性能的方向和潜力。 6 ) 国内现有的动力传动系统模拟计算软件大多以f o r t r a n 或c 编程。由于算法涉及到矩 阵的运算处理并需绘图，运用m a t l a b 编程更加方便。本文也运用m a t l a b 编写了部 分模拟计算程序，进行试验数据的处理和匹配性能计算分析。 关键词：动力传动系统匹配优化汽车 a b s t r a c t o p t i m a lm a t c h i n go fv e h i c l ep o w e r t r a i n i st h em o s ti m p o r t a n tm e a s u r et o i m p r o v ev e h i c l ep e r f o r m a n c eo fp o w e r , e c o n o m ya n de m i s s i o n s o nt h e b a s i so f s t u d y i n ge n o u g hc o r r e l a t i v ed o m e s t i ca n df o r e i g nt e c h n i c a ld a t a , t h i sp a p e rh a sm a d e ac o m p r e h e n s i v ea n dd e e pr e s e a r c hi n t ot h ep o w e r t r a i nm a t c h i n gf r o md i f f e r e n t p e r s p e c t i v e sa st h e o r y , s i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n ta n da p p l i c a t i o n se t c s o m ep r a c t i c a l r e s u l t sa r eo b t a i n e d t h em a i nd e t a i l sa r ep r e s e n t e da st h ef o l l o w i n g ： 1 ) t h ed i f f e r e n c eb e t w e e np e r f e c ta n dp r a c t i c a lv e h i c l ep o w e r t r a i ni s d i s c u s s e di n t h i sp a p e r a l s oe n g i n ep e r f o r m a n c ea n dv e h i c l ep e r f o r m a n c eo fp o w e r , e c o n o m y a n de m i s s i o n sa r ea n a l y z e d s y s t e m i c a l l y t h e ns y n t h e t i cw e i g h tm e t h o d i s s u g g e s t e dt oe v a l u a t et h ec o m p o s i t i v ev e h i c l ep e r f o r m a n c eo fp o w e r , e c o n o m y a n de m i s s i o n s 2 ) f u l l 1 0 a dc h a r a c t e r i s t i c sm o d e la n df u e lc o n s u m p t i o nm o d e la r es e tu pi nt h ep a p e r d r i v i n ge q u a t i o ni sf o u n d e do nt h eb a s i so fm e c h a n i c sa n a l y s i s t h e nf u e l c o n s u m p t i o ne q u a t i o ni sd e d u c e da n da p p l i e di nt h es i m u l a t i o no fc y c l er u nf u e l c o n s u m p t i o n t h i ss i m u l a t i o n m e t h o di se x t e n d e dt oc a l c u l a t ec y c l er u n e m i s s i o n s 3 ) t h er e s e a r c hi ss u p p o r t e db yr e l a t e de x p e r i m e n t s ，s u c ha se n g i n eb e n c ht e s t ，r o a d t e s ta n dc o s t d o w nt e s t e x p e r i m e n t sd a t aa n dd a t ap r o c e s s i n ga r ea n a l y z e di n d e t a i l t h ec o m p a r i s o nb e t w e e ns i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t sd a t as h o w s t h a ts i m u l a t i o nm o d e l sa r ea c c e p t a b l e 4 ) v e h i c l ed e s i g np a r a m e t e r sa r es c a r c ei nd o m e s t i cm o t o rc o m p a n i e s m u c hm o r e e f f o r t sa r em a d et oo b t a i nr o l l i n gr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n ta n dd r a gc o e f f i c i e n t 5 ) a v lc o m p a n y sa d v a n c ev e h i c l es i m u l a t i o ns o f t w a r ec r u i s ei s u s e di nt h e r e s e a r c h w i t hf u r t h e rp r o g r a md e v e l o p m e n t ，s i m u l a t i o na n da n a l y z ea r ec a r d e d o u to nt h eo p t i m a lm a t c h i n go fj mm o t o rc o m p a n y sn e ws e r i e sv e h i c l e s 6 ) t h ed a t ar e l a t e dt op o w e r t r a i nm a t c h i n ga r eu s u a l l y i nt h ef o r mo fm a t r i x m a t l a bi sb a s e do nm a t r i x s oi ti sv e r yc o n v e n i e n tt od e v e l o pp r o g r a mi nt h i s a r e at h a no t h e rc o m p u t e rl a n g u a g e ss u c h2 l sf o r t r a na n dc w h i c ha r em o r e o f t e nu s e db e f o r e s o m em a t l a bp r o g r a m sa r ed e v e l o p e da sas u p p l e m e n tt o c r i h s e k e yw o r d s ：p o w e r t r a i nm a t c h i n go p t i m i z a t i o n v e h i c l e t t 常用符号表 本文中常用符号说明如下，当符号代表其它意义，则在文中予以说明。 符号单位 物理量符号单位物理量 m k g 汽车质量m e n m 发动机有效扭矩 gn 汽车重力玎f r m i n 发动机转速 么m 2汽车迎风面积 只 k w发动机有效功率 c d空气阻力系数 g eg ( k w h ) 比油耗 主减速器传动比 y n 几 燃油重度地 z g 变速器传动比 l fk g m 2 飞轮的转动惯量 厂m车轮自由半径 k g m 2 车轮的转动惯量 k 0 m 车轮静力半径 7 7 f 传动系机械效率 0 n 3 车轮滚动半径 6 旋转质量换算系数 滚动阻力系数附着系数 o l ，d u d t m s 2 汽车行驶加速度 汽车爬坡度l “口 k m h 汽车行驶车速 q s l 1 0 0 k m 汽车百公里油耗 e n 驱动力s参数敏感性系数 f f n滚动阻力p fk w滚动阻力功率 瓦 n 空气阻力 匕 k w 空气阻力功率 f n 坡度阻力 p k w 坡度阻力功率 f j n加速阻力p k w加速阻力功率 i i i 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写 成硕士学位论文汽车动力传动系统匹配优化应用研究。除论文中已经注明引用的 内容外，对本人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。 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的 成果。 本声明的法律责任由本人承担。 姗躲髓1 慨 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言【4 7 】【4 8 】 随着我国经济的持续快速稳定发展，汽车产量高速增长，我国的汽车保有量也不断增加， 截止到2 0 0 2 年底，我国的汽车保有量已达2 0 7 0 万辆。汽车保有量的增加给我国带来了巨大的 能源和环境压力。2 0 0 2 年，我国原油产量为1 6 亿吨，进口石油则超过7 2 0 0 万吨。我国汽油 产量的8 7 年u 柴油产量的2 1 用于汽车燃油消耗。汽车燃油消耗和因汽车尾气排放而造成的环境 污染已经成为一个严重的社会问题。 2 0 0 2 年中国汽车产量再创新高达到3 2 5 万辆，首次突破3 0 0 万辆大关，使中国汽车产量全 球排位由2 0 0 1 年的第八位上升至第五位。前四位分别是美国1 2 2 4 万辆、日本1 0 2 6 万辆、德国 5 4 8 万辆、法国3 3 8 万辆。我国已正式加入w t o ，随着汽车进口关税的进一步放开，更多的进 口车将涌进中国。为了直面竞争，赢得市场必须加强汽车动力性、燃料经济性和排放性能的研 究。而整车动力传动系统的匹配优化是提高汽车动力性，降低汽车燃油消耗和排放的重要措施 之一。 现今，动力传动系统的匹配优化已经进入了计算机模拟时代。国外汽车界在这方面做了大 量工作，匹配模拟计算模型已较为完善，并开发出许多应用模拟程序。使用这些程序在样车制 造前就能较准确地预测汽车的动力性、燃油经济性和排放性能，在此基础上进行动力传动系统 的匹配优化。近年来最引入注目的发展是奥地利a v l 公司于1 9 9 8 年推出并不断改进的c r u i s e 软件。该软件具有功能强大、模块化结构、接口简便、界面友好等优点，代表了当今汽车工业 界的领先水平。国内汽车界在这方面起步较晚，部分高校及研究机构陆续开展了一些工作，取 得了一定成果，并开发了相应的模拟程序。但是这些程序在实用性、完备性、精确度方面还有 待提高。 目前国内汽车动力传动系的匹配状况不能令人满意。有统计表明，目前国内汽车发动机使 用工况多数远离其最佳经济区和最佳排放区，未能实现动力传动系的最佳匹配，在发动机的整 个持续工作期间内其平均效率仅为1 1 - 1 8 ，而汽车发动机的最佳效率值对于四冲程汽油机而 言可达3 5 以上。国内汽车生产厂家在动力传动系的设计匹配工作中，受测试手段及计算工具 限制，基本上还依靠定性分析和简单的定量计算，并依靠积累的经验数据和反复测试的结果进 行设计、匹配。其研制、开发周期为：经验设计一物理样车一现场试验一样车再修改一现场再 试验一样车定型一规模生产。该过程效率低、费用高，车辆的动力性、燃油经济性和排放性能 的评价只能在进行实车道路试验或底盘测功机试验之后方可实施，而且整车及各总成方案的确 定、结构参数的选取及传动系与发动机的匹配等都具有一定的盲目性。 第一章绪论 2 0 0 1 年1 2 月我国正式加入w t o ，国内汽车生产厂家面临更大的竞争压力。为了尽快跟上 国际先进设计水平，本论文研究拟总结借鉴现有研究成果，运用a v l 公司的c r u i s e 吲软件结 合二次开发及自编程序，对j m 汽车公司即将推出的新车型进行了动力传动系统的匹配优化应 用研究。这对于提升j m 汽车公司产品竞争力，增强研发能力具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究发展状况【7 】1 8 】【1 8 】【2 2 】【2 3 】【2 4 】【2 5 】【2 6 】【2 9 】【3 8 】【4 0 】 4 1 】【删【4 5 】【4 6 】： 从六十年代中期至七十年代以来，有关动力传动系统的匹配研究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： g p s i m 程序：1 9 7 2 年由美国通用汽车公司开发，可以模拟计算： 1 ) 全节气门开度时，从起动到9 6 5 6 k m h ( 6 0 m p h ) 的时间： 2 ) 全节气门开度时，起动1 0 s 内行驶的距离； 3 ) 从起步到超过以8 0 4 7 k m h ( 5 0 m p h ) 车速行驶的时间： 4 ) 以模态行驶的经济性。 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。程序采用表格的形式。 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。显然模拟计算内容过于单一。 国外各大汽车公司和相关机构相继投入了研究，至今已经建立了较完备的汽车动力传动系 数学模型，包括发动机模型、离合器接合规律模型、最佳换档规律模型、变速器效率模型以及 主减速器效率模型等。运用这些模型各公司分别开发了自己的模拟计算程序，如通用汽车公司 的g p s i m 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t r a s c 0 等。a v l 公司的c r u i s e 软件是当前该研究领域较为 优秀的商用软件，并已在欧洲各大汽车公司及部分北美汽车公司得到实际应用。 从国外在汽车动力传动系的匹配设计实践来看，在七十年代中期，主要是通过减小变速器 和后桥速比来改进燃料经济性，但同时降低了汽车动力性能。八十年代初，为满足用户对汽车 高效率、低燃油消耗的要求，着重于减小汽车尺寸、发动机排量。而较小排量的发动机倾向于 较高转速，因此设计具有更多档位的变速器使加速过程不至于动力中断。八十年代后期，汽车 设计向轻量化转变。如通过减少部件的复杂性以降低车重，选择最小可能发动机排量以获得所 需发动机功率等。近来，电子控制技术广泛应用于动力传动系匹配优化，较突出的进展主要体 2 第一章绪论 现在两方面。一是发动机工况管理，即借助一定的数学模型，以获得最佳整车动力性、经挤性 与排放水平为目的，对发动机运行工况进行自动选择与控制。二是变速器自动控制。即以多种 抉档模式对不同的行驶工况选择合适档位。 我国在汽车动力传动系匹配和模拟计算方面的研究起步较晚。进入八十年代后，国内汽车 行业和有关高校开展了一些研究工作。优化匹配理论有了较大发展建立了相关数学模型，井 开发了模拟计算软件。研究现状可耻归结为： l 汽车动力性燃科经济性模拟计算方法与优化理论已普遍应用于汽车动力传动系匹配研究。 2 汽车行驶工况规范化，发动机性能和传动系特性致学模型化。 3优化匹配主要考虑的是传动系的参数的优化，其方法普遍是以动力性能为约束条件，多工 况燃料经济性作为目标函数，没有充分考虑排放性能。 4已开发的模拟软件尚停留在实验阶段，直接参与生产设计的软件不多，也不完善。 利用汽车动力性和燃料经济性模拟计算程序进行传动系参数优化是近年来国内较为热门的 一个研究课题。由于汽车动力性、燃油经济性问的复杂关系，首先应建立一个评价体系。常见 的方法是以动力性能为约束条件，以牒油经济性为目标函数，这种方法没有考虑排放性能。文 献l8 1 进一步提出以排放性能为约束条件，以动力性、经济性指标的加权综台值作为耳标函数- 但是没能给出权重的确定方案。这些方法纵向比较了各种匹配方案的优劣，但是不能评价匹配 优化接近理想动力传动系的程度因而也不能揭示动力传动系统改善的潜力。文献 13 捧先作了 这方面的研究，提出阻“驱动功率损失率”作为动力性发挥程度评价指标：以“有效效率利用 奉”作为经济性发挥程度评价指标；井用“能量利用幸”来统一汽车动力性和燃油经济性指标。 这个评价方法依然没有考虑排放性能且偏于理论性很少见到该评价方注应抖j 于匹配优化实 例计算分析。 1 3 研究发展趋势 目前动力传动系匹配优化研究正向着完善计算模型、提高计算精度，更接近汽车实际行驶 燃料消耗、捧放水平的模拟 行驶性能、车外噪声的模拟 囤1 一l 汽车动力传动系匹配模拟计算美系框图 - 3 第一章绪论 工况的方向发展，在此基础上实现动力传动系的匹配优化。在数学模型方面，轮胎行驶特性以 及动态道路模型的研究也取得了很大成果。图l l 显示了目前动力传动系统匹配考虑的因素， 以及各模块之间的关系。 动力传动系匹配优化研究中一个重要趋势是越来越注重汽车的排放性能。由于经济迅速发 展，汽车的产量和保有量都急剧增加，因而汽车的污染问题也日益突出。为此，1 9 8 3 年我国颁 布了g b 3 8 4 2 - - 8 3 、g b 3 8 4 3 8 3 和g b 3 8 4 4 - - 8 3 等汽车、车用内燃机的废气排放标准：1 9 8 9 年 又颁布了g b l1 6 4 1 - - 8 9 车用发动机废气排放标准。1 9 9 3 年颁布的g b l 4 7 6 1 1 7 9 3 七个标准 完全取代了1 9 8 3 和1 9 8 9 年的标准。1 9 9 3 年的标准己接近美国7 0 年代末和欧洲8 0 年代初的汽 车废气排放标准。2 0 0 1 年4 月1 6 号我国又颁布了两项国家标准g b l 8 3 5 1 - - 2 0 0 1 轻型汽车污 染物排放限值及测量方法( i ) ( 2 0 0 1 4 1 6 实施) 和g b l 8 3 5 2 2 0 0 l 轻型汽车污染物排放限 值及测量方法( i i ) ( 2 0 0 4 7 0 l 实施) ，其中g b l 8 3 5 2 2 0 0 l 等效采用欧洲i l 标准。环保法规 逐步趋严决定了动力传动系匹配优化研究中必须加强排放方面的内容。 值得注意的是，国内汽车界理论研究正迅速赶超国外先进水平，这一趋势不会改变。但在 匹配优化软件运用于生产实践方面与国外相比还有差距，此项研究工作有待于深入开展。 1 4 本文的主要研究内容 1 ) 理论研究分析发动机、传动系和整车结构参数对动力传动系统匹配性能的影响：讨论发 动机使用性能、汽车动力性、燃油经济性和排放性能的评价指标，提出加权综合评价方法； 建立模拟计算模型，并作为分析试验结果和进行优化匹配的有力工具。 2 ) 试验研究为了获取匹配计算所必须的数据，以及验证匹配计算结果，对j m 公司拟推出的 新车型进行大量试验。主要包括发动机台架试验、滑行试验、整车道路试验。处理试验数 据，分析试验结果，并与模拟计算结果进行比较分析。 3 ) 模拟计算应用a v l 公司的整车性能模拟计算软件c r u i s e ，对j m 公司两种车型、三种 发动机、四种变速箱、五种主减速比的匹配方案进行基于动力性、经济性和排放性能的模 拟计算。对优化方案采用变参量法计算分析整备质量、风阻系数等参数的参数敏感性。由 于国内厂家的技术数据积累有限，须讨论计算参数的确定，为进一步的模拟计算作积累。 应用m a t l a b 对建立的模拟计算模型编制程序，作为c r u i s e 软件的有益补充，并为模拟 软件的自主开发打下基础。 4 ) 匹配优化在试验研究和模拟计算的基础上，应用动力传动系统匹配优化理论对j m 公司新 车型匹配方案进行分析、比较，指出改进的方向，提出优化方案。通过整车结构参数敏感 性的分析揭示提高汽车性能的方向和潜力。 4 第一章绪论 为了论文叙述的简洁，本论文下面章节所指的经济性均表示燃油经济性，所论及的匹配优 化是指基于动力性、经济性和排放性能的整车动力传动系统匹配优化。本文对作为匹配优化车 型及匹配方案进行了编号，说明如下： 阵型系列卜慨格( 座位数) i 阪动机代号卜l 主减速比代号l i 变速箱代号i 一 一一 例： t r 1 5 一d e l 1 0 2 一g l 或写为：t r - 15d e l _ 1 0 2 _ g l ，t r - 15 s d e l 1 0 2 _ g l 由于本论文中所讨论的车型均为t r 系列，t r 通常略去不写：1 5d e l1 0 2g l 当不需标明主减速比和变速箱时，简写为：t r1 5d e l 当需比较两种主减速比时，在图形中标注为：1 5d e l1 0 2 & 1 0 3g l i o l - 1 0 5 五个主减速比分别为：5 3 7 5 、5 1 2 5 、4 8 7 5 、4 5 5 6 、4 3 3 3 - 5 一 第二章汽车动力传动系统理论分析及模拟计算 第二章汽车动力传动系的理论分析及模拟计算 汽车动力传动系统即发动机一变速器一驱动桥一驱动轮系统，是汽车的核心部分。汽车动 力性、燃油经济性和排放性能很大程度上取决于动力传动系统的匹配效能。图2 一l 表示了汽车 动力传动系统以及相关因素与汽车动力性、经济性和排放性能的关系。为了对汽车动力传动系 这个复杂系统进行有效模拟，必须建立合理的数学模型使之与实际系统相符。 行驶阻力 提高传动系效率 减小车重、滚动阻力系数、 风阻系数和迎风面积 发动机 合理选择最大功率和扭矩 改进发动机特性，使常用 工况较多处于油耗经济区 传动系匹配 合理选择档位数和速比 合理确定主减速比以及与 变速箱的匹配 2 1 发动机 图2 - - 1汽车动力传动系与动力性、经济性和排放性能的关系【1 5 】 2 2 1 发动机性能评价 发动机的工作状态可用发动机转速、扭矩、功率和平均有效压力等参数来描述。当其中两 个独立参数确定时( 如转速和扭矩) ，其它参数即被确定，发动机工况也随之确定。相应于汽车 行驶时不断变化的速度和阻力，发动机的转速、负荷在较广的范围内变化。当汽车利用发动机 制动时，其工作范围还包括发动机作负功的横坐标以下的负面积区域，如图2 2 所示。 发动机性能特性包括使用外特性、负荷特性和万有特性。通常用平均有效压力胁、有效功 率b 、有效扭矩尥和升功率尸作为衡量发动机动力性的指标，用有效油耗率、有效效率1 1 。 作为衡量发动机经济性的指标。 6 第二章汽车动力传动系统理论分析及模拟计算 发动机标定功率、最大扭矩以及最低 油耗率是评价发动机性能的主要指标。对 于经济性有时也用外特性上最低油耗率或 标定点油耗率来评价。而汽车实际行驶工 况落在这些特殊工况点的时间有限，特定 工况点的经济性不能较全面反映发动机经 济性。 对排放性能的评价以比排放量来表 示。所谓比排放量就是每千瓦时排放的污 染物的质量。排气污染物指一氧化碳 bb 只。“ 一 0 m 埘z 7 撬池h 、 图2 2 发动机的工作范围 ( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 及氮氧化合物( n o x ) 等，对柴油机还要增加碳烟和颗粒。 2 2 2 发动机数学模型 发动机数学模型包括外特性模型和万有特性模型，是整车动力性、燃油经济性和排放性能 模拟计算的基础。通过外特性模型可以计算出节气门全开时各发动机转速下的扭矩；通过万有 特性模型可计算出任意工况点的比油耗和比排放值。 1 ) 外特性模型 发动机使用外特性下的扭矩可以看成发动机转速的一维函数，即： k m 。= 么，月。7 ( 2 - - i ) t = 0 式中：一一发动机转速( r r a i n ) a 广一多项式中各项系数 七一一多项式阶数 利用已知的n 组发动机外特性试验数据( m 目，) ，其中_ ，= l ，2 ，n 。应用最小二 v 乘法，令s = ( m 。一m 9 ) 2 ，即 求取满足国触= 0 ( i = 0 ，1 ，2 ，k ) 的各个4 值，然后将求得的4 值代入式 ( 2 1 ) ，便可得到发动机外特性数学模型。据此编制曲线拟合程序进行计算，就可得到外特性 下扭矩关于转速的数学表达式，其中k 值的确定取决于计算精度要求。以线性回归拟合方法建 2 2 7j口 膨 一投4+理4+”4+ 川 = s 第二章汽车动力传动系统理论分析及模拟计算 立的发动机外特性模型具有较高的精度，足以满足整车动力性模拟计算的需要。 2 ) 万有特性模型 常用的万有特性为随扭矩( 或功率) 和转速而变的比油耗和比排放。由于发动机的比油耗 和比排放是发动机扭矩( 或功率) 和转速的二维函数，因此比外特性模型要复杂一些。比油耗 和比排放可用曲面函数来表示。在试验台架上，测量发动机稳态工况下若干工况点的比油耗和 比排放，通过曲面拟合就可得到曲面函数，从而建立万有特性模型。给定发动机工况，就可以 由该曲面函数计算出相应的比油耗和比排放值。下面给出发动机万有特性的数学模型： si - 7 。；善彳 扣+ 。，+ ：卜，+ 。一。 彳：刀；一 ( 2 3 ) 式中： 厂一一发动机的比油耗或比排放( g 瓜w h ) m 。一一发动机有效扭矩( n m ) n 。二一发动机转速( r m i n ) a 一一模型中多项式各项系数 j 一一模型的阶数 为了得到任意工况下的比油耗和比排放值，必须建立比油耗和比排放值与发动机转速和扭 矩之间的函数关系。具体方法是，对不同扭矩、转速的n 组数据( m , j ，力) ，其中j = 1 ， 2 ，o jl n ，应用最小二乘法，令s = x ( f 一厂) 2 ，求取满足出讹= 0 ( k = o ，1 ，2 ， 0 + 1 ) ( s + 2 ) 一1 ) 的各参数。然后将参数值代入式( 2 - - 3 ) ，便可得到发动机比油耗和比排 放数学模型。编制最小二乘拟合程序进行计算，即可构造出所需的万有特性数学模型，函数关 系式的最高次数依计算精度而定。拟合值对试验值的拟合程度，可用拟合度c 来评价。 c = = n ( z z ) 2 j v ( ，- 7 ) 2 ，；l x 1 0 0 ( 2 4 ) 其中，产吉= 为总体均值，z 为拟合值。 j 2 1 建立发动机数学模型也可采用插值法。非测量工况点的数据，由特性场周围节点插值得到， 能够较好地反映特性场的快速交化。随着微机性能提升，计算中完全可以实时的插值计算所需 工况点数据。图2 3 为使用插值法绘制的三维万有特性图。插值法的缺点是，对周围节点的精 度要求较高，试验时由不确定因素造成的个别工况点误差会影响插值计算精度，从而进一步影 响整车性能模拟计算的精度。而线性回归拟合方法不存在这一问题，因为每一个工况点的模拟 8 第二章汽车动力传动系统4 论分析及模拟计算 值都是根据整个特性场葩国内的试验值得到的，个别点的不准确对整个模型的精度影响较小 图2 - - 3 三缠万有特性图 2 2 理想与实际动力传动系统的差别 汽车动力传动系统包括发动机、离合器、变速器、传动轴、驱动桥和车轮等部什。理想的 动力装置应该是在汽下整个工作范田内输山的功率始终为最大值这样在低速j ? 驶时有更人的 驱动力用于加连、爬坡业拖带负荷：在良好的行驶条件下叉能使汽车高速行驶，这正是汽车实 际使用工况所要求的。 理想传动系统应使汽车在大多数行驶工况f 发动机工作在晟经济区域和最低排放区域 以保证燃 由消耗较少和对大气污染较，j 、。 同时，理想的传动系统席具有较小的磨损， 以提高传动系的耐久性和可靠性。 由于汽车使用条件十分复杂，而发动 机的理想工作区是限定在某一范围内的， 因此要求理想的传动系统是一个连续可变 系统可随外畀行驶条件的变化而改变传 动比以满足输入输出的需要。 理想的传动系统应在任一车速下都能 提供最太功率只发动机输出功率 只眦与汽车驱动力 及车速v 。有如下关系 凸。 | 、 0v i i v 一 7 1 图2 - - 4 理想动力传动系的驱动力特性 第二章汽车动力传动系统理论分析及模拟计算 一= 急 ( 2 5 ) 式中：只一一汽车驱动力( n ) ：，。一一汽车行驶车速( k r n h ) ：只一一一理想动力装置发出 的功率( k w ) 。 这里，只。为常数，汽车驱动力e 与车速1 ，。成反比，由此构成了双曲线。但这种双曲 线还要受以下条件限制：首先当车速趋于零时，汽车的驱动力不会无限增长，而要受驱动轮与 地面间附着力的限制，即： e 伊( 2 6 ) 式中：p 一一附着系数：e 一一汽车驱动力( n ) ；f z 9 一一作用于所有驱动轮上的地面法向阻 力( n ) 。 其次，汽车还要受最高车速或动力装置最高转速的限制。综合上述情况，理想动力传动系 统的驱动力特性应如图2 4 中曲线所示。 图2 5 为典型的内燃机与理想的等功率发动机的功率与驱动力的比较。由图2 5 可以看 出，典型的内燃机和等功率发动机虽然具有相同的最大功率，但装有内燃机的汽车在车速低时 后备功率非常小，能提供的驱动力也很小。如果不配备变速器，只能通过百分之几的坡度。而 装有等功率发动机的汽车，在低速时若无驱动轮上附着力的限制，可以克服任何坡度。通过对 比可知，典型的内燃机远不如等功率发动机的性能好，但由于内燃机体积小、重量轻、价格便 宜且燃料供应方便，迄今仍是最适用的汽车发动机。 正0 图2 - - 5 汽车的功率平衡与驱动力 为了弥补内燃机的上述缺陷，使实际传动系的特性更接近理想传动系，必须开发满足汽车 实际行驶需要的动力传动系。它必须满足两个基本条件：( 1 ) 实现零车速与最低车速间的间隙 1 0 第二章汽车动力传动系统理论分析及模拟计算 衔结，使得汽车可以从静态平稳起步。( 2 ) 由发动机与传动系组成的动力传动系的输出功率和 扭矩变化必须接近理想动力传动系特性，以满足汽车使用工况要求。近年来，由于对降低燃油 消耗和减少环境污染的要求越来越强烈，对传动系统提出了新的要求，即传动系应有助于发动 机在油耗、排放污染以及噪声影响方面满足特定的要求。 在开发动力传动系方面，目前可行的方法有两种，一种是利用传动系的固有特性( 如液压 传动) 接近理想传动系或利用自控原理和无级变速器接近之；另一种是将整个工作区划分为若 干组成区域，分区域地接近理想传动系。最简单的一种形式就是采用普通有级式齿轮传动系， 它在每个分区域中，以一个定值速比去接近该分区域的理想值。这一方法为多数汽车所采用。 普通有级式齿轮传动系只有几个固定的传动比值可供选择，只能在一定的范围内满足输入和输 出的要求。对于一个有n 档变速器的动力传动系，第i 档的汽车驱动力r ( 驱动力分析见2 3 2 节) 为： e ；：m e i o i g , r l t ( 2 7 ) 图2 - 6 给出了装有内燃机和 r 四档变速器的汽车与装有等功率 。 发动机的汽车的驱动特性曲线。从焉嗽 图中可以看出，用四档变速器匹配 后，动力传动系的驱动力特性有了 较大变化，在一定程度上接近了理 想动力传动系，图中阴影区域面积 越小，则与理想动力传动系就越接 近，阴影区域面积即为功率损失。 若变速器速比，“可以无级变化， 这些阴影面积可以消除。对于机械 传动系而言，变速器只能设有限档 0 v 4 lv a 2v a 3v 正丑蕊v 正 图2 6 驱动特性曲线 位，传动比l g i 为有限个离散值，因而上述阴影区域不能完全消除。但可以通过变速器档位数、 各档速比的优化以及选择合适的换档点使阴影面积最小。 2 3 汽车的动力性【1 】【2 1 2 3 1 动力性能评价 汽车作为一种高效的运输工具，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。从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发，汽 第二章汽车动力传动系统理论分析及模拟计算 车的动力性主要可由三方面的指标来评定，即：最高车速、加速时间、最大爬坡度。 1 ) 汽车的最高车速u a 朋戤 最高车速是指在水平良好的路面上汽车能够达到的最高行驶速度。现代轿车的最高车速二 般在1 4 0 一- 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。j m 公司t r 系列客车的设 计最高车速也达到了1 4 0 k m h 。 2 ) 汽车的加速时间， 汽车的加速时间了表示汽车的加速能力，它对平均行驶车速有着很大影响，特别是轿车以 及高档商用客车，对加速时间更为重视。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。原地起步的加速时间是指用一档或二挡起步，按最佳换档规律逐次换至高档，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档或 次高档由某一较低车速全力加速至菜一较 高车速所需的时间。因为超车时汽车与被超 车辆并行，容易发生事故，所以超车加速 能力强，并行行程短，行驶就安全。一般常 用0 4 0 0 m 或o 一8 0 “的加速时间表 示汽车原地起步加速能力；最高档或次高档 由3 0 k m h 或4 0 k m h 全力加速至8 0 ua 懈 所需时间表示起步加速能力。对此国标 g b t1 2 5 4 3 9 0 汽车加速性能试验方法 也作了推荐。图2 7 为t r 系列1 5 座加速 性能。 3 ) 汽车的最大爬坡度f a c c e l er a t i o n o2 d 舶6 08 01 0 d1 2 d 1 4 01 1 ；i ) 1 8 02 1 ) d2 2 0 t i m e 辟l 图2 7t r 系列1 5 座加速性能 汽车的爬坡性能是用满载时汽车在良好路面上的最大爬坡度fm a x 表示的。显然，最大爬坡 度是指一档最大爬坡度。轿车最高车速大，加速时间短，经常在较好的道路行驶，一般不强调 它的爬坡能力：然而，它的一档加速能力大，故爬坡能力也强。货车在各种地区的各种道路上 行驶，所以必须有足够的爬坡能力，一般f 一在3 0 即1 6 7 左右。 有的国家还规定在常遇到的坡道上，以汽车必须保证的车速来表明它的爬坡能力。控制这 些指标可以保证各种车辆的动力性相差不致太悬殊，以维持路上各种车辆畅通行驶。例如，要 求单车在坡度为3 的坡道上能以6 0 k m h 的车速行驶，汽车挂车在坡度为2 的坡道上能以 5 0 k m h 的车速行驶。 事实上，现有的这些指标只反映了汽车本身的极限能力，它们虽然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侵用工况联系起来统一考虑，因而往往与实际汽车使 用效果相差很大。最明显的例子是国内目前的城市公共汽车，尽管最高车速设计在7 0 k m h 左右， 1 2 - 0 一e占里oiloo一， 第二章汽车动力传动系统理论分析及模拟计算 但由于道路、行人等方面的原因，其实际运行车速只有2 0 3 0 k m h 。 2 3 2 汽车的驱动力与行驶阻力 汽车行驶中受到的各种外力可分为驱动力和行驶阻力。驱动力是由发动机的转矩经传动系 传至驱动轮上得到的。行驶阻力有滚动阻力、空气阻力、加速阻力和坡度阻力。根据力的平衡 关系可以得到汽车的行驶方程式为： c = + r + e + ( 2 8 ) 式中，f f 一驱动力，吁滚动阻力，e r 空气阻力，乃一坡度阻力，乃一加速阻力。 1 ) 汽车的驱动力 作用于驱动轮上的转矩乃是由发动机产生的转矩经传动系传至车轮上的，对于机械分 级传动则可表示为：z = 乙f g f 。r 1 7 。对驱动轮有f = r , r ，因而驱动力为： f ：t t q i g i 0 7 7 r ( 2 - - 9 ) 式中b 为驱动力，f g 为变速器传动比， 在发动机转速特性图上，发动 机转矩随转速变化。又由 “。：o 3 7 7 晏 ( 2 1 0 ) l g z 。 可以求出各转速下的汽车行驶速度 。这样就可以绘制各档位的，f 一 曲线，即驱动力图( 图2 8 ) 。 驱动力图中的驱动力是根据发 动机外特性求得的，因此它是使用 各档位时一定车速下汽车能发出的 驱动力的极值。部分负荷时驱动力 要减小。 如为主减速比，r l7 表示机械效率，为车轮半径。 z 工 、 l 图2 8z r 系列1 2 - d e l - 1 0 2 - 9 2 - 驱动力图 在应用公式( 2 9 ) 进行计算时，参数的选定是非常重要的，这也是实际计算前需作的准 备工作。目前国内厂家积累的数据有限，给计算的准确性带来一定的困难。 ( 1 ) 传动系的机械效率 传动系的功率损失由变速器、传动轴万向节、主减速器等的功率损失所组成。其中变速器 和主减速器的功率损失所占比重最大，其余部件的功率损失较小。传动系功率损失可分为机械 1 3 - 第二章汽车动力传动系统理论分析及模拟计算 损失和液力损失两大类。机械损失与啮合齿轮的对数、传递的扭矩等因素有关。液力损失则与 润滑油品种、温度、齿轮箱油面高度、旋转件转速等有关。 采用有级机械变速器传动系的轿车。其传动效率可取0 9 - 0 9 2 ：货车、客车可取0 8 2 0 8 5 。 也可分别定义传动系主要部件的传动效率：4 - - 6 档变速器取o 9 5 ，单级减速主减速器取o 9 6 ， 传动轴万向节取o 9 8 。 同一变速器在不同档位传递不 同扭矩时，机械效率也会变化。文 献【1 】介绍( 见图2 9 ) ，解放4 t 载 货汽车c a l 0 b 变速器在i v 档( 直 接档) 工作时啮合齿轮没有传递转 矩，因此比v 档( 超速档) 时的传 动效率要高。同一档位转矩增加时， 润滑油损失所占比例减少。传动效 率较高。转速低时搅油损失小，传 动效率比高转速时要高。为了计算 的简便，也可把它看作一个常数。 基 - t ：- * 餐 稃 啦 0 l o o 2 0 0 3 0 0 瓦qj ，( n m ) o2 55 07 5 i 转矩百分比( 图2 9 解放c a l 0 b 变速器i v 、v 档传动效率 ( 2 ) 轮胎的半径 轮胎半径的准确与否对模拟计算，尤其是燃油经济性的计算有重要影响。因此有必要探讨 _ 下轮胎的半径，轮胎半径可有三种表示方法： 自由半径r ：一充气后，无载荷状态时的轮胎半径。 静力半径r 广_ 轮胎在静止状态下，受法向负荷作用后车轮中心至支承面的距离。轮胎 有径向变形，显然静力半径小于自由半径。 滚动半径r ，一通过车轮实际滚动距离与滚动圈数换算求出的轮胎半径。用公式表示则 c 为：，= ( 2 1 1 ) 为：，2 = 一 ( 2 1 1 ) 么册w 式中，玎w 为车轮转动圈数，s 为转动疗。圈时车轮滚动的距离。 以上的滚动半径需通过试验测得。在没有试验数据时，也可作近似估算。欧洲轮胎与轮辋 技术协会(