（机械工程专业论文）车辆动力传动系统参数优化研究.pdf

abstract t h e v e h i c l e c a n n o t b e re p l a c e d i n mo d e r n t r a n s p o r t a t i o n , t h e i m p r o v e m e n t o f t h e v e h i c le s d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s a n d f u e l e c o n o m i c a l e ff i c i e n c y i s m e a n i n g f u l f o r t h e d e v e l o p m e n t o f t h e e c o n o m i c a n d e n e r g y s o u r c e s s a v ing . t h e v e h i c l e s s t a r t a c c e l e r a t i o n t i m e a t t h e f o r m e r p l a c e i s c o n s i d e r e d a s t h e i n d e x o f t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s , a n d t h e f u e l s p e c i f i c c o n s u m p t i o n i s c o n s i d e r e d a s t h e i n d e x o f f u e l e c o n o m i c a l e ffic i e n c y , t h e w e i g h t e d v a l u e o f t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s a n d f u e l e c o n o m i c a l e f f i c i e n c y i s c o n s i d e r e d a s t h e i n t e g r a t e d v a l u e i n d e x , t h e w e i g h t e d v a l u e i s d e c i d e d 卜 t h e m a r k e t f a c t o r , s o t h e i n t e g r a t e d v a l u e i n d e x i s k e p t c l o s e t o t h e r e a l ma r k e t s i t u a t i o n . b a s e d o n t h e s e tt in g u p o f t h e m a t h m o d e l o f t h e m o t o r a n d d r i v e l i n e , a s y s t e m a t i c a n d f u l l m a t h mo d e l o f t h e d r i v i n g s y s t e m i s b r o u g h t f o r w a r d , s o t h e s i m u l a t e d c a l c u l a t i n g p r e c i s i o n o f t h e d y n a mi c a n d f u e l e c o n o mi c a l e ff i c i e n c y i s i m p r o v e g r e a t l y . b ase d o n t h e f o r m e r w o r k , t h e d i ff e r e n t g r a d e o f t h e d r i v i n g r a t i o a n d t h e m a i n d r i v i n g r a t i o i s s e l e c t e d as t h e d e s i g n v a r i a b l e , a n d t h e s t a rt a c c e l e r a t i o n t i m e a t t h e f o r m e r p l a c e a n d t h e f u e l c o n s u m p t i o n a t t h e m u l t i w o r k c o n d it i o n i s s e l e c t e d as t h e m u l t i o p t i m i z i n g t a r g e t f u n c t i o n , a n d t h e m a x i m u m d y n a m i c f a c t o r i s s e l e c t e d as t h e f u z z y d e s c r i b i n g r e s t r i c t c o n d i t i o n , a n d t h e f u z z y o p t i m i z i n g m o d e l o f t h e d r i v e l i n e i s s e t u p b y t h i s wa y . , k e y w o r d : d r i v e l i n e m a t h m o d e l f u z z y 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的硕士学位论文， 车辆动力传动系统 参数优化研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果.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结果由本人承担。 作者签名: 年_ 月 _ 日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了 解 “ 长春理工大学硕士、 博士学 位论文版权使用规定” ， 同意长春理工大学保留并向国家有 关部门 或机构送交学位论文的复印 件和电子 版， 允许论 文被查阅 和借阅。 本人授权长春理工大学可以 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，也可采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编学位论文。 作者签名: 年 _ 月 _ 日 指导导 师签名:年 _ 月 _ 日 第一章 绪 论 本课题的研究意义 进入 2 1 世纪以来我国的汽车保有量快速增长，2 0 0 6年我国已成为 仅次于美国 的第二大新车市场。 预计 2 0 0 7 年我国的私人汽车保有量将 达到4 0 0 0万量以上。汽车的大量增加，其动力性和燃油经济性就凸显 出来， 越来越引起人们的 关注. 随着燃油价格的提高， 汽车运输成本中 燃油占的比重也越来越大， 因此即使汽车的燃油消耗率只降 低一点， 节 约的资金也将相当可观。另外， 很多学者都认为石油储量不容乐观，有 的学者甚至认为石油最多能继续供应4 0多年， ， 因此，在替代能 源没有 大量使用之前，石油燃料的节约刻不容缓。而对汽车工业来讲， 提高汽 车的运输生产率，降低汽车的燃油消耗则是目前急需解决的课题之一。 为此各国采取了许多措施 来提高动力性和燃油经济 性，如:减轻车重、 提高驱动效率来提高汽车行驶效率; 改进发动机、 提高能源利用率等手 段来提高发动机性能: 对传动系型式及参数的 选择来优化匹配动力传动 系统. 在这些措施中， 汽车动力传动系统优化匹配， 很大程度上决定了 汽车动力性与嫩油经济性的好坏。 因为即使发动机具有良 好的性能 如 果没有一个与它合理匹配的传动系统，也不能充分发挥其性能，而与发 动机合理匹配的传动系统能使发动机经常在其理想工作区附 近工作， 不 仅可以减少燃料消耗，减轻发动机磨损，提高发动机使用寿命，还能减 少排放。 但是目 前汽车发动机使用工况仍有很多远离其最佳经济区， 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 % ， 未能实 现动 力传动系统的最佳匹配。 对于汽车动力传动系统的 优化匹配， 可以采用是样车 试验和计算机 模拟。 实车试验的周期长，费 用高， 而且也不容易找到最佳方案， 所以 现在经常使用的方法就是利用计算机对动力传动系统的动力性、 燃油经 济性进行模拟计算和优化匹配。 这种方法可以 在设计阶段就能 全面 地预 测 汽车在各种工况下的动力性和燃油 经济性， 在很短的时间内对多个设 计方案进行评比，使设计人员能在短时间内找到比较好的设计方案。由 此可见， 利用计算机进行动力传动系统的优化匹配对于改善汽车的动力 性和燃油经济性是非常有效且快速的方法， 将对改善汽车的性能发挥重 要的作用。 1 . 2 研究现状 国外对汽车动力传动系统的模拟计算及优化匹配研究得较早， 最早 的优化系统甚至可以追溯到上世纪 6 0年代。现在国外的各大汽车都有 自己 的 优化系统。各公司所研制的程序者严加保密，不公开发表。 我国在这方面的工作起步较晚，到上世纪 8 0年代以后国内的大汽 车公司和一些高校才开展了一些这方面的研究，并取得了一些成果， 如 长春汽车研究所研制的汽车动力性、 燃油经济性通用模拟程序等. 目前， 国内主要围绕以下几个方面开展研究工作的: 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。 以 前在汽车 动力传动 系统匹 配时由 于数学工具与 测试手段的限 制， 只能 采用稳态 模型代替实际的动态模型， 采用定性分析和简单的定量计 算，导致计算值与试验值有较大的误差， 特别是燃油经济性。而且在产 品设计阶段对各方案的确定、 结构参数的选择传动系参数与发动机的匹 配等， 会有一定的盲目性。 可能会遗漏较优的方案，使得产品的性能不 令人满意， 进而 造成人财物力的浪费。 因 此，近年来， 研究者都致力于 动力传动系统动态模型的研究。 然而，以前的研究者都未能建立一个理想的动力传动系统动态模 型， 使得汽车动力性和燃油经济性的 模拟计算及动力传动系统的优化匹 配结 果与实际 值仍有较大的 误差. 这些动态模型仍有待进一步完善。 1 . 3本课题的研究内容 1 、建立动力性和燃油经济性的评价指标，用动力性和燃油经济性 的加权值对车辆的动力性燃油经济性进行评价。 2 、建立发动机数学模型，动力传动系统的数学模型，在此基础上 对车辆的动力性和燃油经济性 进行模拟计算。 并进行样车试验， 以 验证 上述数学模型的准确性。 3 、以车辆原地起步时间和多工况燃油消 耗率为模糊优化的目 标函 数，建立模糊优化模型， 对车辆的动力传动系统的 传动参数进行 优化。 第二章 车辆动力性和燃料经济性的评价 车辆的动力性和燃油经济性是设计者和购车者都非常重视的两个 指标。 但这两个指标又是互相矛盾的， 实际也很难兼顾。 车辆动力性和 燃料经济性的评价指标是车辆动力性和燃油经济性的 模拟计算以及传 动系参数的优化匹配的基础。 2 . 1 车辆动力性的评价指标 车辆的动力性是指汽车在良 好路面上直线行驶时由车辆受到的纵 向外力决定的、 所能达到到的平均行驶速度。 车辆动力性是车辆最基本、 最重要的一项性能， 车辆运输效率的高低很大程度上取决于汽车的 动力 性。 由此动力性的定义可见， 动力性评价指标最好是用车辆在 良好路面 上行驶时所能 达到的平均技术车速和车辆加速性能。 但是实际中这两个 量测量比较复 杂，工作量也很大. 实际中常 用以下三个指标来评价: 1 、最大车速v ; 2 、加速性能; 3 、 最大爬坡度i -; 各国对这些指标都有较完善的试验规范。 由于最大车速仅仅代表车 辆在速度方面的极限 能力。 最大爬坡度是车辆在一档时的爬坡能力。 这 都是汽车的一些极限能力， 是车辆的基本性能参数。 所以本文用车辆的 加速能力来评价汽车动力性能的好坏。 通常用原 地起步时间来表示汽车的加 速性能。 原地起步的加速时间 是用一档或二档起步， 按最佳换档时间逐次换至高档， 油门开度保持全 开，加速到预定的距离。 2 . 2 车辆燃油经济性的评价指标 车辆燃油经济性评价指标一般用等速燃料经济性和多工况燃料经 济性来评价车辆燃料经济性。 1 .等速燃料经济性 汽车等速燃料经济性是目 前常用的一种评价指标， 它指汽车在额定 载荷下，以最高档在水平良 好路面上等 速行驶 1 0 0 k m 的燃油消耗量级。 这种评价方法不能反映出 汽车实际 行驶中受工况经常变化的 影响， 特别 是不能反映出市区里频繁出现的工况的情况。因此，人们又采用多工况 百公里油耗作为评价指标。 2 、多工况燃料经济性 在汽车行驶的一般情况中， 速度状态非常复杂， 行驶工况千变万化， 因 此， 对汽车燃油消耗的 评价， 需要在典 型的行驶工况下做出比 较， 才 能看出在各种常用工况下车辆燃料经济性的好坏。 所以，自7 0 年代 起， 各国 为了 制定了各种试验规范来测量多 工况 油耗， 如联合国欧洲经济委员会颁布的e c e 1 5 循环工况， 美国环境保护 局 e p a制定的市区循环工况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 制定的燃料经济性测量道路试验程序 j 1 0 s 2 r ，日 本的十 工况和十一工况试验循环，我国的载货汽车六工况试验循环 ( g b / t 1 2 5 4 5 . 2 - 2 0 0 1 ) 等。 由于这些 试验循 环都是根据各国 实际 制定的， 所以 用它们来评价、比 较车辆燃油经济性非常系统、 客观， 本文选取根据我 国 试验循环所得的百公里油耗量2作为汽车燃料经济性评 价指标. 2 . 3 车辆动力性燃油经济性的综合评价 车辆的动力性和 燃料经济 性指标是互相矛盾的， 因为动力性好， 就 要求车辆的后备功率 大;但 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。 最好是在汽车的动力性和燃料经济性之间取得 平衡。 因此车辆动力性燃油经济性综合评价指标应用汽车动力性指标与 燃料经济性评价指标的 加权值， 即 i = a - t 十 b - q 公式中a 0 , b 0 , a 十 b 习。 a , b 分 别反映了 设计者对车辆动力性 和燃料经济性的重视程度。 对于a , b 的 确定， 本文采用直接赋值的 方式。因为的 a , b 值很难 用 某种方法来对其优化， 加权值不但反映设 计者观点是， 也应该是汽车 市 场上大多数消费者的 观点， 因 为消费者 在购买车辆的时候， 其实也是 用的 这种评价方式。 由 于不同时期市 场的 情况不同， 而且人们的心理变 化也很难用某种函数来模拟，所以a , b 的值还是根据市场情况直接赋 值更能代表多数人对车辆的要求. 由 于近年来燃油价格的大幅上涨， 使得人们越来越重视燃料经济 性， 所以现在的车辆设计中， 家用车大多 偏重于 燃料经济性。 商务用车 根据用途的不同， 对动力性和燃料经济性的要求也有差别， 但总体来说， 如果最高车速变化不大的话， 还是偏重与燃料经济性。 只有一些特殊用 途的车才对动力性有特别的要求， 如: 少 数越野车和军用车辆的加权值 偏重于动力性。 故而， 本文对常见的车 辆分别设计了 几种加权方案，见表2 -1 0 表2 - 1常见车辆动力性燃油经济性加权方案 ab 家庭轿车 0 . 3 - 0 . 40. 6- 0 .7 商务车 0 . 4 - 0 . 50 . 5 -0 . 6 军用车及越野车 0 . 6 - 0 . 80 . 2 -0 . 4 第三章 动力传动系统数学模型的建立 要精确地模拟计算车 辆的动力性和燃料性等指标， 首先要建立准 确 的数学模型。 准确模拟计算车辆的动力性和燃料经济性指标是传动系优 化匹配的基础。 动力传动系统的数学模型主要包括: 发动机的数学模型、 汽车行驶 方程、传动系数学模型、 轮胎数学模型。 传动系数学模型包括起步阶段 离合器结合模型、 变速器数学模型和驱动桥效率 模型， 其中变速器数学 模型 包括换档模型、 变速箱效率模型和速比间隔 模型。 3 . 1 发动机数学模型 汽车动力性燃油经济性模拟计算是以 发动机数学模型为重要依据 的。 发动机数学模型的真实程度如何， 是关系到 汽车动力性经济性模拟、 评价可信度的关键之一由于汽车在非稳定状态下工作时， 发动机的油 门a 、 转速n e 、 进气管 气流的运动及热状况往往同时发生或其中二者发 生 变化，引 起充量系数， ， 和混合 气成分发生变化，机械效率 损失增加， 正 常传热被破坏等等，使车辆有效扭矩m， 下降， 嫩油消 耗率9 。 增加， 因此要考虑非稳定工况下发动机的动态特性。 目前，国内外发动机模型都不很完善，仍在不断探索、改进之中， 尤其是发动机动态特性的研究。国外从气体燃烧过程 中的能量转换出 发，以热力学为依据，从本质上对发动机稳态特性进行描述，再考虑发 动机的流体惯量、 热力惯量和 机械惯量， 从而得到 发动机 动态特性。 无 论从理论上还是实用而言， 国 外的发动 机模型更为优越、 更有发展前景， 将来有可能更细 致、 准确地描述发动机动态特性。 而我国由于 起步较晚， 以 及经济和试验条件的限制， 暂时 无法进行更为深入、 本质的 研究， 主 要 采用发动机动力性、 经济性参数的试验数据拟合法或插 值法描述发动 机稳态特性， 然后利用曲轴角加速度修正为动态特性，没有涉及发动机 内部工作过程。 试验数据直接描述法，即把实测的试验数据存入计算机 中，当需要某一点的特性数据时，利用插值法求出。该方法的特点是精 度高，但程序控制难度大，计算量大，计算速度较低，而且限于发动机 测试技术，目 前只能得到发动机稳态特性试验数据， 利用插值法也只能 得到其稳态特性，不能进一步描述发动机的动态特性。试验数据拟合法 是根据试验数据进行曲线、曲面拟合， 分别用一元和二元函数表示发动 机使用外特性和万有特性。这种方法比较灵活，计算机处理方便， 且可 以修正后描述发动机的动态特性， 但精度比插值法稍低， 特别是当试验 数据不很规则时只用一条曲线或一个 曲面进行拟合有可能误差很大。 为 了 弥补这一 缺陷，有的文献描述发动机使用外特性时 采用了分段拟合 法， 将速度分为几段以使各段转速内的试验数据较为规则， 然后分段拟 合提高精度。 有学者考虑以上两种模型的优缺点后， 采用 了万有特性综 合法: 先根据最小二乘法原理 对发动机燃油消耗特性试验数据进行拟 合 ， 每 一 转 速 下 可 得 到 一 个 多 项 式 s 。 一 。 e 帆 ， 然 后 当 需 要 计 算 某 一 转 速下的燃油消耗特性时，可由相邻己知转速的燃油消耗特性插值得到。 这种方法输入数据比 数据直接描 述法少， 比 拟合法精度高， 但计算较大。 除了以上三种方法外， 还有学者提出缺乏试验数据时使用的类比法。 这 些方法各应用于不同场合，若发动机特性较规则，就可以利用拟合法， 简便且精度基 本上能满足要求; 若不规则就可以 利用分段 拟合法或综 合 法，计算速度稍慢，但精度可得到提高。 如果只知道发动机主要参数， 而 无试验数据， 此时 若有同 类型 且缸径相同的发动机使用外特性和万有 特 性， 则可以 使用类比法。 以 上各方法都是以 拟合法为基础的， 且发动 机 动态模型要修正其稳态特性得到， 故下面先用拟合法描述稳态下发动 机外特性和万有特性。 发动机的稳态特性包括发动机使用外特性和发动机的万有特性。 发 动机的使用外特性可以看作为发动机转速的一元函数用最小二乘拟合 法获得，发动机的万有特性则可以 看作发 动机转 速和转矩的 二元函数， 用曲面拟合法获得。 1 、 发动机使用外特性 油门 全开时 发动机转矩是发动机转速的函 数，可 用以 下多项式拟 合 : t w = y,a ,n e ( 3 - 1 ) 式中:n ,发动机转速( r / m i n ) a多项式系数 k多项式阶数 根据实 验得到的n 组数据， 利用曲线拟合方法， 可求得a , , k 值。 k 值一般在2 , 3 , 4 , 5 中选取，取4 时拟合曲 线就可达到较高的 精度。 为防 止计算溢出，拟合过程中一 般取发动机转 速 n e ， 的百 分之一。 2 、 发动机万有特性 发动机万有特性即 把发动机的有效 燃油消耗率9 。 看作为发动机转 速n 。 和转距t , q 的函数，并用多项式表示如下: 9 1 = 全 j a yt w n e_, ( 3 - 2 ) 了 - o , - o 式中:9 。 发动机燃油消耗率 发动 机的 转速， 一般取n / 1 0 0 a 模 型中 系 数 s多项式模拟的 阶数，一般为2 , 3 , 4 , 5 根据试验数据并 利用曲 面拟合可求得a , s a 3 . 2 汽车驱动力数学模型 汽车驱动力 f , 是发动机输出转矩经传动系统传递至 车轮作用于路 面的 力 f o ，由 于路面产生作用于车轮圆 周上的切向 反作用力 f , ，习惯 上 把f , 叫汽车的 驱动力。 如图3 - 1 所示。 图 3 - 1车轮受力图 由图可以看出: _t . f , =三 r 式中:t r 为传输至驱动轮圆周的转 矩， r 为车轮半径。 由扭矩的传递关系可知: t , = 凡几 i o 1 7 t ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 式中:t ,q 为发动机输出转矩，i8 为变 速器传动比，i p 为主 传动比， 17 : 为扭矩传递效率. 由此可得到汽车驱动力的公式: f , = 凡 1g to g t ( 3 - 5 ) 3 . 3汽车行驶阻力数学模型 汽车的行驶阻力主要有:滚动阻 力f f ,空气阻力f w 、 坡道阻 力f 和加 速阻力f , 。 下面分别加以介绍。 1 、滚动阻力 轮胎在 滚动过程中， 轮胎的各个组成部分间摩擦以 及橡胶元、 帘线 等分子之间的摩擦， 产生摩擦热而耗散，这种损失称为弹性元件的迟滞 损失。一般 分析时 将充气轮胎视为由 无数弹簧 一 阻尼器单元组成的弹性 轮。 当每个单 元进入印迹时， 弹簧 一 阻 尼器组 成的轮胎单元首先被压缩， 然后松弛。 由 于 存在阻尼消耗压缩能量， 轮胎内 部阻尼摩擦产生迟滞损 失， 这种迟滞 损失表 现为阻碍车轮运动的阻 力偶。 这是滚动阻力的主要 组成部分。 一般把滚动阻力用车轮负荷与滚动阻力系数表示: 凡= w- f ( 3 - 6 ) 式中:w为 车轮负荷，即汽车重量， .f 为 滚动阻力系数。 汽车动力性分析的实际中， 人们通常根 据经验直接选用滚动阻力系 数。 表 3 - 1 给出了汽车在不同路面上以 中、 低车速行驶时， 滚动阻力系 数的大致数值。 表3 - 1车 轮滚动阻力系 数 路面类型滚动阻力系数 沥青或混凝土路面 ( 新) 0 . 01 0 - 0 . 0 1 8 沥青或混凝土路面 ( 磨旧) 0 . 01 8 - 0 . 0 2 0 碎石路面 0. 02 0-0. 025 卵石路面 ( 平) 0 . 0 3 5 - 0 . 0 3 0 卵石路面 ( 坑洼) 0 . 0 3 5 - 0 . 0 5 0 压实土路 ( 干燥) 0 . 0 2 5 - 0 . 0 3 5 压实土路 ( 雨后) 0 . 0 5 0 - 0 . 1 5 0 泥泞土路( 雨季或解冻期) 0 . 1 0 0 - 0 . 2 5 0 干砂 0 . 1 0 0 -0 . 3 0 0 湿砂 0 . 0 6 0 - 0 . 1 5 0 结冰路面 0.01 5 -0. 03 0 压实雪道 0. 03 0-0. 05 0 2 、空气阻力 汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力， 称为空气 阻力凡。 据测试， 一辆以每小时 1 0 0 公里速度行驶的 汽车， 发动机输 出 功率的8 0 % 被用于克服空气阻力。 空气阻力主要与空气阻力系数和汽车的迎风面积有关，表示为: f = 合 c d a p u , ( 3 - 7) 式中:c d 为空气阻力系数， a为汽车的迎风面积， 铸为汽车相对空气的速度。下表是为汽车空气阻力系数 a的变化范围。 p 为空气密 度， c d 和迎风面积 表 3 - 2汽车空气阻力系数几 和 迎风面积a的 变化范围 车型 迎风面积a m t 空气阻力系数c d 轿车 1 . 7- 2. 10 . 2 8 -0 . 4 1 载货汽车 3- 70 . 6 - 1 . 0 大客车 4- 70 . 5 -0 . 8 3 、坡道阻力 汽车上坡时，汽车重力沿着坡道的 分力称为 坡道阻力f , ，即: 月=w s i n a = m g s i n a ( 3 - 8 ) 当a 较小时， s i n “ 二 t a n a 二 1 。 在 这种情况下， 可用坡度 1近似代 替坡度角，i =h 1 s = t a n a。实际上，除了山岭重丘之外，普通公路坡 度一般小于 5 % 。这时，坡道阻力可表示为: 只= m g i ( 3 - 9 ) 由于本 文分析、 试验的行驶情况都为平地行驶， 所以坡道阻力影响 较小。 4 、加速阻 力 汽车加速行驶时， 需要克 服本身质量加速运动的 惯性力， 该力称为 加速阻力f r . 加速时平移质量产生平移惯性力， 旋转质量产生旋转惯性 力 偶矩。 为了能用一个公式计算， 一般把旋转质量惯性力偶矩在数值上 等效转换为平移质量惯性力。 对于固定档位， 常用系数5 作为考虑旋转 质量力偶矩后的汽车旋转质量换算系数。 这时，汽车的加速阻力f ; 为: _. du 户.=a月 dt ( 3 - 1 0 ) 6 主要与发动机飞 轮的转动 惯量、 车 轮的转动惯量以 及传动系统的 传动比有关。 5 、 车辆的 行驶方程 由 上面的分析可以 得到汽车的行驶方程为: f , = f f + f , + 凡+ f , 反 p : ( 3 - 1 1 ) 凡几 i o t l r = 、* 告 、 。 ; + m g : 十 “ 令 ( 3 - 1 2 ) 3 . 2 传动系统数学模型 1 、离 合器结合过程数学模型 在车辆起步离合器接合过程中， 离合器从动盘上的扭矩是随离合器 同步时间和接合时转速的变化而变化的。 车辆起步阶段离合器结合规律 决定了起步阶段扭矩传递规律。 车辆起步时传递扭矩较大， 其滑磨过程 很复杂。 扭矩递增假设对于离合器的扭矩变 化描述较为准确， 即从动盘的 扭 矩是时间的函数，其输入输出扭矩传递公式为: ， * _ ， ，t s 一 t n i e 1 三衍 牛 j切 i.一 . 1】 ., l 气 t s) ( 3 - 1 3 ) 式 中 :t ,q 离 合 器 从 动 盘 扭 矩 t w 离合器主动 盘扭矩 t s离合器的同 步时 间 t n在同步时间内的 计算步长 b o 与离合器结 构、 操作 方式有关的系数 上面的 公式还需要用发动机在离 合器结合过程中其油门、 转速的时 间函数来修正。 发动机在离合器结合过程中其油门、转速关于时间的函数为: c a t + c z t 2 + c 3 t 3 + c 4 t 4 ,t + 久 t 2 + b , t3 + 气 t 4 ( 3 - 1 4 ) 3 . 3 变速器数学模型 1 、变速器效率模型 齿 轮变速器的传动损失 主要有齿轮啮合损失、 轴承摩擦损失和润 滑 油 搅动损失几部分组成。 变速箱效率是档位、 转速和扭矩的函 数. 在一 定 档位下， 变速箱效率随传递扭矩的 增加而 增加， 随输入转速的 升高 而 降低。 夺谏器效率拟合函数综合考虑输入扭矩、转速 以及档位的影响之 后，可以得到下面的公式: ，、/ .八 i 1，1、. 毛。了 11 、一” 人”心 _i-、_jij i ，.11 n - .刀亡 11 i n - 。月n .月， : 、 17, = 一 一 。1+ - )、 + 3lk m去 i1 1 一 1k1 - m + ,- m + 1n,-m ,-j ( 3 - 1 5 ) 式中:,1 , 伪 )变速器k 档工作时的效率 k变速器k 档的 传动比 m变速器输入转距 n变速器的输入速度 a 。 一 a ， 拟合参数，由曲线 模拟得到 变速器损失扭矩是输入扭矩和速度的函数， 由 此运用多项式拟合得 到如下关系式: 兀= a , + a a n + a 3 n 1 + a 4 n t + a , t + a 6 t z ( 3 - 1 6 ) 式中: t l变速器损失扭矩 a ，拟合系数 由上式可以推导出变速器的传动效率: t 6 一 t l ， 兀 11 1=一 一 二 丁 一 一=1 一二丁 1 , j , =1 一 a 一 a 2 n 一 a 3 t一 a 4 + a , n + a 6 n 1 不 = b , + b 2 n + b 3 t 十 (b 4 + b , 。 十 6 6n , )i t , ( 3 - 1 7 ) 式中: t , b ; 变速器输入扭矩 系数 2 、 传动比间隔数学模型 过去的变 速器传动比 是按照等比级数 排列， 相邻两档间传动比是一 个固定的常 数9 , 9 就是这个等比数列的公比。 这样排列比较简单，但 是却是不太合 理的 排列方式。 因为， 在实 际使用中 低档 位的使用率很低， 车辆在行驶中多数时间变速器处于高档位。 如果变速器的传动比采用等 比级数排列，就会出现使用率低的低档位过多，而利用率高的高档位过 少的情况。因而现在的车辆多数都采用传动比偏置等比级数的排列方 式。 偏置等比级数的排列方式， 就是使变速器的传动比由低档到高档逐 步变小的排列方式。 这样的传动比分配使变速器在不同档位工作时发动 机的转速范围不同，低档时转速范围较宽，而高档时较窄。当汽车以较 高车速行驶， 变速器在高档之间换档时， 发动机的功率下降较小， 发动 机工作区内的平均功率较大. 从燃料经济性角度看，高档之间的传动比 间隔减小， 增加了 发动机在经济区工 作的可能性， 从而降 低燃料消耗量。 变速器不同档位下发动机的转速范围与 变速器传动比的 分配规律有关， 即: f (k ) = 1k= ( 3 - 1 8 ) t 云 式中: f ( k )传动比分配函数 档位 k 档传动比 通过调整 传动比分配函数f ( k ) ， 就可确定一 组传动 系统的 变速器各 档传动比。 3 、换档规律数学模型 换档规律对车辆的油 耗及动力 性能都有着很大的 影响。 因 此， 换档 模型主要有两种方式的换档规则: 动力性换档规则和燃料经济性换档规 则。 ( 1 ) 、动力性换档规则 动力性最佳换档规律是: 以相邻两档加速度相等时对应的车速为换 档点。具体求法如下: 车辆在平地上的 行驶方程为: 兀=凡+ f + f , ( 3 - 1 9 ) 式中:f , 汽车驱动力 f j 滚动阻力 f. 空气阻力 f ; 加速阻力 c a u ? . d u =用刃 +一+m口 一21 . 1 5 d t ( 3 - 2 0 ) 式中:t ,q r m .f c o a u a s 动dd i 由此可得: 发动机转矩 车轮半径 汽车的质量 滚动阻力系数 空气阻力系数 最大迎风面 车速 汽车旋转质量换算系数，9 1 汽车加速度 _; ，ca u ? d u t_=i mx i十一+and - i 0 1 7 t 戈一2 1 . 1 5 d t ) ( 3 - 2 1 ) 在速度为， 变速器为丁 档时可得发动机转速n . ， 为: u o t g , t o 0 . 3 7 7 r ( 3 - 2 2 ) ，du- 白 - -二- d t (, . p d u-_. =一盯 ， d t ( , ) 如 果 t w (,+l) = (p , - l , p )1 p , ( 3 - 2 6 ) 式 中 : 艺尸 各 动 态 过 程 的 功 率 损 失 之 和 ， 包 括 传 动 系 的 功 率 损 失 由于各项动态损失与驱动力成正比， 设比 例系数为k ， 则各动 态过 程的 功率损失与驱动功率成正比，设k= k f + 凡十 k , 即 : 艺 尸 一 k p n , 十 p (1 一 。 ， ) = 伏; + k s + k jp q , + p , ( 1 + r/ , ) ( 3 - 2 7 ) 故行驶效率i 为: 。 = p , - 匕p e rl, + k s p . -q , + k c p e 7r + p ,，(1 - 业 几 = 17, 0 一 k ; 一 k 。 一 k j ( 3 - 2 8 ) 式中:n ， 传动系统效率 k f对应驱动力引起行驶阻力增加的比例系数 k s 对应轮胎滑转的比 例系 数 凡对应横向负荷转移的比 例系数 由上式可知，行驶效率可通过对传动效率进行修正获得。由于 k l 只是对汽车起步性能有较大影响， 而在驱动力明显低于附着力的高档影 响 不大，因 此只 需考虑 起步档和直接档的k f、 k s 、k l 值，而 其它档 则可由 直接档的 行驶效率17 经公式( 3 - 1 2 ) 修正后得到。 比 较k f、 k s 和凡值变化 ( 即 行驶效率的变化) 对动力性指标的 影响，可得到 k f、k s和 k l 值的取值范围，如表 3 - 4所示: 表 3 - 4 k f . k s . k l 的取值范围 k sk f 凡 直接档0 . 0 1 - 0 . 0 3 0 . 0 2 - 0 . 0 4 ( 0 . 0 4 -0 . 0 6 ) 0 0 . 0 2-0 . 0 6 非直接档 0 . 0 2 - 0 . 0 4 3 . 7 汽车动力性燃料经济性模拟计算 在上一章中确立了 汽车动力性和燃油经济性的 评价指标， 本章建立 了 动力传动系统动态模型。 下面就可以 根据这些条件进行动 力性和 燃油 经济性的模拟计算。 3 . 7 . 1 汽车动力性模拟计算 汽车动 力性的 模拟计算就是原地 起步加速时间 t的计算、最高车 速、 最大动力因数和最大 爬坡度等技术参数模拟计算。 1 ,汽车最高车速 汽车行驶过程中的最高车速是指在良好的路面 ( 混凝土、沥青)汽 车所能达到的最高行驶车速。 设最高档速比 为l k ， 计算汽车最大功率点 对应的车速 u 及发动机最 高转速n b 。 对应的 车速u b a : 。 = 0 .3 7 7 nrk ( 3 - 2 9 ) 0 k u ， 一 。 .3 7 7 哗 i l k 此时汽车行驶阻力功率: ( 3 - 3 0 ) p+ 乃 1 ( m g f u . c d a u 、 =1宁i 1 1 r 又 3 6 0 0 7 6 1 4 0 ) ( 3 - 3 1 ) 此时发动机的有效功率p 月 ，= p= ( 3 - 3 2 ) ( 3 - 3 3 ) 此 时 发 动 机 有效 功 率p q 与 行 驶 阻 力 功 率( 凡+ p f ) / r/, 之 差a p : 4 p = p e - ( p + p j ) 1 q , ( 3 - 3 4 ) 判断a p 的绝对值是否小于 预先给定的极小正数 ，这时有三种情 况: 1 )如果a p的绝对值大于6 值， 且a p 为正 值， 则说明此对发动机 的 有 效 功率p 大 于 汽车 行 驶 阻 力 功 率( p十 弓)/ 从， 汽 车 最高 车 速 u u ， 令。 = “ 十 d u ( d u 为计算步长) o 此时还需判断值是否小于u b , 如u 值不小于u b ，则表明“ ,= u b ， 计算结束: 反之，转向 步 2 e 2 ) 如果o p 的绝对值大于 ， 且a p 为负值， 则说明 此时发动机的有 效 功 率p q 小 于 汽 车 行 驶阻 力功 率(凡+ p j v 17 , ， 汽 车 最高 车 速u . u , 可令d u = d u / 2 ， 转向步2 ， 继续计 算。 3 ) 如果a p的 绝对值小于 ， 可认为此时发动机的 有效功率p刚好 与 汽 车 行驶 阻 力 功 率( 凡+ p f ) / 17 ， 相平 衡 ， 此 时 车 速。 即 为 汽 车最 高 车 2 3 速，计算结束。 采取上述方法，既考虑了发动机最高转速的限制， 又考虑了汽车行 驶阻力功率与发动机功率的平衡，同时也避免了求解高次方程的麻烦， 计算简便而又准确。 2 、最大动力因数 根据动力因数的定义，各档的动力因数为: d , f , 一 f = ( t qi iik 17, 一 0 a u 0 i / g 戈 r k 2 1 . 1 5) / ( 3 - 3 5 ) 最大动力因数指变速器挂一档时的动力因数，其计算公式为: d _ = f , 一 f ( t . i , i ,o , c n a u