（动力机械及工程专业论文）汽车动力传动系统优化匹配研究.pdf

摘要 摘要 动力传动系统的优化匹配是提高汽车动力性、降低燃油消耗量和排放的重 要措施之一。本论文在充分研究国内外相关文献的基础上，紧密结合某汽车公 司的动力传动系统优化匹配项目，在基础理论分析、模拟计算、试验研究以及 匹配优化等方面做了较为深入的研究，简要归纳如下： 1 ) 基础理论 分析汽车的受力情况，包括驱动力和阻力等；分析汽车性能模拟计算的理 论基础，包括动力性计算、燃油经济性计算等，为整车动力传动系统的优化匹 配打下了理论基础。 2 ) 优化方法 根据比较常见的两种情况( 发动机参数给定，优选传动系参数以及传动系参 数给定，优选发动机参数) ，分别提出了几种不同的优化方法。 3 ) 评价方法 研究了一种汽车动力传动系统最优匹配的评价方法，其主要评价指标包括 动力性能发挥程度的评价指标驱动功率损失率、经济性能发挥程度的评价指标 有效效率利用率以及动力传动系最优匹配的综合指标汽车的能量效率。 试验研究 为了获取匹配计算所必需的数据，并验证优化匹配的计算结果，对某公司进 行优化匹配车型的发动机等进行了大量试验，获得了较为详尽的数据，为模拟 计算结果的可靠性打下了坚实的基础。 5 ) 模拟计算 应用a v lc r u i s e 整车性能模拟计算软件，对某公司某型号客车( 包括2 种 主减速比和3 种变速箱) 的六种备选方案进行了整车动力性和经济性的模拟计 算，并计算了装备质量、发动机排量、风阻系数等结构性参数的敏感度。 6 ) 匹配优化 运用e x c e l 对c r u i s e 计算结果进行二次开发，编制了基于整车动力性、经 济性和排放的综合评价表格，对某公司某型号客车的各种备选方案进行分析和 比较，指出改进的方向，并提出了优化方案。通过对整车结构性参数的敏感度 分析，揭示了汽车性能的改进方向和潜力。 摘要 关键词：动力传动系统，优化匹配，优化方法，评价标准，综合评价体系，敏 感度 a b s t r a c t a b s t r a c t o p t i m i z a t i o na n dm a t c h i n go ft h ev e h i c l ep o w e r t r a i ni st h em o s ti m p o r t a n ta n d e f f e c t i v ew a yt oi 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 , f u e le c o n o m ya n de m i s s i o n s o nt h eb a s i so fs 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 lm a t e r i a l s , t h i sp a p e rh a sm a d eac o m p r e h e n s i v ea n dd e e pr e s e a r c ho nt h eb a s i cp r i n c i p l e s ， s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n , o p t i m i z a t i o nm e t h o d s , a s s e s s m e n tc r i t e r i ao ft h ev e h i c l e p o w e r t r a i no p t i m i z a t i o na n dm a t c h i n g t h em a i nd e t a i l sa r el i s t e da st h ef o l l o w i n g ： 1 ) f u n d a m e n t a lt h e o r y t h ep a p e rf i r s t l ya n a l y z e dt h es t r e s so ft h ev e h i c l e ，i n c l u d i n gd r i v i n gf o r c ea n d r e s i s t i n gf o r c e ；t h e na n a l y z e dt h et h e o r yb a s i so ft h ev e h i c l ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o n c a l c u l a t i o n ，i n c l u d i n gp o w e rp e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o n ，f u e le c o n o m yc a l c u l a t i o n ，e t c a l lo ft h e s ep r o v i d e dap r o f o u n dt h e o r yb a s i sf o rt h ev e h i c l ep o w e r t r a i nm a t c h i n ga n d o p t i m i z a t i o n 2 ) o p t i m i z a t i o nm e t h o d s s e v e r a lo p t i m i z a t i o nm e t h o d sa r eo f f e r e df o rt w od i f f e r e n tm a j o rs i t u a t i o n s ：o n e i st h a tt h ee n g i n ei sd e f i n e d , a n dt h et r a n s m i s s i o np a r a m e t e r sn e e d e dt ob es e l e c t e d , t h eo t h e ri st h a tt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mi sd e f i n e d ，a n dt h ee n g i n ep a r a m e t e r sn e e d e d t ob es e l e c t e d 3 ) a s s e s s m e n tc r i t e r i a as e r i e so fa s s e s s m e n tc r i t e r i ao ft h ev e h i c l ep o w e r t r a i no p t i m i z a t i o na n d m a t c h i n ga r ed i s c u s s e d t h em a i ni n d e x e si n c l u d e ：l o s sr a t i oo fd r i v i n gp o w e r , u t i l i z a t i o nr a t i oo fe f f e c t i v ee f f i c i e n c ya n dt h ee n e r g ye f f i c i e n c y 4 ) t e s ta n d r e s e a r c h t oo b t a i nt h en e c e s s a r yd a t at od ot h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nw o r ka n dt ov e r i f y t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，m a n yt e s t sh a v eb e e nd o n e ，m a i n l ya b o u tt h ee n g i n e s a l lt h e d a t ae n s u r e dt h ec r e d i b i l i t yo ft h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s 5 ) s i m u l a t i o n c a l c u l a t i o n a v lc o m p a n y sa d v a n c e dv 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 su s e dt oc a l c u l a t e t h 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 fac o a c hw i t hs i xd i f f e r e n tk i n d so f i l l a b s t r a c t t r a n s m i s s i o ns y s t e m s f u r t h e rm o g o ，t h es e n s i t i v i t yo fd i f f e r e n tp a r a m e t e r si sa l s o a s s e s s e dt h r o u g ht h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s 6 ) m a t c h i n ga n do p t i m i z a t i o n w i t ht h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，m i c r o s o f te x c e li su s e dt od of u r t h e rs t u d y , a n da c o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n tf o r mi sc r e a t e dt oa s s e s st h ep o s s i b l ea l t e r n a t i v e s ，f m a l l y t h eo p t i m a lc a s ec o u l db ep u tf o r w a r dt h r o u g ht h ea s s e s s m e n t t h r o u g ht h ea n a l y s i s o nt h es e n s i t i v i t yo fd i f f e r e n tv e h i c l es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，t h ep o s s i b l em e t h o d st o i m p r o v et h ev e h i c l ep e r f o r m a n c ec a n b ee a s i l yf o u n d k e yw o r d s ：p o w e r t r a i n , o p t i m i z a t i o na n dm a t c h i n g , o p t i m i z a t i o nm e t h o d s ， ，a s s e s s m e n tc r i t e r i a , c o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n ts y s t e m , s e n s i t i v i t y i v 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；在不以赢利为目的韵前 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： 年月日 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，均已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： 年月日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 概述 1 8 8 6 年，世界上第一辆汽车在德国问世，早期的汽车是在类似马车的底盘 上装上动力装置构成的。经过百余年的发展，汽车结构不断改进，汽车性能逐 步提高，产品的种类和功能也逐渐丰富和完善，作为一种经济、便捷、实用的 现代化交通、运输工具，汽车已经成为人类社会生活中不可或缺的组成部分； 同时，汽车工业的发展水平也成为衡量一个国家整体工业水平和综合经济实力 的标志之一。现代文明的进程是和以汽车工业为代表的社会化大生产紧密相关 的，在某种意义上可以说，现代化( 或工业化) 的过程也就是汽车化的过程。 随着改革开放的发展，我国经济持续稳定的高速发展，汽车产量和保有量 高速增长。截止到2 0 0 6 年年底，我国的汽车保有量已经超过3 5 0 0 万辆，年产 量达7 0 0 万辆。汽车保有量的增加给我国带来了巨大能源和环境压力。2 0 0 6 年， 我国原油产量为1 8 亿吨，进口石油1 2 7 亿吨，能源对外依存度逐年提高，这 对于我国的能源安全非常不利。汽车燃油消耗造成的能源安全问题和汽车尾气 排放造成的污染问题已经成为制约我国汽车工业发展的一大障碍。 中国拥有如此庞大的汽车保有量，为了减小能源压力以及减轻汽车尾气排 放，我们必须改进自己的汽车技术，使其拥有较强的动力、较低的燃油消耗和 较少的排放。而整车动力传动系统正是提高汽车动力性、降低汽车燃油消耗和 排放的重要手段之一。 1 2 汽车动力传动系统优化匹配研究的目的和意义 汽车动力性、燃油经济性的好坏，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， 而且可以取得良好的排放效果。 发动机的改进和优化经过长时间发展已日臻完善，改进潜力越来越小。纵观 1 第1 章绪论 整个发动机的发展历史，从1 8 6 0 年莱诺依尔( j j e l e n o i r ，1 8 2 2 1 9 0 0 年) 发明 的大气压力式内燃机热效率只有5 ，到1 8 6 7 年奥托( n i c o l a u s a o t t o ，1 8 3 2 - 1 8 9 1 年) 和浪琴( e u g e nl a n g e n ，1 8 3 3 1 8 9 5 年) 改进的大气压力式内燃机，热效率 可选1 1 ，并且奥托改进的原型机热效率可达1 4 ，而质量则减小了近7 0 ， 从而有效推动了内燃机工业的发展。从那时到现在，内燃机的热效率在不断改 进但是改进难度越来越大，改进余地越来越小。 在这种情况下研究人员把目光从单纯的提高发动机或者其它动力传动装置 的效率转移到了研究发动机如何与整车动力传动系统其它部件的匹配上面。如 图1 - 1 所示，左右两边的发动机相同，但是传动系不同，由图可以看出，在该循 环工况下，右边车辆运行工况更加接近发动机的经济运行区域。因此油耗可以 大大减小。 | 鹤除睡 1 簟耋争；簧圣誉簪 豇嘉茎茎善 薯鹾主雾二一_ 飞警昌；副 薯警蔷蔷主蔷 陉 田1 - 1利用c 哪缸e 进行优化匹配的效果示意圈 过去研究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，有三种总车重四种发动机。三种变速器，三 种驱动桥，两种轮胎可供选择，因而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、安装一系列不同的零部件需要花费大量的时间和费用。 第1 章绪论 而计算机模拟计算的发展则将汽车动力传动系统的匹配优化发展到了一个 新的阶段。利用计算机软件，人们可以方便的建立车辆模型，并在样车没有制 造之前，模拟计算它的动力性、经济性和排放等各种性能，然后可以根据结算 结果进行优化匹配，大大节省了人力、物力和财力。 1 3 国内外对动力传动系统优化匹配的研究现状及发展趋势 国外汽车界在整车动力总成的优化匹配方面做了大量工作，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，如g p s i m 程序、c v t o p t 程序、 w o t s i m 程序等。使用这些程序在样车制造前就能较准确地对汽车动力性和燃 油经济性进行预测，并可以根据改变传动系速比等结构参数所引起的整车性能 的变化来与所选发动机进行最佳匹配，然后通过试验验证就可以较快的完成整 个设计过程。除了各大汽车公司自行开发的软件外，一些商用软件也不断涌现， 如a v l 公司的c r u i s e 软件，是a v l 公司与德国的一些汽车企业合作开发而成的， 具有很强的实用性，是当前该研究领域较为优秀的软件之一，在很多汽车公司 及发动机厂得到广泛应用。 - g p s i m 程序：1 9 7 2 年由美国通用公司开发，可以模拟计算： 1 ) 全气门开度时，从起动到9 5 5 6 k m h ( 6 0 m p h ) 的时间； 2 ) 全气门开度时，起动1 0 s 内汽车行驶的距离； 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。 该程序包括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，可以模拟计算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是用稳态特性场，而且不能进行排放 模拟计算。 - c v t o f r 程序：可以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，则可以进行给予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。 国外各大汽车公司和研究机构相继投入了研究，至今已经建立了较为完备 的汽车动力传动系统数学模型，包括发动机模型、离合器结合规律、最佳换档 3 第1 章绪论 规律模型、变速器效率模型及主减速器效率模型等。运用这些模型，各个公司 分别开发了自己的模拟计算程序，例如通用公司的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 等。a v i , 公司的c r u i s e 软件是当前该研究领域较 为优秀的商业软件，并在欧洲各大汽车公司和部分北美汽车公司得到较为广泛 的实际应用。 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。8 0 年代后， 长春汽车研究所、吉林工业大学、清华大学和江苏大学等单位陆续开展了一些 工作，取得了一定的成果。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 动态行驶过程的处理，在相当大的程度上还只能依靠经验进行处理。1 9 8 3 年， 长春汽车研究所开发了汽车动力性和燃料经济性通用模拟程序，用于考察影响 汽车整体性能的各种参数，消除随机因素( 车辆、司机、天气等) 的影响。随 后在上世纪八、九十年代，同济大学、吉林工业大学、清华大学和江苏大学等 单位也在动力传动系统匹配研究方面陆续开展了一些工作，并取得了一定的成 果。但与国外企业相比，国内企业在汽车动力传动系的匹配和模拟计算方面的 研究水平还不高，主要存在着一些问题： 1 ) 优化匹配主要考虑的是传动系参数的优化，其方法多是以动力性能为约束条 件，多工况燃油经济性作为目标函数，没有充分考虑排放性能。 已开发的模拟软件尚停留在试验阶段，能够在实际设计中得到应用的很少。 现在，动力传动系统的匹配优化已经进入了计算机模拟计算时代。国外汽 车界在这方面做了大量工作，匹配模拟计算已较为成熟，并开发出许多应用模 拟程序。使用这些模拟程序在样车制造前就能较准确的预测汽车的动力性、燃 油经济性和排放，并在此基础上对原设计动力传动系统进行优化和匹配。市场 上也有很多这样的商业软件，其中最出色的要数由奥地利a v l 公司于1 9 9 8 年推 出的c r u i s e 软件了，它的优点是功能强大、模块化结构、接口方便、界面友好 等，代表了当今汽车工业中的领先水平。越来越多的汽车公司使用c r u i s e 对自 己的产品进行动力传动系统的优化匹配，因此，对使用c r u i s e 进行整车动力传 动系统的优化匹配的研究具有理论和实用意义。 4 第1 章绪论 1 4 本论文的主要研究工作 在发动机与整车的匹配过程中，影响匹配效果也就是整车整体性能的参数 有很多，如传动比速比和发动机的特性参数等。要达到好的匹配效果，仔细研 究这些参数如何影响最后的匹配结果，并寻找出其中的规律是非常必要的。 在匹配过程中，最终的匹配结果可考虑的车型组合很多情况下不止一个，如 何取舍并决定匹配结果也是非常关键的技术，这也就是动力匹配的评价标准。 这就涉及到如何运用整车的动力性、经济性及排放等参数来排序和选择匹配结 果。这也是非常重要的，没有评价标准，就无从选择最终的匹配结果，也就谈 不上好的匹配效果了。因此建立一个优化匹配结果的评价标准体系是非常有意 义的。 如果能找出影响发动机和整车中影响匹配效果的参数变化规律所在，在以 后的匹配工作中就可以方便快捷的找出多个较佳的匹配方案，并通过评价标准 选择最佳匹配方案。这样既可以达到最好的匹配效果，同时也节省了企业的开 发时间和开发费用。这也是本课题研究的实际应用价值所在。 总的来说，本文的主要内容包括： 1 ) 基础理论 分析汽车的受力情况，包括驱动力和阻力等；分析汽车性能模拟计算的理 论基础，包括动力性计算、燃油经济性计算等，为整车动力传动系统的优化匹 配打下了理论基础。 笳优化方法 根据比较常见的两种情况( 发动机参数给定，优选传动系参数以及传动系参 数给定，优选发动机参数) ，分别提出了几种不同的优化方法。 3 ) 评价方法 研究了一种汽车动力传动系统最优匹配的评价方法，其主要评价指标包括 动力性能发挥程度的评价指标驱动功率损失率、经济性能发挥程度的评价指标 有效效率利用率以及动力传动系最优匹配的综合指标汽车的能量效率。 钟试验研究 为了获取匹配计算所必需的数据，并验证优化匹配的计算结果，对某公司进 行优化匹配车型的发动机等进行了大量试验，获得了较为详尽的数据，为模拟 5 第1 章绪论 计算结果的可靠性打下了坚实的基础。 5 ) 模拟计算 应用a v lc r u i s e 整车性能模拟计算软件，对某公司某型号客车( 包括2 种 主减速比和3 种变速箱) 的六种备选方案进行了整车动力性和经济性的模拟计 算，并计算了装备质量、发动机排量、风阻系数等结构性参数的敏感度。 6 ) 匹配优化 运用e x c e l 对c r u i s e 计算结果进行二次开发，编制了基于整车动力性、经 济性和排放的综合评价表格，对某公司某型号客车的各种备选方案进行分析和 比较，指出改进的方向，并提出了优化方案。通过对整车结构性参数的敏感度 分析，揭示了汽车性能的改进方向和潜力。 6 第2 章汽车动力传动系统优化匹配的理论基础 第2 章汽车动力传动系统优化匹配的理论基础 2 1 汽车动力传动系统 汽车动力传动系统主要由发动机一离合器一变速箱一驱动桥一驱动轮等组 成，如图2 - 1 所示，它是汽车的核心部分，也决定了汽车的整体性能，包括动力 性、燃料经济性和排放性能。 i - 一发动机2 - - 蕞台鼍3 - 鬻塌精4 - - 刀内节5 鞭动轿 一生蕞逮7 一传磅轴8 - - 驱动轮 图2 1机械式动力传动系的组威及布置 图2 - 2 则表示了汽车动力传动系统各方面因素与汽车动力性和燃料经济性 的关系，包括行驶阻力、发动机、传动系匹配以及使用因素，从一定程度上揭 示了提高车辆综合性能的可能途径。 7 第2 章汽车动力传动系统优化匹配的理论基础 行驶豫力 糟瘫锫铀蕉翁事 _ 小车l ，壤珊融力 量量、a 疆纛t 和囊 , m 1 l l l l t 传硪豢匹就 台曩皿- 错位t _ 椅传动比 假证鳓力健优化幡 劢熏，款是常翔工嚣 魁于燎拼匿镰 图2 - 2汽车动力传动系统与汽车整车性能的关系 2 2 汽车的动力性计算 汽车的动力性主要可由三个方面的指标来评价： 1 ) 最高车速，指汽车在水平良好的路面( 混凝土或沥青) 上汽车能达到的最高 行驶车速。现代轿车的最高车速一般在1 4 0 - 2 5 0 k m h 之间，货车和客车的最 高车速一般在8 0 - 1 2 0 k m h 之间。本文研究的城市客车最高车速在l l o k m h 左右。 动加速时间，包括原地起步加速实践和超车加速实践，分别指：汽车由1 档或 2 档起步，并以最大的加速度( 包括选择恰当的换档时机) 逐步换档至最高 档后到某一预定的距离或者车速所需的时间；汽车用最高档或次高档从某一 低速全力加速之某一高速所需的时间。 3 ) 最大爬坡度，指汽车在满载( 或某一载质量) 时在良好的路面上的最大爬坡 度，一般是1 档的最大爬坡度。 确定汽车的动力性，就是确定汽车沿行驶方向的运动状况。为此，需要掌握 沿汽车行驶方向作用于汽车的各种外力，即驱动力和行驶阻力。根据这些力的 8 第2 章汽车动力传动系统优化匹配的理论基础 平衡关系建立汽车行驶方程式，从而分析汽车的最高车速、加速度和最大爬坡 度等。 汽车的驱动力 汽车发动机产生的转矩乙，经传动系传至驱动论上。此时作用于驱动轮上 的转矩z 产生一对地面的圆周力e ，地面对驱动轮的反作用力e ( 方向与昂相 反) 即是汽车的驱动力。若令毛表示发动机转矩，表示变速器的传动比，乇表 示主减速器的传动比，表示传动系的机械效率，则有： e = 墨= 塾鲤( 2 - 1 ) 上一一一一 rr 式中：r 为车轮半径。 汽车的行驶阻力 汽车在水平道路上等速行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力e 和来自空 气的空气阻力瓦。当汽车在坡道上行驶时，还必须克服重力沿坡道的分力，即 坡道阻力互。汽车加速行驶时还需克服加速阻力e 。 因此，汽车总的行驶阻力为： 譬q ( 2 2 ) 在上述各个阻力中，滚动阻力和空气阻力是在任何形式条件下均存在的， 坡道阻力和加速阻力在一定的行驶条件下不存在。在水平道路上等速行驶没有 坡道阻力和加速阻力。 a ) 滚动阻力e b = 町= 研c o s t z ( 2 - 3 ) 式中：g 为车辆重；a 为道路的坡道角度，厂为滚动阻力系数。 b ) 空气阻力l e=丢coap,；(2-4) 式中：g 为空气阻力系数；p 为空气密度；a 为迎风面积，即汽车在其行驶方 向上的投影面积；“，为相对速度，在无风时即为汽车的行驶速度。 在无风条件下，n s 2 * m 4 即为汽车的行驶速度h 。若“。以k m h 、a 以时计， 且p 取1 2 2 5 8 n s 2 m - 4 时，空气阻力匕( n ) 为： 9 第2 章汽车动力传动系统优化匹配的理论基础 ( 2 5 ) 互= g s i n a g t a n a = g i 式中：口表示坡道角；j 表示坡度，在坡度较小的情况下，有s i n a t a n a = f 。 d ) 加速阻力e = 6 加譬 ( 2 6 ) 式中为了便于计算，一般把旋转质量的惯性力偶转化为平移质量的惯性力，对 于固定传动比的汽车，常以系数6 作为计入旋转质量力偶矩后的汽车旋转质量换 算系数，6 1 ；所为汽车质量( 蚝) 。瓦d u 为汽车的加速度( m s 2 ) 汽车行驶方程式 根据前面分析的汽车驱动力和汽车行驶阻力，可以得到汽车行驶方程式如 下： f ei f f + f w + f t + f j 即为： 兰丝垒垫塑。g 厂s 口+ 丛+ g s j n 口+ 6 历塑 r 。 2 1 1 5d t ( 2 7 ) ( 2 8 ) 2 3 汽车的燃油经济性计算 汽车的燃油经济性常用一定工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量来表示， 常用的有等速百公里油耗以及循环工况的百公里油耗。 等速百公里燃油消耗量是常用的一个评价指标，是指汽车在一定载荷( 中 国标准规定轿车为半载、货车为满载) 下，以最高档在水平良好路面上等速行 驶l o o k m 的燃油消耗量。 但是因为等速行驶工况不能全面反映汽车的实际运行情况，特别是在市区 行驶中频繁出现的加速、减速、怠速、停车等形式工况。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 来模拟汽车实际运行工况。 _ 等速行驶工况燃油消耗量的计算 汽车以某车速等速行驶时单位时间内的燃油消耗量( m 1 s ) 为： 1 0 第2 章汽车动力传动系统优化匹配的理论基础 q = 赤 ( 2 9 ) 式中：b 为燃油消耗率 g ( k w h ) 】；p 为燃油的密度( k g l ) ；p 为阻力功率( k w ) ； g 为重力加速度( m s 2 ) 。 整个等速过程行经5 ( m ) 行程的燃油消耗量( m l ) 为： q = 丝l ( 2 1 0 ) 。1 0 2 u 。p g 折算成等速百公里燃油消耗量( l l o o k m ) 则为： q 5 = 丽p b ( 2 1 1 ) 等加速行驶工况燃油消耗量的计算 在汽车加速行驶时，发动机还要提供为克服加速阻力作消耗的功率。若加 速度为半，则发动机提供的功率p ( 1 【w ) 应为： p 。! ( 盟+ 望生+ 业鸟( 2 - 1 2 ) 珊、3 6 0 0 7 6 1 4 03 6 0 0d t 。 下面计算由“。以等加速度加速行驶到“。：的燃油消耗量。把加速过程间隔分 为若干区间，例如按速度每增加l k m h 为一个小区问，每个区间的燃油消耗量 可根据其平均的单位时间燃油消耗量与行驶时间之积来求得。各区间起始或终 了车速所对应时刻的单位时间燃油消耗量q ( m u s ) ，可根据相应的发动机发出 的功率与燃油消耗率求得： q = 丽p 面b ( 2 - 1 3 ) 汽车行驶速度每增加l k m h 所需时间( s ) 为： 址壶 协1 4 ) d f 从行驶初速“。加速至“。，+ l k m h 所需燃油量( m l ) 为： 蜴一丢( + a 。) 出 ( 2 - 1 5 ) 式中：瓯为行驶初速h 。时，即f o 时刻的单位时间燃油消耗量( m l t s ) ；q t 。为车 速为“以+ l k m h 时，即岛时刻的单位时间燃油消耗量( m i l s ) 由车速h 。，+ 1k m l i 再等加l k m h 所需的燃油消耗量( m l ) 为： q 2 - 去( q i l + 既) 缸 ( 2 1 6 ) 第2 章汽车动力传动系统优化匹配的理论基础 式中：q t 2 为行驶初速“。+ 2 k m h 时，即f ：时刻的单位时间燃油消耗量( m u s ) 。 依此类推，每个区间的燃油消耗量为： q 3 三+ q o 洫 ( 2 1 7 ) q n - 妄( 。) + q m 皿 ( 2 1 8 ) 式中：玩、q h ，q 为岛，气各个时刻的单位时间燃油消耗量( r o t s ) a 整个加速过程的燃油消耗量( m 聃) 为： q 。一善q ii q l + q ：+ 一+ q 。 ( 2 - 1 ” 或： q i 。圭( q 帕+ q m ) 垃+ 善n - - lq a缸(2-20) 加速段内汽车行驶的距离( m ) 为： s 一菱2 2 协2 1 ， _ 等减速行驶工况燃油消耗量的计算 减速行驶时，油门松开( 关至最小位置) 并进行轻微制动，发动机处于强 制怠速状态，其油耗量为正常怠速油耗。所以，减速工况燃油消耗量等于减速 行驶时间与怠速油耗的乘积。减速时间( s ) 为： f u a 2 _ - - u d ( 2 2 2 ) 互6 竺 叱 式中：u 也、u 日为起始和减速终了的车速( k m h ) 5 面d u 为减速度( m s 2 ) 。 减速过程燃油消耗量( m l ) 为： q 。器q i ( 2 彩) 叱 式中：q 为怠速燃油消耗量( m l s ) 。 减速区段内汽车行驶的距离( m ) 为： 第2 章汽车动力传动系统优化匹配的理论基础 ”爨 仫枷 d t d 一怠速停车时的燃油消耗量的计算 若怠速停车时间为f ( s ) ，则燃油消耗量( m l ) 为： 锄- q i 乞 ( 2 2 5 ) 一 整个循环工况的百公里燃油消耗量 对于由等速、等加速、等减速、怠速停车等行驶工况组成的循环，如我国 的客车四工况法，其整个试验循环的百公里燃油消耗量( u 1 0 0 k m ) 为： q j 湮1 0 0 ( 2 2 6 ) 式中：罗q 为所有过程燃油消耗量之和( m l ) ，s 为整个循环的行驶距离。 2 4 汽车的排放性能 随着大气环境的日益恶化以及温室效应的日益明显，各国对排放性能的要 求越来越高。排放控制已经成了汽车性能的重中之重，因此也是匹配必须考虑 的主要问题之一。现行法规均以循环试验工况的排放来衡量汽车的排放性能， 新车型必须通过国家的排放测试。新的排放标准g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 1 规定的循环试 验工况模拟了实际的汽车行驶工况，通过该循环试验工况的排放量可以较好的 评价汽车的排放性能。 汽车排气污染物中主要的有害成分是：n 0 2 、c o 、h c 、s 0 2 、碳烟和颗粒 等，汽油机主要是n 0 2 、c o 、h c 。n o 主要是指一氧化氮( n o ) 和二氧化氮 ( n 0 2 ) 。一氧化氮是无色的气体，在空气中，一氧化氮被氧化成二氧化氮。其 含量超过1 5 p p m 时，它会和血红蛋白结合，若超过2 0 p p m ，会影响肺的功能。 二氧化氮呈红褐色，具有强烈的刺激气味，对肺和心肌等都有很强的损害作用。 另外，碳氢化合物与氮氧化合物在阳光的作用下，在波长4 0 0 0 x 1 0 d o l l l 以下的紫 外线区，会进行一系列的光化学反应，生成臭氧和过氧化酰基硝酸盐p a n 等所 谓光化学过氧化产物以及各种游离基、醛、酮等成分，形成毒性很大的浅蓝色 烟雾一光化学烟雾。在光化学烟雾中，臭氧是一种极强的氧化剂，在0 1 p p m 浓度时，就有特殊的臭味。p a n 、甲醛、丙烯醛等产物对人的眼睛和鼻子都有强 烈的刺激作用。 1 3 第2 章汽车动力传动系统优化匹配的理论基础 商用车辆( 整车质量大于3 5 0 0 k g ) 多数使用柴油机作为动力，其排放标注 准是g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 ，等效于欧i i 排放标准，在台架上以十三工况法测量发动机 排放即可，无需对整车排放进行测量。 对于轻型汽车( 厂定最大总质量小于3 5 0 0 k g ) 而言，衡量汽车排放特性的 主要指标是汽车在标准试验循环下的每公里排放量，通常要求待检汽车在转鼓 试验台上按照特定的试验循环行驶，进行排气采集和测定，用每单位行使距离 的有害成分排放量作为评价标准。 下表2 1 给出了不同车类的使用范围和对应的排放法规。本论文研究的是重 型柴油机客车，表2 - 2 给出了相应型式认证试验及生产一致性试验排放限值。 表2 - 1 不同车类的范围及对应的捧放法规 车类使用范围依据标准检验项目 最大总质量不大于 g b1 8 3 5 2 卜2 0 0 1 或 捧气污染物、曲轴箱 3 5 0 0 k g 及最大设计 g b1 8 3 5 2 2 - 2 0 0 1 捧放及燃油蒸发+ 速度5 0 i 【m h 的轻 轻型汽油车 型汽油车和安装点燃 式发动机使用其它燃 g b1 4 7 6 1 5 - 9 3怠速下捧气污染物 料的车辆 最大总质量不大于 g b1 8 3 5 2 1 - 2 0 0 1 或 捧气污染物 3 5 0 0 k g 及最大设计 6 b1 8 3 5 2 2 - 2 0 0 1 速度5 0 k m h 的轻 轻型柴油车 型柴油车和安装压燃 式发动机使用其它燃 g b1 4 7 6 1 6 - 9 3 柴油车自由加速烟度 料的车辆 最大总质量大于 6 b1 7 6 9 1 - 2 0 0 1 发动机排气污染物 3 5 0 0 k g 及最大设计 速度5 0 k m h 的轻 重型柴油车 g b1 4 7 6 1 7 - 9 3 发动机全负荷烟度 型柴油车和安装压燃 式发动机使用其它燃 料的车辆 g b1 4 7 6 1 6 - 9 3柴油车自由加速烟度 设计速度2 5 k m h 的勉、m 3 、n 1 、n 2 压燃式发动机 和n 3 及最大总质量 g b1 7 6 9 1 - 2 0 0 1 发动机捧气污染物 大于3 5 0 0 k g 的m 1 类 1 4 第2 章汽车动力传动系统优化匹配的理论基础 的机动车装用的压燃 式发动机，包括燃用 其它燃料的压燃式发 g b1 4 7 6 1 7 9 3 发动机全负荷烟度 动机，但不包括农用 车装用的发动机。 最大总质量大于 g b1 4 7 6 2 。2 0 0 2 发动机排气污染物 3 5 0 0 k g 及最大设计 速度5 0 i 【i b h 装用 g b1 4 7 6 1 4 9 3 曲轴箱排放污染物 重型汽油车 点燃式发动机或装用 g b1 4 7 6 1 3 9 3 燃油蒸发污染物 点燃式n g 、l p g 的车 辆 g b1 4 7 6 1 5 9 3 怠速排放污染物 表2 - 2型式认证试验及生产一致性试验捧放限值( o - 位：g 姆h ) p mp m 检验类别实施日期 c oi 配n 仉 ( 8 5 k 哪( 8 5 k w ) 2 0 0 1 9 1 4 51 1 8 00 6 lo 3 6 型式认证试验 2 0 0 3 9 14 01 1 7 00 1 50 1 5 2 0 0 5 9 14 01 17 0o 1 5o 1 5 2 0 0 1 9 14 91 2 39 00 6 80 4 生产一致性试验2 0 0 4 9 14 01 17 o0 1 5o 1 5 2 0 0 6 9 14 01 17 00 1 5o 1 5 2 5 模拟计算及a v lc r u i s e 软件使用介绍 第一章已经提及：基于模拟计算的汽车动力传动系统优化匹配能够节省大量 的人力物力和财力，因此非常值得大范围推广和应用。 前面几节叙述了如何计算汽车的动力性、经济性和排放等，而很多计算机软 件都早已解决了这一问题，能够准确、迅速的模拟计算整车的性能，下文将对 这些软件中的佼佼者a v l c m i ，也是本论文主要使用的软件做较为详细的 介绍。 c r u i s e 软件为a v l 公司与德国几大汽车公司联合开发的整车动力传动系匹 配软件，经德国及欧洲一些著名的汽车制造厂使用，证实其具有非常实用的效 果。本课题采用c r u i s e 软件，并通过二次开发，用来解决某汽车公司整车动力 传动系优化匹配设计问题。计算车型为该公司的一款城市客车，主要研究内容 1 5 第2 章汽车动力传动系统优化匹配的理论基础 为采用不同主减速比和不同变速箱等不同配置时的整车动力性、经济性，并因 此作为新车型的设计依据。 c r u i s e 是用于研究车辆行驶特性、燃油消耗、捧放性能以及振动性能的高级 模拟软件。主要的计算内容有；燃油消耗与排放、驾驶性能( 起步加速性，超 车加速性能) 、传动比、制动性能、应力集中等。 c r u i s e 采用了模块化的方法，可以利用预设的模块( 如发动机、齿轮箱、离 合器等) 对车辆自由建模，甚至对一些独特的车型，如混合动力和多发动机车 辆也可以建模。 c r u i s e 具有友好的图形用户界面，建模、输入数据和输出结果都非常方便。 汽车模型的建立和数据输入是通过建模器完成的。各模块蔑于工具箱里，通过 鼠标拖放到工作区。在工作区中，可以即时建立计算模型，也可以修改已有模 型。对于各种标准配置( 例如前驱，后驱或全驱车型) 都有可以利用的样例 各模块间用线连接，这些线代表了能量流动；与控制模块的连接则通过数据总 线。数据输入可以通过对话框，也可以从数据库、a s c i i 码文件或其它相同的模 块里拷入，数据的单位可根据习惯决定。在计算开始之前，程序将自动检查模 型中遗漏或错误连接以及输入的数据。下图为c i t l i s e 软件的操作界面。 b a da md t 0 6 图2 - 3c r u i s e 软件壤作界面 第2 章汽车动力传动系统优化匹配的理论基础 车辆模型建立得好坏将直接影响计算结果的正确与否，同时也是后续数据 处理的基础。由于c r u i 辩软件在建模上采用了横块化的建横方式，各模块同以 一定的方式连接。这样使得模型建立十分简单，而且建立出的模型易读、且易 于修改。模型的建立构成了设计任务的框架，而本课题的目的是通过此框架得 到结果，因此还要设定计算任务。c r u i s e 软件的计算任务是以文件夹形式存在的， 可以通过文件夹的添加或删除来定义不同的计算任务，如循环工况、稳态工况、 全负荷加速工况等等。 1 1 建立车辆模型 图2 4 为本课题计算车型的整车模型。模型选用了1 0 种模块组件，包括： 车辆、发动机、变速箱、离合嚣、减速嚣、差速器、耗功附件、制动器、车轮， 轮胎及驾驶室。每个模块都需输入所要求的数据，以实现相应的功能。 圈 西 网 竺生_ j 旺蜀 盘 田2 一本课题研究的大型客车在c r l l s e 上的模型 c r u i s 软件考虑了较多因素，模拟计算所需数据很多。文中对影响计算结果 较大