（车辆工程专业论文）基于经济性与排放性的轻型货车动力系统匹配优化方法研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文中文摘要 摘要 汽车保有量的增加使我国能源短缺问题日益突出和环境污染不断加剧，开 展降低汽车燃油消耗和尾气排放的研究对社会发展具有重要的意义。汽车燃油 经济性和排放性的好坏在很大程度上取决于其动力系统合理匹配的程度，在确 保动力性的前提下通过匹配优化动力参数提高汽车的燃油经济性和排放性是 一种有效的方法。 本文以轻型货车为研究对象，基于层次分析法建立了轻型货车动力性、燃 油经济性和排放性的综合性能评价体系，基于车辆系统动力学理论和曲线曲面 拟合插值理论建立了轻型货车动力系统的数学模型，并使用m a t l a b 编制了 动力性、燃油经济性和排放性的模拟计算程序。通过对轻型货车燃油经济性和 排放性以及其行驶工况的研究，以轻型货车的燃油经济性与排放性为优化目 标，以动力性为约束条件，以变速器各档传动比和主减速器传动比为设计变量， 建立了动力系统的匹配优化模型，选用混合惩罚函数法进行求解，并利用 m a t l a b 的优化工具箱编写了相应的优化程序。 利用本文的数学模型和优化方法，可以对轻型货车动力系统性能进行数值 模拟和动力参数优化匹配。通过实例验证了在保证动力性的条件下，通过匹配 优化轻型货车的动力系统可以改善轻型货车的燃油经济性和排放性。 关键词：经济性；排放性：轻型货车；动力系统；匹配优化 山东理工人学硕j j 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t d e c r e a s i n gt h ev e h i c l ef u e lc o n s u m p t i o na n de x h a u s te m i s s i o nh a st h e i m p o r t a n tm e a n i n gt o t h ed e v e l o p m e n to ft h ew h 0 1 es o c i e t y，b e c a u s ee n e 唱y s h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nw o r s e n i n gh a v e b e c o m ea ni n c r e a s i n g l y i m p o r t a n ti s s u ew i t ht h ei n c r e a s eo fv e h i c l ep o s s e s s i v eq u a n t i t y t h ev e h i c l ef u e l e c o n o m ya n de m i s s i o np e r f o r m a n c em a i n l yd e p e n do nt h er e a s o n a b l em a t c h i n go f i t se n g i n ea n dt r a n s m i s s i o n ，a n di ti sa ne f f b c t i v em e t h o dt oi m p r o v et h ev e h i c l e f u e le c o n o m i ca n de m i s s i o np e r f o r m a n c eu n d e rt h ep r e c o n d i t i o n st om e e tt h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eb ym e a n s o fm a t c h i n gt h ed y n a m i cp a r a m e t e r s t h i sa r t i c l em a k e sl i g h td u t yt r u c k sa st h er e s e a r c ho b je c to fs t u d y t h e e v a l u a t i o ns y s t e mo ft h ec o m b i n e dp e r f o r m a n c eo fp o w e rt r a i n s ，i n c l u d i n gv e h i c l e d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，f u e le c o n o m ya n de m i s s i o ni n d i c e s ，i sc r e a t e db a s e do nt h e a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep o w e rt r a i n si s e s t a b l i s h e db a s e do nt h ev e h i c l es y s t e md y n a m i c st h e o r ya n df i t t i n gi n t e r p o l a t i o n t h e o r yo fc u r v e sa n ds u r f a c e s ，a n dt h en u m e r i c a lc o m p u t a t i o np r o g r a mi s w r o t e m a k i n gu s eo fm a t l a bs o f t w a r e b a s e do nt h es t u d yo f t h ev e h i c l ef u e le c o n o m y ， e m i s s i o np e r f o r m a n c e a n di t sr u n n i n gc o n d i t i o n s ，t h eo p t i m i z a t i o nm o d e lo ft h e p o w e rt r a i n si s e s t a b l i s h e dm a k i n gf u e le c o n o m ya n de m i s s i o np e r f o r m a n c ea s t a r g e tf h n c t i o n ，t h ep o w e rp e r f b r m a n c ea sc o n s t r a i n t sa n dt h et r a n s m i s s i o nr a t i oo f d r i v et r a i na sd e s i g nv a r i a b l e s t h em i x e dp e n a l t yf u n c t i o nm e t h o di ss e l e c t e dt o s o l v et h ep r o b l e m ，a n dt h eo p t i m i z i n gc o m p u t a t i o np r o g r a mi sw r o t eb a s e do n m a t l a bo p t i m i z a t i o nt 0 0 1 b o x m a k i n gu s eo ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa n do p t i m i z a t i o nm e t h o di nt h e a r t i c l e ，t h ep e r f o r m a n c eo fp o w e rt r a i n sc a nb en u m e r i c a l l ys i m u l a t e d ，a n dt h e d y n a m i cp a r a m e t e r sc a nb em a t c h i n go p t i m i z e d i tw a st e s t i n e db ya ne x a m p l e t h a tt h ef u e le c o n o m ya n de m i s s i o np e r f o r m a n c eo fl i g h td u t yt r u c k sc a nb e i m p r o v e db ym e a n so fm a t c h i n gt h ed y n a m i cp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：f u e le c o n o m y ；e m i s s i o np e r f o r m a n c e ；l i g h td u t yt r u c k s ； p o w e rt r a i n ；t h em a t c h i n go p t i m i z a t i o n h 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得山东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。 研究生签名：时阃：知一雪年月石日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：剥磊 导师签名： 9 u 臼， 卞孓山 时间：a 一踔占月l f r 日 时间：呻君年石月日 山东理t 大学硕士学位论史第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 从上世纪5 0 年代第一辆国产载货汽车下线以来，我国汽车工业经过了5 0 多年的发展，已经成为我国的支柱产业。随着改革开放的深入和社会发展的广 泛需求，我国汽车工业发展迅速，汽车保有量逐年上升，近年来我国汽车保有 量【1 1 变化趋势如图1 1 所示。从图中可以看出，2 0 0 6 年我国汽车保有量比19 9 7 年增加了2 0 3 倍，近十年来年均增长率为1 3 4 ，保持了较高的增长速度。 4 0 0 0 3 5 0 0 金3 0 0 0 怖 s2 5 0 0 撂 器2 0 0 0 拳 抖1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 o 1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 年份 图1 1 近年我国汽车保有量变化趋势 随着我国汽车保有量的不断增加，汽车作为一种经济、便捷、实用的现代 交通、运输工具在给人们带来方便的同时，也对能源和环境造成了巨大的影响， 汽车大量的燃油消耗和因汽车尾气排放造成的环境污染已经成为严重的社会 问题。 虽然各国都在努力寻找石油资源的代用燃料，但目前汽车的主要燃料仍以 石油资源为主。由表卜1 的统计结果【2 】显示，我国汽车消耗的汽油和柴油量分 别占汽油和柴油产量的8 5 和2 0 左右，是石油资源消耗的大户。2 0 世纪9 0 年代以来，我国石油消耗年均增长11 0 0 万吨以上，而国内原油产量年均仅提 高2 5 5 万吨，因此我国每年都需要从国外进口大量原油。由于石油能源的短缺， 燃油价格越来越贵，在汽车运输成本中，燃料消耗就占很大一部分比例，大约 2 0 3 0 【3 】。因此在目前道路条件比较好的情况下，动力性不再是消费者追求的 山东理工人学硕_ ：学位论文 第一章绪论 首要目标，大多数消费者希望汽车的燃油经济性最好。同时，石油能源的短缺 和汽车燃油消耗的日益增加也引起了政府部门的高度重视，2 0 0 4 年1o 月，我 国汽车行业首个油耗强制性国家标准g bl9 5 7 8 2 0 0 4 乘用车燃料消耗量限 值出台，将标准分两个阶段实施，第一阶段实施起始日期为2 0 0 5 年7 月1 日，第二阶段实施日期为2 0 0 8 年1 月1 日。届时没有达到标准的车辆将被禁 止生产和销售【2j 。因此，在保证汽车动力性的条件下尽量降低油耗，提高汽车 的燃油经济性是目前汽车企业需要解决的重要课题之一。 表1 1 近年我国汽油、柴油产量及汽车消耗量( 单位：万吨) 汽油柴油 年份原油 产量汽车比例产量汽车比例 产量a 1 消耗量 b l a la 2 消耗量b 2 a 2 cb l ( ) b 2 ( ) 1 9 9 01 3 8 3 0 65 1 5 7 11 9 8 4 59 22 6 0 9 44 5 2 51 7 3 1 9 9 l1 4 0 9 9 22 4 0 3 72 18 8 89 1 12 8 5 3 35 1 2 1l8 3 1 9 9 21 4 1 7 4 72 7 2 6 12 5 2 2 89 2 53 1 7 0 9 6 3 0 71 9 9 19 9 31 4 4 9 3 03 1 4 1 42 7 2 2 58 6 53 4 7 47 0 5 62 0 3 1 9 9 41 4 7 6 4 72 8 5 42 5 8 0 19 0 43 4 7 9 57 ll2 0 4 1 9 9 5 1 4 9 7 5 o 3 0 5 2 2 6 8 5 8 8 8 3 9 7 3 37 2 5 218 3 1 9 9 61 5 7 3 3 43 2 8 l2 8 1 8 58 5 94 4 1 98 0 9 1l8 3 1 9 9 71 6 0 7 43 5182 9 7 6 18 4 64 9 2 48 7 317 7 1 9 9 81 6 1 0 03 4 6 52 9 4 5 68 54 8 8 4 19 2 2 5l8 9 1 9 9 9 1 6 0 0 03 7 4 1 33 1 9 8 88 5 56 3 0 2 71 2 8 5 7 2 0 4 2 0 0 01 6 3 0 04 1 3 4 73 5 5 4 48 67 0 7 9 61 4 5 1 32 0 5 2 0 0 l1 6 3 9 64 1 5 4 73 5 8 8 68 6 47 4 8 5 7l5 5 52 0 8 2 0 0 21 6 7 0 04 3 3 6 13 8 1 1 48 7 97 7 3 5 91 7 0 9 62 2 1 同时，汽车保有量的不断增加使汽车尾气的排放总量也呈持续上升趋势， 汽车排放的一氧化碳、氮氧化合物和碳氢化合物等有害气体已经成为我国空气 污染的第一大污染源。我国主要城市的汽车排放分担率( 排放的某种污染物占 该污染物排放总量的比率) 如图1 2 所示1 4 j 。从表中的数据可以看出，这些城 市的汽车排放污染物分担率均超过5 0 ，有的甚至超过9 0 ，虽然我国其他主 要城市的汽车排放分担率和这些城市有差异，但汽车尾气排放污染仍然是我国 城市空气污染的主要来源。 山东理工人学硕士学位论文第一章绪论 表1 2 我国主要城市汽车排放污染物分担率 城市 北京上海广州 c o8 0 36 1 88 6 8 分担率h c7 9 15 6 79 7 4 n o x5 4 84 0 93 8 2 面对日益严峻的汽车尾气排放污染问题，我国正积极构建较为完善的汽车 污染控制体系，己经出台了一系列法规和标准对汽车排放污染进行控制，如： g b l 4 7 6 1 1 1 9 9 3 轻型汽车排气污染物排放标准、g b l 4 7 6 1 2 1 9 9 3 汽油机 排气污染物排放标准、g b l 4 7 6 1 3 一1 9 9 3 汽油车燃油蒸发污染物排放标准、 g b l 4 7 6 1 4 1 9 9 3 汽油曲轴箱污染物排放标准、g b l 4 7 6 1 5 一1 9 9 3 汽油车 怠速污染物排放标准、g b l 4 7 6 1 6 一1 9 9 3 柴油车自由加速烟度排放标准、 g b l 4 7 6 1 7 1 9 9 3 汽车柴油机全负荷烟度排放标准、g b l 4 7 6 1 1 9 9 9 汽车 排放污染物限值及测试方法、g b l 7 6 9 1 一1 9 9 9 压燃式发动机和装用压燃式 发动机的车辆排气污染物限值及测试方法和g b 3 8 4 7 1 9 9 9 压燃式发动机 和装用压燃式发动机的车辆排气可见污染物限值及测试方法等。2 0 0 5 年又颁 布了国家标准g bl8 3 5 2 3 2 0 0 5 轻型汽车污染物排放限值及测量方法( 中国 i i i 、阶段) ，规定自2 0 0 7 年7 月1 日起，所有新定型轻型车必须符合标准中规 定的型式核准排放限值的要求，并停止对仅达到国i i 标准轻型车的审批，自 2 0 0 8 年7 月1 日起，必须全面停止对国i i 标准及其以下轻型车的销售和注册登 记。可见我国政府对汽车尾气排放污染的重视。为了响应国家号召和避免生产 的车型被停止生产、销售，我国汽车企业也在积极展开如何减少汽车尾气排放 的研究。 综上所述，汽车保有量的增加使我国能源短缺问题日益突出和环境污染不 断加剧，广大消费者的要求和国家相应法规的强制执行使得如何在保证动力性 的条件下提高汽车的燃油经济性和排放性成为我国汽车企业研究的重要课题。 开展汽车节能与环保技术的研究对于人类的生存与发展具有重要的意义。混合 动力汽车、电动汽车等无疑是汽车节能和环保技术研究领域的热点，然而，传 统的以石油为燃料的汽车还会在相当长的时期内占有统治地位，开展改善其燃 油经济性和排放性的研究更具有迫切的现实意义。 目前，改善传统内燃机汽车燃油经济性和排放性的主要措施如下【5 儿6 j ： ( 1 ) 提高行驶效率：通过改进车身形状和轮胎构造减少行驶阻力；采用 新型材料，使构成部件和附属器等轻型化；采用自动或电控自动换挡装置，减 少轴承与齿轮的摩擦损失，提高传动效率；进行轻量化设计，对结构进行优化， 并使各总成部件尽量紧凑，减小汽车负重。 山东理t 大学硕i ：学位论文 第一苹绪论 ( 2 ) 改进现有发动机：通过改善燃烧、减少冷却损失，提高热效率；通 过可变的阀定时器、可变的排气量等改善部分负荷特性；降低运转部件的摩擦 损失和驱动辅机的损失，提高机械效率；采用汽油电控燃料供给系统、柴油高 压共轨燃料供给系统和电子控制等使发动机工作最优化。 ( 3 ) 开发新型动力：研究开发新一代发动机，采用混合动力驱动系统； 利用液化天然气、石油气、乙醇、甲醇等燃料代替石油产品，降低对石油资源 的依赖程度，减轻石油进口的压力；研制高效率发动机循环，如斯特林发动机、 兰金循环；利用化学能、氢能、电能等提供动力。 ( 4 ) 匹配优化动力系统：合理选择发动机型式和传动系型式以及动力装 置参数，发动机选型包括汽油机与柴油机的选择、发动机使用特性的选择以及 发动机排量的选择，传动系型式及参数的选择包括变速器的型式、速比范围、 档位数、速比间隔、液力变矩器型式及尺寸、驱动桥的类型及速比等。 其中，匹配优化汽车动力系统是在汽车设计中在保证动力性的前提下降低 汽车燃油消耗和尾气排放所采取的有效措施。计算机等科技领域的不断发展以 及数值算法的不断改进等为匹配优化汽车的动力系统提供了有效的工具。 1 2 课题研究的目的及意义 轻型货车是指总质量大于1 8 吨小于或等于6 吨的载货汽车及以其底盘为 基础延伸发展起来的改装车。由于轻型货车具有广泛的运输能力，轻便灵活， 机动性好，经济实用，装卸维修方便，以及易于改装成其他各种专用车等特点， 目前轻型货车市场需求量很大。近年我国载货汽车和轻型货车产量【1 1 的变化趋 势如图1 2 所示。 图1 2 近年我国载货汽车、轻型货车产量变化趋势 4 山东理工人学硕士学位论文 第一章绪论 从图中的数据可以看出，2 0 0 6 年我国载货汽车和轻型货车的产量分别比 1 9 9 7 年增长了1 3 0 9 倍和1 8 9 1 倍，年均增长率分别为l0 3 6 和13 6 3 。轻型货 车产量一直维持在载货汽车产量的5 0 左右，且增长速度很快，已经成为近年 来我国汽车产量增长的主流车型之一。 目前，我国的轻型货车主要还是以石油为燃料。改善燃油经济性和排放性 对于轻型货车而言，主要表现为在满足一定动力性要求下的燃油经济性和排放 性最优。轻型货车的动力性、燃油经济性和排放特性的好坏在很大程度上取决 于动力传动系统型式及参数的选择，即取决于轻型货车动力系统合理匹配的程 度【r ，j 。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 统，也不能充分发挥其性能。能与发动机合理匹配的传动系统可以使发动机经 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， 提高发动机使用寿命，而且可以取得良好的排放效果【8 】【9 1 。 然而，在轻型货车研制过程中，由于规模生产带来的高度专业化的分工协 作，往往存在这样的情况，即发动机研制部门着重于改善发动机的工作过程， 以减少燃油消耗率；底盘研制部门则着重于提高传动效率，降低行驶阻力等。 这些工作对节能减排无疑是很重要的，但是如果不将发动机与底盘视为有联系 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车性能未能获得应有的改进。目前，国产发动机的使用工 况多数是远离理想工作区域的，未能实现动力系统的最佳匹配【6 j ，因此，通过 合理匹配轻型货车动力系统来提高轻型货车的运输效率，降低燃油消耗和尾气 排放，具有较大的潜力【l o 】。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 以往由于测试手段和计算工具的限制，汽车动力系统的匹配一直都采用定 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 】，其设计流程如图1 3 所示。 图1 3 传统汽车设计流程 山东理工人学硕士学位论文第一章绪论 汽车设计人员首先根据经验制定多种匹配方案，再试制样车并通过样车试 验对方案进行优选。设计人员往往从设计成本和设计周期考虑，不可能去尝试 每种匹配方案，他们往往会凭经验从诸多方案中选择几种，再通过比较确定最 终匹配设计方案。并且，汽车的动力性、燃油燃料经济性和排放性是在进行道 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，使得产品的性能不令人满 意，进而造成人力、财力和物力的浪费】。 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，对汽车的动力性、燃油经济性和排放性进行预测和控制，以期达到优 化匹配的目的。随着计算机的广泛应用和现代计算方法的发展，使通过模拟计 算和试验相结合的方法来研究汽车动力系统的匹配问题成为可能。 通过计算机模拟计算方法匹配优化汽车的动力系统比一般计算方法相比 有如下优点： ( 1 ) 可以在较短时间内对大量的匹配设计方案进行检验，查明设计方案 和参数对汽车动力性、燃油经济性和排放性的影响，有助于设计人员快速找到 较优的匹配方案； ( 2 ) 能使设计人员在产品开发设计阶段对动力装置参数进行分析和优化， 从而在较短时间内完成新产品的开发设计，满足开发进度的要求。这样可以提 高产品设计的成功率，缩短设计周期，减少产品试制和试验的次数和费用，降 低开发成本，提高产品质量，从而提高市场竞争力； ( 3 ) 汽车的数学模型中往往包含很多线性或非线性的微分方程组，一般 的计算方法无法求解或需要大量时间才可以求解，以往限于计算手段，数学模 型难以描述汽车的实际情况，计算结果不能令人满意，而计算机模拟计算可以 解决这些弊端； ( 4 ) 计算机模拟计算汽车的动力性、燃油经济性和排放性，可以消除道 路试验中驾驶员、道路环境、气候等因素对轻型货车使用性能测定的影响，可 比性好、重复性强。 因此，通过计算机模拟计算来匹配优化汽车的动力系统是一种快速有效的 方法，目前被设计人员广泛采用。虽然由于模型误差和计算误差的存在，模拟 计算得到的匹配方案最终还要经过道路试验来验证，但模拟计算方法在产品设 计开发阶段仍然有很大的优越性。 6 山东理工人学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1 国外研究现状 国外从5 0 年代末期就开始进行汽车动力性和经济性模拟计算模型的研究 和计算程序或软件的开发，取得了很多研究成果，并被广泛应用于汽车新产品 的开发设计中。 w a t e r s 等人将汽车行驶工况处理成一个稳态的过程，通过计算获得汽车性 能与车速之间的一系列对应关系，该方法准确且占用机时少，但难以确定不同 行使工况对整车性能的影响【l2 】；h o n g 等人则从汽车运动方程入手，建立系统 的数学模型，运用典型行驶工况进行求解，他们成功地解决了各个行使工况的 权重问题，但编写的程序不能反映模拟路径中传动参数的变化情况【l3 】；s m i t h 开发了一套商用车的模拟计算程序，在程序中，他集成了以上两种方法，详细 描述了模拟路径中性能参数的状况，但计算量巨大，而且还存在由于异常试验 数据以及换档点、汽车极限工况区微分方程的不连续性导致的不稳定问题【1 4 】。 这一时期最具代表性的软件是美国通用汽车公司开发的汽车动力性与经 济性的g p s i m ，它采用了介于稳态假设和集成方法之间的模拟计算模型，利用 发动机稳态试验参数、汽车结构参数及零件测量参数对模拟车辆进行描述，而 对一些迅速变化的瞬态过程则用数值方法进行处理，利用该程序可以模拟汽车 在任何行驶工况下的瞬时油耗、累积油耗、行驶时间和距离，计算发动机和变 速器的工况以及汽车的动力性和燃料经济性根据有限的数据准确预测汽车各 工况下的性能，它还有助于了解特定行使工况下的排放情况，预测其底盘设计 参数的变化对性能的影响引。此外，比较典型的模拟计算程序还有美国国家 公路交通安全管理局开发的用于重型车辆的模拟程序h e v s i m 、福特汽车公司 的t o e p p 、康明斯公司的v m s 、美国交通部的v e i s i m 、日本日产汽车公司的 c s v f e p 、德国奔弛汽车公司的t r a s c o 等【”儿1 6 】。利用这些模拟程序，在样车 试制之前就可以较为准确地对汽车的动力性和经济性进行预测，并可以根据几 种传动系速比的变化引起整车性能的变化，找到较为理想的动力传动系统匹配 设计方案，但这些程序结构复杂、操作繁琐、对硬件系统要求也较高，因此它 们的应用和推广受到很大的限制【1 7 】。 8 0 年代以后，随着计算机的普及和功能逐渐强大，一些基于微机的较为实 用的汽车性能模拟计算程序应运而生。美国i l l i n o i s 大学开发的车辆动力学模拟 软件v p s 可以应用于手动或自动操纵的传动系统，能模拟任何稳态或动态的行 驶状况，并可将计算结果连续输出，按照用户要求生成文件保存，另外，v p s 采用模块化结构，发动机、变速器、车身等数据被保存在不同的文件中，互相 独立，易于不同系统之间的比较【1 8 】；奥地利a v l 公司开发的仿真软件c r u i s e 采用模块化的设计方法，可以对任意结构形式的汽车传动系统进行建模和仿 山东理工夫学硕j ：学位论文第一章绪论 真，对汽车的动力性、燃油经济性、排放性和制动性等性能进行预测和分析， 可以进行发动机、变速器、轮胎的选型及它们与车辆的匹配优化，还可以用于 混合动力汽车和电动汽车的动力系统、传动系统及控制系统的开发与优化【| 9 】； 美国国家可再生能源实验室在m a t l a b 和s i m u l i n k 软件环境下开发了仿真 软件a d v i s o r ，可对传统汽车、纯电动汽车和混合动力汽车的动力性、燃油 经济性、排放性等性能进行模拟计算，软件按照汽车中的部件种类设计了不同 的部件仿真模块，用户可以根据自己的需要，在其模型的基础上修改或重建模 型，减少了建模工作量，计算结果可以用于汽车动力系统的匹配优化设计【20 1 。 从国外通过汽车性能的模拟计算来匹配优化汽车动力传动系统的实践来看，主 要集中在以下几个方面： ( 1 ) 研究不同的变速器和主减速器传动比对汽车性能的影响，通过减少变 速器和主减速器传动比来改善汽车的燃油经济性，但这样做往往以牺牲汽车的 动力性为代价【2 。 ( 2 ) 研究增加变速器档位、优化变速器传动比分配对汽车性能的影响，设 计具有更多档位的变速器，使动力传递过程平稳、顺畅。变速器传动比分配应 与汽车的常用工况相适应，达到最佳的实际效果2 2 】【23 1 。 ( 3 ) 对汽车进行轻量化设计，采用前轮驱动稀置、新型轻质材料、可靠性 设计技术使各总成部件、附件紧凑减重，以减少汽车整各质量，从而提高汽车 的动力性和燃料经济性【2 4 】。 1 3 2 国内研究现状 我国利用计算机匹配优化汽车动力系统的研究起步较晚，进入八十年代后， 国内些研究院所和高校才开展了一些研究工作，并取得了一定的研究成果。 长春汽车研究所开发的汽车动力性和燃料经济性通用模拟程序，能够考察 影响汽车基本性能的各个参数，消除随即因素( 如司机、车辆、天气等) 的影 响，该程序从运动学基本定律和系统的能量平衡关系出发，建立了系统的数学 模型，为保证模拟精度，在建模过程中较精细地描述了发动机净输出功率和不 同转速扭矩的油耗，离合器起步过程和变速器、驱动桥的能量损失及行使阻力 消耗的能量，以及不同工况下整个车辆系统的转动惯量的变化【2 引。清华大学 开发的动力性、燃料经济性的计算机模拟程序，较多地借鉴了国外的一些经验 模型，由发动机特性、传动系效率、轮胎行使特性、离合器接合分离过程以及 发动机万有特性关系简练而合理地阐述了汽车动力传动系统的基本工作过程 【26 1 。 8 山东理工大学硕上学位论文 第一章绪论 鉴于汽车各性能之间既相互联系又相互矛盾的复杂关系，在研究汽车动力 系统匹配优化设计中一个重要的问题就是如何全面、合理评价汽车动力传动系 统匹配的效果，建立正确的优化目标函数。比较常见的优化目标函数有：燃油 经济性【2 7 】；以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 用率作为经济性发挥程度评价指标，并用能量利用率指标来统一汽车动力性和 燃料经济性指标【28 】；动力性指标和燃油经济性指标的加权值【2 9 】；动力性、燃 油经济性和排放性指标的加权值【7 】【3 0 】等。在目标函数中加权系数一定的情况 下，加权系数法能对动力系统匹配做出较为合理的优化选择，然而，关于加权 系数如何确定方面公开发表的文献并不多，大多数资料都是根据开发经验来确 定，主观性较大。实际上，这些评价指标均有其局限性，因为用这些评价指标 作为目标函数进行优化，最终会导致产品的单一化。但这些研究在一定程度上 为解决汽车动力传动系统参数与整车及发动机的最佳匹配提供了理论依据。 从国内有关汽车动力系统匹配优化方面的研究来看，大多数都是以动力性 和燃油经济性为主，排放目标的实现大部分是通过采用改良的发动机和尾气处 理装置的方法来实现，其间忽略了传动系与发动机匹配以及其他因素对排放影 响趋势的考虑。另外，所开发的模拟程序也主要是针对某一具体车型，不具有 广泛的适用性和开放性。 1 3 3 研究的发展趋势 虽然通过模拟计算匹配优化汽车的动力系统以提高整车性能的研究己经 取得了定的进展，但仍然还有许多问题没有完全解决，尤其是对于汽车动态 行驶过程在相当大的程度上还是依靠经验进行处理，而且至今还没有一个公认 的对整车动力传动系统匹配合理程度进行综合评价的指标。 当前对汽车动力系统匹配优劣的评价已不再仅仅满足动力性和燃油经济 性的方面，排放性也应该考虑。这就对汽车动力系统的匹配优化提出了更高的 要求。事实上，由于发动机：e 作区域上性能的差异性，即使不改进发动机，通 过对汽车动力系统的匹配优化也可咀提高汽车的排放性。 汽车行驶过程中，发动机是在非稳态工况下工作的，而非稳态：【况时汽车 的动力性、燃油经济性和排放性与稳态工况有较大的差异，特别是排放性模拟 计算的误差会较大。在模拟汽车的排放性时为了尽可能减小误差，就必须使用 发动机的非稳态特性。今后的研究中，应以发动机的非稳态特性为出发点，找 到影响发动机动态工况下的动力性、燃油经济性和排放性的主要影响因素，从 而揭示整车性能与发动机实际工作状态的关系，为汽车动力系统的匹配优化设 计提供理论依据。 9 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 从发展趋势是来看，以后的研究工作主要是围绕如何完善计算模型、提高 计算精度，如何更准确模拟汽车的实际行使工况，如何完善汽车综合性能评价 体系等几个方面来进行。 1 4 课题的主要研究内容 本文以轻型货车为研究对象，开展动力系统匹配优化方面的研究，目的是 在选定发动机的情况下，通过优化传动系参数来改善轻型货车的燃油经济性和 排放性。 论文的主要研究工作内容如下： ( 1 ) 查阅与轻型货车动力性、燃油经济性和排放性有关的国家标准，了 解它们的评价指标和测试方法，建立能反映这三种性能的综合评价体系： ( 2 ) 建立轻型货车动力系统的数学模型，作为正确模拟计算轻型货车动 力性、燃油经济性和排放性以及进行动力系统匹配优化的理论基础； ( 3 ) 编写轻型货车动力性、燃油经济性和排放性的模拟计算程序，用于 轻型货车性能的计算和评价； ( 4 ) 建立轻型货车动力系统匹配优化的数学模型，选择合适的优化方法 进行求解，并编制相应的优化程序； ( 5 ) 以某轻型货车为例，利用建立的数学模型和选择的优化方法，对其 动力系统性能进行数值模拟和动力参数优化匹配，验证在保证动力性的条件 下，通过匹配优化轻型货车的动力系统可以改善轻型货车的燃油经济性和排放 性。 l o 山东理工大学硕上学位论文第二章轻型货车性能测试与评价方法研究 第二章轻型货车性能测试和评价方法研究 在对轻型货车的动力系统进行匹配优化设计过程中，当发动机和传动系参 数确定后，需要对整车的使用性能进行评价，以判断传动系统与发动机匹配是 否合理，也为优化动力系统以获得更好的综合性能提供依据，评价的合理与否 直接影响到优化决策。 汽车的动力性、燃油经济性和排放性是汽车整车性能评价中最重要、最基 本的组成部分。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 要由三个方面的指标来评定，即最高车速、加速性能和爬坡能力；从以最少的 燃油消耗完成尽可能多的运输工作量的观点出发，燃油经济性常用一定行驶工 况下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；排放 性则常用汽车行驶单位里程或消耗单位燃料时某种排放污染物的平均排放量 来评价。 为了贯彻执行我国交通部的汽车运输业车辆技术管理规定，正确判断 汽车性能的变化，保障汽车处于良好的技术状况，提高汽车的使用效益，我国 出台了一系列法规对汽车的动力性、燃油经济性和排放性的测试和评价作了一 些规定或参考。 2 1 动力性评价指标和测试方法 汽车的动力性是指汽车在良好的路面上直线行驶时，由汽车受到的纵向外 力决定的、所能达到的最高平均行驶速度，它表征了汽车以最大可能的平均速 度运送乘客或货物的能力口。轻型货车运输效率的高低在很大程度上取决于 其动力性，这是因为轻型货车的动力性越好，其行驶的平均技术速度越高，运 输效率也就越高。 为了保证在用汽车的动力性，提高运输效率，并保障道路交通的顺畅与安 全，我国交通部发布的j t t1 9 8 9 5 汽车技术等级评定标准中将动力性作为 汽车第一项主要性能进行评定，动力性检测合格成为汽车上路行驶的一项重要 的技术条件。因此，轻型货车动力系统的匹配优化，首先应该保证轻型货车的 动力性指标。 山东理工大学硕士学位论文第二章轻型货车性能测试与评价方法研究 2 1 1 最高车速 汽车的最高车速是指汽车满载时在水平良好的路面上所能达到的最高稳定 行驶速度，它不是瞬时值，而是可连续行驶一定距离的最高车速。汽车工程手 册对汽车最高速度的描述为：在无风条件下，汽车在平坦道路上行驶，行驶阻 力功率与驱动力功率相平衡时达到的稳定车速【3 引。两者的表述不同但实质相 同，后者实际上也是我国目前计算最高车速的常用方法。在汽车定型试验时， 一般都要做该车的最高车速试验，以确定最高车速是否达到设计要求。目前， 我国轻型货车的最高车速一般为8 0 1 2 0 k m h 。 为加快道路货运车辆结构调整和技术进步，促进道路运输装备的现代化， 鼓励节能降耗，保障货物运输安全、高效，根据国家有关法律法规和治理车辆 超限超载工作要求，2 0 0 5 年6 月我国交通部发布了货运汽车及汽车列车推荐 车型工作规则，要求各级交通主管部门对道路货运汽车及汽车列车推荐车 型表公布的车型，应当在费收等方面给予一定的优惠，且在治理超限超载检 查中给予快速通过的便利，因此开发设计的轻型货车的最高车速最好应不低于 推荐车型对轻型货车最高车速的要求1 0 0 驯h 。 2 1 2 加速性能 汽车的加速性能是指汽车在行驶过程中迅速增加行驶速度的能力，体现为 在水平路面上所能达到的最大加速度。由于加速过程中的加速度是不断变化 的，而且不易测量，所以在我国常用原地起步换挡加速时间和超车加速时间来 评价轻型货车的加速性能。 原地起步换挡加速时间是指汽车由一挡或二档起步，并以最大的加速强度 ( 包括选择恰当的换档时机) 逐步换到最高挡或次高挡后达到某一预定距离或 车速所需的时间。超车加速时间是指汽车用最高挡或次高挡由某一较低车速全 力加速至某一高速所需要的时间。我国国家标准g b t1 2 5 4 3 1 9 9 0 汽车加速 性能试验方法中规定：在起步连续换档加速性能试验中，汽车停于试验路段， 变速器置入该车的起步档位，迅速起步使汽车尽快加速行驶，在恰当时刻迅速 换档，换档后立即将油门全开，直至最高挡最高车速的8 0 以上，并记录加速 时间。但标准中并未对超车加速时间做出明确的规定，因此在对轻型货车的加 速性能进行分析时主要考虑原地起步换挡加速时间。 1 2 山东理工人学硕士学位论文第二章轻型货年性能测试与评价方法研究 2 1 - 3 爬坡能力 汽车的爬坡能力是指汽车满载时在良好的坡道路面上等速行驶时所能爬 上的最大坡度。针对汽车变速器的不同挡位，有不同的爬坡能力，但爬坡能力 通常是指汽车以最低前进挡能够爬上的最大坡度。轻型货车要在各种地区的各 种路面上行驶，要求它必须具有足够的爬坡能力，最大爬坡度一般在3 0 ， 即l6 5 0 左右。最大爬坡度代表了汽车的极限爬坡能力，它应比实际行驶中遇 到的道路坡度超出许多。这是因为考虑到了在实际坡道行驶时，在坡道上停车 后顺利起步加速、克服松软坡道路面的最大阻力。 我国国家标准g b t12 5 3 9 1 9 9 0 汽车爬陡坡试验方法规定：爬坡度试 验在坡度接近试验车的最大爬坡度的坡道上进行，试验车使用最低挡，如有副 变速器也置于最低挡，起步后将油门全开进行爬坡，检验最大爬坡度能否达到 设计要求。 汽车的最高车速、原地起步换挡加速时间和最大爬坡度是汽车所能达到的 极限能力，仅从一个方面反映了汽车的动力性状况，不能真实全面地体现整车 的动力性能，具有局限性，因此，需要综合考虑这些指标来评价汽车的动力性。 2 2 燃油经济性评价指标和测试方法 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 量完成单位运输工作量的能力，通常用一定行驶工况下汽车行驶百公里的燃油 消耗量或一定燃油消耗量能使汽车行驶的里程来衡量。 在我国，汽车燃油经济性常用评价指标为等速百公里燃油消耗量和多工况 燃油消耗量，单位是l 1 0 0 k m ，即汽车行驶1 0 0 k m 所消耗的燃油升数，其数 值越大，表明汽车的燃油经济性越差。 2 2 1 等速百公里燃油消耗量 汽车等速百公里燃油消耗量是指汽车在一定载荷( 轻型货车为满载) 时， 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。我国国家标准 g b ，t1 2 5 4 5 1 9 9 0 汽车燃料消耗量试验方法中对汽车百公里燃油消耗量测 试方法的规定是：汽车用常用档位等速行驶，车速从2 0 k m h ( 晟小稳定车速 高于2 0k m ，h 时，从3 0k m ，h ) 开始，以车速的l ok m h 的整数倍均匀选取车 速，直至最高车速的9 0 ，测出以每个车速通过5 0 0m 测试路段的燃料消耗量， 再折算成百公里燃料消耗量，然后在以车速为横轴、燃料消耗量为纵轴的平面 山东理工大学倾士学位论文 第二章轻型货车性能测试与评价方法研究 直角坐标系中绘制出等速百公里燃油消耗量曲线，如图2 1 所示，用以评价汽 车的燃油经济性。 舅 o o j d p i 想 宙 | 审 陋 蜊 j i p 卜满载最高档 一+ 一满载次商档 ， ， t ? 一。 ，二一“ r itii-i 5 06 07 08 09 0 z f d ( 捌h ) 图2 1等速百公里燃油消耗量曲线 汽车的等速百公里燃油消耗量并不能全面考核汽车的燃油经济性，它只能 作为一种相对比较性的指标。因为，等速百公里燃油消耗量缺乏有关动力性要 求的检验指标，容易造成试验车的动力性要求与燃油经济性匹配不合理的现 象；此外，等速百公里燃油消耗量也没有反映出汽车在实际行驶过程中出现的 加速、减速等非稳定工况，得到的分析结果就不准确、不完整，具有片面性【3 ”。 2 2 2 多工况燃油消耗量 为了克服等速行驶工况燃油经济性分析结果的片面性，各国在对实际行驶 车辆进行跟踪测试统计的基础上，制定了一些具有代表性的典型循环行驶试验 工况来模拟实际汽车的运行状况，并以其百公里燃油消耗量来评价相应行驶工 况的燃油经济性。 我国针对载货汽车也提出了相应的燃油经济性试验循环，国家标准 g b t1 2 5 4 5 1 9 9 0 汽车燃料消耗量试验方法中规定载货汽车燃油经济性试 验采用“六工况试验循环”，其中总质量小于3 5 吨的载货汽车( 不