（车辆工程专业论文）汽车动力传动系优化设计研究.pdf

摘要 目前世界汽车工业可持续发展面临着两大难题是石油资源匮乏和环境污 染，这两大难题在我国表现得更加突出。如何提高汽车的燃油经济性和降低汽 车的尾气排放是目前汽车工业急需解决的重要课题之一。关于这个方面，国内 外一些学者和专家围绕汽车和发动机做了许多的研究工作，提出了很多切实可 行的方法和措施。 汽车的动力传动系对整车的动力性、燃料经济性和尾气排放都有着很大影 响，所以汽车的动力传动系参数的确定成为汽车设计中的一个重要组成部分。 本文主要研究的是将优化理论应用到汽车动力传动系的优化设计中，以实现发 动机与传动系的最佳匹配，达到充分发挥汽车整体性能的目的。 根据汽车的有关知识可知同时提高汽车的动力性和燃油经济性，又降低尾 气排放是一个难解决的问题。关于这个问题本文提出：以汽车原地起步连续换 档加速时间、多工况的百公里油耗和多工况尾气排放的主要污染物( h c 、c o 和 n o 。) 的单位排放量之和加权组合成统一目标函数作为汽车动力传动系匹配的综 合评价指标。具体方法是：首先，根据发动机的试验数据，对发动机进行数学 建模；利用键合图理论建立汽车传动系的数学模型：其次，以汽车动力传动系 各档的传动比作为优化设计变量，以汽车的动力性要求，变速器的设计要求以 及对排放级别的要求作为目标函数的约束；再次，采用后向仿真计算方法，根 据标准工况的车速要求，计算出汽车动力性、燃油经济性和尾气排放分目标函 数；最后，将上述分目标函数进行加权组合，利用优化计算方法对目标函数进 行求解。这种动力传动系的优化匹配方法，考虑了汽车的尾气排放，更符合汽 车的现代设计要求。 文章最后，介绍了作者用m a t l a b 语言编写的一个用于汽车动力传动系参数 优化设计的软件，利用此软件可以方便的选择出符合设计要求的汽车动力传动 系各档参数；总结了将计算机模拟计算、优化理论、键合图理论应用到汽车动 力传动系的设计中的实用胜。 关键字：动力传动系，优化，键合图 一一 a b s t r a c t c u r r e n t l yt h ev e h i c l ei n d u s t r yh a st w op r o b l e m st h a tt h el a c ko fo i la n dt h e p o l l u t i o no f t h ee n v i r o n m e n t ，a n dt h e ya r em o r es e r i o u si no u r c o u n t r y h o w r a i s et h e f u e l e c o n o m ya n dl o w e re x h a u s te m i s s i o n t h a ti so n eo ft h e i m p o r t a n tt o p i c s c o v e h i c l ei n d u s t r yc u r r e n t l y t h e r ea r es o m es c h o l a r sa n dm a n y e x p e r t st h a td om a n y r e s e a r c hw o r k st or e d u c et h ef u e lc o n s u m p t i o na n dt h ee x h a u s te m i s s i o n t h e p o w e r t r a i nh a sg r e a ti n f l u e n c eo n t h ep e r f o r m a n c e ，t h ef u e le c o n o m ya n dt h e e x h a u s te m i s s i o n i ti si m p o r t a n tt h a tt h ec h o i c eo ft h ep o w e r t r i a nt ov e h i c l e t h i s p a p e ri n t r o d u c e sh o w t oc h o o s et h ep o w e r t r a i n a c c o r d i n g t ot h e k n o w l e d g eo f t h e v e h i c l e ，i t i sd i f f i c u l tt h a t r a i s i n g t h e p e r f o r m a n c ea n dt h ef u e le c o n o m ya n dr e d u c i n gt h ee x h a u s te m i s s i o n a tt h es a m e t i m e t h ep a p e rp u tf o r w a r d ：i ti sm a d et ot h ee v a l u a t i o nt h a tt h es u mo f1 0 0 k i l o m e t e ro i lc o n s u m p t i o n e x h a u s te m i s s i o nq u a n t i t yp e rk i l o m e t e r ( h c 、c oa n d n o x ) a tt h es t a n d a r dw o r kc o n d i t i o na n dt h ea c c e l e r a n tt i m eb yt h ew e i g h t i n g s f i r s t ， m a k i n gt h em a t hm o d e lo fe n g i n ea c c o r d i n gt o t h ee x p e r i m e n td a t aa n dt h em a t h m o d e lo ft r a n s m i s s i o nb yb o n dg r a p h ；s e c o n d ，t h ep a r a m e t e ro ft r a n s m i s s i o ni sm a d e t ot h ev a r i a t i o na n dt h ed e m a n d so ft h ep e r f o r m a n c e ，t h eg e a ra n de x h a u s te m i s s i o n i s m a d et ot h er e s t r i c t i o no ft h ea l g o r i t h m ；t h i r d ，m a k i n gt h ef u n c t i o n so fp e r f o r m a n c e ， f u e l e c o n o m ya n de x h a u s te m i s s i o nb yt h es p e e do ft h e s t a n d a r dw o r kc o n d i t i o n r e s p e c t i v e l y ；f i n a l ，i ti sm a d e t ot h eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mt h a tt h es u mo ft h et h r e e f u n c t i o n sb yt h e w e i g h t i n g s t h eo p t i m i z a t i o n m e t h o do fp o w e r t a i ni sb e t t e rt o m o d e r nd e s i g na b o u tv e h i c l e sf o rt h ed e m a n do ft h ee x h a u s te m i s s i o ni su s e d a tt h ee n do ft h i sp a p e r ，i ti n t r o d u c e st h es o f t w a r et h a ti sa b o u tt h eo p t i m i z a t i o n o ft h ev e h i c l e s p o w e r t r a i n ，w h i c hi sc o m p l i e db ym a t l a b a n d i tc o n c l u d e st h a t c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o nt h e o r ya n d b o n dg r a p ha r ea v a i l a b l et ot h ed e s i g n o ft h ep o w e r t r a i n k e y w o r d s ：p o w e r t r m n ，o p t i m i z a t i o n ，b o n dg r a p h v 茎坚墨王奎堂堡主笙茎 第1 章绪论 1 1 石油供给分析【1 】 1 1 1 汽车燃料基本状况 从汽车问世以来，石油一直是汽车的动力来源。近些年来，由于世界石油危 机的潜在威胁和环境保护的压力，人们开始探索除石油外的汽车代用燃料。综合 多种因素分析的结果是：代用燃料是汽车燃料的长远方向，但是在相当长的时间 罩还无法与石油燃料竞争。如表卜1 所示为按燃料分类的各种汽车概况。 表1 - 1 按燃料分类的各种汽车概况 汽车类型汽车生产量经济因素环境因素燃料供应因素 排放需控制，采用排世界石油至少 汽油、柴油绝大多数良好放控制技术可减少可用5 0 年；我 污染物排放9 0 国需部分进口 世界6 5 0 万辆需建加气站，世界能源很充 1 9 9 6 年；中国在大城市适足；中国l p g 的 l p c 、e n g2 0 0 0 芷8 - i 0用；能量容器 污染物排放中c o , 减 4 0 需进口 万辆，2 0 0 3比汽油低 少3 5 ，n o x 减少4 0 ( 1 9 9 8 ) ，进口 年3 0 - 5 0 万辆4 0 ，热效率低年增长率1 8 开发试验阶等距离消耗是甲醛排放量大，甲醛以煤、天然气为 甲醇 段汽油的两倍剧毒原料生产，充足 开发试验阶成本为汽油的 乙醇有毒：从谷物制 乙醇取会摊放更多的温 从农作物获得， 段3 倍充足 室气体 开发阶段，售排放中h c 减少5 5 ，从石油天然气 丙烷经济 出2 3 0 0 辆减少3 5 获得 开发试验阶零排放，安全性待改制氢技术有待 氢成本昂贵 段进，噪音和震动大降低成本 开发试验阶从石油转换得 燃料电池成本高待研究 段 到 武汉理工大学硕士论文 1 1 2 世界石油资源的基本状况与供给 据1 9 9 7 年数据，世界石油剩余探明储量为1 4 0 0 亿吨，年平均消耗3 5 4 0 亿吨，则2 l 世纪上半叶石油仍是主要能源，年均探明可采储量每3 0 年左右减一 半：2 1 世纪下半叶石油资源减少，应有新的能源代替( 见表卜2 ) 。而考虑新增 剩余探明储量和非常规石油储量因素，全世界的石油资源可维持较长时间。但是 石油产量的分布是极不均衡的，按照1 9 9 7 年的统计：中东占2 9 8 ，美国占1 3 9 ， 非洲占1 0 5 ，拉丁美洲占9 7 ，俄罗斯占9 7 ，中国占5 1 6 ，欧洲占2 9 9 。 表卜22 l 世纪世界石油储量及生产趋势预测( 亿吨) 累计探 剩余可 累计探 剩余可 年产量年份明可采年产量年份明可采 采储量采储量 储量储量 2 0 0 02 6 6 0 81 4 4 1 7 83 2 ，0 42 0 6 04 2 6 6 51 0 2 2 ，2 72 6 2 3 2 0 1 03 1 1 3 31 5 5 9 13 5 0 42 0 7 04 3 5 6 38 6 4 3 32 2 7 6 2 0 2 03 4 8 0 51 5 5 6 7 93 8 ，9 32 0 8 04 4 1 5 87 1 6 7 31 9 3 9 2 0 3 03 7 6 7 21 4 6 5 6 53 6 ，6 62 0 9 04 4 6 0 85 8 4 0 51 6 2 4 2 0 4 03 9 8 5 01 3 3 3 6 13 3 3 62 l o o4 4 9 3 o4 6 8 51 3 4 2 0 5 04 1 4 7 31 1 8 1 。6 92 9 5 6 1 1 3 我国石油资源与供给 据专家估计：按我国的石油最终可采用储量l6 0 亿吨计算，至2 0 0 5 年尚有 剩余可采储量1 1 5 亿吨，若每年产2 亿吨计，则可持续稳产至2 0 6 3 年；而在此 期间，由于技术的进步，最终可采储量仍将大幅增长；我国天然气最终资源量达 2 1 6 6 万亿m 3 ，2 0 0 0 年天然气年产3 0 0 亿m 3 ，2 0 1 0 年产7 0 0 亿m 3 ，则够开采3 0 0 年! 因此可以说，石油仍是2 l 世纪我国的主要能源。 我国石油消耗占总能源消耗的2 0 。1 9 9 0 1 9 9 6 年，中国石油表观消耗量( 生 产量+ 进口量一出口量) 年均增长率为5 1 2 ，而石油生产年均增长率仅为 1 4 6 ，1 9 9 7 2 0 0 0 年石油生产年均增长也仅为1 ( 见表卜3 、卜4 ) 。 2 一 武汉理工大学硕士论文 表卜3我国能源消耗总量构成 能源消耗总量占能源消耗总量( ) 年份 ( 万吨标准煤)煤炭石油天然气水电 1 9 8 06 0 2 7 57 2 22 0 73 14 0 1 9 8 57 6 6 8 27 5 81 7 12 14 9 1 9 9 09 8 7 3 07 6 21 6 62 ，15 1 1 9 9 51 3 1 1 7 67 4 61 7 51 86 1 1 9 9 61 3 8 9 4 87 4 61 8 01 86 1 1 9 9 71 3 8 1 7 37 1 52 0 4 j 76 2 1 9 9 81 3 6 0 0 07 1 61 9 8 2 16 5 表卜4我国石油产量 石油产量 人均石油产 石油产量 人均石油产 年份量( 公斤 年份量( 公斤 ( 万吨)( 万吨) 人)人) 1 9 7 0 3 7 4 61 9 9 51 5 0 0 51 2 4 5 4 1 9 8 0 1 0 7 ：9 81 9 9 61 5 8 9 4 1 2 9 2 2 1 9 8 51 2 4 9 0 1 1 8 8 31 9 9 71 6 0 7 4 1 3 0 6 8 1 9 9 01 3 8 3 l 1 2 1 8 41 9 9 81 6 l o o 1 2 9 6 l 自1 9 9 3 年起，我国成为石油和成品油进口国，每年进口石油和成品油数量 逐年上升。我国石油的产量和进口量相对需求量而言，总量短缺的矛盾在未来相 当长时间内不会改变。 1 2汽车排放物的危害【2 】 从1 8 9 6 年汽车问世到2 0 世纪3 0 年代的短短3 0 余年的时闻里，汽车制造业 得到了飞速发展，公路里程和汽车数量以惊人的速度增加。从2 0 世纪4 0 年代初 期开始，在世界汽车保有量较多的各大工业城市，人们开始意识到汽车尾气排放 带来的空气质量恶化与危害。一些国家的环保、卫生部门开始提出了警告。早在 2 0 世纪初，美国洛杉矶因大量使用汽车，城市上空常出现一层薄雾。当时人们 并没有意识到这与使用汽车的关系。直到1 9 4 2 年发生了著名的“洛杉矶烟雾事 件，才引起了人们的普遍恐慌。一种棕色的烟雾使市区能见的度降低，刺激眼睛、 加重哮喘、支气管炎和肺气肿等病症，并能伤害纤维组织，降低植物生长率，并 一3 一 垫坚里三奎兰堡主笙塞 对金属、橡胶、纺织品、油漆、砖石及其它建筑材料产生侵蚀作用。到2 0 世纪 5 0 年代，哈根密特教授的研究发现，这是由于汽车排放到大气中的碳氢化合物 和氮氧化物，在阳光紫外线作用下形成的一种有毒的“光化学烟雾”所致。在后 来的研究中发现汽车( 主要是柴油车) 排放的二氧化硫和微粒物也是城市烟雾的 组成部分。汽车排放的一氧化碳，虽然不是烟雾的组成部分，但对人体的健康危 害也不小。至今，世界各国对大气中有害物质的对人类健康的危害方式与程度的 研究在一些卫生、环保和医学研究机构在进行。大量的动物和人体试验以及理论 分析已经确认，有害于人体健康的污染物主要为碳氢化合物( hc ) 、一氧化碳 ( co ) 、氮氧化物( no ，) 、微粒物( pm ) 、二氧化硫( so ：) 和苯并芘以 及铅尘。表卜5 列举了一部分定性的研究成果，可以看出，这些个有害气体主要 对人体的肺和呼吸系统带来较大危害。有人还在研究这些有害物质对由于对食物 的蔬菜的污染而给人类带来的间接影响，以及某些疑难病症与它们的关系。大气 中氧化物主要指一氧化碳和臭氧，但以臭氧为主。臭氧是城市光化学烟雾形成程 度的主要指标。它虽然并非汽车或其它工业污染源的直接排放物，但它直接取决 于大气中碳氢化合物和氮氧化合物的含量。虽然在一般工业城市中，它们不仅仅 是汽车排放，但对许多现代工业城市的调查表明，汽车尾气正臼益成为这些物质 的最主要的贡献者。 表卜5 汽车尾气排放物对人体的部分影响 污染物对健康的短期影响对健康的长期影响 导致呼吸困难、胸闷和削弱肺功能，增加呼吸 氧化物( o 。) ( 臭氧等) 疼痛、咳嗽系统感染 总悬浮微粒物( tsp 、增加对其它污染物的感 tsp 中的多数组成物 都是有毒和致癌的，直 pm ) 受程度 接导致肺癌和褐肺 硫盐微粒( so 。)当同时存在氧化物时， 酸加重哮喘 能削弱肺功能 增加呼吸系统的感染程 二氧化氮( no ：)在较高浓度下类似臭氧 度，损坏肺壁细胞组织 空气中的那些物质对人类健康构成威胁，应当将其浓度控制在什么水平以 内，一直是工业和卫生环境部门研究的重要问题。它是人们制定环境政策和污染 物排放标准的基本依据。大量的研究显示汽车排放物对人的伤害是显著的和惊人 的，以至于汽车排放物标准在最近几十年在各国都被一再提高( 限制值大幅下 降) 。 - 矗一 武汉理工大学硕士论文 1 3 降低汽车的燃油消耗量和减少尾气排放的措施 3 1 为了降低汽车的燃油消耗量和减少尾气排放，各国汽车界围绕着汽车和发动 机主要采取了以下措施： 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科，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；前景发动机、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、变排量技术以改善部分负荷性能，通过降低运转部件的摩擦损失 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 ) 开发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，利用液化天然气、石油气 等燃料：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他；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、档仿效、速比 间隔；液力变矩器的型式及尺寸；驱动桥的类型及尺寸。 汽车动力性与燃料经济性的好坏，在很大程度上取决于发动机的性能和传动 系的型式及参数的选择，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的经济工作区 一s 武汉理工大学硕士论文 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“3 。 1 4 和本课题相关的国内外研究现状 3 】 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。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，这是个值得进一步研究的课题。 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，进而造成人财物力的浪 费。 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，靠大量积累的实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实验方案可达2 1 6 种，而每种方 案都需要设计、制造系列不同的零部件，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、燃料经济性和排放进行预测。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、燃料经济性和排放预测 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： l _ 它可以考察出汽车结构参数是如何影响汽车动力性、燃料经济性和排放 的，特别是这些参数微小的变化时，实际车辆试验往往测量不出对动力性、燃料 经济性和排放的影响，而计算机模拟计算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 能求解的线性和非线性系统的微分方程组，采用电子计算机和现代数值计算方法 以后，就可以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精 确描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 它能按预定的程序模拟各种行驶工况，包括瞬变的非稳定工况，因而能 武汉理工大学硕士论文 全面地预测汽车在各种工况下的动力性、燃料经济性和排放。 4 它能在很短时间内对大量的设计方案进行运算，查明这些方案和参数对 汽车性能的影响，有助于设计人员很快地找到比较有利的设计方案和参数匹配。 由此可见，计算机模拟计算方法是汽车总布置设计的有利工具，它不仅能分 析和预测汽车的动力性、燃料经济性和排放，而且能运用于设计的综合，即根据 预定的性能指标和技术要求找出最佳的设计参数。 1 9 7 2 年，美国通用汽车公司首先开发了汽车动力性与燃油经济性的通用预 测程序g p s i m ，该程序可以模拟汽车在任何行驶工况下的瞬时油耗、累计油耗、 行驶时间和距离，预测汽车设计参数如重量、传动系速比、空气阻力系数等的变 化对性能的影响。电子计算机的应用和测试手段的提高，使通过模拟计算和试验 相结合的方法来研究汽车动力传动系统匹配问题成为可能。目前，国外各大汽车 公司在这方面做了大量的工作，并开发了各自的模拟程序，除美国通用汽车公司 的g p s i m 外，还有福特汽车公司的t o e f p ，康明斯公司的v m s ，美国交通部的 v e f 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 o 等。这些程 序的使用在样车制造前就能准确地对汽车动力性和燃料经济性进行预测，并可以 根据几种传动系速比的变化引起整车性能的变化，找到这种变化的关系，形成 “最佳动力性、燃料经济性曲线”和“e 曲线”，从而找到能与所选发动机合理 匹配的传动系，这样就可以节省大量的试验费用，缩短设计周期。 目前，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。 1 5 本课题研究的目的和意义 本课题的目的是根据所选用的汽车动力传动系优化匹配的评价指标，利用计 算机对汽车动力传动系统进行模拟仿真计算，通过对汽车动力传动系参数的优 选，达到改善汽车的燃油经济性、动力性和尾气排放。 1 6 本课题研究的内容 本课题研究的内容： 1 ) 汽车动力传动系统最优匹配的评价指标： 2 ) 发动机和传统汽车动力传动系统的模拟计算方法； 3 ) 汽油机轿车动力传动系统优化匹配设计的软件开发。 7 亟堡堡三奎兰堡主堡茎 第2 章汽车动力传动系优化匹配研究 2 1 汽车动力传动系最优匹配的评价指标 3 】 5 】 汽车动力传动系最优匹配研究的关键是确定汽车动力传动系统匹配的评价 指标。 2 1 1 汽车动力性的评价指标 汽车是一种高效率的运输工具，运输效率的高低在很大程度上取决于汽车的 动力性。因为汽车行驶的平均速度越高，汽车的运输生产率越高，而影响平均速 度的因素，除运输组织原因外，主要是汽车的动力性。 从获得尽可能的平均行驶速度的观点出发，汽车的动力性能主要由以下三方 面指标评定。 1 ) 最高车速 最高车速是指在水平良好的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 4 0 2 5 0 k i n h 之间，货车最高车速一般在8 0 1 2 0 k m h 之间。 2 ) 加速性能 加速性能对汽车平均行驶速度有着很大的影响，它的评价指标很多，但通用 和统一的评价准则还没有。欧美等多数国家的评价指标采用汽车油门全开时的加 速距离和时间；而前苏联学者认为除此以外，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。 当今汽车界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指用一档或二档起步，按最佳动力换档时间逐次换至高 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 时间系指用最高档或次高档由某一较低车速在油门全开情况下，加速至某一高速 所需用的时间。 3 ) 爬坡性能 汽车爬坡性能是用满载汽车在良好路面上的最大爬坡度f m 。表示的。显然， 最大爬坡度是指一档最大爬坡度。有的国家规定在常遇到的坡度上，以汽车必须 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 一8 一量堡垄圭莶兰堡圭堡苎 不至太悬殊，以维持路面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 0k m h 的车速行驶，汽车列车在坡度为2 的坡道上能以5 0 k m h 的车速行驶。 现有的汽车动力性的评价指标只是反映了汽车本身具有的极限能力，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使用工况统一考虑，因 而往往与汽车实际使用效果相差很大。例如国内目前的城市公共汽车，尽管其最 高车速设计在7 0k m h 左右，而实际汽车运行平均车速只有2 0 3 0k m h 。 2 1 2 汽车燃料经济性的评价指标 从以最少的燃油消耗完成尽可能多的运输量的观点出发，汽车燃料经济性常 用定运输工况下汽车行驶百公里的耗油量或一定燃油量能使汽车行驶的里程 来衡量。目前，一般采用等速燃料经济性和多工况燃料经济性来评价汽车燃料经 济性。 1 ) 等速燃料经济性 汽车等速燃料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 高档在水平良好路面上等速行驶1 0 0k m 的燃油消耗量。通常测出每隔1 0k m h 或2 0k m h 速度间隔的等速百公里燃油消耗量，然后在图上连成曲线，称为等速 燃料经济特性曲线，以它来评价汽车的燃料经济性，如图2 一l 所示。 越度“。 图2 一l 汽车等速百公里油耗图 但是，这种评价方法不仅没有反映出汽车实际行驶中受工况经常变化的影 响，特别是市区行驶中频繁出现的加速、减速、怠速停车等行驶工况，而且在分 析如图2 1 所示的a 、b 两种汽车的经济特性时，难以确定究竟哪一种汽车在实 际使用中燃料经济性较好。 一9 一 心凄曩兰翻一一剖黔 武汉理工大学硕士论文 2 ) 多工况燃料经济性 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规范获得的汽车燃料经济性更接近实际行驶状 态。 自2 0 世纪7 0 年代起，各国为了能正确地模拟汽车行驶工况，在测定汽车典 型使用工况的基础上，制定了各种试验规范，如联合国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 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 8 2 b ， 日本的十工况和十一工况试验循环，中国载货汽车六工况试验循环j b 3 3 g 2 、城 市客车四工况试验循环j b 3 9 7 2 等，并以这些试验循环的百公里燃料消耗量来评 定相应行驶工况的燃料经济性。 2 1 3 汽车动力性、燃料经济性的综合评价指标 由内燃机理论和汽车理论可知，现有的汽车动力性和燃料经济性指标是相互 矛盾的，因为动力性好，特别是汽车加速度和爬坡性好，一般要求汽车稳定行驶 的后备功率大；但对于燃料经济性来说，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。从汽车使用要求来看，既不可脱离汽车燃料经济性 来孤立地追求动力性，也不能脱离动力性来孤立地追求燃料经济性，最佳的设计 方案是在汽车的动力性与燃料经济性之间取得最佳折中，采用汽车原地起步连续 换档加速时间与多工况燃料经济性的加权值作为综合评价指标。 2 1 4 其他综合性能评价指标1 6 1 ) 动力性能发挥程度的评价指标 图2 - 2装有汽油机和四档变速器的汽车与装 有等功率发动机汽车的驱动特性盐线 一1 0 一 垫坚里兰奎堂堡主丝苎 动力性能发挥程度的评价指标驱动功率损失率叩，为如图2 - 2 所示阴影 部分面积之和与理想驱动力特性曲线下的总面积的比值。驱动功率损失率计 一竺坐釜：薹塾! 塑 ， ：生粤二 ( 2 3 6 p , 。l n ( 生) 式中 只。，发动机最大功率，k w ； “。，“。汽车最高车速与最低稳定车速，k m h ； 坑与发动机转矩模型有关的系数； ”，”，第j 档时汽车发动机转速范围，r r a i n ； n 变速器的前进档档位数。 经济性能发挥程度的评价指标有效效率利用率定义为发动机常用工 况下平均有效效率仇与发动机经济区有效效率叩。之比为： 。老( 2 - 2 ) 发动机有效效率利用率反映了发动机经济性能发挥程度，值越大，发 动力传动系最优匹配综合指标汽车的能量效率仉定义为在一个行驶 循环中汽车运输货物所做的有用功与消耗的燃料热能之比，经推导得到汽车的 ，7 = 叩：叩。，7 f r g 叩。叩d ( 2 3 ) 式中叶，发动机的指示热效率： 发动机的机械效率； 叩，传动系效率； 武汉理工大学硕士论文 道路阻力利用效率； 仇载重量利用效率 吼驱动力利用效率。 实际上，汽车能量效率仉已把发动机和地盘的固有特性与汽车实际行驶条 件相结合，既反映了汽车本身具有的能力，又反映了汽车的实际使用效果，而且 也能提示动力传动系统改善的潜力和途径。 2 2 汽车动力传动系参数优化匹配的方法【6 】 汽车动力传动系参数的优化匹配就是根据汽车使用条件和要求，通过优选适 当的动力传动系型式和参数( 如发动机型式及排量，机械变速器的型式，速比范 围、档位数、速比间隔，驱动桥的型式及速比，轮胎类型及尺寸) 使发动机经常 工作区尽量与理想经济工作区相接近，以获得最佳的整车动力性与燃料经济性以 及良好的排放。 2 2 1 给定发动机参数优选传动系参数 这方面发表的论文很多，涉及到轻中型货车、客车及农用运输车的变速器和 驱动挢速比的优化。目前，普遍采用的优化模型如下： 目标函数：取多工况燃料经济性，也有选取汽车原地起步连续换档加速时间 与多工况燃料经济性的加权值。 设计变量：选变速器各档速比、驱动桥速比。 约束条件：一般选择整车动力性要求，变速器速比分配规律及道路附着条件 为约束条件。 2 2 2 给定传动系参数和整车参数优选发动机参数 给定传动系参数和整车参数时，如何根据汽车实际行驶条件来优选发动机型 号( 性能指标) ，这类研究并不多见。在这方面研究的关键是如何正确地建立发 动机性能特性和发动机设计参数、运行参数的定量关系。下面介绍两种优选发动 机参数的优化方法。 一种方法是建立发动机外特性数学模型为： 一1 2 武汉理工大学硕士论文 t 2 一焉( f m - - 2 e ) 4 ) 式中 t 一发动机转矩，。聊： t 。一发动机最大转矩，n m t 一发动机最大功率时的转矩，n 磁； n 。一发动机最大功率时的转速，r r a i n ； 一发动机最大转矩时的转速，r m i n ； n 一发动机转速，r r a i n 。 目标函数选用汽车等速百公里油耗与原地起步加速时间的加权值。 设计变量：z = 旺，足。，n 。，m m ，_ ) ，其中g 。为发动机最低油耗率 区的值，n 。为等速行驶时直接档对应的转速。 约束条件包括发动机参数调整范围限制和整车基本性能要求。 另一种方法是除建立发动机外特性数学模型外，还建立了发动机燃油消耗率 模型，其计算式 g ；n 。( g 。+ t ) ( 2 - 5 ) 式中6 一发动机每分钟消耗的燃油量，g ，r a i n ； ，。一发动机怠速时单位排量每转燃料消耗量，g ( r 工) ； g 。一发动机单位排量单位转矩每转燃料消耗量提高系数， g ( n m r 工、： k 一发动机的排量，l a 目标函数：汽车在常用工况下能量效率。 设计变量：x = 旺。，只。，n 。，h ，g e m i 。傀) 。 约束条件包括：发动机性能指标要求，整车动力性和燃料经济性要求。 采用上述优化方法获得的发动机参数，可为汽车设计或改进设计的发动机选 型和调整提供依据。 1 3 武汉理工大学硕士论文 2 3本文采用的综合评价指标和优化匹配方法 综上所述，现有的汽车动力传动系最优匹配的评价指标主要考虑的是汽车动 力性和燃料经济性，忽略了汽车的尾气排放，然而汽车动力传动系统的匹配与汽 车尾气排放也有关“1 。由于国家对汽车尾气排放限制日益严格，提出考虑汽车尾 气排放限常4 条件下的汽车动力传动系统最优匹配的评价指标很有必要。本文提 出：将汽车原地起步连续换档加速时间、多工况百公里油耗和多工况尾气排放的 主要污染物( c o 、h c 和n o 。) 的排放总量进行加权作为统一目标函数来对汽车动 力传动系统的匹配进行评价，选取适当的排放级别作为统一目标函数的一个约束 条件。本文研究的是在发动机参数给定的条件下，如何优选传动系参数r 以达到 汽车动力传动系的最优匹配。 1 4 武汉理工大学硕士论文 第3 章键合图理论简介【7 j 工程系统极其复杂多样，一个系统不仅涉及单一能量范畴，往往是多种能 量范畴的耦合。通常各种系统的动态分析方法，从建立模型到列出数学公式，大 都仅适用于某一种能量范畴或特定的系统。键合图( b o n dg r a p h ) 理论提供了一 种统一处理多种能量范畴的工程系统的动态分析方法，它将多种物理参量统一地 归纳成四种状态变量，即势、流、变位和动量变量，同时采用了表征基本物理性 能和描述功率变换及守恒的基本连接方式的十一种元件，就可以根据系统中功率 的方向，按照规定步骤来制定系统的键合图模型并列出状态方程。图形和数学描 述的统一格式使这种方法具有十分有效的功能。如果配以适当的计算机程序，只 要制定一个完全增广定向的键合图模型，并作为计算机的输入，就可以得到在给 定激励下系统动态响应的仿真结果。 这种方法在2 0 世纪5 0 年代后期由h p a y n t e r 教授提出，继后由d c k a r n o p p 和r c r o s e n b e r g 等作了大量工作，现已在美、荷、澳、德、加拿大等国一些大 学中用于教学和科研。我国一些大学也在研究应用，如武汉理工大学等。 3 1系统和键合图 为了制定某些系统的模型，通常必须先把系统分解成自够模型化或者能加 以实验研究的一些较小部分，然后把这些部分组合成系统模型。系统的各个主要 部分称为子系统，子系统的基本部分称为元件。 对系统建模采用的基本步骤：首先，识别主要的子系统并研究把子系统连接 起来的方法；然后，利用相互作用的物理系统必然传递功率这一事实，使已互连 的各个子系统的描述统一起来。 各子系统能够相互连接的地方，就是功率能在子系统之间流动的地方成为 “通口”。只有单一通口的子系统称为“卜通口”，带有两个通口的系统称为“2 一 通口”，如此等等。图3 - 1 所示电动机子系统为2 一通口子系统。子系统上标注了 若干变量转矩、角速度、电压、电流，变量是在子系统可能和其他子系统连 接而形成系统的地方成对出现的。 - 1 5 一 武汉理工大学硕士论文 电动机 图3 一l2 - 通口系统图 图3 - 1 所列举的各通口的变量，称为功率变量，因为两个作为时间函数的变 量，其乘积就是在两个多通口间流动的瞬时功率。既然两个多通口连接时总是会 出现功率的相互作用，因此不同功率按照一种普遍适用的体系来分类，并且用一 种共同的语言来描述所有形式的多通口就很有用处了。所有功率变量都称为势或 流，用符号e ( f ) 和f ( t ) 以表示各种势和流的量都是时间的函数。 流入或流出一个通f 2 的功率p p ) 可表示为一个势变量和一个流变量的乘积， 所以用广义表示法把功率写成下列表达式： p ( t ) ；e o ) + f ( t ) ( 3 - 1 ) 在动态系统中，势和流变量以及功率都是随时间而变化。描述动态系统时另 外还有两种形式的变量也很重要，就是动量p ( t ) $ e i 变位q o ) ，称为能量变量。 动量被定义为势变量的时间积分，即 f p ( t 、一f e ( t ) d t = p o + e ( t ) d t ( 3 2 。 奄 变位变量是流变量的时问积分： f q ( t ) = f f ( t 矽t = q o + f ( t ) d t ( 3 3 ) 。 飞 流入或流出一个通口的能量e ( f ) 是功率p o ) 的时间积分： e ( t 、tf p ( t ) d t ；f e ( t ) f ( t ) d t ( 3 4 ) p 和口被称为能量变量是因为：由式( 3 - 4 ) 可以得到 昱( r ) = f e ( t ) d q ( t ) af 厂q ) 印q ) ( 3 5 ) 因而能量不仅可表示为时间的函数，也可用一个能量变量的函数来表示。如 表3 1 列出了状态变量在不同物理系统中所代表的物理意义。 - 1 6 武汉理工大学硕士论文 表3 一l各状态变量的物理意义 广义变量机械平动机械转动 液压系统电系统热系统 势p力f转矩f压力p电压“绝对温度丁 流f速度v角速度 体积流量q电流f熵流s 压力动量 动量p动量p角动量l磁通量毋 只 变位q 位移x角目体积y 电荷g 熵s 对图3 - 1 所示的2 一通口电动机子系统进行研究前，往往先对其进行抽象和 简化，抽象和简化后的模型示意图如图3 2 所示，图中用“电动机”一词代替该 装置，直线段表示各通口，半箭头表示功率的流向，并规定：势变量写在通口线 的上方或左方，流变量写在通1 3 线的下方或右方。当把两个通口耦合在一起从而 它们的势和流等同起来的时候，就认为这两个具有一个公共键( 直线段和半箭 头) 。 一l 电动机土 国 j 图3 2 抽象和简化后的电动机模型图 一个键合图是由代表功率键的一些直线段连接在一起的子系统所组成。如 图3 - 3 所示为电池电动机泵组成的系统的模型，图中各子系统用词表 示，就成为词键合图。这样的键合图确定了多通口子系统、各子系统键合起来的 方式、子系统各通口处的势和流变量以及功率交换的符号约定。 - 聂电动机电池 弓一泵掣 电动机 电池 图3 3电池泵系统的词键合图 在对多通口系统的动态特性进行建模预测时，出现了输入和输出的概念， 或等效地说，激励和响应的概念。每一通口处既存在势变量也存在流变量，但只 能控制两者之一，而不能控制两者。图3 - 3 所示，将电压加给电通口，此时电压 为输入变量，电动机以适应的电流响应之，电流就是电动机的输出变量。多通口 的每一通口或键上既有势也有流，这两类变量被表示为成对的信号，且只能令两 种信号中的一个作为输入，另一个作为输出。在键合图中，规定何者为输入和输 出的方法上用因果线。因果线是画在键或通口线一端的根与其垂直的短线。因 果线指出势信号所指的方向( 也就意味着，键的没有因果线的一端就是流信号箭 头的指向) ，图3 - 3 中已画出因果线。功率流半箭头符号约定和因果线是完全独 1 7 武汉理工大学硕士论文 立的。输入输出因果关系的研究，是键合图独有的有效特点。 3 2基本元件 上一节中，根据功率交换和外部通口变量的观点，把真实器件作为子系统来 考虑。本本节中定义