（车辆工程专业论文）液力传动车辆经济性、动力性匹配优化计算及传动系扭振分析.pdf

摘要 摘要 如何提高装配有液力变矩器车辆的动力性、经济性，是一个需解决的问题。 而汽车动力传动系统的合理匹配以及液力变矩器元件的参数优化是两个重要手 段。 首先建立用于液力传动车辆动力性、经济性计算模型。分析用于动力性正 向计算的发动机、液力变矩器共同工作性能，对整车最高车速、爬坡度、加速 时间进行分别计算。分析用于经济性逆向计算的发动机、液力变矩器共同工作 性能，建立传动系各部件逆向仿真模型，对等速百公里、e c e 市区工况、e u d c 郊区工况进行分别计算，得到较好的结果。提出了基于遗传算法，分别以整车 动力性、燃油经济性为优化目标的优化模型，对变速器各档速比以及主减速比 进行优化，得到较好的结果。 其次，基于液力变矩器基本理论及特性分析，推导了液力变矩器工作时液 体循环流量、工作轮扭矩、工作轮能头、各种损失能头和液力变矩器特性的计 算公式，以一元束流理论和能量守恒为基础，提出了基于一种改进了的复合型 优化算法的液力变矩器叶栅参数优化模型，编制了基于m a t l a b 的计算程序，并 且将该方法进行了实例分析，经济性以及动力性都有所提高，并且泵轮容量系 数性能基本保持不变，证明了该方法的可靠性。 最后，在建立液力变矩器模型的基础上，根据能量守恒进行分析，推导出 液力变矩器的等效粘性阻尼系数以及等效刚度系数与涡轮、泵轮速比和泵轮转 速的定量非线性关系。通过液力变矩器原始特性分别对其刚度、阻尼系数进行 拟合计算。根据液力变矩器某一速比下的等效刚度、阻尼，发动机转速，建立 车辆动力传动系的通用力学模型，分别编写时域、频域计算程序，得到传动系 固有振动特性以及传动系各部件时域响应。 关键词：液力变矩器，动力性，燃油经济性，叶栅优化，遗传算法，扭振 a b s t r a c t a b s t r a c t h o wt oi m p r o v et h ed y n a m i c a lp e r f o r m a n c ea n df u e lc o n s u m p t i o np e r f o r m a n c e o fav e h i c l ee q u i p p e dw i t hat o r q u ec o n v e r t e ri sa nu r g e n tp r o b l e mt ob es o l v e d t h e r e a r et w oi m p o r t a n tw a y st oa c h i e v et h eg o a l ，f i r s ti sr e a s o n a b l yt om a t c ht h ev e h i c l e d r i v e l i n e ，s e c o n di st oo p t i m i z et h ep a r a m e t e r so ft h et o r q u ec o n v e r t e r a t f i r s t ，t h em o d e lf o rc a l c u l a t i n gt h ed y n a m i c a la n df u e l c o n s u m p t i o n p e r f o r m a n c eo ft h eh y d r o d y n a m i ct r a n s m i s s i o ni se s t a b l i s h e d t h ec o m b i n a t i o n p e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n ea n dt o r q u ec o n v e r t e rf o rt h ef o r w a r dd y n a m i c a lc a l c u l a t i o n i sa n a l y z e d t h em a x i m u ms p e e d ，g r a d e a b i l i t y , a c c e l e r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e i so b t a i n e d t h ec o m b i n a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n ea n d t o r q u ec o n v e r t e rf o rt h e b a c k w a r df u e lc o n s u m p t i o nc a l c u l a t i o ni sa n a l y z e d t h eb a c k w a r ds i m u l a t i o nm o d e l o ft h ed r i v e l i n ec o m p o n e n ti s e a t a b l i s h e d ，a n di s o k i n e t i c ，e c eu r b a n ，e c d cs u b u r b c o n d i t i o ni sc a l c u l a t e d a n dar e a s o n a b l er e s u l ti so b t a i n e d b a s e do n g e n e t i c a l g o r i t h m ，ao p t i m i z a t i o nm o d e li sp r o p o s e d ，w h o s et a r g e t sa r ed y n a m i c a la n df u e l c o n s u m p t i o np e r f o r m a n c e ，o p t i m i z i n gt h es p e e dr a t i o so ft h et r a n s m i s s i o na n dt h e m i a nr e d u c t i o nr a t i o ，a n dar e a s o n a b l er e s u l ti so b t a i n e d n e x t ，b a s e do nt h eb a s i ct h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s e so ft h eh y d r o d y n a m i c c o n v e r t e r , c a l c u l a t e df o r m u l ai n c l u d i n gc i r c u l a t i o nf l u x ，t o r s i o na n de n e r g yh e a do ft h e w o r k i n gw h e e l ，a l lk i n d so fl o s i n ge n e r g yh e a da n ds p e c i a lp e r f o r m a n c eo ft h e h y d r a u l i cc o n v e r t e rw a so b t a i n e d a c c o r d i n gt oo n e d i m e n s i o ns t r e a mt h e o r ya n d e n e r g yc o n s e r v a t i o np r i n c i p l e ，b a s e do na n i m p r o v e dm u l t i 一鲥do p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m ，ao p t i m i z a t i o nm o d e lf o rt h eb l a d ep a r a m e t e ri sp r o p o s e d t h ep r o g r a mo n m a t l a bp l a t f o r mi sm a d e ，a n dai n s t a n c ei s a n a l y z e d ，t h ef u e lc o n s u m p t i o na n d d y n a m i c a lp e r f o r m a n c e i s g e t t i n gb e t t e r , p u m pc a p a c i t yc o e f f i c i e n tr e m a i n s u n c h a n g e d ，i n d i c a t i n gt h a tt h em e t h o di sf e a s i b l e f i n a l l y , b a s e do nt h ee s t a b l i s h m e n to ft h et o r q u ec o n v e r t e rm o d e la n da n a l y s i s o ft h ee n e r g yc o n s e r v a t i o n ，t h en o n l i n e a rr e l a t i o n s h i po ft o r q u ec o n v e r t e r se q u i v a l e n t d a m p i n ga n ds t i f f n e s sc o e f f i 、c i e n tb e t w e e nt h es p e e do fp u m pa n dt h es p e e dr a t i o na r e 2 a b s t r a c t d e r i v a t e d t h r o g ht h eo r i g i n a lp e r f o r m a n c eo ft h et o r q u ec o n v e r t e r , t h es i f f n e s s a n d d a m p i n gc o e f f i c i e n ti sf i t t e d a c c o r d i n gt ot h ee q u i v a l e n ts t i f f n e s s ，d a m p i n go fo n e r a t i oa n dt h es p e e do ft h ee n g i n e ，ac o m m e nm e c h a n i c a lm o d e lo ft h ev e h i c l ed r i v e l i n e i se s t a b l i s h e d a n dp r o g r a m si nt i m ea n df r e q u e n c yd o m a i na r ec o m p l e t e d t h e i n h e r e n tv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h et i m ed o m a i nr e a c t i o no fd r i v e l i n e c o m p o n e n ta r eo b t a i n e d k e yw o r d s ：t o r q u ec o n v e r t e r , d y n a m i c s ，f u e le c o n o m y , b l a d eo p t i m i z a t i o n , g e n e t c i ca l g o r i t h m ，t o r s i o n a lv i b r a t i o n 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；在不以赢利为目的的前 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 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究目的和意义 汽车的动力性、燃油经济性是评价汽车性能的重要指标。其好坏，很大程 度上取决于车辆的动力传动系统合理匹配的程度。而对于装配有液力变矩器的 车辆在改善平顺性的同时，往往动力性、经济性不佳。将发动机与传动系参数 合理地匹配起来，会大大降低汽车的油耗，并可获得较好的动力性。与此同时， 利用现代计算机技术，对汽车动力传动系统进行仿真计算，研究汽车的类型、 结构和技术性能与汽车使用条件的适应性对汽车动力传动系统匹配和优化的影 响【2 1 0 过去对传动系的匹配，由于测试手段和计算工具的限制，一直采用定性分 析和简单的定量计算，靠大量的试验资料和反复测试的结果进行设计。例如， 要设计某种车型，有三种发动机，四种整车总重，三种变速器，三种驱动桥， 两种轮胎可选择，则有2 1 6 种不同的方案，每种方案需要设计和制造一系列不 同的零部件，需花费大量的时间和费用。在传统的设计中，为确定传动系参数， 首先要根据设计者的经验和汽车在某些极限行驶状况下的动力性要求来选择集 中方案进行设计、试制、试验，然后通过实验结果的对比，修改设计方案，然 后再试制、再试验的方法。这种方法耗资大，周期长，因此设计者因受时间和 经费的限制，往往采用参照法决定动力传动系的匹配，其结果往往是虽能满足 基本性能的要求，但是发动机和传动系的匹配却不合理，没有充分发挥其性能 指标，还增加了燃料消耗，加速了发动机的磨损，降低了发动机的使用寿命， 恶化了发动机排放指标。现在，通过对传动系所进行的仿真计算，使汽车产品 在开发前，就能作到预测汽车的性能、指导产品的设计和生产。在研究国内外 相关软件的仿真策略的同时，编制自己的软件平台是非常有意义的。通过此软 件平台为现有的车辆提供一个快速而又经济的计算汽车燃油经济性和动力性的 方法和工具。利用程序可以考察动力性和经济性的各个参数的影响，能够消除 某些随机的影响，可以调整有关参数，给出多种设计方案，供设计者选择和决 策。并在保证模型精度的前提下，可在软件平台中集成相应的优化算法，方便 第一章绪论 用着对其相关参数进行优化。与传统设计方法相比，不仅可以节约大量的人力、 物力，缩短设计周期，还可以明显提高设计质量，保证所设计的汽车具有优良 的性能引。 同时对于液力传动车辆，从整车动力性、经济性匹配角度，提出对液力变 矩器的性能要求，选择基于计算量相对较小的一维束流理论开发相应的液力变 矩器原始开发以及匹配优化软件也是很有意义的。集成的液力变矩器优化开 发流程见图( 1 1 ) 。它是一个从液力变矩器与发动机的匹配及整车性能计算到基 于一维束流理论液力变矩器性能初步优化、叶型三维设计、三维流场分析与优 化的闭环迭代优化过程。首先根据整车性能要求，对现有传动系部件进行选型， 对其进行动力性、燃油经济性计算。同时可对车辆速比进行优化。提出对于液 力变矩器的性能要求，选择合适的液力变矩器或者基于一维束流理论对现有液 力变矩器进行优化。根据得到的优化结果对液力变矩器三维造型进行修改，然 后进行三维流场计算与分析，并与试验验证分析。最后根据改型后的液力变矩 器再次进行车辆动力性、经济性计算验证整车性能是否符合要求。 通过优化匹配液力传动系统以及建立相关的液力变矩器性能优化平台来提 高液力传动车辆运输效率、降低燃油消耗、减少排气污染具有较大的潜力。无 论从社会效益、经济效益还是从提高液力传动车辆整体水平来说，都是具有十 分重要意义的研究课题瞳引。 液力变矩器与 发动机的匹配及 整车计算 三维流场分 析与优化 图1 1 液力变矩器优化流程 2 一维优化 叶犁现代三维 设计方法 第一章绪论 1 2 国内外研究现状及分析 通过查阅国内外相关资料可知，迄今为止，国内外对内燃机与液力传动系 的最优匹配这个既与内燃机有关、又与传动系和车辆有关的工作重视不够，公 开发表的资料并不多见，现有的研究有如下的特点： 1 ) 随着计算机技术的发展，液力传动系的匹配分析方法已由过于的采用比较传 统的图解法，图解计算法和解析法，逐渐转向利用计算机进行计算分析，进而 利用计算机，对液力传动车辆的基本性能进行仿真。 2 ) 现有液力传动车辆动力性计算下往往使用的发动机外特性，无法考虑车辆常 规行驶下节气f - jd 开度情况，对全面考虑车辆动力性具有一定的难度瞳1 3 ) 在现有的研究中，在车辆底盘参数和设计要求给定后，如何根据实际行驶工 况来优化变速器速比参数，选择液力变矩器类型，特别是根基整车需求来确定 液力变矩器改型要求，对以后液力变矩器改型设计提供依据的文献较少。 4 ) 目前在进行内燃机与液力传动系匹配时，主要考虑的是稳定工况( 等速) ， 而液力传动车辆经常工作在非稳定工况下，在非稳定工况下内燃机和液力变矩 器的特点都将发生变化，从而影响着内燃机与液力传动系的共同工作特性1 。 5 ) 在液力变矩器参数优化方面，大多数还集中在提高液力变矩器效率方面，而 基于匹配要求的液力变矩器改型设计的文献还比较少n 驯。 6 ) 基于一维束流理论的液力变矩器优化设计都是依据计算工况无冲击策略的二 维参数优化，可考虑多维参数的优化改型设计，当然适应多参数的优化的算法 也是必需的】。 1 3 本章的主要研究内容 本论文在思想上，从系统工程观点出发，把发动机、液力变矩器和机械传动 系统视为一个有机整体进行研究，重点研究发动机与液力传动系统优化匹配的 方法；从方法上，首先从整车角度计算装配有常规液力变矩器的车辆动力性、 经济性。然后从优化匹配角度出发，从两方面改进其整车性能，包括：基于几 何参数的液力变矩器性能匹配优化，液力传动系速比匹配优化，并分别根据其 优化的要求运用两种不同的优化算法。 同时从时域、频域，对传动系扭振性能进行分析计算，为进一步研究液力 第一章绪论 传动系统的动力性提供了基础。 基于流程图( 1 2 ) ，本论文的主要研究内容如下： 1 ) 建立液力传动车辆动力性、经济性计算模型； 2 ) 运用遗传算法对整车动力性、经济性进行优化； 3 ) 基于一维束流理论建立液力变矩器性能计算模型； 4 ) 运用一种改进了的复合型优化算法进行液力变矩器性能优化； 5 ) 液力变矩器等效刚度、等效阻尼计算； 6 ) 传动系固有频率、受迫振动计算； 图1 2 整车动力性、经济性计算优化流程 4 第二章液力传动车辆动力性、经济性计算 第二章液力传动车辆动力性、经济性计算 2 1 整车动力性计算 整车动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能。汽车的动力性主要可 由以下三方面的指标来评价n 1 ：1 ) 最高车速；2 ) 加速时问；3 ) 爬坡度。 2 1 1 发动机、液力变矩器正向共同工作性能计算 发动机与液力变矩器共同工作的输入特性是指在不同的液力变矩器转速比 时，液力变矩器与发动机共同工作的转矩和转速的变化特性口1 。 液力变矩器施加于发动机的负荷性能完全由泵轮的转矩变化特性决定： 瓦= 偌以嘭d 5 ( 2 1 ) 根据给定的转速比f ，由液力变矩器原始特性转矩系数厶= ( f ) 曲线可确定 相应的泵轮转矩系数值。 由式( 2 1 ) 所决定的液力变矩器泵轮负荷抛物线族与发动机使用外特性有一 系列的交点，这些交点即为发动机使用外特性上发动机与液力变矩器的共同工作 稳定点。 对于特定的液力变矩器来说，在工况f 一定的条件下，液力变矩器泵轮负荷 抛物线方程可表示为五= c n 2 ，式中c = p g 以d 5 为常量。由于抛物线方程系数的 大小决定了函数变化的快慢。以越大，液力变矩器的负荷抛物线越陡，它与发动 机转矩性交点越向左移。 最理想的匹配就是希望共同工作所利用的发动机工作区段，应满足车辆的工 作需要，同时兼顾以下方面： 1 ) 充分利用发动机的最大有效功率，可要求最高效率时的负荷抛物线通过发动 机最大效率转据点z 一； 2 ) 为了使车辆具有良好的燃油经济性，希望共同工作的整个范围能够在发动机 的比燃料消耗量最低值舅。；。的工况附近； 3 ) 为了使车辆起步工况能够获得最大的输出转矩，希望液力变矩器在低转速时 负荷抛物线能通过发动机的最大转据点。 5 第二章液力传动车辆动力性、经济性计算 可采用以下措施来达到： 1 ) 采用不同有效直径d 的液力变矩器来达到所要求的匹配情况； 2 ) 发动机和液力变矩器之间安装中间传动。发动机经过中间传动后，输出的转 矩和速比发生变化，转矩m = m r f ，口，转速，z = 聆厂f 曰； 3 ) 通过改型设计，在使其效率、变矩比性能变化不大的情况下，泵轮容量系数 变化到合适数值区域。 发动机与液力变矩器共同工作的输出特性，是指确定泵轮转速，l 。、泵轮扭矩 乃，根据一定速比f 以及变矩比k 得到涡轮转速，l r 、涡轮扭矩乃。具体的计算流 程见图( 2 1 ) 。 乃= k t j ( 2 2 ) n r2i n b ( 2 3 ) 图2 1 发动机液力变矩器输出特性计算流程 2 1 2 车辆最高车速计算 汽车行驶时，所受到的驱动力z 、滚动阻力乃、坡度阻力e 、空气阻力e 和 加速阻力c 分别为： 6 第二章液力传动车辆动力性、经济性计算 f ：堡选( 2 4 ) 凡= f xg ( 2 5 ) l = 簪 ( 2 6 ) 巧= 锄詈 ( 2 7 ) 式中：i 。一汽车变速器传动比 毛一主减速比传动比 仇一传动系效率 c 一车轮滚动半径( m ) g 一汽车总重( ) m 一汽车质量( 培) 厂一滚动阻力系数 i 一道路坡度 c d 一空气阻力系数 彳一迎风面积( m 2 ) u a - 汽车行驶车速( k , h ) u 一汽车行驶车速( m 5 ) 万一旋转质量换算系数 最高车速指在水平良好的路面上汽车以最高档行驶时能达到的最高行驶车 速。在驱动力一行驶阻力平衡图上，最高档驱动力曲线和行驶阻力曲线的交点所 对应的车速即是最高车速n 1 。 t t i o ； z t ：fxg 4 c o 4 u ： ( 2 8 ) 2 1 1 5 本章所采用的计算方法与上述情况略有不同，从编程计算的角度出发，采用 如下的计算策略【4 】： 1 ) 对车速进行循环迭代提高； 2 ) 由车速计算进行换挡策略的判断，判断何时进行升档； 7 第二章液力传动车辆动力性、经济性计算 3 ) 根据车速以及相应的档位数进行行驶阻力、驱动力计算； 4 ) 对行驶阻力、驱动力大小进行判断； 5 ) 若行驶阻力大于驱动力，则说明车辆已经达到最高速度，此时的速度就是最 高车速； 6 ) 若行驶阻力小于驱动力，则说明车辆还可以进行加速，则对车速进行迭代提 高，再次进行计算判断。 其换挡策略采用动力性换挡规律嘲： 当发动机转速低于其最小稳定转速时，由高档换入低档； 当发动机转速高于其最大稳定转速时，由低档换入高档； 当发动机转速介于其最小和最大转速之间时，若高档加速度大于低档加速度， 应有低档转入高档。 车辆最高车速计算见图( 2 2 ) 图2 2 车辆最高车速计算流程 2 1 3 车辆爬坡度计算 一般所谓车辆的爬坡能力，是指汽车在良好路面上克服乃+ e 后余力全部用 来( 即等速) 克服坡度阻力能爬上的坡度，所以d u d t = 0 。 计算方法为巧= 只一( + e ) 。 一般汽车最大爬坡度达3 0 左右，因此利用汽车行驶方程式确定一档及低档 爬坡能力时，应采用g s i n a 作为坡度阻力，及上式应为n 3 ： 8 第二章液力传动车辆动力性、经济性计算 g s i n 口= 华一( g f + 簪2 11 5 ) ( 2 9 ) ， 7 口：finf,-(f：+fdarcsl( 2 1 0 )口= 一 k 么1 u ， g 利用式( 2 1 0 ) 即可求出汽车能爬上之坡度角，相应地根据t a i l 口= f 可求出坡 度值。其中，汽车最大爬坡度。为一档时的最大爬坡度 但般说车辆爬坡度计算不仅与档位有关，而且与车速有关。本章提供一种 可计算车辆在不同档位、不同车速下能达到的最大爬坡度，综合反应车辆的爬坡 能力。 车辆车速为u a ，并设置其所在档位为。，计算此时的发动机的转速 刀：! 鱼堕 ( 2 11 ) 2 瓦苈万 喵 其中为发动机转速，f o 为主减速比，为车轮行驶半径 根据当前发动机转速b e 以及发动机外特性，计算得到发动机扭矩 根据式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 分别计算此时的驱动力、行驶阻力、风阻，进 而根据式( 2 1 0 ) 求得在当前车速、当前档位下车辆的爬坡度。 2 1 4 车辆加速时间计算 加速时间计算的一般方法是将汽车行驶式用图解法来进行分析的。首先把汽 车行驶中经常遇到的滚动阻力和空气阻力算出并画在图上，做出汽车驱动力一行 驶阻力平衡图，如图( 2 3 ) 。 然后根据式譬= 圭i f , 一( + 瓦) 】计算得出各档节气门全开时的加速度曲 “i d m 线，如下图( 2 4 ) 。 9 第二章液力传动车辆动力性、经济性计算 图2 3 车辆驱动力一行驶阻力性 图2 4 车辆每档的行驶加速度 根据加速度图可以进一步求得由某一车速u 加速至另一较高车速所需的时 间。 由运动学可知出= 丢妇，f = f 班= c 丢如= a ( 2 1 3 ) 即加速时间可用计算机进行积分计算或用图解积分法求出。用图解积分法， 将4 一屹曲线转画成二一u a 曲线。曲线下两个速度区间的面积就是通过此速度区间 的加速时间。常将速度区间分为若干间隔，通过确定面积、，来计算加速 时间，示意见图( 2 5 ) 、图( 2 6 ) 。 车辆加速 度倒数 l a 擎速“口( k m h ) 车辆加速 度倒数 l a l a 2 。 车速“口，恤胁) 图2 5 车辆每档加速度 图2 6 加速时间加速度倒数积分 i o 第二章液力传动车辆动力性、经济性计算 本章所采用的方法能较真实模拟车辆行驶情况，使用发动机外特性曲线，即 发动机一直处于全节气门状态。其计算流程见图( 2 7 ) 。 图2 7 车辆加速时间计算流程 其计算流程如下，且模拟计算中采用动力性换挡规律。 1 ) 选取车辆初始速度值，根据车速以及原始档位值，计算发动机所处的转速； 2 ) 根据现有车速计算车辆的行驶阻力； 3 ) 根据现有车速以及制定的换挡策略判断车辆应所处的档位； 4 ) 根据计算得到的发动机的转矩以及发动机外特性图插值得到发动机的驱动力 矩； 5 ) 根据发动机驱动力矩、换挡策略得到的档位以及整车参数计算得到整车的驱动 力矩； 6 ) 根据计算得到的行驶阻力以及整车驱动力计算车辆的加速度； 7 ) 确定时间步长出，根据缸如o + 1 ) = 胁( f ) + 口啪触x a t 计算得到下一步的车 速； 8 ) 结束仿真条件满足，计算结束，对每一步& 进行累加，即为总加速时间。 2 1 5 仿真实例 对某一液力传动车辆进行动力性计算，包括最高车速、加速时间以及爬坡 度。其需要输入的参数包括发动机外特性、液力变矩器变矩比、液力变矩器泵轮 容量系数、液力变矩器循环圆直径，以及包括整车质量，滚动阻力系数、风阻系 数、迎风面积、各档速比、主减速比、车轮半径、传递效率、加速系数等。 第二章液力传动车辆动力性、经济性计算 其参数具体如下： 表2 1 发动机外特性 l 发动机转速( 伊聊) 1 0 0 02 5 0 03 5 0 03 9 0 0 4 5 0 0 5 5 0 0 i 发动机扭矩( 所) 6 01 1 01 3 01 4 01 2 59 0 表2 2 液力变矩器速比 速比( f ) 0 0 1 o 2o 3 0 3 4 90 3 7 7 变矩比( k ) 2 22 11 9 81 71 61 5 0 4 2 90 4 7 8o 5 50 6 1 40 7 0 5o 9o 9 5 4 1 4 2 1 3 51 31 2 3 1 1 6 1 1 l 表2 3 液力变矩器泵轮容量系数 速比( f ) 0o 1o 20 30 3 4 90 3 7 7 2 4 4 8 2 1 9 6 2 1 2 4 2 0 1 6 1 9 0 8 1 8 o o 泵轮容量系数( 如) 0 4 2 90 4 7 80 5 50 6 1 40 7 0 50 90 9 5 4 1 6 5 61 5 8 41 5 1 21 4 4 01 3 6 81 2 9 61 1 5 2 表2 4 整车参数 循环圆直径 整车质量滚动阻力系数 迎风面积 一档速比 二档速比三档速比 ( m ) ( 船)( m 2 ) o 2 21 4 0 00 0 1 2 0 0 0 1 5 2 0 0 0 0 81 94 0 82 3 41 5 四档速比五档速比入档速比主减速比车轮半径传动效率加速系数 ( 聊) 1 1 5o 8 6 o 3 64 6 3o 3 2 o 9 1 0 5 1 2 第二章液力传动车辆动力性、经济性计算 计算得到的匹配区域如图( 2 8 ) ： 发动机、液力变矩器共同工作区域图 ljii j o l；i；一i ；、， ； ；彳；i，i i 彳一；_ r r 一队i ； 箩已臻： 乡7 朱 ： ：j 一：，： 孵新卜| f jz一一发动机扭矩曲线 ，。 发动机功率曲线 最大袤轮容量系数负载由线 二 - 最小泵轮容置系数负载曲线 1iil 童 暑 厶 哥 雷 嚣 需 越 发动机转速n e t ( r p m ) 图2 8 发动机、液力变矩器共同工作区域 其中横坐标为发动机转速，纵坐标为发动机扭矩发动机功率，同时将最大、 小泵轮容量系数负载曲线曲线表示在图上。 整车的驱动力一行驶阻力如图( 2 9 ) 。 图2 9 整车的驱动力一行驶阻力图 第二章液力传动车辆动力性、经济性计算 计算得到的最高车速触一= 1 9 2 9 3 9 k m h 在每个档位以及车速下，车辆可以达到的最大爬坡度如图( 2 1 0 ) ，其中横坐 标为车速，纵坐标为爬坡度值，不同的线代表在不同档位下。 图2 1 0 车辆每档爬坡性能图 可以看出当车辆在一档，车速为2 0 k m h 时，车辆的爬坡度为3 5 3 9 度 各档的加速度如图( 2 1 1 ) 每档加速度图 乞 毫 詈 倒 蝴 曩 幂 料 图2 1 l 车辆每档加速度性能图 1 4 第二章液力传动车辆动力性、经济性计算 当初始车速为o k m h ，最终车速l o o k m h 时，加速时间为1 3 3 s 2 2 整车经济性计算 汽车的燃油经济性常用一定的运行工况下汽车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。指汽车在一定的载荷下，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。常测出每隔l o k m h 或2 0 k m h 等速 间隔的等速百公里燃油消耗量，然后在图上连成曲线，称为等速百公里燃油消耗 量曲线，用它来评价汽车的燃油经济性。 但是，等速行驶工况并没有曲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、怠速停车等行驶工况。因此，在对实际行驶的车辆 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 实际汽车运行状况，并以其百公里燃油消耗量来评定相应行驶工况的燃油经济 性。 本章采用等速百公里以及循环工况进行模拟计算。 2 2 1 计算思路分析 汽车燃油经济性的计算可使用整车动力逆向仿真思想哺1 们。其流程如下： 1 ) 对于输入循环工况进行不断迭代，分别取出当前计算车速批( f ) ，对于等速 百公里油耗计算，则相当于各龇( f ) 没有变化。 2 ) 根据缸缸( f ) 以及实现制定的经济性换挡控制策略计算当前的变速器档位。 模拟计算中，经济性换挡规律规定： 当发动机转速低于其最小稳定转速时，由高档换入抵挡； 当发动机转速高于其最大转速时，由抵挡换入高档； 当发动机转速介于其最小和最大转速之间时，若高档加速度大于低档加 速度，应由高档换入低档。 3 ) 根据前一步输入车速触o 一1 ) 、当前输入车速触( f ) 、后一步输入车速 v v e h i c l e ( i + 1 ) 判断车辆车辆行驶工况：加速、等速、减速、制动、怠速。对于等速 百公里油耗计算，则相当于等速行驶。 在仿真时，若条件允许，可根据试验结果直接给出计算当前步的制动油耗、 第二章液力传动车辆动力性、经济性计算 怠速油耗。 4 ) 对于加速、等速、减速工况，可首先计算口啪胁( f ) ，对于等速百公里油耗 计算，则a = o ，根据式( 2 1 2 ) 计算出整车驱动力矩，式中口为行驶工况坡度，若 条件允许可输入计算，更为精确的描述车况条件，本章口= o 。 z = g f c o s 口+ 罴咿2 g s i n 口+ 砌口蝴 ( 2 1 2 ) 5 ) 根据逆向仿真思想，分别计算车轮、主减速器、变速器、液力变矩器涡轮、 泵轮、发动机的需求扭矩和转速。 瓦删= z ( 2 1 3 ) 删= 心( 2 万) ( 21 4 ) 其中叫为车轮传递扭矩，车轮行驶半径。 撕= 乇耐厩 ( 2 1 5 ) n a n a l 一批27 1 w h e e l 其中，一批为主减速传递扭矩，一撕为主减速器传递转速， 至车轮传递效率。 一蛐。t f i n a 一撕f o 珑 ( 2 1 8 ) r 。主减速器 ( 2 1 9 ) 一地加= 一洳咖乇 ( 2 2 0 ) 其中乇。础加为变速器传递扭矩、，删一为变速器传递转速，仍变速器至 主减速器传动效率，乇主减速比。 写= 乇一曲如。乞 ( 2 2 1 ) ，吁= ，l 一船拥 ( 2 2 2 ) 其中弓为液力变矩器涡轮扭矩、脚为液力变矩器涡轮转速，仍液力变矩器 涡轮至变速箱传递效率，t 变速器速比。 6 ) 由于液力变矩器是液力传动，所以其传递扭矩、转速计算方式与一般的机械 传动不一样，本章采用的方法如下。 涡轮传递的扭矩为： 1 6 第二章液力传动车辆动力性、经济性计算 弓= k 乃= k p g 屯2 d 5 = 厂( 矿g ( 护p g ( 阜) 2 d 5 ( 2 2 3 ) 式中k = f c i ) 、如= g ( f ) ，其分别是速比f 的函数。 乃= ( 矿p g 啊2 d 5 ( 2 2 4 ) 其中h ( i ) = 粤掣 ( 2 2 5 ) 从式中可以看出，在已知涡轮传递扭矩耳，涡轮传递转速唧的情况下，可以 求出在此道路情况下液力变矩器泵轮与涡轮间的速比i ，进而可以得到在此速比 下的变矩比k ( f ) 以及泵轮容量系数砧( f ) 。 五2 南 q 卫6 _ = 阜 ( 2 2 7 ) 7 ) 在得到泵轮转速、泵轮扭矩五后，将其视为发动机转n e 、扭矩z ，对发 动机万有特性图进行插值，可计算得到当前发动机的单位时间燃油消耗率。图 ( 2 1 3 ) 给出了一汽油机的万有特性图。在万有特性图上有等燃油消耗率曲线。根 据这些曲线，可以确定发动机在一定转速，传递一定扭矩时的燃油消耗率。 8 ) 计算单位时间内的燃油消耗量为： q = p g e 3 6 7 1 p g ( 2 2 8 ) 式中，为燃油消耗率 g ( k t r j 1 ) ：p 为燃油密度( k g l ) ，g 为重力加速 度 m h 2 ) ，p 为发动机提供的功率( k w ) 。 9 ) 百公里油耗q ( l 1 0 0 k m ) 计算公式为： q ( f ) q = 型一1 0 0 ( 2 2 9 ) 其中q ( f ) ( 聊) 为循环工况中燃油消耗量之和 i = 1 1 7 第二章液力传动车辆动力性、经济性计算 s = 喜 塑半业】， ( 2 3 。) 其中s ( m ) 为在循环工况中车辆行进路程，屹( f ) ( m s ) 为车辆行进车速，a t 仿真时间步长，相应仿真步长，越小，仿真结果越精确，相反计算量也越大。 燃油经济计算流程框图如图( 2 1 2 ) 。 图2 1 2 车辆行驶油耗计算流程 2 - 2 - 2 等速百公里、循环工况油耗模拟计算 根据以上的计算思路，等速百公里、循环工况油耗计算的区别仅仅在于路面 输入文件的不同以及对以已经计算得到的单位时间油耗量的后处理不同而已。整 车参数以及液力变矩器参数如上动力性计算中描述的，发动机万有特性如图 ( 2 1 3 ) 。 第一章液力传动下辆动力性、经济性计算 蔑动机万有特性图 图21 3 笸动机油耗计算万有特性幽 汽车等速百公单燃油消耗量曲线如图( 2 1 4 ) ，具体数值见表25 圈21 4 车辆等速百公里油耗凹 表25 车辆百公里油耗 下述( k m h ) 3 04 05 06 07 08 0 燃l 燃o o k m 蓑卜”6p ”2r ”2r ”8r 2 ”6 “2 3 1 ) 01 4 0i j 0 一p毫善。一，a。僻鬻颦鼻鬟 第二章液力传动车辆动力性、经济性计算 输入的e c e 市区运转循环单元工况如图( 2 1 8 ) e c e 市区运转循环单元 l 1 善￥ 、ll 、1 _ zi 加 1 0 0 1 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0 时间t ( s ) 图2 1 5e c e 市区运转循环工况 根据经济性换挡规律，e c e 市区运转循环单元的换挡如下如图( 2 1 9 ) ，在车 速降低处显示的档位为6 档是因为仿真计算中为了不出现错误，将制动时的档位 设置为6 档，但其燃油消耗计算为制动油耗。 e c 旺况档位变化 图2 1 6e c e j ：况仿真档位变化 2 0 筠 为 扣 侣 竹 5 善蚤瘳卅 第二章液力传动车辆动力性、经济性计算 其计算得到的百公里燃油消耗值为9 2 2 2 9 l l o o j b ，l 输入的e u d c 郊区运转循环单元工况如下图( 2 2 0 ) e u o c 郊区运转循环单元 ! 门 广j ? 。 ，：、z： 一 f| 0 一 l 0卯1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 时同州s ) 图2 1 7e u d c 郊区运转循环工况 根据制定的换挡策略，其换挡规律如下图( 2 2 1 ) ，在车速降低处显示的档位 为6 档是因为仿真计算中为了不出现错误，将制动时的档位设置为6 档，但其燃 油消耗计算为制动油耗。 e u d c 工况档位变化 i i 05 01 1 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 0 时间t t ( s ) 图2 1 8e u d c 上况仿真档位变化 刀 坩 0 善善矗w擗 7 6 5 4 3 2 1 革轺靶 第二章液力传动车辆动力性、经济性计算 其计算得到的百公旱燃油消耗率为7 3 2 2 5 l l o o k m 2 3 本章小结 本章首先分析发动机、液力变矩器共同工作性能，分别完成其用于动力性 j 下向仿真、经济性逆向仿真模块。模拟车辆真实运行情况，分别编写车辆最高 车速、爬坡度、加速时间计算程序；同时基于车辆动力传动逆向仿真思想，建 立各部件动力传递模型，分别对车辆等速百公里油耗、循环工况油耗进行计算， 得到较好的结果。 第二章基于g a 的液力传动车辆动力性、经济性匹配优化 第三章基于g a 的液力传动车辆动力性、经济性匹配优化 3 1 动力传动系优化设计模型 3 1 1 优化目标 本章所优化的动力性目标为车辆最高车速、爬坡度、加速时间，经济性目标 为循环工况油耗。 动力性优化目标主要包括车辆最高车速、加速性能、某档位某车速下的车辆 爬坡度，其计算方法与上章描述的方法一致。 m ，。a q x f ( 工) = 货触一一( x ) + g r a d e ( x ) + y 。死掰巳甜枷砌( 工) ( 3 1 ) 式中x 表示了液力传动车辆的优化参数的向量，q 表示可能的解空间； 缸如一( 砷表示车辆的最高车速，g r a d e ( x ) 表示在某档位下、某车速下车辆的爬 坡度，砌乞。加砌( z ) 表示是车辆从车速从o k m h 到l o o k m h 的加速时间。口、 厂分别为胁一( x ) 、g r a d e ( x ) 、砌乞。批们。( x ) 的加权因子。 经济性优化目标为车辆在某一循环工况下的百公里油耗量。与上章所描述的 计算方法不同的是，其输入不是路面输入文件，而是输入车辆在某一循环工况下 的需要的车速、驱动力以及变速器档位，其值可通过相应的路面文件、控制策略 文件得到，或者通过相应试验来得到啪2 1 3 。 m 属i n 。f ( x ) = 丘p 取) ( 3 2 ) 式中x 表示了液力传动车辆的优化参数的向量，q 表示可能的解空间； f u e l ( x ) 表示在某一输入文件点下的单位时间燃油消耗率。 经济性与动力性这两个目标是相悖的，在满足其中一个的同时，并不能保证 第二个。 第三章基丁：g a 的液力传动下辆动力性、经济性匹配优化 3 1 2 优化约束 由于遗传算法的特点，本章的约束为优化变量的优化范围，由于主减速器速 比以及变速器的各档