（车辆工程专业论文）城市客车动力传动系统优化匹配的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 城市客车的动力传动系统对整车动力性和燃油经济性有着很大的影响，所以 客车动力传动系参数的确定成为城市客车设计中的一个重要部分。本文主要研究 城市客车动力传动系统的优化设计与匹配方法，以实现发动机与传动系的最佳匹 配，达到充分发挥客车整体性能的目的。 论文首先对城市客车动力传动系统进行了研究，在分析借鉴现有研究成果的 基础上，建立和完善了城市客车动力传动系统的数学模型，总结出城市客车动力 性和燃油经济性的模拟计算方法。 然后对城市客车运行工况进行统计分析，提出了城市客车发动机与常用工况 的匹配方法。并利用正交试验法分析了影响城市客车燃油经济性的因素及其程度， 在此基础上提出了考虑到客车实际行驶工况的传动系参数优化方法，该方法以客 车驱动功率损失率和换档加速时间为动力性分目标函数，以客车四工况循环油耗 为燃油经济性分目标，利用线形加权法进行多目标组合，综合考虑到客车实际行 驶过程中装载量变化和档位利用率对客车基本性能的影响，在满足客车性能约束 条件的基础之上：利用遗传算法对目标函数进行求解，使城市客车燃料经济性和 动力性达到最佳。 最后，介绍了作者运用m a t l a b 联合v b 语言编写的用于城市客车动力性和燃 油经济性仿真以及动力传动系参数优化匹配的软件，利用此软件可以方便地对城 市客车动力性和燃油经济性进行预测，并可优选出满足设计要求的城市客车动力 传动系统的各档速比参数。 关键词：城市客车，动力传动系统，优化，遗传算法，工况。 江苏大学硕士学位论文 t h ec i t yb u sp o w e r t r a l nh a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h ee n t i r eb u sp o w e ra n df u e l e c o n o m y s ot h e d e t e r m i n a t i o no fc i t yb u sp o w e r t r a i np a r a m e t e r sh a sb e t m ea n i m p o r t a n tc o m p o n e n ti n t ot h eb u sd e s i g n t h i sa r t i c l em a i n l ys t u d i e sc i t yb u sp o w e r t t i a n o p t i m a lm a m hm e t h o dw h i c hi saw a y t oa c h i e v et h eb e s tm a t c hb e t w e e ne n g i n ea n d t r a n s m i s s i o na n dr e a c ht h eo b j e c t i v eo fg i v i n gf u l lp l a yt ot h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h e b u s t h ea r t i c l ef i r s tc o n d u c t st h er e s e a r c ht ot h ec i t yb u sp o w e r t r a i n ，b m l d sa n d i m p r o v e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc i t yb u sp o w e r t r a i nb a s e do i lt h ea n a l y s i so f e x i s t i n gr e s e a r c h , s u m m a r i z e st h ep o w e ra n d f u e le c o n o m ya n a l o gc o m p u t a t i o nm e t h o d 0 fc i t y b u s t h e ni tc a r r i e so nt h es t a t i s t i c a la n a l y s i st ot h ec i t yb u sw o r k i n gc o n d i t i o na n d i n t r o d u c e sh o wt om a t c ht h ee n g i n ea n dc o m m m lw o r k i n gc o n d i t i o n u s e so r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a ld e s i g nt oa n a l y z em a i ni n f l u e n c ef a c t o r sa n dd e g r e ef o rf u e le c o n o m yo f d 哆b u s a no p t i m i z a t i o nm e t h o dt oc i 哆b u sp o w e r t r a i nw h i c hi sb a s e do na c t u a l w o r k i n gc o n d i t i o ni sp u t t e df o n l l t h i sm e t h o du s e st h ep o w e rl o s er a t ea n d s h i f tg e a r s a c c e l e r a t et i m ea st h ep o w e ro b j e c t i v ef u n c t i o n , u s e st h eo i lc o n s u m p t i o na tf o u r o p e r a t i n gm o d e sa st h ee c o n o m yo b j e c t i v ef u n c t i o n , t h e nt r a n s f o r m si tt o ns i n g l e o b j e c t i v ef u n c t i o nb yt h el i n e a ra d d i n g ，c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fl o a dc h a n g i n ga n d t h er a t eo fu s ei nd i f f e r e n tg e a r so nb u sf u e le c o n o m ya n dp o w e r , u s e sg e n e t i ca l g o r i t h m t os o l v et h et a r g e tf u n c t i o nt om a k et h eb u sf u e le c o n o m ya n dp o w e rr e a c ht h eb e s t 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 tc i t yb u sp o w e ra n d f u e le c o n o m ys i m u l a t i o na n dt h eo p t i m a ld e s i g no fp o w e r t r a i np a r a m e t e r sw h i c hi s c o m p l i e db ym a t l a ba n dv bl a n g u a g e i ti sc o n v e n i e n tt oc h o o s et h ec i t yb u sp o w e r t r a i n p a r a m e t e r sc o n s i s t e n tw i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n da l s oi ti se a s yt op r e d i c tt h ef u e l e c o n o m ya n dp o w e rb yt h i ss o f t w a r e k e yw o r d s ：c i t yb u s ，p o w e r t r a i n ，o p t i m i z a t i o n , g e n e t i ca l g o r i t h m ，w o r k i n gc o n d i t i o n 。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 川年只| 日 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密d 。 知分聋 t i 指导教师签名：3 ； 吵刁年6 月( p 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已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。 学位论文作者签名：如刍了 日期：审年6 月f ) 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 本课题的研究意义 第一章绪论 随着我国经济的持续快速发展和人民生活水平的不断提高，城市公共交通越 来越受到政府和市民的重视。针对大中城市道路拥挤和人口稠密日趋严重的状况， 政府积极推行公交优先的城市道路交通发展战略，并加大了城市基础设施建设的 投资，为城市客车的发展提供了良好的机遇。城市客车正大规模的更新扩容，截 止2 0 0 6 年底，我国已有各类城市6 0 0 多个，城市客车保有量已从1 9 9 5 年的1 3 万 辆增加到3 0 万辆，增加了近两倍。其中，一些中小城市的城市客车的数量成倍增 长，一些大中城市的城市客车的数量增幅也在8 0 以上。像北京上海等特大城 市为缓解交通紧张状况，在投巨资兴建地铁轻轨等交通设施的同时，仍把重点 放在城市客车的发展上，一方面增加原有运营线路车辆的数量，以缩短车辆间隔 时间；另一方面，大量开辟新的运营线路，以方便市民出行。该势头近几年不会 趋缓。与此同时，城市客车是城市的窗口，各地政府和公交公司都十分关注公交 企业硬件的建设，纷纷淘汰老旧车型，更新添置新车型。由此可推断，我国城市 客车已进入新轮更新发展时期“1 。据统计，到“十一五”末期，我国城市客车的 保有量将达4 5 万5 0 万辆。 我国是个能源紧缺的国家，多年的经济高速增长，使能源供需状况愈加紧张。 目前国家提倡建立节约型社会，社会环境和经济环境都在客观要求客运行业重视 并加强节油工作，车辆的油耗水平已经成为客车选择的重要参考指标。由于客运 业竞争加剧及燃油价格上涨，作为客运企业运营中最主要的可压缩成本，油价占 到运营成本的2 5 左右，节油已经成为众多客运企业成本管理工作的重要内容。 目前各国客车企业都被迫努力降低燃油消耗，围绕客车和发动机采取了一系列措 旌，包括提高客车行驶效率、提高发动机性能、开发利用新型动力、优化匹配动 力传动系统。 客车动力性与燃油经济性的好坏，在很大程度上取决于发动机的性能和传动 系型式及参数的选择，即取决于客车动力传动系统合理匹配的程度。动力传动系 统即发动机一变速器一驱动桥一驱动轮系统，它是客车重要的组成部分。选择动 江苏大学硕士学位论文 力传动系统参数的方法有两种：一种是整车主要参数和传动系参数( 含轮胎) 确定 后，选择合适的发动机；另一种是整车参数和发动机确定后，选择合适的传动系。 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 不仅可以减少客车燃料消耗，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。 目前国内的客车底盘的动力传动系统的选择和设计，基本上为经验设计。对 于车辆动力传动系统的主要技术参数对客车动力性、经济性的影响以及参数的优 化，还缺少定量的试验分析数据。对如何使车辆在常用工况下的运行在发动机万 有特性的经济区内，从而降低车辆使用中的燃油量，所做的基础工作很少。因此， 国内的城市客车产品的动力和传动系统匹配不够合理，其动力性、经济性与国际 先进产品还有一定的差距，在实际使用中的燃油消耗还比较高，某些客车在运营 中还有动力不足的现象。因此，通过合理匹配客车动力传动系统来提高客车运输 效率，降低燃油消耗，具有较大的潜力，是一个值得进一步研究的课题。1 。 1 2 本课题国内外的研究现状 客车动力传动系统优化的合理匹配，一直是人们所关注的问题。它是提高客 车运输效率，降低客车燃料消耗的重要措施之一，国内外很多专家学者都对此做 了大量的研究工作。以前由于测试手段和计算工具的限制，一直是采用定性分析 和简单的定量计算，靠大量积累的试验数据和经验进行设计。随着现代测试技术 的加强，特别是电子计算机的高速发展，很多公式都可以在几分钟甚至几秒钟计 算出正确的结果；同时数学算法在工程中的应用也促进了优化理论的发展，各种 优化方法应用在汽车设计的各方面；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客车动力传动系统匹配问题成为可能。 国外的汽车厂家非常注意动力总成与传动系匹配情况，大型公司都进行了专 门的研究，并相继开发出相应的匹配计算软件。“1 。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料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、累积油耗、行驶时间和距离，预测汽车设计参数 如重星、传动系速比、空气阻力系数等的变化对性能的影响。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 2 江苏大学硕士学位论文 、h s i m ，日本日产汽车公司的c s 珊，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的对汽车动力性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，找到这种变化间的关系，行成 “最佳动力性、燃料经济性曲线”从而找到能与所选发动机合理匹配的传动系， 这样就节省了大量的试验费用，缩短设计周期。 国内一些科研单位和高校也开展了汽车动力传动系统仿真与匹配的研究工 作，已取得了一些成果”“。最初的研究侧重于典型城市、城郊道路、运行工况进 行测试与分析。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，消除随机因素的影响。清华大学的“动 力性燃料经济性电子计算机模拟计算程序”，介绍了清华大学汽车工程系有关汽 车动力性燃料经济性计算机模拟方面的研究工作，该研究较多地借鉴了国外一些 经验模型，由发动机特性、传动系效率、轮胎行驶特性、离合器起步过程以及发 动机万有特性关系，简练地阐述了汽车动力传动系统的基本工作过程。 利用汽车动力性和燃料经济性模拟计算程序进行传动系参数优化也是近十年 来国内较为热门的一个研究课题。由于汽车动力性和燃油经济性之间既相互联系、 又相互对立，要获得最佳的综合优化方案，首先应明确的问题是：如何全面、合 理评价动力传动系统匹配效果，建立正确的优化目标函数。为此，近年来研究人 员对汽车动力传动系统合理匹配的评价标准问题进行了探讨，如江苏理工大学的 。汽车动力传动系统优化匹配的研究”中提出以发动机常用工作区域与发动机经 济区域的相对位置来反映汽车燃油经济性方面的匹配程度，上海交通大学的“大 客车传动系优化匹配的研究”采用“驱动功率极限发挥率”为优化目标，考虑客 车档位的实际使用情况对传动比进行优化设计，从而保证客车具有最好的动力性 能。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。 目前国内这些研究主要集中于轿车和轻型货车，专门针对城市客车传动系统 的匹配研究相对较少。而且国内以前研制的动力性和燃料经济性模拟程序对传动 系参数进行优化时，对实际运行中参数变化对汽车性能的影响考虑不够，不利于 汽车传动系参数的优化选择。 3 江苏大学硕士学位论文 1 3 本课题的主要研究内容 为了达到合理匹配城市客车动力传动系统，改善客车的燃油经济性和动力性 的目的，本文研究了城市客车动力传动系统的数学模型、客车动力性与燃料经济 性的模拟计算方法，在此基础之上，以客车的动力性和燃油经济性为目标函数， 以客车性能要求为约束条件，提出了城市客车传动系参数优化设计方法。利用 m a a b 联合v b 软件设计开发了城市客车动力性和燃油经济性仿真以及传动系统 参数优化软件，并以申沃客车为实例进行了模拟计算分析。 ( 1 ) 客车动力性燃油经济性的模拟计算方法首先在对城市客车动力传动系统 研究基础之上，概括总结出客车动力性燃油经济性的模拟计算方法。 ( 2 ) 城市客车行驶工况分析通过对城市客车行驶工况进行的统计分析，提出 客车发动机与常用工况的匹配方法。利用正交试验法分析研究实际行驶过程中影 响城市客车油耗的众多因素，并找出各因素对客车的燃油经济性的影响程度( 包 括客车平均行驶速度、载客率、档位利用率、道路条件等) ，为客车动力传动系统 参数的优化设计指明了方向。 ( 3 ) 客车动力传动系统参数的优化设计在对研究影响城市客车油耗的众多因 素的分析基础上，提出了城市客车传动系统参数优化设计方法。该方法以客车驱 动功率损失率和换档加速时间加权为动力性分目标函数，以客车四工况循环油耗 为燃油经济性分目标，利用线形加权法进行多目标组合。综合考虑到客车实际行 驶过程中装载量变化和档位利用率对客车基本性能的影响，在满足客车性能约束 条件的基础之上，采用遗传算法进行优化，以便使城市客车的动力性和燃油经济 性达到最佳。 ( 4 ) 开发城市客车动力性和燃油经济性仿真以及传动系参数优化的软件，利用 该软件对申沃客车的动力性和燃料经济性指标进行模拟计算，并对其传动系统进 行优化，与实验值进行比较，证明该软件的实用性和可靠性。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章城市客车动力性燃油经济性模拟计算方法 2 1 城市客车动力性燃油经济性的评价指标 2 1 1 动力性的评价指标 城市客车的动力性是指客车在良好路面上直线行驶时由客车受到的纵向外力 决定的、所能达到的平均行驶速度。客车是一种高效率的运输工具，运输效率之 高低在很大程度上取决于客车的动力性。动力性是客车各种性能中最基本、最重 要的性能。从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发，客车的动力性主要可由 三方面的指标来评定“。 ( 1 ) 最高车速最高车速是指在水平良好的路面( 混凝土或沥青) 上客车能达到 的最高行驶速度。它仅仅反映客车本身具有的极限能力，并不反映客车实际行驶 中的平均车速。 ( 2 ) 加速时自j客车的加速时间表示客车的加速能力，它对平均行驶车速有着 很大影响。常用原地起步加速时间与超车加速时间来表明客车的加速能力。 ( 3 ) 爬坡性能 客车的上坡能力是用满载时客车在良好路面上的最大爬坡度 表示的。最大爬坡度是指一挡最大爬坡度。 现有的客车动力性的评价指标只是反映了客车本身具有的极限能力，在一定 程度上反映了客车动力性的好坏，但由于未与复杂的实际使用工况统一考虑，因 而往往与客车实际使用效果相差很大。对于国内目前的城市客车来说，尽管其最 高车速设计在8 0 j n m 左右，而实际运行平均车速只有2 0 - 3 0h n h 。 2 1 2 燃油经济性的评价指标 从以最少的燃油消耗完成尽可能多的运输量的观点出发，客车燃油经济性常 用一定运输工况下客车行驶百公里的耗油量或一定燃油量能使客车行驶的晕程来 衡量。目前，一般采用等速燃油经济性和多工况燃油经济性来评价客车燃油经济 性。 ( 1 ) 等速燃油消耗量 等速燃油经济性是常用的一种评价指标，它指客车在额定载荷下，以最高档 5 江苏大学硕士学位论文 在水平良好路面上等速行驶l o o k m 的燃油消耗量。通常测出每隔l o k m h 或2 0 k 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，称为等速燃油经济特 性曲线，以它来评价客车的燃油经济性。但是，这种评价方法没有反映出客车实 际行驶中频繁出现的加速、减速、怠速停车等工况经常变化的影响。 ( 2 ) 多工况燃油消耗量( 城市客车用四工况燃油消耗量) 城市客车在实际行驶过程中工作状态的变化非常复杂，为了测量出反映客车 实际使用特点的燃油消耗量，人们针对城市交通状况，对大量的公交客车行驶工 况进行了统计和分析，制定出了城市客车燃油消耗量试验方法，即四工况燃油消 耗量试验法，它模拟的是城市公交在车站间的行驶工况。实际测出的燃油消耗量 即为多工况燃油消耗量。它是评价城市客车燃油经济性的一个实用方法。 2 1 3 动力性燃料经济性的综合评价指标 在进行动力传动系统匹配评价和传动系参数优化时，一般应同时考虑城市客 车的动力性与燃油经济性，而通常情况下，客车的这两种性能又是相互制约的， 即动力性好的客车而经济性不是很好，反之经济性好的动力性又不一定好。目前， 在进行客车动力传动系统优化匹配时，一般应用多工况燃油经济性或原地起步连 续换档加速时间与多工况燃油经济性的加权值作为综合评价指标，而这些指标实 际上是客车基本性能指标，并不能定量反映客车动力传动系统的匹配完善程度， 也不能提示动力传动系统改善的潜力和途径“。客车动力性燃油经济性的综合评 价指标，应该能定量反映客车动力传动系统匹配的程度，能够反映出发动机动力 性与燃油经济性的发挥程度，能够提示客车实际行驶工况所对应的发动机工况与 其理想工况的差异，能够提示动力传动系统改善的潜力和可能的途径“。 ( 1 ) 动力性能发挥程度的评价指标驱动功率损失率在行驶档位一定的情 况下，驱动功率损失率表示实际客车动力传动系统特性与理想的动力传动系的差 距，反映了客车动力性的大小与客车动力性能发挥程度。其值越小，发动机与传 动系统在动力性能方面匹配得越好。 ( 2 ) 经济性能发挥程度的评价指标有效效率利用率有效效率利用率为发 动机常用工况平均有效效率与经济区有效效率的比值。有效效率利用率能够反映 出发动机经济性能发挥程度，其值越大，发动机与传动系在经济性能方面匹配得 越好。 6 江苏大学硕士学位论文 ( 客车动力传动系统匹配的综合指标客车能量利用率。客车能量利用率 是指燃料的化学能转化为客车有用功的效率。这个指标把发动机和底盘的固有特 性与客车实际行驶条件相接合，既反映客车具有的能力，又反映了客车的实际使 用效果，用它作为客车动力传动系统合理匹配综合评价指标，既能反映客车动力 传动系统与使用工况的匹配程度，又能提示动力传动系统改善的潜力和途径。 2 2 发动机数学模型的建立 客车动力性燃油经济性模拟计算是以发动机数学模型为依据的。发动机数学 模型的描述，包括客车发动机外特性和发动机万有特性。 描述发动机性能的方法有表格法、差值法和数学模型法三种，前两种精度较 高，但占用内存较多、运算速度较慢，故目前都采用数学模型法“”。 对于已知试验数据的发动机，其使用外特性可以看作是发动机转速的一元函 数，用最小二乘法获得；而万有特性可以看作是发动机转速和发动机转矩的二元 函数，用曲面拟和法获得。限于发动机测试技术，目前还主要是利用稳态工况下 发动机特性试验数据获得的模型近似地代替非稳态工况下发动机瞬时特性。 考虑到发动机加速工况时，其转矩较稳定工况有所下降，燃油消耗率有所上 升，一般认为其转矩下降量与曲轴角加速度成线性关系，可以采用修正系数方法 来考虑这种影响，借以减少稳态工况代理瞬态工况带来的误差。 2 2 1 发动机外特性模型 很显然，发动机使用外特性下发动机转矩可以看成是发动机转速吃的函数， 可用下面的多项式表示： t 乏磊a x 1 以1 ，j 【( z - 1 ) 式中 t 为发动机有效转矩 m ) ； 心发动机转速( r r a i n ) ： a 待拟合多项式系数； k - 一多项式的阶数。 设已知n 组试验数据( 毛， k ) ，将每组数据( 已， k ) 带入上式，并记入随机误差e i 有 7 江苏大学硕士学位论文 瓦 瓦： 珞 1 a 1 k ：畦a 吒 oo ao o 1 n e a - 心an k “ x a a l a 4 - 弓 e 2 ( 2 2 ) 写成矩阵形式为 = g a + e( 2 - 3 ) 式中g 为n 体+ 1 ) 阶矩阵，t ，e 均为nx 1 列向量。假如 ，善彳e ( 2 - 4 ) 应用最小二乘法原理，按照极值理论，有 芸k 0 ( 2 - 5 ) a a “ 易得 量= ( g 7 g ) r g t 乏 ( 2 6 ) 则 乏1ga(2-7) 按以上原理，编制曲线拟和程序计算，即可求得a 和k 。这单j 值得注意的是， k 值的确定取决于计算的精度，并且k n 一1 。 2 2 2 发动机万有特性模型 发动机万有特性即把发动机的有效燃油消耗率看作为发动机转速和有效 转矩的函数，并用多项式表示“”m 1 。 发动机的使用万有特性的数学模型可以表示为 =窆骞彳阻+1)2h小士矿(2-8)j-oi ol j 式中 发动机的燃料消耗率( k w h ) ； 乏发动机的有效转矩 m ) ； 心发动机的转速( r ，m i l l ) ； a 模型中各项系数组； s 一模型的阶数。 采用曲面拟合的方法，求取模型中参数。所谓曲面拟合问题实际上是个拟线 8 江苏大学硕士学位论文 性回归问题，即认为平面上各测点z 是其坐标( x ，y ) 的函数，建立的回归模式为： g d 2 g d 式中 1 毛砭乙砖 瑶砰1 吒 1 吃：砭z 以2 砖 呓t o - i n ： 吃 1 瑶珞喀 瑶葛1 略 4 l q - 1 模型中待定系数； q 乞 4 0 q 1 + q 岛 ( 2 - 9 ) 随机误差；n 叫式验观测点数。 写成矩阵形式自z = g 4 a + e ( 2 - 1 0 ) 其中g 为n k 阶矩阵，z 和e 均为n 1 列向量，而g 的列数k 与多项式阶数s 存在着如下关系： 七：坠挲望( 2 - 1 1 ) 假设 j 。善孑坩e ( 2 - 1 z ) 按照极值理论应有 善k - o ( 2 - 1 3 ) 易得 五= ( g 7 g ) f g 7 托( 2 - 1 4 ) 拟合值2 与观测值互的拟合程度，可用拟合度c 来评价，同时也确定了最佳s 僖。 c = 芝( z f 一2 ) 2( z f 一2 ) 卜莪虿( 互一三) 2 其中，三= 万1 善1 9 互为总体均值。 按以上原理，编制曲面拟和程序计算，即可求得模型参数a 和s 。 9 ( 2 1 5 ) 江苏大学硕士学位论文 2 2 3 非稳定工况下发动机性能的修正 上述发动机模型都是建立在稳态工况下的，而城市客车发动机大部分时间处 于非稳定工况，非稳定工况下动态特性和稳定工况特性显然是不同的。目前，虽 然能够说明发动机非稳定工况的一般规律，但对它的研究还是不够的。试验表明： 客车加速时，发动机转矩的下降与曲轴角加速度成线性关系，并且下降量不超过 发动机最大转矩的4 到5 。 加速时，发动机提供的转矩为 艺= 瓦- a t = 即t 鲁( 2 - 1 6 ) 式中外特性工作的发动机转矩 m ) ； r 一稳定工况下发动机提供的转矩下降系数，r = 0 0 7 - 0 0 9 ； 皇堕曲轴角加速度( r a d s ：) 。 a t 2 3 动力性模拟计算方法 计算基于目前大量使用的城市客车传动系统，即传动系统是由发动机+ 离合器 十手动机械式变速器+ 传动轴+ 后桥+ 车轮等组成。 2 3 1 各档动力因数计算 设变速器置于k 档，速度为屹，则有如下计算步骤： ( 1 ) 首先计算变速器置k 档时，发动机转速吃： 噬= 鲨0 3 7 盟7 r ( 2 一1 7 ) ( 2 ) 根据发动机使用外特性模型，计算发动机输出转矩t ： 。荔a ( k ( 2 - 1 s ) ( 3 ) 计算客车行驶时空气阻力e ： e = 案 ( 2 - 1 9 ) ( 4 ) 计算客车驱动力f ： 江苏大学硕士学位论文 f ：至垫盟堡( 2 - 2 0 ) ( 5 ) 则第k 档、速度为匕时，动力因数q 为： 口= 等 ( 2 _ 2 1 ) ( 6 ) 直接档最大动力因数d o 一为： 乙岛珊c 吒 d o 一= 百监( 2 - 2 2 ) 其中，发动机最大转矩点对应的车速( 1 l 1 1 ) ； g 空气阻力系数： a 城市客车迎风面积( 小2 ) ； r 驱动轮滚动半径( i n ) ； 乇客车主减速嚣速比； 客车变速器速比； 叩f 传动系效率。 下面对以上公式中轮胎滚动半径r ，空气阻力c j 系数和传动系效率的取值 做一个简要说明。 ( 1 ) 轮胎滚动半径 轮胎滚动半径r 可以通过实测或由下式计算出。 r = o 0 2 5 4 d 2 + b ( 1 一a ) ( 2 2 3 ) 式中d 轮辋直径( m ) ； 卜轮缘宽( m ) ； 九轮胎变形系数，对载重汽车和客车取1 0 - 2 0 。 有时为了计算方便，可取轮胎的滚动半径分别为自由半径的0 9 3 0 , 4 ) 9 3 5 ( 低 压轮胎) 或0 9 4 5 , - 0 9 5 0 ( 高压轮胎) 。 ( 2 ) 空气阻力系数 空气阻力系数c d ，可以通过整车风洞试验测得，般客车的空气阻力系数为 1 1 江苏大学硕士学位论文 0 5 0 8 ，迎风面积为4 7 m 2 。 ( 3 ) 传动系效率 传动系的功率损失主要由变速器和主减速器所组成，按类型可分作机械损失 和液力损失。机械损失是指齿轮传动副轴承，油封等处的摩擦损失，与齿轮结 构和作用力矩有关；液力损失指润滑油的搅动，润滑油与旋转零件之间的表面摩 擦等功率损失，与油的品种、温度以及旋转零件的转速有关。传动系效率的影响 因素很复杂，难以控制与测量。因此在大多数情况下，可以采用经验公式进行估 算。货车、客车可取0 8 2 - 0 8 5 。 2 3 2 最大爬坡度计算 设一挡最大爬坡角为口，则有 d h 。- ，c o s 口+ s i n 口( 2 2 4 ) 解之，得 口缸堡笔茅( 2 - 2 5 ) 则最大爬坡度为 。一培口( 2 2 6 ) 式中 卜一滚动阻力系数； d i 。一挡最大动力因数。 滚动阻力系数f 的影响因素很多，与道路性质、轮胎气压、车速等有关。其中 行驶速度对滚动阻力系数影响最大，考虑到目前客车速度不断提高，模拟中一般 都把滚动阻力系数看成是车速得线性函数，通过滑行试验，并用最小二乘法拟和 法求得。表2 - 1 列出了在常见路面上滚动阻力系数范围。 表2 - 1 滚动阻力系数的数值 路匠类型 滚动阻力系数 良好的沥青或混凝土路面 一般的沥青或混凝十路面 碎l i 路面 0 0 1 0 o 0 1 8 0 0 1 8 0 0 2 0 o 0 2 0 o 0 2 5 江苏大学硕士学位论文 2 3 3 最鬲车速计算 城市客车最高车速是指在良好的水平路面上客车所能达到的最高速度。根据 客车在良好的水平路面行驶时驱动力与行驶阻力的平衡关系，可以求出城市客车 最高车速。确定客车最高车速的步骤如下： ( 1 ) 将发动机最小转速到最大转速平均分成t 份，设定循环，令转速依次从小 到大取值。 ：毽。+ 虹掣( 2 - 2 7 ) 其中，i 为循环次数。 ( 2 ) 计算发动机对应转速的输出转矩 毛。荟a t p 均 0 ) 计算此时客车驱动力 只= 墨监r ( 2 - 2 9 ) ( 4 ) 计算客车对应的车速和空气阻力e 。 ：0 3 7 _ 7 r 一n , , ( 2 3 0 ) k 幻 l = 告( 2 - 3 1 ) ( 5 ) 计算滚动阻力耳 f ，一g 厂( 2 。3 2 ) ( 6 ) 因为计算的是最高车速，在平坦路面上行驶，所以不考虑坡度阻力，判断 驱动力与行驶阻力的关系。若驱动力大于行驶阻力，即e ，f 0 + b ，此时，客车 尚未达到最高车速，继续加速到发动机最高转速。若驱动力小于或等于行驶阻力， 即墨s 瓦，+ e ，此时，客车达到最高车速，计算结束。此时的循环车速即为最高 车速。客车最高车速的程序框图如图2 - 1 所示。 江苏大学硕士学位论文 2 3 4 加速性能计算 图2 - 1 最高车速计算程序流程图 ( 1 ) 原地起步加速时间“” 设客车由初速度v o 加速到末速度屹，其中各工况参数可由下列公式求得： 。：型 0 3 7 7 r 兄荟a ( m f ：丝 1 2 1 1 5 1 4 ( 2 - 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) 江苏大学硕士学位论文 e = t # , i o i i ( k 一) , z t c 2 - 3 3 6 )e = _c f | 一g fp 3 7 ) q ：v , - ：f - 一f ：( 2 - 3 8 ) q 2 ：一 d m ，- 式中卜加速时间； 6 旋转质量换算系数。 6 主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关。计算公 式如下： 迎mr2+警-2214 0 ) mm 艿= + 皇二竺+ 点= ! 但 一 式中l 车轮的转动惯量( 蚝m 2 ) ； ，飞轮的转动惯量( 姆m 2 ) ； m 一客车质量( k 酌。 在进行动力性初步计算时，若不知道准确的，。、i t ，也可按下面的f 经验 公式估算6 值： 8 - 1 + 8 , + 疋( 2 - 4 1 ) 其中，4 一皖= o 0 3 - 0 0 5 客车加速性能计算的程序框图如图2 - 2 所示。 江苏大学硕士学位论文 图2 - 2 加速性能计算程序流程图 ( 2 ) 直接档加速时i 日j 直接档加速通常是以第4 档和第5 档进行，以一定初速节气门全开加速。因 为在实际情况下，驾驶人员习惯于不换入低档而直接用当i ； 档位加速，所以，直 接档加速时间能够比较客观地反映客车在实际行驶状态下的加速能力，计算方法 与上相同。 2 3 5 换档规律的处理 换档特性主要包括换档规律和客车的运行状态条件，其中换档规律足问题的 核心，不同的换档规律会使客车具有不同的换档特性，从而对其动力性和经济性 1 6 江苏大学硕士学位论文 产生影响。换档特性与驾驶人员的经验及习惯密切相关，从一个侧面反映了使用 技术对客车性能的影响“”。作为一种有普遍意义的方法，本文将换档规律归纳为 以下两种模式： ( 1 ) 最佳动力性换档规律 在动力性模拟计算中使用了保证最佳动力性的换档规律，即认为客车尽可能 在较低档位行驶。关键问题是换档点的选择，目i j 有两种判断法：一种是以同一 车速下各档加速度的大小作为换档依据；另一种是以同一车速下各档动力的大小 作为换档依据。 模拟计算中，对驾驶员换档规律规定： 1 ) 当发动机转速低于其最小稳定转速时，由高档换入低档。 2 ) 当发动机转速高于其最大转速时，由低挡换入高档。 3 ) 发动机转速介于其最大和最小转速之间时，若高档加速度大于低挡加速度 时，应由低挡换入高档。 ( 2 ) 最佳经济性换档规律 在燃油经济性模拟计算中使用了保证最佳经济性的换档规律。目前也有两种 判断法，一种是在客车加速度大于零情况下，尽可能采用高档行驶；另一种是以 发动机燃料消耗率作为换档依据，保证客车总是以使发动机的燃料消耗率最小的 档位行驶。 模拟计算中，对驾驶员换档规律规定： 1 1 当发动机转速低于其最小稳定转速时，由高档换入低档。 孙当发动机转速高于其最大转速时，由低挡换入高档。 3 、当发动机转速介于其最大和最小转速之间时，若高档加速度大于零时，应 由低档换入高档。 铆当行驶阻力大于驱动力时，若发动机转速高于发动机最大转矩所对应的转 速时，则不换档，反之应换入低档。 2 3 6 起步阶段离合器接合模式的处理 客车起步阶段扭矩传递规律主要决定于离合器的接合规律，在接合过程中， 离合器存在着不同程度的滑磨，其滑磨过程是相当复杂的。离合器的实际接合过 程如图2 3 所示。研究发现： 1 7 江苏大学硕士学位论文 图2 - 3 离合器起步的同步过程 ( 1 ) 离合器接合的同步时闻是发动机起步转速和操作方式的函数。 ( 2 ) 从动片扭矩增长是同步时间、起步转速的函数。 可是，由于外界条件、驾驶员主观判断、起步动态过程等因素的复杂多变， 很难获得一个在各种情况下都适用的最佳接合模式和发动机油门配合增长的自适 应调节规律。已提出的离合器近似接合模式有： ( 1 ) 随时接合假设 ( 2 ) 动力中断假设 ( 3 ) 统计平均接合模型 ( 4 ) 离合器和油门操纵与车身纵向加速度的关系 ( 5 ) 扭矩递增假设 对于“离合器瞬时接合假设”、“动力中断假设”，其计算与试验对比误差太大 不能使用。“统计平均接合模型”主要研究坡度对接合的影响，它与“离合器和油 门操纵与车身纵向加速度的关系”模型都属于特殊条件的研究结果，不具有普遍 意义“”。因此，本文采用扭矩递增假设。 根据该假设，在离合器的接合过程中，从动盘上的扭矩是随着离合器同步时 间和接合时转速的变化而变化的，采用下面的计算方法： h 1 _ ( 警 ， 刁 式中 瓦离合器从动盘上的扭矩 m ) ； c 离合器接合时的发动机扭矩( n m ) ； 五离合器同步时间( s ) ； 1 8 江苏大学硕士学位论文 矗离合器接合过程的时间步长( s ) ； ，模型系数( 与结构及操作方式有关) 。 使用这个公式时，假设由于司机的操作而使发动机在起步过程中转速不变。t 本是时间的函数，但为了计算简便也可以采用常数。 由参考文献知道，离合器接合过程的同步时间一般为0 4 秒。而换档过程，无 同步器时，同步时间一般为1 以秒，有同步器时约为0 4 , , - 0 7 秒“”。在客车的整个 运行工况中，实际上滑磨对加速时间的影响与其他因素( 如：司机，车辆状况， 道路状况等) 的影响相比很小，可以忽略不计。 2 4 燃油经济性模拟计算方法 2 4 1 等速百公里油耗 评价客车燃油经济性的指标是客车每单位行驶里程( 通常为1 0 0 公里) 的燃油消 耗量q ( l l o o k m ) ，其计算公式为： 妒意灯0 0 ( 2 - 4 3 ) ，_ 4 式中g 发动机单位时间耗油量( k g h ) p 燃料密度o 【l ) 显然，只要知道g 值，就可求得各速度下客车等速燃油经济性。其计算步骤为； ( 1 ) 计算出与速度屹、传动比相对应的发动机转速 = 石v 丽j s t o ( 2 删 ( 2 ) 计算在速度下屹，发动机所消耗的功率 只司1 ( 3 g 丽f r , , + 望1 0 1 4 0 ) lj o u u， ( 3 ) 根据发动机所消耗的功率及对应的转速心，求得发动机有效转矩t e = 9 5 4 9 e( 2 - 4 6 ) ( 4 ) 由发动机有效转矩t 和转速以，计算出发动机有效燃料消耗率 = 窆剖圭( 川) ( 川) 于“士(2f-o“ml 厶j 江苏大学硕士学位论文 ( 5 ) 计算出发动机单位时自j 内燃料消耗量g i g ，= 1 9 0 0 0 e p e ( 2 ( 6 ) 将求得的g 值代入式( 2 4 3 ) ，即求得速度屹下等速燃油经济性。 ( 7 ) 变换屹与值，即可计算出不同档位下客车各速度下等速百公罨油耗，即 城市客车燃油经济特性。 2 4 ，2 多工况燃料经济性模拟计算方法 多工况循环试验是不同强度的加速、减速和等速三种行驶工况连续循环的组 合，其速度历程总是可以表示为随时间变化的分段函数，即：h = f ( t ) 。多工况燃 油经济性模拟计算就是这三种工况油耗计算的综合“”。 ( 1 ) 等速过程 在d t 时问间隔内，等速过程的燃油消耗计算： =生7r+曼7614生0qr3600r ( 2 - 4 9 )f 、， 馋= 粼( 2 - 5 0 ) t：9549,(2-51) ；窆剖三( 川) ( 坤) 十1 + 士(252)1-ol - ol j q i 。：上曼坠( 2 - 5 3 e g e l ，1 ) q 一2 磊面面而 ) s = 百v , d t ( 2 - 5 4 ) 式中m 第i 个间隔前车速( h n l i ) 。 乱d t 自j 隔内客车行驶距离( m ) ； q 。d t 间隔内客车燃油消耗擘( 蚝) 。 在等速过程中，客车的耗油量q l 和行驶距离s 就是各d t 内油耗q “和距离& 的累计。 ( 2 ) 加谏过程 一一 江苎垄堂塑主! 堡垒查 - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ 一 一 。 在d t 时间间隔内，加速过程的燃油消耗计算： 一u l + 3 6 d t ( 2 - 5 5 ) 只= 3 咖g f v , + 盟7 6 1 4 0 r r + 葡3 a g v , 仔5 6 ) = 塑0 3 7 盟7 r ( 2 5 7 ) 疋= 9 5 4 9 r_量_,(2-58)p 吃 ；窆i - o 圭i - 0 4 i 丢( m ) ( 肿) 十1 “p ( 2 5 9 ) l - j o ：兰12 1 ( 2 - 6 0 ) l e 5 e z