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硕士论文特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 摘要 针对特种混凝土搅拌车的结构特点、动力组成和应用要求，深入分析了该车 的行驶路况和使用工况，在六工况燃油消耗试验方法的基础上考虑了起步、换档、 怠速等工况。 建立了以最低燃油消耗量为目标的优化数学模型，研究了数学模型的合理 性。为了证明本方法的正确，参考某文献数据进行了演算，并与其优化结果进行 比较，证明本方法是可行的。 在此基础上以特种混凝土搅拌车相关参数进行了三种方案的优化计算和比 较，获得了优化匹配结果。把本优化模型应用于同档次混凝土搅拌车进行计算， 并与其实际的燃油消耗量相比，表明按本方法进行匹配的特种混凝土搅拌车具有 良好的燃料消耗量，匹配方法是可行的，本文还讨论了特种混凝土搅拌车常用行 驶路况和工况下的燃料消耗量实验方法。 关键词：优化，动力性，燃油经济性 硕士论文特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 a b s t r a c t a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es p e c i a lc o n c r e t em i l l i n ga u t o m o b i l e ，t h et h e s i s d i dr e s e a r c ho na u t o m o b i l e sr o a dc o n d i t i o na n dc o n d i t i o n sw h e nr u n n i n g m e a n w h i l e ， w ec o n s i d e r e ds t a r t i n g ，s h i f t i n g ，i d l ec o n d i t i o n sa n ds oo n ，w h i c hw a sb a s i n go ns i x w o r k i n g ，c o n d i t i o n sf u e lc o n s u m i n ge x p e r i m e n tw a y s t h et h e s i sa l w a y sb u i l tm a t h sm o d e l sw h i c hw a sa i m i n ga tl e a s tf u e lw a s t a g e ， a n dw er e s e a r c h e dt h er e a s o n a b i l i t yo ft h em o d e l s i no r d e rt o p r o v i n gt h ew a y s c o r r e c t n e s s w ef i g u r e dc o n s u l t i n gs o m el i t e r a t u r e sa n dc o m p a r i n gw i mt h eo p t i m i z e d r e s u l t , a n dt h er e s u l tp r o v e dt h em e t h o dw a sf e a s i b l e b a s i n go nr e s e a r c hu p w a r d s ，w eg o tt h eo p t i m i z e dm a t c h i n gr e s u l t , c o m p a r i n g i n t e r r e l a t e dp a r a m e t e r so ft h ed i f f e r e n tt h r e es c h e m e s i n d i c a t e dt h em e t h o dw a sw i t h g o o df u e lw a s t a g e t h et h e s i sa l w a y sd i s c u s s e dt h er u n n i n gc o n d i t i o n sa n dt h e e x p e r i m e n tm e t h o do ff u e lw a s t a g eo nt h es p e c i a lc o n c r e t em i l l i n ga u t o m o b i l e k e y w o r d s ：o p t i m i z a t i o n ，t r a c t i v ep e r f o r m a n c e ，f u e le c o n o m y 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名去枷 ，兰一 炒7 年l 妇乞日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：么枷易 l 少7 年j 朔2 日 硕士论文特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 1 绪论 1 1 前言 随着我国车用发动机在能源与环境方面所面临的挑战日益严峻，越来越多的 生产厂家和科研单位开始对车用发动机节能技术和排放控制技术进行研究【l 】。 目前，国内外围绕减少车辆能源消耗方面，主要采取了以下措施： ( 1 ) 提高汽车行驶效率 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。 底盘轻量化采用新型轻质材料，通过可靠性设计技术使整车质量轻 量化，使总成部件、附件紧凑；前置发动机、前驱动化。 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 一 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。 提高能源利用率利用涡轮增压回收废气能量，利用储能装置回收制 动能量；提高附属装置的效率。 ( 3 ) 开发利用新型动力 开发新一代发动机研制高效率循环发动机；研制氢发动机；、研制利 用电能的电动车；采用混合动力驱动系统。 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、二甲醚等合成燃料。 利用新能源研制高效太阳能电池；应用氢气储存方法和氢气混合燃 烧法。 ( 4 ) 优化匹配动力传动系统 发动机的选型汽油机与柴油机的选择；发动机使用外特性的选择； 发动机排量的选择。 传动系型式及参数的选择变速器的型式、速比范围、档位数、各档 速比等参数的选择和优化。 硕士论文特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 1 2 与本课题相关技术的国内外研究现状 1 2 1 混凝土搅拌车现状 在建筑施工中，为了把混凝土从制各地点及时送到施工现场进行浇灌，必须使 用运输机械。传统上工地自制混凝土，就近使用，用翻斗车或自卸卡车进行输送， 但自从出现商品混凝土以后，建立起一种新的生产方式，即许多施工工地所需要 的混凝土，都由专业化的混凝土工厂或大型混凝土搅拌站集中生产供应，形成以 混凝土制各地点为中心的供应网。由于混凝土工厂便于应用现代电子技术，使用 计算机控制生产，可以得到精确配比和均质拌合的混凝土；使混凝土质量大大提 高，所以对于整个施工工程起到良好的促进作用。但是混凝土的商品化生产，势 必把混凝土从厂站输送到各个需求工地之间的距离相应加长，有些供应点甚至很 远。当混凝土的运送距离( 或运送时间) 超过某一限度时，仍然使用一般的运输 机械进行输送，混凝土就可能在运输途中发生分层离析，甚至初凝现象，严重影 响混凝土质量，这是施工所不允许的。因此为了适应商品混凝土的输送，发展了 一种混凝土专用运输机械混凝土搅拌运输车。 搅拌运输车多作为混凝土工厂或搅拌站的配套运输机械，通过搅拌运输车将 混凝土工厂、搅拌站与许多施工工地联系起来，如与混凝土输送泵配合使用，在 施工现场进行“接力”输送，则可以完全不需要人力的中间周转而将混凝土连续 不断的送到施工浇注点，实现混凝土输送的高效能和全部机械化。 搅拌运输车实际上就是在载重汽车或专用运输底盘上安装一种独特的混凝 土搅拌装置的组合机械，它兼有载运和搅拌混凝土的双重功能，可以在运送混凝 土的同时对其进行搅动和搅拌。因此能保证输送混凝土的质量，允许适当延长运 距( 或运送时间) 。 目前，国内外混凝土搅拌车的开发趋向于大容积的产品，提高其工作效率。 但其价位很高。特别是中小城市，行驶于建筑工地，用以实现短距离混凝土的转 场运输，经常运输速度较低，对爬坡及通过能力要求不高，这样的混凝土搅拌车 还存在空缺。 1 2 2 动力传动系统优化匹配的研究现状 优化设计是将最优化原理和计算技术应用于设计领域，为工程设计提供一种 重要的科学设计方法。利用这种新的设计方法，可以从众多的设计方案中寻找出 最佳设计方案，从而大大提高设计效率和质量。因此优化设计是现代设计理论和 方法的一个重要领域，它已广泛应用于各个工业部i , jr 2 3 1 。 最优化问题即所选用的方案是所有可能方案中最优的。最优化技术是研究和 2 硕士论文特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 解决最优化问题的一门学科，它研究和解决如何在一切可能的方案中寻求最优化 的方梨4 】。换言之，最优化技术研究和解决两大类问题：如何将最优化问题表示 成数学模型；如何根据数学模型尽快地求出其最优解。 按处理最优化问题的数学方法的不同，最优化技术发展可分为两个阶段【5 6 】， 第二次世界大战以前，处理最优化问题的数学方法主要是古典的微分法和变分 法。第二次世界大战中，产生了如线性规划、非线性规划、动态规划等新的方法。 此后，最优化的理论和方法逐渐得到丰富和发展。特别从6 0 年代以来，最优化技 术发展迅速，成为一门新兴的学科，而且得到了广泛的应用。 我国开始从事这方面的研究与应用比较晚。但在机构综合、通用机械零部件 设计及各种专业机械和工艺装备的设计上都采用了最优化技术并取得了显著成 果 7 】。与此同时，汽车优化设计理论和方法也得n - f 推广和普及【8 1 。 传动系统是汽车的重要部分，优化技术在这方面也得到广泛的应用。对传动 系进行优化设计的目的主要有两方面：取得令人满意的汽车动力性能和燃料经济 性能；得到一个令驾驶员满意的操作方式。 目前，国内外关于这方面的研究工作主要包括【9 1 0 】： ( 1 ) 开发动力性和燃料经济性的计算机模拟计算程序来进行传动系各参数 的设计，通过对不同参数模拟计算，对所得结果进行比较，选择比较合理的传动 系参数。 在开发动力性燃料经济性模拟程序这方面，国内外都做了很多的工作。开发 了很多的模拟程序，如美国通用汽车公司的g p s i m ，福特汽车公司的t o e f p ，康 明斯公司的v m s ，美国交通部的v e h 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的对汽车动 力性燃料经济性预测，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【l 卜 1 4 】 o ( 2 ) 利用优化设计的理论，对传动系参数进行优化，达到保证汽车动力性的 前提下，燃料经济性最小的目的。 。 给定发动机参数优选传动系参数 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 3 硕士论文 特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 为约束条件。 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。其关键是如何正确地建立发动机性能和发 动机设计参数、运行参数的定量关系。常用的有两种方法。 a 建立发动机外特性数学模型，目标函数选用等速百公里油耗与原地起步加 速时间的加权值，设计变量为发动机最大转矩、最大功率、最大功率时的转速、 最大转矩时的转速、最低燃油消耗率、等速行驶时直接档对应的转速等，约柬条 件包括发动机参数调整范围限制和整车基本性能要求。 b 建立发动机外特性数学模型和发动机燃油消耗模型，目标函数选用汽车在 常用工况下的能量效率，设计变量约束条件同第一种情况。 国内在这方面的研究始于8 0 年代，长春汽车研究所、吉林大学、江苏大学等 单位开展了一些工作，也取得了一些成果。运用优化技术对传动系参数进行优化， 是伴随着优化技术的发展而发展起来的。其优化过程基本上是围绕着汽车的动力 性和燃料经济性进行的。这就避免了利用模拟程序优化的盲目性，使优化过程的 目的性增强【”16 l 。 1 3 本文的主要研究内容 本文所涉及的项目是开发一种专用混凝土搅拌车，该车以国外专用的混凝土 搅拌车为母本，结合国内的总成零部件资源情况及市场需求状况，开发出来的一 种在国内市场上尚没有生产销售的低价位混凝土搅拌车。该车具有如下特点：专 用车专用的特点，底盘和承载系统根据混凝土搅拌运输的要求进行特殊开发；大 载荷、小马力的特点，充分考虑混凝土搅拌车以搅拌为主，运输为辅的使用特点， 在保证载荷的情况下，使用小功率发动机，保证车辆的正常使用，同时有效降低 整车及日常使用成本；低制造和使用成本特点，充分考虑燃油经济性。根据此特 种、专用混凝土搅拌车的特点和要求，本文主要研究该车的动力与传动系统优化 设计，包括以下几个方面研究内容： ( 1 ) 分析特种混凝土搅拌车的结构特点、动力组成和应用要求，深入分析了 该车的行驶路况和使用工况； ( 2 ) 分析六工况燃油消耗试验方法的特点，研究在六工况试验内容的基础上 考虑起步、换档、怠速等工况的扩展评价方法，并充分考虑四级路面的路况的路 面条件。 ( 3 ) 建立针对特种混凝土搅拌车的以最低燃油消耗量为目标的优化数学模 型，研究数学模型的合理性。 4 硕士论文特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 ( 4 ) 编制优化计算程序，并按相关数据进行计算和验证，对本特种混凝土搅 拌车动力与传动系统进行优化匹配计算和分析； ( 5 ) 探讨特种混凝土搅拌车常用行驶路况和工况下的燃料消耗量试验方法。 5 硕士论文特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 2 特种混凝土搅拌车总体结构及动力传动系统 2 1 特种混凝土搅拌车需求概述 本车是以国外专用的混凝土搅拌车为母本，结合国内的总成零部件资源及市 场需求，开发的一种在国内市场上尚没有生产销售的低价位混凝土搅拌车。该车 专业承载4 m 混凝土搅拌罐，行驶于建筑工地，用以实现短距离混凝土的转场运 输，要求功率适中，最大速度在4 0 k r n h 左右，经常性运输速度为2 0 3 0 k m h 。要 求具有一定的爬坡及通过能力，因此具有以下特点： ( 1 ) 专用车专用：相对于国内市场上专用车不专，大多以通用底盘改装为基 础的专用车市场，该车型量体定制，很符合专用车发展的规律，同时也使其更能 方便使用。 ( 2 ) 大载荷、小马力：充分考虑混凝土搅拌车以搅拌为主，运输为辅的使用 特点，在保证载荷的情况下，使用小功率发动机，保证车辆的正常使用，同时有 效降低整车及日常使用成本。 ( 3 ) 低制造和使用成本：相对市场类似车型而言，该车拥有比较大的价格优 势，而且，充分考虑燃油经济性。 该车的主要设计参数如表2 1 1 所示： 表2 1 1 混凝土搅拌车的主要设计参数 驱动型式 4 4 整备质量( k g ) 前轴负荷( k g ) 8 0 0 0 4 1 0 0 质 后轴负荷( k g ) 3 9 0 0 且 载荷质量( k g ) 4 0 0 0 亘 前轴负荷( k g ) 9 0 0 0 参 最大总质量( k g ) 2 2 0 0 0 数 后轴负荷( k g ) 1 3 0 0 0 最高车速( k m h ) 4 0 最大爬坡度( ) 3 0 2 2 总体结构描述 项目车型采用成熟的动力系统，前置布置，4 x 4 ，前轴转向，单体驾驶室， 承载部分采用中、重型车的总成部件，前后悬板簧结构。整车外型尺寸( 长宽 高) 为6 0 l o 2 1 0 0 2 6 0 0 ，轴距l = 3 1 0 0 m m ，前轮距b = 1 6 6 0 m m ，后轮距b = 1 2 5 0 m m 。 发动机前置，搅拌罐中心线相对车架上平面( 垂直方向零线) 倾斜1 6 度。其总体 布置如图2 2 1 所示。 6 硕士论文 特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 ，：j 、 v + ：7 ，j t - w i 毙：一 图2 2 1 混凝土搅拌车的总体布置图 2 , 3 混凝土搅拌车搅拌筒动力分析 混凝土搅拌车的搅拌筒，为完成加料、搅拌( 或搅动) 和卸料等不同工况时， 将作不同速度和不同方向的转动，都需要动力供给，并由驱动装置( 传动系统) 引取动力，按工况而控制动力的传递。由于搅拌运输车的搅拌装置是安装在汽车 底盘上，并在运输途中工作，因此其动力的供给，动力设备的配置以及驱动装置 的结构，都有其相应的特点 1 7 - 2 0 。 ( 1 ) 搅拌筒的动力供给和动力引出形式 图2 3 1 a ) 发动机前端动力引出；b ) 发动机匕轮端动力引出； c ) 从减速箱动力引出；d ) 单独柴油机动力引出 混凝土搅拌车的搅拌装置，其工作动力来自发动机，而发动机配置又有两种 形式。一种是共用发动机形式，即搅拌装置利用动力分流，从汽车底盘发动机引 取动力，共用发动机配置，搅拌驱动动力引自共用的汽车发动机。另一种是专用 发动机形式，搅拌设置专用发动机，行驶和搅拌的动力供给各自独立，即搅拌运 输车需要两台发动机。 由于共用发动机形式不再为搅拌装置单独设置动力设备，所以使这种动力配 7 硕士论文 特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 置的搅拌运输车结构紧凑，造价降低。由于上车省这部分设备的重量( 一般专用 发动机及其燃油箱等的总重量约5 0 0 k g ) ，因而可提高搅拌筒对混凝土的有效装 载量( 约相当0 2 m 3 ) 这是它的主要优点。但由于原来只用于底盘的发动机动力 被分流，部分用于搅拌装置，所以这种动力配置必需考虑共用发动机的动力储备 能力，以免影响底盘的正常行驶性能，因为对选用普通载重汽车底盘来说，其发 动机功率是根据汽车牵引能力确定的。所以这种动力配置的确定应结合底盘的选 择，综合考虑行驶、搅拌两者的功率要求和承载要求，作到所选载重汽车能同时 达到上述两方面的要求，而无彼此的干扰。目前，对于中、小容量( 6 m 3 以下) 的搅拌运输车，尤其是只用于运送预拌混凝土的搅拌车，因行驶中搅拌装置耗用 功率较小，所以绝大多数都采用这种动力供给形式，采用普通载重汽车底盘，只 要汽车底盘选择恰当，可充分发挥上述各项优点，尤其对小容量搅拌运输车，这 种优点相对更加明显。所以本车采用共用发动机形式。 由于搅拌装置的发动机设置有上述不同情况，故发动机的动力引出，即搅拌 筒驱动装置的取力形式也有多种。参看图2 3 1 ，当搅拌装置采用共用发动机形 式时： 搅拌筒的驱动动力可自汽车发动机曲轴 在这种结构形式中动力直接从发动机曲轴处，出力大，采用机械传动会导致 传动困难且结构复杂。仅适用于液压传动的搅拌运输车。但会给液压泵等液压系 统元件的安装布置带来困难，因液压泵要安装在发动机曲轴前端，底盘的机架( 保 险杠) 须经少许改造。由于系统管路增长而压力损失增大，且意外机械损伤和内 部缺陷概率的提高导致可靠性下降 搅拌筒的驱动动力可自汽车发动机飞轮端引出 以这种方式最为理想，目前国内外绝大多数混凝土搅拌运输车专用汽车底盘 都采用发动机飞轮取力为上车提供动力，因为目前世界各国生产的混凝土搅拌运 输车，有9 0 以上都采用液压传动，这样从飞轮端引出动力，能使整个传动布 置更为合理紧凑，即能克服上车独立驱动的缺点，又能弥补发动机前端取力型式 的不足。但采用这种方案的前提条件是所选底盘必须安装有发动机飞轮端取力装 置。 本车采用搅拌筒的驱动动力自汽车发动机飞轮端引出。 从单独发动机中引出动方形式 本车采用共用发动机，搅拌筒的驱动动力自汽车发动机飞轮端引出，安装有 发动机飞轮端取力装置，搅拌筒的取力器为1 8 5 k w 。由于混凝土搅拌运输车行 驶时，搅拌罐是不断搅拌的，所以一直需要动力，即发动机一直供给1 8 5 k w 的 动力于搅拌罐，所以本文在后面的优化处理时，发动机的用于驱动车轮的功率为 8 硕士论文特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 实际输出功率减去1 8 5 k w 。 2 4 特种混凝土搅拌车行驶路况和使用工况分析 2 4 1 特种混凝土搅拌车的行驶路况 为了能够合理有效的对车辆的动力以及传动系统进行优化匹配，必须了解车 辆在某一地区或典型路况下行驶时其发动机的常用行驶工况分布，即测取车辆所 经常行驶区域的路谱。混凝土搅拌车的运行路面为四级路面，利用m a t l a b 工具 箱中提供的l e v i n s o n 函数解y u l e - w a l k e r 方程。a = l e v i n s o n ( r ，n ) 。其中：1 1 为 a r 模型的阶数；r 为采样信号的自相关函数向量；a 为a r 模型的参数向量。经 计算获得模型参数如表2 4 1 。 表2 4 1a r 模型参数 仍仍仍亿纯 - i 0 2 2 10 0 4 9 5 8 2- 0 0 0 2 7 2 3 - 0 0 0 2 7 2 3- 0 0 0 0 5 4 3 11 纯仍纯仍仍o - 0 0 0 0 4 9 2 2 7 - 0 0 0 0 3 7 5 9 4 0 0 0 0 2 9 3 71- 0 0 0 0 2 3 2 3 3- 0 0 0 0 1 8 5 3 6 仍1 仍2 仍3 仍4 仍5 - 0 0 0 0 1 4 8 4 3- 0 0 0 0 11 8 6 6- 0 0 0 0 0 9 4 2 3 4- 0 0 0 0 0 71 2 8 9 - 0 0 0 0 11 3 8 9 经修正后的白噪声方差= 1 9 4 6 5 x 1 0 币，在m a t l a b 中生成均值为0 ，均方 根值为仃。的白噪声w = n o r m r n d ( o ，钆) ，再将白噪声通过低通滤波器 y = f i l t e r ( 1 ，中p ，w ，) 即可得到路面不平度序列。如图2 4 1 所示。 图2 4 1 路面不平度曲线 9 硕士论文 特种掘凝土搅拌车动力与传动系绕优化匹配研究 2 4 2 混凝土撼拌车的使用工况 为了对该混凝土搅拌车进行传动系统的优化匹配，首先必须建立接近该车辆 在四级路面上行驶状况的车辆行驶工况。根据厂方提供的资料，参考类似车型， 确定该车行驶于四级路面所用的档位、速度及发动机转速分布图，其结果如下： 2 0 ? 嘲；糍； 8 口0 蔓董， 4 秘 鬈 妒。蕊 4 i i ! ；蒸溢惹鬻囊鬻蘩囊萋! 图2 4 2 混凝土搅拌车车速分布图 j 车档位备档使用比制图 图2 4 3 混凝土搅拌车各挡使用比例图 一挡使用比例为5 ，二档使用比例为6 ，三档使用比例为如，四档使 硕士论文特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 用比例为4 9 。 篓m 。 一_ i 硕士论文特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 3 特种混凝土搅拌车六工况燃油消耗试验方法研究 3 1 重型载货汽车六工况燃油消耗试验方法研究 试验方法中规定变速器选定最高档位。当汽车行驶到试验区段前，应达到规 定的稳定车速，进入试验段后应严格按六工况循环试验规范进行。等速行驶时， 要求加速踏板位置保持不变，以稳定车速通过等速路段；加速行驶时，应以试验 规范中规定的加速度均匀地加速到规定的车速。试验证明，只要以试验规范规定 的时间均匀加速通过测量区段，基本上都能达到试验规范中规定的加速度值，而 其中严格控制第1 工况车速及时间是得到正确试验结果的关键；减速行驶时，允 许使用脚制动器调整减速度，同时，减速时可由试验员随时读出试验进行的时间， 配合驾驶员完成驾驶操作。六工况循环试验的注意事项如下。 ( 1 ) 严格控制5 、6 工况总行驶时间，尤其要严格控制5 工况终了时间，其 时间偏差控制在1 o s 内； ( 2 ) 试验中由于车速总是要产生偏差的，应使用五轮仪监视试验参数。最好 使用x - y 跟踪记录仪按预先设定的工况模式板进行试验，一般都能得到较理想 的试验结果； ( 3 ) 加速工况和减速工况分别为匀加速、匀减速行驶，通常车速偏差都控制 在1 5 k m h 以内。 六工况循环试验规范中对运转顺序、加速度、车速、工况时间等也做了严格 规定，最大总质量1 4 0 0 0 k g 以上的重型载货汽车的六工况循环试验规范详见表 5 3 1 。 表3 1 1 重型载货汽车六工况循环试验规范 工况运转速度行程累计行程程序时间加速度变速器 序号( k m h )( m )( m )( s )( m ls 2 ) 档位 12 55 05 07 2 最高档 22 5 4 02 0 02 5 02 1 9o 9 1 最高档 34 02 4 04 9 02 1 6 最高档 4 4 0 - 5 0 2 4 0 7 3 01 9 20 1 4最高档 55 02 4 09 7 01 7 3 最高档 65 0 2 5 2 0 01 1 7 0 1 9 3o 3 6最高档 注：1 、试验车在六工况的终速度的偏差为3 k l h ； 2 、对于装有副变速器车辆，使用档位允许从最高档降低一档进行，当车辆进入等速 行驶路段和减速路段时，再换入最高档进行试验。 1 2 硕士论文特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 在进行六工况循环试验时，记录试验时的燃料消耗量和经历的时间；每个循 环试验都要往、返各进行2 次，取4 次试验结果的算术平均值作为多工况燃料消 耗量试验的测定结果；每完成一次循环试验后，汽车应迅速调头，重复试验，以 保证两次循环试验是汽车处于相同的热状态。 但是六工况法，采用档位少( 规范要求均为最高档位) ，工况5 时的车速超出 了本车的实际车速，车速循环工况与汽车在实际道路上行驶时的工况分布有很大 差异，很难真实的反映混凝土搅拌车在常用工况下的油消耗量，从而使得燃油消 耗试验没有实际意义。 3 2 特种混凝土搅拌车六工况燃油消耗试验方法研究 由上述分析，该车行驶于四级路面，其使用工况与六工况有很大差别，为 了准确反映该车的实际行驶工况所消耗的燃油量，必需考虑起步、换档、怠速 等工况。根据厂商提供的试验数据，参考相关车型的行驶情况，由2 4 节可知本 车的行驶路况和使用工况。本车在六工况的基础上进行扩展，主要是结合本车 实际行驶工况，加入起步、换档、怠速等工况对燃油消耗率的影响。 ( 1 ) 怠速过程 混凝土搅拌车在怠速过程内消耗的燃油量q l 取决于该车怠速时发动机仅驱 动搅拌罐工作的燃油消耗率g 。，该车一个循环过程怠速时间约为2 1 s 。 ( 2 ) 起步过程 首先，阐述关于起步阶段离合器接合模式的处理。 汽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3 2 1 所示。研究发现： 离合器接合的同步时间是发动机起步转速和操作方式的函数。 从动片扭矩增长是同步时间、起步转速的函数。 叫睡；亏，；，屯t ：歹? ，；o t ，彭： ，j 茹；、 ，j i 芰2j ，：? 。z 锄j j ，j ii ，耋二：瓿j 图3 2 1 离合器起步的同步过程 1 3 硕士论文特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 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。己提出的离合器近似接合模式有竭： 瞬时接合假设 动力中断假设 统计平均接合模型 离合器和油门操纵与车身纵向加速度的关系 扭矩递增假设 对于“离合器瞬时接合假设 、“动力中断假设刀，其计算与试验对比在文献 中已有结果，“离合器瞬时接合假设的误差最大高达1 2 5 ，“动力中断假设 的误差为9 。显然，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： m 。：m 。1 1 - f 毕1l l ， j ( 3 1 ) 式中m ，离合器从动盘上的扭矩( n m ) m 。离合器接合时的发动机扭矩( n m ) z 离合器同步时间( s ) 瓦离合器接合过程的时间步长( s ) y 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。 由参考文献【3 9 】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 2 秒，有同步器时约为0 4 - 0 7 秒。在汽 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。 对于起步阶段过程，在计算时可将其按一定的时间步长址分为若干个时间 段，按照上面提出的起步阶段离合器结合模型得到相应的发动机有效扭矩m ，和 转速，代入发动机万有特性模型，计算出发动机有效燃油消耗率，该车一 个循环过程起步时间约为1 0 1 s 。 ( 3 ) 换档过程 机械变速器是否需要换档，取决于驾驶员对汽车行驶条件以及对发动机转速 1 4 硕士论文特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 和负荷的判断。行驶中，驾驶员严格遵守道路环境对速度的限制；在未达到对速 度的限制时，可以充分发挥汽车的动力性；在满足上述两条件时，应考虑汽车的 燃料经济性，尽量利用高档行驶 2 引。一般来说，确定换档规律应满足两个条 件： 选择最佳的档位及换档时机，使汽车具有良好的动力性和燃料经济性。 在一般道路条件下，要尽量减少换档次数，使换档稳定可靠，并尽量减 少在某些道路条件下相邻两档间不断循环换档的现象。 a 最佳动力性换档 在动力性模拟计算中使用了保证最佳动力性的换档规律，即认为汽车尽可能 在较低档位行驶。关键问题是换档点的选择，目前有两种判断法：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： 当发动机转速低于其最小稳定转速时，由高档换入低挡。 当发动机转速高于其最大转速时，由低挡换入高档。 当发动机转速介于其最大和最小转速之间时，若高档加速度大于低挡加 速度时，应由低挡换入高档。 b 最佳经济性换档 在燃料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，一种是在汽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，保证汽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： 当发动机转速低于其最小稳定转速时，由高档换入低挡。 当发动机转速高于其最大转速时，由低挡换入高档。 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。 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。 在换档过程中，发动机与传动系是脱开的。换档过程是一个非常复杂的过程， 它包括离合器的脱开、变速器齿轮的更换以及离合器的重新接合等动态过程，用 数学模型精确地描述这一过程是很困难的。为了模拟换档过程中汽车和发动机各 个工况参数的变化，对换档过程作了一些必要的假设： 假设在换档过程中发动机和传动系的脱开是瞬时完成的，故发动机的负 硕士论文特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 荷为零。 换档过程中发动机的转速变化是随机的，为了方便计算，减少运算量， 假设在换挡过程中发动机转速与汽车行驶速度相对应。 由于换挡过程持续时间较短，故这一假设是合理的。如前所述，发动机在仅 驱动搅拌罐时的油耗必须通过对由试验获得的数据进行拟合方可得到其数学表 达式，其换档时间为0 6 s 。 加入起步、换档、怠速等工况后，要求试验时混凝土搅拌车为满载，试验时 的要求参考六工况，最终确定该车的试验行驶工况如表3 2 1 。 表3 2 1 混凝土搅拌车试验行驶状况 工况运转速度行程累计行程程序时间加速度变速器 序号( k m h ) ( m ) ( m )( s )( m s 2 )档位 1oo 0 2 1 2o 1 01 0 01 0 01 0 1o 9 1 一档 31 02 01 2 00 6 一档换 至二档 41 0 - 1 51 0 02 2 01 2 3o 9 l二档 51 52 02 4 00 6 二档换 车= 档 61 5 3 01 0 0 3 4 0 1 1 90 9 1 三档 73 0z 4 05 8 0 4 0 2三档 8 3 0 2 0 6 0 0o 6 一 _ _ _ _ _ _ _ _ - 一 三档换 至四档 93 0 3 52 4 08 4 01 9 20 1 4 四档 1 03 52 4 01 0 8 01 0 3 四档 1 1 3 5 4 0 2 0 0 1 2 8 01 9 30 1 4，四档 1 24 0 , - - , 2 5 2 0 q 2 4 2 01 8 50 3 6四档 1 6 硕士论文特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 4 动力性燃油经济性优化数学模型研究建立 4 1 整车动力与传动系统优化匹配方法及动力性燃油经济性评价指标 4 1 1 本文采用的优化匹配方法 由于本课题为新产品开发，具有大载荷、小马力特点，充分考虑混凝土搅拌 车以搅拌为主，运输为辅的使用特点，在保证载荷的情况下，使用小功率发动机， 保证了车辆的正常使用，同时有效降低整车及日常使用成本，在参考大量相关资 料后，结合工程需要，选定c a 6 d e 2 1 6 发动机( 详细内容见5 2 节) ，然后利用 给定发动机参数优选传动系参数的方法，进行优化设计。 4 1 2 混凝土搅拌车动力性燃油经济性评价指标 ( 1 ) 汽车动力性的评价 一 汽车的动力性是指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决 定的、所能达到的平均行驶速度。汽车的动力性主要可由三方面的指标来评定 1 8 1 o 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 驶中的平均车速。 加速时间汽车的加速时间表示汽车的加速能力，它对平均行驶车速有着 很大影响，特别是轿车，对加速时间更为重视。常用原地起步加速时间与超车加 速时间来表明汽车的加速能力。 爬坡性能汽车的上坡能力是用满载时汽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。 ( 2 ) 汽车燃油经济性的评价 从以最少的燃料消耗完成尽可能多的运输量的观点出发，汽车的燃料经济性 常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃料消耗量或一定燃料量能使汽车行驶 的里程来衡量。汽车等速行驶百公里燃料消耗量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 的燃料消耗量。 但是，等速行驶工况并没有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、怠速停车等行驶工况。因此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，并以其百公里燃料消耗量来评定相应 的行驶工况的燃料经济性。本车由于行驶于四级路面，在参考六工况的基础上， 1 7 硕士论文 特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 总结了符合本车实际行驶情况的百公里燃料消耗量的模拟方法。 ( 3 ) 汽车动力性燃油经济性的综合评价 汽车动力性和燃料经济性指标是相互矛盾的。动力性好，特别是汽车加速度 和爬坡性能好，则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，最佳地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【2 7 3 1 1 。 目前，汽车动力性燃料经济性的综合评价体系和指标主要包括以下部分： 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汽车动力传动系统特性与理想的动力传动系的 差距，反映了汽车动力性的大小与汽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。 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。 汽车动力传动系统匹配的综合指标汽车能量利用率汽车能量利用 率是指燃料的化学能转化为汽车有用功的效率。汽车的能量利用率是一个新的概 念，它统一了两个相互制约的概念：燃料经济性和生产率。这个指标把发动机和 底盘的固有特性与汽车实际行驶条件相接合，既反映汽车具有的能力，又反映了 汽车的实际使用效果，因此用它作为汽车动力传动系统合理匹配综合评价指标， 既反映汽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。 4 2 发动机数学模型的建立 4 2 1 发动机使用外特性 很显然，发动机使用外特性下发动机转矩m e 可以看成是发动机转速n e 的 函数，可用下面的多项式表示： 量 m 。= a 以( i - - o ，1 ，2 ，k ) ( 4 1 ) i = 0 式中肘，发动机有效扭矩( n m ) 以发动机转速( r r a i n ) 1 8 硕士论文 特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 a 待拟合多项式系数 k 多项式的阶数 设己知n 组试验数据( m “，心) ，将每组数据( 肘d ，心) 带入上式，并记入随 机误差岛有 m 。l 肘f 2 m m 讲 i 啦。畦a 1 他2k 2 2 人砍 人 1 磕人心 a o a l m a t + q 吃 m 知 ( 4 2 ) 写成矩阵形式为 m e - - - g a + e ( 4 3 ) 式中g 为nx ( k - i - 1 ) 阶矩阵，m e 、e 均为nx1 列向量。假如 j = yz ：e r e _ _ 括1 ( 4 4 ) 应用最小二乘法原理( 详见3 3 2 节) ，按照极值理论，有 乳= 。 ， 易得 。 一 a = ( g r g ) r g r 朋， ( 4 6 ) 则 m c = g a ( 4 7 ) 这里值得注意的是，k 值的确定取决于计算的精度，并且k n 一1 。 4 2 2 发动机万有特性 发动机万有特性即把发动机的有效燃料消耗率台。看作为发动机转速以和有 效转矩m ，的函数，并用多项式表示。 发动机的使用万有特性的数学模型可以表示为 l，厂1 g 。= a i 吉( _ + 1 ) ( j f + 2 ) 一_ 一1 + i 陋 2 0 = ol j ( 4 8 ) 式中发动机的燃料消耗率( 班w h ) m 发动机的有效转距( n m ) 以发动机的转速( r r a i n ) a 幞型中各项系数组 1 9 硕士论文特种混凝土搅拌车动力与传动系统优化匹配研究 s 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 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 # i g 。2 m g 州 im 。l 他1m 三m 。1 b e l 2 1a m 三m i l 心la 嵋 i m 。2 2m 三肘；2 他2 ，之人m 乏 。$ 。- - 1 心2 人噬2 人人 im 州m 刍m 讲，z 州略a m 知m 茹1 。a 略 式中 d oqa 吼一，) 模型中待定系数 qe 2a 知) 随机误差 n 式验观测点数 写成矩阵形式有 z = g a - i - e c z 0 q m 口i i + 岛 乞 m e n ( 4 9 ) ， ( 4 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： 假设 七：! 兰坠三2 2 j = yp ? = e t e 一 按照极值理论应有 乱o - 1 = 。 i 一： 易得 ( 4 1 1 ) ( 4 1 2 ) ( 4 1 3 ) 、 a = ( g r g ) r g 丁朋。 ( 4 1 4 ) 拟合值z 与观测值z f 的拟合程度，可用