某轎車動力傳動系統參數匹配優化設計

戚景衛，呂彩琴(中北大學機械與動力工程學院，山西太原 030051)

某轎車動力傳動系統參數匹配優化設計

戚景衛，呂彩琴
(中北大學機械與動力工程學院，山西太原 030051)

為研究發動機和傳動系統的合理匹配關系，提出在發動機已經選定的情況下，通過選擇不同的傳動系參數來使發動機的工作處于更加接近理想的工作區域。首先用 AVL CRUISE 軟件對某轎車建模與仿真，得出動力性和經濟性相關參數值，其后對主減速器和變速器參數進行優化，得到新的傳動系參數。將優化后的整車動力性和經濟性仿真結果與原車型相比，結果顯示，該轎車的動力性變化不大，經濟性有所改善。

動力傳動系統；參數匹配；動力性；經濟性

0 引言

隨著汽車技術的不斷發展，人們對轎車各方面的性能的期望和要求也越來越高，如何提高整車性能已經成為當今研究的一個重要課題。汽車整車性能的提高不僅取決于發動機和傳動系性能的提高，而且在很大程度上取決于發動機與傳動系統二者之間的匹配是否合理?，F代計算機仿真技術的快速發展使得汽車性能的模擬計算已經成為了現實，通過模擬計算能夠更好地選擇汽車動力傳動系統之間的匹配方案，從而大大縮減了汽車產品的開發周期，降低了成本，有效地提高了設計質量，而且能夠為整車的技術評價和分析提供理論依據。

1 轎車整車仿真模型建立

1.1 AVL CRUISE仿真軟件介紹

AVL CRUISE是奧地利AVL LIST公司開發的一款專門為汽車動力傳動系統匹配而設計的整車高級仿真分析軟件，可以輕松實現對復雜車輛動力傳動系統的仿真分析。通過其便捷通用的模型元件，直觀易懂的數據管理系統以及基于工程應用開發設計的建模流程和軟件接口，用戶可以便捷地搭建不同布置結構的車輛模型，對任意結構形式的汽車動力傳動系統進行建模和仿真，具體建模流程如下：

(1)從元件庫窗口中拖出所需的元件，建立整車各個部件物理模型。

(2)建立信號傳遞的物理和信號連接。按各元件間信號或能量傳遞的輸入和輸出關系進行數據總線連接。

(3)輸入整車的各性能參數及結構參數，并核實模型的正確性。

(4)設定所要執行的計算任務，并對計算任務中不同的參數變量進行設置。

(5)模擬計算與仿真優化。

根據微型轎車動力傳動能量傳輸路線建立的整車仿真模型如圖1所示。

1.2 參數輸入

模型建立后，還需要輸入整車的基本參數，如表1所示。發動機的外特性曲線及萬有特性曲線如圖2、圖3所示。

表1 整車的基本參數

1.3 任務的制定

在分析該轎車的動力性和經濟性的基礎上，對其傳動系統參數進行優化， 并對優化前后的兩組結果進行比較，最終得到一種新的優化匹配方案。因此在定制任務時，主要包括以下幾種任務：定制 Full Load Acceleration、climbing 得到動力性相關數據和定制 Cycle Run 任務得到經濟性相關數據。

2 仿真計算

2.1 動力性計算

根據上面的建模方法，應用AVL CRUISE軟件建立整車模型，輸入參數，設定計算任務后，運行得到的所需要的整車動力性及經濟性評價指標參數值。

在Maximum Velocity任務中可以查看各擋最高速度的仿真計算結果，如表2所示。

表2 各擋最高車速

仿真得到該轎車各擋爬坡度曲線如圖4所示，可知轎車的最大爬坡度為36.96%，滿足最大爬坡度不小于30%的要求。

仿真得到該轎車的最大加速度為2.11 m/s2，0～100 km/h的原地起步加速時間為19.29 s。以4擋由40 km/h加速到100 km/h所需的加速時間為22.42 s。

2.2 燃油經濟性計算

多工況循環試驗是不同強度的等速、加速、減速三種行駛工況和怠速工況連續循環的組合，其燃料經濟性模擬計算就是這四種工況油耗計算的綜合。應用AVL Cruise模擬UDC循環工況，可以得出該轎車的燃油消耗特性圖如圖5所示。圖中顏色的深淺代表著該發動機在該工況點工作次數的多少，顏色越深代表在該工況點工作的頻率越高。由圖5可以得出，在整個模擬工況中，發動機工作點在低轉速下工作，偏離了最佳經濟區，導致燃油消耗率偏高。整個UDC循環工況的百公里燃油消耗量為6.58 L。

3 動力傳動系統參數匹配優化

當整車及發動機的參數確定后，動力傳動系統參數的選擇直接決定了整車的性能。汽車動力傳動系統主要參數有：主減速器傳動比、變速器擋位數、變速器各擋傳動比。主減速器的傳動比越大，汽車的后備功率會隨著增加，那么汽車的加速性能和爬坡能力就越強。由于汽車的動力性和燃油經濟性是相互矛盾的，當汽車動力性增強時，其燃油經濟性就相對變得比較差。就汽車的動力性而言，擋位數越多，增加了發動機在最大功率附近工作的機會，提高了汽車的加速性能和爬坡能力。就汽車的燃油經濟性而言，擋位數越多，增加了發動機在低燃油消耗區工作的可能性，降低了燃油消耗量。如何確定傳動系的速比則是汽車動力匹配的核心問題。

3.1 優化模型的建立

優化模型主要包括設計變量、目標函數及約束條件三部分。該優化模型的設計變量是五擋手動變速器的傳動比及主減速器傳動比，即：

X=[x1,x2,x3,x4,x5,x0]T=[ig1,ig2,ig3,ig4,ig5,i0]T

式中:igj為變速器第j擋傳動比；i0為主減速器傳動比。

分別以轎車的原地起步加速時間和十五循環工況燃油消耗量作為最佳動力性和燃油經濟性分目標進行匹配優化，并考慮這兩個分目標在綜合評價指標中相對重要程度方面的差異，采用加權方法將多目標函數優化問題轉化為單目標函數優化問題。

綜上所述，優化模型為：

minF(X)=λ1f(X1)+λ2f(X2),X∈{gi(X)≤0,i=1,2,3,…，n}

式中：λ1為動力性加權因子，λ2為經濟性加權因子，λ1+λ2=1;f(X1)為動力性分目標；f(X2)為經濟性分目標；gi(X)為約束條標。

約束條件主要包括：最高車速、最大爬坡度、加速時間、一擋最大動力因數、地面附著條件、相鄰擋位傳動比、等速百公里油耗、主要污染物排放量等。

3.2 優化結果對比分析

采用MATLAB編程優化程序，運行程序，得到優化結果，優化前后各擋傳動比如表3所示。

表3 優化前后各擋傳動比

優化前后整車的動力性及經濟性對比分析分別如表4，5所示，可知優化后的某些指標動力性有所下降，但變化不大，仍滿足設計要求。優化后的各擋等速百公里油耗都有所提高，多工況百公里油耗也由原來6.58 L降低到6.32 L。

表4 整車的動力性對比

表5 整車的經濟性對比分析

4 結論

(1)汽車動力傳動系統各部件之間的匹配程度直接關系到整車的性能，在發動機已經確定的情況下，通過優化主減速器、變速器等參數可以提高動力傳動系統的合理匹配程度，進而保證整車的動力性和經濟性都得到最大程度的發揮。

(2)利用AVL Cruise軟件可以有效方便地建立轎車的整車模型，并通過修改動力傳動系統各部件參數和模擬試驗得到優化后的轎車的動力性和經濟性，有助于設計者在初期階段預測整車的性能，大大縮短了開發周期，減小或避免了錯誤匹配。

【1】 仇玉林，王貴勇.整車動力性與燃油經濟性的分析預測[J].內燃機與動力裝置，2008，26(5)：28-32.

【2】 高友山，王愛紅，向立明，等.汽車等速燃油經濟性模擬計算及對比分析[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2010，34(1)：191-193.

【3】 杜子學，劉記君.基于燃油經濟性的汽車動力傳動系匹配優化[J].汽車工程師，2011，25(4)：36-40.

【4】 凌建群.車用發動機匹配的動力性與經濟性分析計算[J].柴油機設計與制造，2007，15(2)：18-23.

【5】 劉振軍，趙海峰，秦大同.基于 CRUISE 的動力傳動系統建模與仿真分析[J].重慶大學學報：自然科學版，2005，28(11)：8-12.

【6】 王薇.汽車動力傳動系計算仿真及參數優化設計[D].長沙：湖南大學，2006.

【7】 王保華，羅永革.基于CRUISE的汽車建模與仿真[J].湖北汽車工業學院學報，2005，12(19):32-36.

Optimal Design on Power Transmission System Parameters Matching of a Car

QI Jingwei,LV Caiqin
(School of Mechanical and Power Engineering,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China)

To study the rational matching relations between the engine and transmission system,different transmission parameters were chosen to make the selected engine work area in closer to the ideal work area.By modeling and simulation of a car using AVL CRUISE software,the power performance and fuel economy of the relevant parameters were obtained.By optimizing the main reducer and transmission parameters,the new drivetrain parameter was got.The simulation results of vehicle performance and fuel economy of the optimal model were compared with that of the original model.The results show that the power performance of the car changes little and the economy is improved.

Power transmission system;Parameter match;Power performance;Fuel economy

2013-11-11

戚景衛(1988—)，男，碩士研究生，研究方向為整車性能分析，動力傳動系統參數匹配優化。E-mail:qjw880828@126.com。