整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)方法NO2[1]

1、整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)方法王華秀 徐勇 楊興明摘要：整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，是一對(duì)相互矛盾的整車性能，如何在獲得足夠動(dòng)力性的同時(shí)，能有最好的燃油經(jīng)濟(jì)性，是整車匹配中需要解決的問(wèn)題。隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子燃油噴射技術(shù)的發(fā)展，為整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性匹配提供了良好的條件，使整車匹配中，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在一定范圍內(nèi)，通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)外特性和變速箱速比，使整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)。Abstract: Vehicle power and economy is one conflicting vehicle performance. It is a problem that getting enough p

2、ower and the best fuel economy at the same time to be solved in the vehicle matching. With the development of the automotive engine electronic fuel injection technology, good conditions for the vehicle's power, economy have become available and match the vehicle matching the design requirements,

3、 making the optimal vehicle power and economy by adjusting the engine outside characteristics and variable speed box speed ratio within a certain range.關(guān)鍵詞：整車動(dòng)力性 經(jīng)濟(jì)性 整車匹配Key words: vehicle power Economy Vehicle matching整車動(dòng)力性是用戶關(guān)注的重要整車性能，在整車匹配中，為了達(dá)到好的動(dòng)力性，常常要犧牲整車經(jīng)濟(jì)性。由于能源緊缺，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越被重視。在整車已確定使用某款發(fā)動(dòng)機(jī)

4、的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性和燃油消耗特性已基本確定，如果整車匹配不好，會(huì)使整車在獲得良好動(dòng)力性時(shí)，經(jīng)濟(jì)性不好，在經(jīng)濟(jì)性好時(shí)，動(dòng)力性又不足。如何在整車動(dòng)力性滿足設(shè)計(jì)要求的前提下獲得良好的經(jīng)濟(jì)性，是整車匹配的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的整車匹配中，是先有發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱，再進(jìn)行整車匹配計(jì)算，這種匹配方法由于是整車去適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)，一般只能滿足整車主要目標(biāo)性能（如最高車速、最大動(dòng)力性因素、百公里加速時(shí)間），而不能兼顧次要性能要求（如10S起步加速性能、坡道起步性能）；隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可根據(jù)整車需要提出發(fā)動(dòng)機(jī)外特性目標(biāo)和變速箱速比范圍，由整車適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)整車性能要求，由逆向匹配變?yōu)檎蚱ヅ洌拐嚻ヅ溥_(dá)到最優(yōu)。

5、整車匹配是一個(gè)反復(fù)優(yōu)化計(jì)算、與發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱供應(yīng)商反復(fù)交流修改特性參數(shù)的過(guò)程。如何根據(jù)整車目標(biāo)提出最優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)特性參數(shù)、傳動(dòng)系速比、變速箱參數(shù)，是整車匹配優(yōu)化中需回答的問(wèn)題。本文以某種輕型客車為例，闡述六檔變速箱總成的匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。1. 整車參數(shù)及名詞述語(yǔ)、符號(hào)說(shuō)明：本文中涉及的整車參數(shù)、名詞述語(yǔ)及數(shù)學(xué)符號(hào)說(shuō)明如下： 1.1 整車設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1表1 整車設(shè)計(jì)參數(shù)符號(hào)設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)值符號(hào)設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)值G整車最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量3600kgf滾動(dòng)阻力系數(shù)0.012H整車總高2400mmCD風(fēng)阻系數(shù)0.4w前輪距1732mm直接檔傳動(dòng)效率0.96Rr車輪滾動(dòng)半徑0.353 m其它檔傳動(dòng)效率0.941.2

6、計(jì)算公式中的符號(hào)說(shuō)明見(jiàn)表2表2：計(jì)算公式中的符號(hào)說(shuō)明符號(hào)說(shuō)明符號(hào)說(shuō)明符號(hào)說(shuō)明Pe發(fā)動(dòng)機(jī)功率(kW)Ia傳動(dòng)系總速比Fw空氣阻力(N)P行駛阻功率(kW)io主減速比D動(dòng)力性因素Me發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩(N.m)I1變速器一檔速比i道路坡度（%）ne發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm)I5變速器五檔速比a道路坡度（角度）Va汽車車速(km/h)I6變速器六檔速比Fi坡度阻力(N)Vmax最高車速(km/h)Ig變速箱速比ge燃油消耗率(g/(kW.h)A迎風(fēng)面積(m2)Ft驅(qū)動(dòng)力(N)燃油密度（kg/L）T傳動(dòng)系效率F路面附著力(N)a坡度（角度）f滾動(dòng)阻力系數(shù)Ff道路阻力(N)g重力加速度m/s22. 整車動(dòng)力性/經(jīng)濟(jì)

7、性目標(biāo)：整車性能目標(biāo)是在車型商品定義階段，根據(jù)市場(chǎng)需求確定的，只有達(dá)到該性能目標(biāo)，整車才有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，高出該性能目標(biāo)太多，不僅沒(méi)有意義，還會(huì)使整車開發(fā)成本和實(shí)物成本增加，從而失去市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。假定某車型客車整車動(dòng)力性/經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)見(jiàn)下表3：表3：整車動(dòng)力性/經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)NO.項(xiàng)目目標(biāo)NO.項(xiàng)目目標(biāo)1最高車速Vmax：140150km/h4原地起步通過(guò)400m加速時(shí)間27s2最大爬坡度imax30%56檔油耗(V=100km/h)12L /100km3最大起步坡度目標(biāo)iqmax20%6六工況油耗8L 3. 發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱等參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)：3.1發(fā)動(dòng)機(jī)功率確定：根據(jù)功率平衡原理，計(jì)算滿足整車最高車速要求的發(fā)

8、動(dòng)機(jī)凈功率。通過(guò)計(jì)算，總重G=3600kg、最高車速Vmax=140150km/h車型的最小功率Pmin范圍為94 112kW。根據(jù)此功率范圍，在可選的發(fā)動(dòng)機(jī)總成中，確定使用某一種發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如下：最大功率/轉(zhuǎn)速：100kW/3600rpm最大扭矩/轉(zhuǎn)速：300N.m/1800-3000rpm發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性見(jiàn)圖1。按該發(fā)動(dòng)機(jī)的原始參數(shù)，經(jīng)匹配計(jì)算，一檔傳動(dòng)系總速比需大于20才能滿足整車低速動(dòng)力性要求。通過(guò)供應(yīng)商調(diào)查，沒(méi)有合適的總速比大于20的橫置變速箱資源。為了提高整車低速動(dòng)力性，采用更換增壓器、調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量等方法，提升發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩。扭矩提升前后的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性見(jiàn)圖2： 圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)

9、萬(wàn)有特性 3.2變速箱速比確定： 3.2.1 一檔變速箱速比確定： 在發(fā)動(dòng)機(jī)確定的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩特性已基本確定，一檔速比的大小，決定了整車的爬坡性能和坡道起步性能。根據(jù)整車最大爬坡度和最大起步坡度要求，計(jì)算傳動(dòng)系總速比Io×I1的范圍。整車最大爬坡和坡道起步時(shí)，車速一般較低，在計(jì)算中，風(fēng)阻可忽略不計(jì)。計(jì)算公式如下：將表1中的參數(shù)代入上式，計(jì)算出滿足要求的Io×I1范圍如下：滿足最大爬坡度30%45%要求的Io×I1范圍：14.6620.67滿足最大起步坡度20%30%要求的Io×I1范圍：17.0024.44將計(jì)算得出的一組數(shù)據(jù)，以總速比為橫座標(biāo)，

10、坡度為縱座標(biāo)，作圖見(jiàn)圖3：圖3：總速比與最大爬坡度和最大起步坡度的關(guān)系曲線從而可以得出，滿足最大爬坡度和最小起步坡度要求的傳動(dòng)系總速比范圍為：17Io× I120.67注：在最大爬坡度計(jì)算中，取發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩Me=300N.m；在起步坡度計(jì)算中，取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne=1000rpm時(shí)的扭矩Me=180N.m 3.2.2 最高檔和次高檔變速箱速比范圍確定：整車最高檔速比決定了整車所能獲得的最高車速。傳動(dòng)系速比偏大時(shí)，整車后備功率大，加速性好，但經(jīng)濟(jì)性會(huì)降低，一般匹配中，在滿足整車動(dòng)力性目標(biāo)的前提下，要求盡量降低傳動(dòng)系速比，以獲得較好的經(jīng)濟(jì)性。但若傳動(dòng)系速比過(guò)小，整車動(dòng)力性差時(shí)，用低檔跑高速

11、，不但不能提高經(jīng)濟(jì)性，反而會(huì)使經(jīng)濟(jì)性變差。為此，在確定傳動(dòng)系速比時(shí)，要同時(shí)考慮以下因素，進(jìn)行優(yōu)化匹配：a. 整車最高車速：140150km/hb. 發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率/轉(zhuǎn)速：100kW/3600rpmc. 發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速：16002800 rpmd. 整車常用車速：80120km/h為了兼顧動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，最佳匹配時(shí)，應(yīng)使五檔和六檔同時(shí)能達(dá)到最高車速，這樣，在良好路面且外氣環(huán)境良好時(shí)，用六檔行駛后備功率小，能達(dá)到最高車速，有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性；在較差路面、外氣環(huán)境不好（如逆風(fēng)）時(shí)，用五檔行駛也能達(dá)到最高車速并獲得較好的加速性。按功率平衡原理和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車速的關(guān)系，計(jì)算不同總傳動(dòng)比Ia=2.6、2.

12、83.8、4.0時(shí)，不同車速對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，并根據(jù)整車設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算整車實(shí)際使用工況的車速對(duì)應(yīng)的使用功率（V-P關(guān)系），將計(jì)算數(shù)據(jù)匯成功率平衡圖，見(jiàn)圖4：從圖4可以看出，當(dāng)Ia=3.5和Ia=3.0時(shí)，整車能達(dá)到相近的最高車速，且最高車速時(shí)的后備功率接近零。為此，初步確定五檔Ia=3.5左右、六檔Ia=3.0左右。當(dāng)Ia=3.5和Ia=3.0時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車速的關(guān)系見(jiàn)圖5：從圖5可以看出：當(dāng)Ia=3.0、車速80120km/h時(shí)，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne=18002700rpm當(dāng)Ia=3.5、車速80120km/h時(shí)，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne=21003150rpm發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速在ne=1600

13、3000 rpm區(qū)間，因而，當(dāng)Ia=3.5和Ia=3.0時(shí)，在常用車速80120km/h段，發(fā)動(dòng)機(jī)是在經(jīng)濟(jì)區(qū)運(yùn)行，整車有較好的經(jīng)濟(jì)性。因此，將五檔總速比Io×I5確定為3.5左右、六檔總速比Io×I6確定為3.0左右時(shí)，五檔和六檔同時(shí)能達(dá)到最高車速Vmax=145km/h，且有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。該速比是合理、較優(yōu)的。3.2.3變速箱速比確定：通過(guò)前面的計(jì)算，滿足整車性能目標(biāo)要求的傳動(dòng)系速比范圍為：17Io× I120.67Io× I53.5 Io× I63.0根據(jù)可用變速箱資源，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)可變化的范圍，經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算和優(yōu)化，最終確定使用某六檔

14、變速箱，變速箱速比和主減速比見(jiàn)表5：表5：變速箱速比和主減速比I1I2I3I4I5I6各檔速比3.8752.131.320.9770.940.814主減速比4.54.54.54.53.7063.706總速比17.4389.5875.9594.3953.4793.0164. 動(dòng)力性/經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)算：整車匹配過(guò)程是一個(gè)反復(fù)計(jì)算、驗(yàn)算與修正，從而達(dá)到最優(yōu)匹配的過(guò)程。根據(jù)前面確定的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和傳動(dòng)系速比，對(duì)整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。本文只介紹經(jīng)過(guò)多輪調(diào)整后最終的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性參數(shù)和傳動(dòng)系速比驗(yàn)算結(jié)果。4.1 整車動(dòng)力性計(jì)算4.1.1最高車速計(jì)算：將表1中的整車參數(shù)、發(fā)動(dòng)

15、機(jī)外特性數(shù)據(jù)、4、5、6檔傳動(dòng)系速比等代入下式（1）、式（2），建立Va-P和各檔位Va-Pe函數(shù)關(guān)系式，在一張圖上作出各檔的功率平衡曲線（Va-Pe曲線）和實(shí)際車速下的發(fā)動(dòng)機(jī)使用功率曲線（Va-Pe），兩曲線交點(diǎn)處的車速為變速箱各檔下所能達(dá)到的最高車速。（見(jiàn)圖6）。 從圖6可以看出，4、5、6檔的最高車速分別為118km/h、146 km/h、144 km/h。整車最高車速出現(xiàn)在第五檔。根據(jù)商品定義，該車主要在良好路面行駛，為了獲得較好的經(jīng)濟(jì)性，在前五檔動(dòng)力性充足的前提下，第六檔為經(jīng)濟(jì)檔，為此，較優(yōu)的匹配是，在第六檔也能達(dá)到最高車速的前提下，最大限度地降低后備功率，以便能獲得良好的經(jīng)濟(jì)性。六

16、檔和五檔的最高車速很接近，在最小后備功率情況下，能達(dá)到最高車速，滿足匹配要求，同時(shí)，整車最高車速Vmax=146 km/h，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。故5、6檔速比滿足設(shè)計(jì)要求。4.1.2 各檔的最大動(dòng)力性因素和最大爬坡度計(jì)算：根據(jù)公式36計(jì)算出不同檔位下，各種車速對(duì)應(yīng)的動(dòng)力性因素D，再按公式6計(jì)算出各檔不同車速下對(duì)應(yīng)的爬坡度I，各檔爬坡度中的最大值即為各檔的最大爬坡度。（根據(jù)路面附著力要求，為使車輪不打滑，須滿足FFt，當(dāng)FtF時(shí)，按Ft=F計(jì)算最大爬坡度。）將計(jì)算結(jié)果以速度為橫座標(biāo)、爬坡度為縱座標(biāo)，作圖見(jiàn)圖7。從圖7中可以看出，最大爬坡度（1檔）大于35%，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)；3檔最大爬坡度大于10%

17、，按道路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)國(guó)道以上的路面的最大坡度為9%，也就是說(shuō)，在國(guó)道以上的路面上行駛時(shí)，用三檔行駛就可不必坡道減檔，減少駕駛員換檔疲勞。4.1.3 加速性能計(jì)算：1） 原地一檔起步，連續(xù)換檔到100km/h的加速時(shí)間和加速距離按下式計(jì)算：式中：旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)公式1.0270.00033·· 式（10）按式（7）計(jì)算出各檔不同車速下的加速度J，作出各檔下的Va-1/J曲線圖和Va-t曲線圖，車速和時(shí)間積分步分別長(zhǎng)取V1km/h、t1s，計(jì)算各檔加速到各種車速所需的時(shí)間。下的計(jì)算得到加速時(shí)間T和加速距離S。2）變速箱第六檔Va40km/h加速到100km/h的加速時(shí)

18、間。 與原地起步的計(jì)算方法一樣，按公式（6）、（7）計(jì)算出六檔速比下的Va-1/J曲線圖和Va-t曲線圖，用積分法計(jì)算加速時(shí)間和加速距離。4.2 整車燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算：按發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性數(shù)據(jù)，計(jì)算整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。在燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算中，行駛阻功率按下式（11）進(jìn)行計(jì)算：式中，為加速度與重力加速度的比值。如果勻速行駛，則=0。4.2.1 等速百公里燃油消耗量Qs計(jì)算： 式中，P是車速為Va時(shí)，所消耗的行駛阻功率，ge為功率為P時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率。4.2.2 工況油耗量計(jì)算： 工況油耗有四工況油耗和六工況油耗等。計(jì)算中，對(duì)“加速行駛-勻速行駛-減速行駛”各工況分步計(jì)算，再累加，最后得出整個(gè)工況下的燃油

19、消耗量： 1）勻速行駛工況的燃油消耗量可用下式計(jì)算： 用速度V1從時(shí)間t1秒加速到時(shí)間t2秒的燃油消耗量：式中g(shù)e為速度為V1時(shí)，對(duì)應(yīng)阻功率P1和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的燃油消耗量ge。 2）加速行駛工況：用t3-t2的時(shí)間，車速?gòu)腣1加速到V2的燃油消耗量： 式中g(shù)et為速度為Vt時(shí)，對(duì)應(yīng)阻功率Pt和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的燃油消耗量get。 3）減速或怠速行駛工況：減速或怠速行駛工況的燃油消耗量為減速或怠速時(shí)間乘以怠速燃油消耗率。若減速速或怠速時(shí)間為t4-t3（秒），則燃油消耗量為：式中Qi為怠速燃油消耗率，單位為L(zhǎng)/s。 4）整個(gè)工況的百公里燃油消耗量：根據(jù)各工況的速度和時(shí)間，很容易求出整個(gè)工況的加速距離s，從而可以求出整個(gè)工況的百公里燃油消耗量：4.3 計(jì)算結(jié)果將前面4.1和4.2計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)下表6：表6：整車動(dòng)力性/經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果性能項(xiàng)目計(jì)算值性能項(xiàng)目計(jì)算值動(dòng)力性最高車速(5檔/6檔) (km/h)146 / 144經(jīng)濟(jì)性5檔100km/h11.2L最大爬坡度35.5%6檔100km/h10.4L原地起步通過(guò)400m加速時(shí)間24s六工況油耗6.955L4.4 計(jì)算結(jié)果分析與參數(shù)修正將表6中的計(jì)算結(jié)果與表3的整車設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行比較，所有項(xiàng)目均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，說(shuō)明匹配出的該組發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)外特性數(shù)據(jù)和傳動(dòng)系速比數(shù)據(jù)是合理的、較優(yōu)的。如果有某項(xiàng)性能較差，就須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性數(shù)據(jù)和傳動(dòng)比速比進(jìn)行