基于傳動系統(tǒng)的汽車燃油經濟性優(yōu)化匹配分析

1、 李春東畢業(yè)于湖北汽車工業(yè)學院，任東風商用車有限公司技術中心工程師，主要從事客車總布置設計及新能源汽車研發(fā)，已發(fā)表論文客車轉向機支架的有限元分析。李春東，李慶欣（東風商用車有限公司東風商用車技術中心，武漢430056摘要：提出了一種基于傳動系統(tǒng)的汽車燃油經濟性優(yōu)化匹配方法，該方法針對汽車常用的行駛工況，在滿足車輛動力性指標的前提下，尋求最優(yōu)的傳動比分配以提高燃油經濟性。建立并詳細闡述了該匹配方法的理論模型及相關的約束條件。對該匹配方法進行了實例計算，并結合實車燃油經濟性試驗對該算法進行了驗證，最后進行了實際應用研究。關鍵詞：傳動系統(tǒng)；汽車燃油經濟性；優(yōu)化匹配；行駛工況中圖分類號：U462.3文

2、獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2013）05-0010-04Optimization of Automobile Fuel Economy Basedon DrivelineLI Chun-dong , LI Qing-xin（TechnicalCenter of Dongfeng Commercial Vehicle Company Limited of DFCV, Wuhan 430056, China）Abstract:In this paper a method of optimization of automobile fuel economy based on dri

3、veline was presented. In or-der to improve automobile fuel economy on common driving conditions, it explore optimal gear ratio under the condition satisfying power. A model and constrained condition was build. Then a demonstration was explained, and elucidated by measured fuel economy. Finally，pract

4、ical application was researched.Key words:driveline; fuel economy; optimization; driving conditions隨著世界汽車保有量與日俱增，隨之而來的能源短缺、環(huán)境污染等一系列問題也日益突出，輕型、節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適、低成本成為各汽車制造廠家追求的目標，尤其是節(jié)能和環(huán)保,更是關系可持續(xù)發(fā)展的重大問題1。優(yōu)化汽車傳動比匹配就是降低燃油消耗及減少排放的最有效措施之一。合理的匹配傳動比，可以使更多的發(fā)動機工作點都處于發(fā)動機的經濟區(qū)內，從而減少了發(fā)動機的燃油消耗，同時也減少了CO 2等氣體的排放量。本文根據(jù)汽車常

5、用的行駛工況，以燃油經濟性最優(yōu)為目標，以滿足車輛動力性指標為約束條件，以最小傳動比為設計變量，利用Matlab 軟件對變速箱和后橋的總傳動比進行優(yōu)化設計，結合實車試驗對該算法進行驗證，最后進行了實際應用研究。1基于傳動系統(tǒng)的汽車燃油經濟性優(yōu)化匹配分析原理1.1行駛工況汽車行駛工況是針對某一類型車輛（如公路客車、公交客車等）在特定環(huán)境（如市區(qū)、郊區(qū)）駕駛方式的車速時間歷程。汽車行駛工況在仿真計算、進行各種臺架試驗和道路試驗時被廣泛使用，其可以作為汽車性能評價的依據(jù)2。不同國家或地區(qū)由于道路交通和車輛狀況的不同，具有不同的行駛工況。目前我國國家標準推薦的工況有重型商用車C-WTVC 循環(huán)曲線、中國

6、典型城市公交循環(huán)等，前者適用于最大設計總質量超過3500kg 的燃用汽油和柴油的商用車，后者可用于公交客車，本文采用中國典型城市公交循環(huán)來進行分析，如圖1所示?；趥鲃酉到y(tǒng)的汽車燃油經濟性優(yōu)化匹配分析10 圖1中國典型城市公交循環(huán)曲線通過選定的行駛工況，可得出每一時刻下的車速及加速度信息，為后續(xù)計算擋位及車輛行駛阻力提供輸入條件。1.2換擋策略 本文采用車速及扭矩兩參數(shù)換擋策略，采用1擋起步，首先根據(jù)發(fā)動機萬有特性初步確定升擋轉速、降擋轉速，然后計算出各擋位的基本升擋車速、基本降擋車速；再利用發(fā)動機轉矩負荷率對基本換擋車速進行修正，使得換擋車速隨著發(fā)動機扭矩負荷的增高而增大，如圖2所示。 另外

7、，車速、加速度均為0時，掛空擋。該換擋策略綜合考慮了車速、加速度及扭矩需求，非常符合司機的實際駕駛習慣。1.3各擋速比級差的確定為降低駕駛員換擋的操作難度，提高換擋平順性，充分利用發(fā)動機提供的功率以提高汽車的動力性，變速箱各擋傳動比理想上是按等比級數(shù)分配的，但由于較高擋位利用率較高，因此較高擋位相鄰兩擋間的傳動比級差要小些3。由于各擋速比級差不同，未知量太多，計算將會變得極其復雜。為簡化計算而又能控制計算的精度滿足工程要求，本文統(tǒng)計了東風、ZF、法士特等現(xiàn)有的上百種6擋變速箱的各擋速比，計算出各擋位速比級差，運用概率統(tǒng)計學的理論得出了各擋位速比級差的正態(tài)分布圖，如圖3所示。根據(jù)速比級差的正態(tài)分

8、布，可以確定各擋位速比級差，如表1所示。各擋位速比級差確定后，傳動系的總傳動比就可以用最小傳動比乘以各擋位相對最高擋速比的級差來表示。1.4優(yōu)化分析的數(shù)學模型 汽車的行駛阻力包括滾動阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力，即：（1）式中：m 為汽車質量；f 為滾動阻力系數(shù)；為道路坡度角；CD 為空氣阻力系數(shù)；A 為迎風面積；u 為車速；為汽車旋轉質為加速度。圖2扭矩、車速兩參數(shù)換擋規(guī)律示意圖e ）5、6擋級差表1各擋位速比級差F =mgf cos +u 2+mg sin +m 圖3各擋位速比級差正態(tài)分布圖11 選定行駛工況后，車速、加速度、坡度、整車參數(shù)等均是已知量，用式（1）就可以計算出工況中每

9、一時刻的車輛行駛阻力F (t ，再根據(jù)換擋策略選定工況下每一時刻的擋位，運用概率統(tǒng)計的方法得出各擋傳動比級差，然后用最小傳動比和級差的乘積表示各擋位傳動比，通過式（2）就可以得到每一時刻下的發(fā)動機扭矩，通過式（3）得到每一時刻下的發(fā)動機轉速，兩者都是關于最小傳動比和時間的分段函數(shù)，即：（2）（3）式中；T t 為發(fā)動機摩擦扭矩；i m 為最小傳動比，即變速箱最高擋速比與后橋主減速比的乘積；i j 為各擋位對應最小傳動比的速比級差；v （t ）為工況每一時刻下的車速值。用計算得到的發(fā)動機的轉速和扭矩查發(fā)動機的萬有特性表就可以得到每一時刻的燃油消耗量，即：b （i m , t ）=b T （i m

10、 , t ）, N （i m , t ）（4）然后對一個行駛工況下每一時刻的燃油消耗量進行積分就可以獲得整個工況下的燃油消耗量，即：B （i m ）=b（i m , t ）（5）選取最小傳動比為設計變量，限定優(yōu)化范圍，同時以滿足動力性指標為約束條件，以燃油消耗量最少為優(yōu)化目標進行最優(yōu)化設計，得到最優(yōu)解。其數(shù)學模型可表述為：最小化(Minimize：B （i m ）=b（i m , t ）（6）約束條件（Subjectto）：（i m ）Z 1（7）g （i m ）Z 2（8）h （i m ）Z 3（9）Z 4i m 5（10）式中：i m 為設計變量；B （i m ）為目標函數(shù)；（i m ）為

11、最高車速約束函數(shù)； g （i m ）為最大爬坡度約束函數(shù)；h （i m ）為最大加速度約束函數(shù)；式（9）是設計變量的優(yōu)化范圍。2實例分析及驗證為檢驗該方法的正確性與實用性，特別引用實例加以分析和驗證。2.1優(yōu)化分析程序編寫根據(jù)上文闡述的優(yōu)化理論，按如圖4所示的流程，利用Matlab 編寫了傳動比優(yōu)化計算程序。2.2實例分析及驗證下面以某城市客車為例，其原始設計參數(shù)見表2。該車按照中國典型城市公交循環(huán)工況進行實車經濟性試驗，測得百公里油耗為39.4L，按照本文的油耗計算方法，采用原車速比計算得到百公里油耗是39.38L，計算結果與實車試驗數(shù)據(jù)的誤差僅為0.05%。最優(yōu)化的求解結果顯示，最小傳動比

12、為5.06時，燃油經濟性最好，百公里油耗是39.16L，比原車油耗可減少0.6%。，檔位為空檔或車輛加速度小于0時，其他情況下T （i m ，t ）=T tf m j T，其他情況下，檔位為空檔時N （i m ，t ）=900max （表2某城市客車原始設計參數(shù)后橋速比項目總質量/kg變速箱速比0T0T 圖4Matlab 優(yōu)化程序流程圖圖5各最小傳動比對應的油耗曲線12實際工作中，后橋一般都根據(jù)承載噸位、生產廠家等條件選擇，其速比種類較少。在得到最小傳動比最優(yōu)解后，結合各擋位速比級差及初選的幾種后橋主減速比，即可確定不同主減速比對應的變速箱各擋位的最優(yōu)傳動比；由于現(xiàn)有變速箱的各擋速比級差與本文

13、采用的級差會有所差別，實際應用時可選擇速比與最優(yōu)解相接近的變速箱；在選定幾組后橋主減速比及對應的變速箱后，再從中選擇滿足動力性指標而經濟性最優(yōu)的一組速比。上文所述實例中，最小傳動比為5.06時油耗最低，原車采用5.571的主減速比，那么理想的變速箱傳動比如圖6中實線所示，實際上原車選用的速比（圖6中*點所示）與理想速比差距較大。為接近理想速比，本文重新選擇后橋主減速比為5.143，那么對應的理想的變速箱傳動比如圖6中虛線所示。同時選擇了一種與該理想速比相接近的市場上已有的變速箱，速比如圖6中+點所示，按照本文的計算方法，該組速比對應的中國典型城市公交循環(huán)工況百公里油耗為39.18L，經實車試驗車輛動力性可滿足要求，并且按照中國典型城市公交循環(huán)工況進行了經濟性試驗，測得百公里油耗為39.17L，由此可見計算結果與試驗數(shù)據(jù)非常接近，優(yōu)化后的汽車燃油經濟性比原車提高了0.58%。圖6原車變速箱速比、優(yōu)化后速比與理想速比對比圖速比擋位3結論本文主要闡述了基于傳動系統(tǒng)的汽車燃油經濟性優(yōu)化匹配分析方法，該方法根據(jù)汽車常用的行駛工況，以燃油經濟性最優(yōu)為目標，以滿足車輛動力性指標為約束條件，以最小傳動比為設計變量，利用Matlab軟件對變速箱和后橋的總傳動比進行優(yōu)化設計，通過實例對該方法進行了驗證，并介紹了實際