汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化匹配方法

1、機(jī)械傳動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化通常包括發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的優(yōu)選，機(jī)械變 速器傳動(dòng)比的優(yōu)化和驅(qū)動(dòng)橋速比的優(yōu)化，以下分別闡述。7.1汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的優(yōu)選方法在汽車(chē)設(shè)計(jì)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的初選通常有兩種方法：一種是從保持預(yù)期的最高車(chē)速初步選擇發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)有功率來(lái)選擇的，發(fā)動(dòng)機(jī)功 率應(yīng)大體上等于且不小于以最高車(chē)速行駛時(shí)行駛阻力功率之和；一種是根據(jù)現(xiàn)有 的汽車(chē)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)初步估計(jì)汽車(chē)比功率來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)有的功率。在初步選定發(fā)動(dòng)機(jī)功率之后，還需要進(jìn)一步分析計(jì)算汽車(chē)動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì) 性，最終確定發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)（如發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速等）。通常在給定汽車(chē)底盤(pán)參數(shù)、整車(chē)性能要求（如最大爬坡度imax，最高車(chē)速V

2、， max 正常行駛車(chē)速下百公里油耗Q，原地起步加速時(shí)間t等），以及車(chē)輛經(jīng)常運(yùn)行工 況條件下，就可以選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Temax，及其轉(zhuǎn)矩氣，最大功率Pemax及 其轉(zhuǎn)速np，發(fā)動(dòng)機(jī)最低油耗率ge min和發(fā)動(dòng)機(jī)排量匕。在優(yōu)選發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)常常遇到兩種情況：一種情況是有幾個(gè)類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)可供選 擇，在整車(chē)底盤(pán)參數(shù)和車(chē)輛經(jīng)常行駛工況條件確定時(shí)，這屬于車(chē)輛動(dòng)力傳動(dòng)系合 理匹配問(wèn)題，可用汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)最優(yōu)匹配評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)處理。第二種情況是根據(jù)整車(chē)性能要求和汽車(chē)經(jīng)常行駛工況條件來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能 提出要求，作為發(fā)動(dòng)機(jī)選型或設(shè)計(jì)的依據(jù)，而這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能是未知的。對(duì)于計(jì)劃研制或未知性能特性指標(biāo)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能可看作為發(fā)

3、動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù) 和運(yùn)行參數(shù)的函數(shù)，此時(shí)，外特性和單位小時(shí)燃油消耗率可利用表示發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn) 化模型。優(yōu)選汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的方法：（1）目標(biāo)函數(shù)F（X）目標(biāo)函數(shù)為汽車(chē)行駛的能量效率最高。（2）設(shè)計(jì)變量XX gm，Pe max, 匕，%，勺約束條件發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的要求發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性要求：1.1 Tem /Tp 1.3轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)也可參考同級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)值選取。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速適應(yīng)性要求：1.4 np / nM 2.0如果nM取值過(guò)高，使np /nM Gr (f - cos a + sin a )eM 一i，門(mén)最高車(chē)速要求：t max/ 匕=1.0 1.1，即1.0 a max/0 高檔 dr G 21.15G

4、 。max汽車(chē)加速性能的要求：原地起步連續(xù)換檔加速時(shí)間不得大于要求值10t 10汽車(chē)燃料經(jīng)濟(jì)性要求：直接檔在常用車(chē)速下行駛的百公里油耗不得超過(guò)其限制值Q02 Q。發(fā)動(dòng)機(jī)排量的要求：P1 5 max K Ph式中，Ph、P1 分別為發(fā)動(dòng)機(jī)升功率的統(tǒng)計(jì)上、下限值，kW/L。根據(jù)上述建立的優(yōu)化模型，即可優(yōu)選出最優(yōu)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，并選擇發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化模型發(fā)動(dòng)機(jī)性能特性可看作是發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)和運(yùn)行參數(shù)的函數(shù)，此時(shí)，外特性 可表小為：=T=T 一 Tm (n - n )2-(n - n )2式中，Tm發(fā)動(dòng)機(jī)最大有效轉(zhuǎn)矩，Nm；Tp發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，N m；nm發(fā)動(dòng)機(jī)最大有效轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，r/

5、minnp發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，r/min。發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間的油耗量可以表示為：G =七-(G + 七 T) - Vh式中，G.發(fā)動(dòng)機(jī)每分鐘消耗的燃油量，g/min；Gx 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)單位排量每轉(zhuǎn)燃油消耗量，g/(r - L)；七發(fā)動(dòng)機(jī)單位排量單位轉(zhuǎn)矩每轉(zhuǎn)燃油消耗量提高系數(shù)g/( NmrL)；Vh發(fā)動(dòng)機(jī)的排量，L。根據(jù)研究，汽油機(jī)和柴油機(jī)的的Gox和r值范圍如下表所示。汽油機(jī)和柴油機(jī)的的Gox和r值參數(shù)Goxro汽油機(jī)0.00650.00800.000350.00045柴油機(jī)0.00250.00400.000300.000327.2汽車(chē)變速器速比的優(yōu)化方法汽車(chē)傳動(dòng)系參數(shù)優(yōu)化是以汽車(chē)動(dòng)力性與燃

6、料經(jīng)濟(jì)性模擬計(jì)算為基礎(chǔ)，以汽車(chē)動(dòng)力性要求為約束條件，多工況燃料經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。汽車(chē)變速器速比優(yōu)化最終目的是使汽車(chē)在滿(mǎn)足動(dòng)力性要求前提下，在常用行 駛工況下燃料經(jīng)濟(jì)性最佳。設(shè)計(jì)變量取變速器各檔速比，表示為x（i），i=1，kn（kn為前進(jìn)檔位數(shù)）。目標(biāo)函數(shù)一般為汽車(chē)多工況循環(huán)模式的燃油消耗量Qs。約束條件主要包括：汽車(chē)的動(dòng)力性要求和變速器各檔速比間隔的要求。在選擇傳動(dòng)系參數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮汽車(chē)具有足夠的動(dòng)力性能，即應(yīng)有足夠的直接 檔動(dòng)力因數(shù)Domax和I檔最大動(dòng)力因數(shù)Dimax，同時(shí)需校核I檔最大驅(qū)動(dòng)力時(shí)附著條 件。T -1 f C - A0.377 - n - r、em 01 D X (e

7、m 4 ) 2D =_21式中，Tem發(fā)動(dòng)機(jī)最大有式中，Tem發(fā)動(dòng)機(jī)最大有效轉(zhuǎn)矩，N.mn t傳動(dòng)系效率rk車(chē)輪滾動(dòng)半徑，mCD汽車(chē)空氣阻力系數(shù)A汽車(chē)前迎風(fēng)面積,m2七發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，rpm;G汽車(chē)總重力，N。則直接檔最大動(dòng)力因數(shù)的約束條件應(yīng)為DolDomaxVDoh式中，Dol,Doh分別為不同車(chē)型汽車(chē)直接檔最大動(dòng)力因數(shù)要求的上下限。I檔最大動(dòng)力因數(shù)反映了汽車(chē)最大爬坡能力，其計(jì)算式如下：T -1 -1 F C - A em 01 t D XDIm axr 21.15DIm ax同上，I檔最大動(dòng)力因數(shù)的約束條件為氣 D1max Dh 式中D1L，Dih 分別為不同車(chē)型汽車(chē)I檔最大

8、動(dòng)力因數(shù)要求的上下限值。在確定I檔動(dòng)力因數(shù)后還應(yīng)該按以下條件校核附著條件，即最大牽引力必須 小于或等于汽車(chē)在地面上的附著力： Z 甲式中中道路附著系數(shù);Z中一一驅(qū)動(dòng)輪上的法向反作用力，N。同樣也可以汽車(chē)最大爬坡度要求代替動(dòng)力因數(shù)作為約束條件。變速器相鄰檔位的速比比值影響著變速器的使用性能，比值過(guò)大會(huì)造成換檔 困難。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般在1.41.8之間。考慮到換檔過(guò)程，外界道路阻力總是 造成車(chē)速下降，換檔時(shí)車(chē)速越高，換檔過(guò)程的速度下降就越多，所以隨著檔位的 提高，相鄰兩檔的速比比值應(yīng)逐漸降低。據(jù)此對(duì)相鄰檔位的速比比值要求如下：I 1 (X XX (i +1) X (i)X (i + 2) X (i

9、+1)式中，1孔分別為相鄰速比間隔的下限和上限值。此外，汽車(chē)最高車(chē)速，汽車(chē)原地起步連續(xù)換檔加速時(shí)間限制也作為約束條件。 以上構(gòu)成了汽車(chē)變速器速比的一般優(yōu)化模型。7.3汽車(chē)主傳動(dòng)比優(yōu)化方法 汽車(chē)主傳動(dòng)比對(duì)汽車(chē)動(dòng)力性燃料經(jīng)濟(jì)性影響很大。主減速比增大，可以增加汽車(chē) 的后備功率，提高汽車(chē)加速性能，但也會(huì)使汽車(chē)燃料經(jīng)濟(jì)性下降。因此，主傳動(dòng) 比的選擇，應(yīng)保證汽車(chē)的動(dòng)力夠用，又有最佳的燃料經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于某一特定的車(chē)輛，當(dāng)汽車(chē)總重、重量分配和發(fā)動(dòng)機(jī)等已確定后，如何合 理的選擇傳動(dòng)系參數(shù)，按傳統(tǒng)的做法，需要進(jìn)行大量的汽車(chē)動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性 計(jì)算和實(shí)驗(yàn)工作，而且由于各種條件限制，往往不能獲得最理想的結(jié)果。汽車(chē)主傳動(dòng)

10、比的優(yōu)化最終目的是使汽車(chē)在滿(mǎn)足動(dòng)力性要求下，在常用行駛工 況燃料經(jīng)濟(jì)性最佳。在選擇傳動(dòng)系參數(shù)要求時(shí)，應(yīng)考慮汽車(chē)具有足夠的動(dòng)力性能，即應(yīng)有足夠的 直接檔動(dòng)力因數(shù)D0max。直接檔動(dòng)力因數(shù)表示汽車(chē)在正常情況下行駛所具有的上 坡和加速能力。t _ 圣 乂(0E)D =21L_七0maxG汽車(chē)最高設(shè)計(jì)車(chē)速，原地起步連續(xù)換檔加速時(shí)間和最大爬坡度要求也作為約束 條件。7.4汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的區(qū)間優(yōu)化方法如前所述，傳動(dòng)系參數(shù)中齒輪齒數(shù)和模數(shù)為離散變量，而采用以上優(yōu)化方 法獲得的速比值是一個(gè)確定的最優(yōu)值，不一定滿(mǎn)足生產(chǎn)廠家的實(shí)際生產(chǎn)需要， 存在著變速器齒輪配齒的問(wèn)題。為此我們提出了汽車(chē)傳動(dòng)系參數(shù)的區(qū)間優(yōu)化模型

11、。在這一模型里，不追求 變量的確定優(yōu)化值，只是在保證一定的優(yōu)化效果的前提下，求設(shè)計(jì)變量的最大 可行區(qū)間，這樣就可以擴(kuò)大傳動(dòng)系參數(shù)的選擇范圍，并可以解決變速器齒輪配 齒問(wèn)題。用區(qū)間數(shù)表示需要共享的實(shí)際變量，則確定汽車(chē)傳動(dòng)系參數(shù)最大可行區(qū)間 的問(wèn)題可以表述為擴(kuò)大設(shè)計(jì)變量區(qū)間數(shù)的寬度問(wèn)題。令Xi為共享設(shè)計(jì)變量，則 求最大共享區(qū)間問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，即是求最大可行區(qū)間問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，即是 求最大可行區(qū)間寬度的優(yōu)化問(wèn)題。在一定的約束條件下，其數(shù)學(xué)模型為：maxw=3 以卬.(X )i=1滿(mǎn)足約束條件f(x x2，xi) cXj o X； i = 1，2，.，l其中，F(xiàn)(.)為約束區(qū)間函數(shù)，c為約束區(qū)間函數(shù)的

12、限制值，為權(quán)系數(shù)，l為 區(qū)間變量總數(shù)， .(X,)為第i個(gè)區(qū)間數(shù)的區(qū)間寬度，X；可行區(qū)間變量X；的約束 區(qū)間數(shù)，x; = x,X；。上述模型描述的是區(qū)間擴(kuò)張的逆問(wèn)題，及規(guī)定函數(shù)的值域區(qū)間求定義域區(qū)間 的問(wèn)題，在約束函數(shù)為凸函數(shù)時(shí)，有確定的解。求解上述模型得到的可行區(qū)間寬度有時(shí)較窄，為了改善效果，引入“條件預(yù) 優(yōu)概念及方法”，也就是把影響實(shí)值函數(shù)F（x ,x，,x ,x ，,x ）的變量及參數(shù) TOC o 1-5 h z 12 I l+1n分為兩類(lèi)，其中氣,x2，.,x,為一類(lèi)，叫做關(guān)鍵變量，我們關(guān)心這些變量的可行變 化區(qū)間會(huì)，*，而不關(guān)心它們?nèi)∈裁创_定值；此外，我們把影響目標(biāo)函數(shù)值的 其他變量

13、及參數(shù)在一定的范圍內(nèi)變動(dòng)，這些擴(kuò)大的變量稱(chēng)作為條件變量。我們采用對(duì)條件變量?jī)?yōu)選的方法，即求x ,x ，,x使 l+1 l+2nmin F （x , x ,x , x ,x ）1 2 l l+1n求解模型時(shí)，對(duì)應(yīng)于每一組乙=氣,x2，,xi T時(shí)，有一組對(duì)應(yīng)的最優(yōu)變量y*= x； , x* ,x* T，我們把y*稱(chēng)為預(yù)優(yōu)條件變量，把這一類(lèi)運(yùn)算成為“條件 l+1 l+2n預(yù)優(yōu)運(yùn)算”。通過(guò)條件預(yù)優(yōu)運(yùn)算，能明顯地提高與改善優(yōu)化效果，即F（x ,x ,，x ,x* ,，x*） F（x ,x ,，x ,x ,，x ）1 2 l l+1n1 2 l l+1n若我們把上述預(yù)優(yōu)概念引入模型，那末就可以擴(kuò)大關(guān)鍵變量允許選取的范 圍，改善最大可行區(qū)間的求解效果。也就是說(shuō)，在滿(mǎn)足性能要求的前提下，擴(kuò)大 關(guān)鍵變量的區(qū)域。這樣可導(dǎo)出改進(jìn)的模型如下：求 z = x1, x2,xi T 使max=V以卬.（X ）i=1求 y* = x* ,x* ，x*T 使l+1 l+2nminF（x ,x，x ,x ，x ） c12 l l+1nx j X i = 1，2,，lXj j