申愛玲 ，伏 軍，張衍發(fā)

(1. 中南大學 機電工程學院，湖南 長沙，410083；2. 邵陽學院 機械與能源工程系，湖南 邵陽，422004)

汽車發(fā)展至今，人們對其各方面的性能要求也越來越嚴格且期望越來越高，如何提高整車性能已成為汽車行業(yè)所面臨的極其重要的課題。汽車整車性能的提高不僅取決于發(fā)動機和傳動系性能的提高，而且在很大程度上取決于二者的匹配[1-2]。隨著現(xiàn)代計算機仿真技術的快速發(fā)展，對汽車性能的模擬計算已成為現(xiàn)實。通過模擬計算能設計并選擇合理的匹配方 案，這樣縮短了開發(fā)周期，降低成本，提高了設計質量，而且為整車的技術評價、分析及決策提供了理論依據(jù)[3]。國外多個大汽車公司和有關機構相繼開發(fā)的各自的模擬計算軟件，例如美國通用汽車公司開發(fā)的性能預測程序GPSIM、福特汽車公司開發(fā)的TOEFP程序等。國內對汽車傳動系的匹配研究也取得了一些進展，如劉惟信等[4]對汽車發(fā)動機與傳動系統(tǒng)參數(shù)的最優(yōu)匹配進行研究，提出了優(yōu)選傳動系參數(shù)與給定發(fā)動機參數(shù)的匹配和優(yōu)選的幾種方法；何仁等[5]對汽車動力傳動系統(tǒng)合理匹配時應用數(shù)理統(tǒng)計的方法，綜合考慮汽車發(fā)動機最佳經濟區(qū)汽車行駛工況，并采用可行區(qū)間優(yōu)化方法。在此，本文作者基于奧地利 AVL公司提供的CRUISE軟件試用版本，以CA7204車為例，合理搭建整車模型，對該車發(fā)動機與傳動系之間的原匹配方案進行仿真，并與試驗結果進行對比，對模型加以標定；基于該仿真平臺，對該車傳動系與發(fā)動機的匹配方案及影響規(guī)律進行比較分析并優(yōu)化，以改善其整車動力性和燃油經濟性。

1 CA7204MT汽車傳動系模型的建立

CA7204MT汽車是前輪驅動式汽車，根據(jù)該車型特點，利用AVL-Cruise軟件提供的左側元件庫窗口，布置各元件，建立了如圖1所示的傳動系模型，并進行物理連接以及數(shù)據(jù)信號總線的連接。

通過在實驗室進行的發(fā)動機全負荷性能試驗和萬有特性試驗數(shù)據(jù)，利用 MATLAB強大的數(shù)據(jù)運算處理能力編制相應程序繪制萬有特性曲線，并基于MATLAB@DLL與CRUISE接口[6-8]，將其數(shù)據(jù)導入發(fā)動機模塊。然后，根據(jù)CA7204MT汽車的相關結構及參數(shù)，依次輸入其車輛模塊、變速器模塊、主減速器模塊、離合器模塊、輪胎模塊及駕駛員模塊等。

2 CA7204MT汽車性能仿真與分析

2.1 CA7204MT汽車性能仿真與模型驗證

運用已建立的CA7204MT汽車傳動系模型，選擇不同的計算任務對整車性能進行仿真計算，得到該車的各項動力性和燃油經濟性能模擬計算結果，并與從廠家搜集的原車的各項經濟性及動力性參數(shù)進行對比，見表1。

從表1可知：整車加速時間以及等速油耗的模擬計算結果與實際試驗結果相對誤差在3.7%以內，最高車速、最大爬坡度及原地起步連續(xù)加速時間模擬計算結果也與試驗結果相對誤差在3%以內，這表明Cruise建立的傳動系模型合理，具有較高的準度，能切實反應整車實際的動力性和燃油經濟性。

圖1 CA7204MT汽車傳動系模型Fig.1 Vehicle powertrain model of CA7204MT

表1 CA7204MT汽車模擬計算結果與試驗結果對比Table1 Comparison between results of analog computation and experiments of CA7204MT automobile

對 CA7204MT汽車仿真的動力性和燃油經濟性進行分析發(fā)現(xiàn)：該轎車的動力性能較好，尤其一擋爬坡度達 52.85%，接近越野車的最大爬坡度要求60.00%；但該車燃油消耗量較大，新歐洲循環(huán)(簡稱NEDC循環(huán))油耗偏高，其主要原因可能是發(fā)動機排量稍過大或傳動比過大。因此，在優(yōu)化時可選用更小排量的發(fā)動機或降低主減速比等。

2.2 傳動系參數(shù)對整車動力經濟性的影響規(guī)律

2.2.1 主減速比的影響

基于上述標定模型，選用不同主減速比 4.875，4.388(原車)，4.200和3.938，模擬計算選用各主減速比時的燃油消耗量、加速時間等動力性及燃油經濟性能，所得主減速比對動力性及燃油經濟性的影響如圖2所示。

從圖2可看出：主減速比直接影響其動力性和燃油經濟性，主減速比增大，則動力性增強，但油耗增加；主減速比減小，則油耗降低，但動力性也降低。

圖2 主減速比對動力性燃油經濟性能的影響Fig.2 Influence of final drive ratio on power performance and fuel economy performance

2.2.2 變速器各擋傳動比的影響

結合該車使用特點，汽車一般是以最高擋位即六擋行駛的，故六擋傳動比的選定很重要[9]。按設計推薦值初步選定六擋傳動比分別為 0.74，0.68，0.64和0.60，據(jù)模擬計算軟件，得到表2、表3所示不同六擋傳動比的超車加速性能及六擋等速油耗對比結果。

表2 六擋不同傳動比超車加速時間Table2 Overtaking acceleration time of six different gear transmission ratios

表3 六擋不同傳動比最高擋等速油耗Table3 Top gear constant-speed fuel economy of six different gear transmission ratios L/(100 km)

表4 一擋不同傳動比下整車性能對比Table4 Vehicle performance comparison at different gear transmission ratios

從表2和表3可以看出：六擋超速擋傳動比主要影響整車高速行駛時超車性能，對燃油經濟性影響不大。所以，設置超速擋時也并不是傳動比越小越好，傳動比過小反而影響整車的超車性能。

在選擇汽車的最大傳動比即一擋傳動比時，主要考慮汽車的動力性。改變變速器一擋傳動比，而主減速比和其余各擋傳動比保持不變，計算整車NEDC油耗以及0～100 km/h加速時間，計算結果如表4所示。

通過計算結果可以看出：當變速器一擋傳動比從3.054到3.945變化時，整車NEDC循環(huán)油耗只增加0.05 L/(100 km)，相當于總油耗的0.7%，而原地起步連續(xù)換擋每100 km加速時間變化0.34 s，也就是改變一擋傳動比時，在油耗變化不大的情況下，加速時間可提高 3.1%。說明一擋傳動比對 NEDC循環(huán)工況下的整車經濟性影響不大，但對整車動力性影響較大。

變速器其余擋位的傳動比也直接影響著整車性能。通過調整2, 3, 4和5擋傳動比，便可調整整車以這些擋位行駛時萬有特性圖中發(fā)動機工況點的位置，工況點分布越接近最佳經濟區(qū)，整車經濟性越好；若工況點在萬有特性圖中分布在下方，則整車行駛時后備功率較大，整車動力性好。

3 傳動系參數(shù)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案

對傳動系參數(shù)進行優(yōu)化的途徑主要是調整主減速器主減速比和變速器各擋傳動比，通過調整這2個參數(shù)來調整整車行駛時發(fā)動機常用工況點位置，達到優(yōu)化整車動力性經濟性的目的[10-14]。

設計變量取xi(i=0, 1, …, 6)分別為主減速比、1～6擋傳動比，將動力性和燃油經濟性2個評價指標作為目標函數(shù)，兩者分別以原地起步連續(xù)換擋加速時間 t和以NEDC循環(huán)燃油消耗Qs來描述：

式中：m為汽車質量，kg；Ttq為發(fā)動機扭矩，N·m；ηT為傳動系機械效率；r為車輪滾動半徑，m；G為汽車重力，N；f為滾動阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為汽車迎風面積，m2；δ為汽車旋轉質量換算系數(shù)；v為汽車車速，km/h； 為NEDC所有過程燃油消耗量之和，L/(100 km)；s為整個循環(huán)行駛距離，km。

根據(jù)各擋傳動比的等比分配原理與考慮擋位利用率對擋位傳動比的修正、汽車動力因素與附著條件，建立約束條件：

式中：Ttqmax為發(fā)動機最大扭矩，N·m；va為六擋位發(fā)動機最大扭矩時汽車車速，km/h；D6max為六擋動力因數(shù)的要求值；α為最大爬坡度，%；φZ為驅動輪上法向反作用力，N；φ為道路附著系數(shù)。

式(1)～(6)組成一個多目標優(yōu)化模型，為簡化問題，將2個優(yōu)化目標線性加權組合[15]，不同的優(yōu)化要求可取不同權系數(shù)，一般對轎車的優(yōu)化時，可將式(2)權系數(shù)取為0.6，式(1)權系數(shù)取為0.4，得到單目標優(yōu)化函數(shù) f(x)，利用內點罰函數(shù)法迭代求解上述模型，直至x(k)滿足約束準則：≤10-3為止，此時，取 x(k)為優(yōu)化值。迭代求解結果與優(yōu)化前參數(shù)對比結果如表5所示。

表5 優(yōu)化前后傳動系主減比的對比Table5 Comparison of powertrain parameters before and after optimizing

3.2 優(yōu)化后整車性能仿真結果

通過Cruise模擬計算，以優(yōu)化后傳動系參數(shù)作為輸入參數(shù)，得出整車燃油經濟性能及加速性能并與優(yōu)化前模擬計算結果相比較，如表6和表7所示。

表6 優(yōu)化傳動系參數(shù)前、后整車燃油經濟性對比Table6 Comparison of vehicle fuel economy performance before and after optimizing

表7 優(yōu)化傳動系參數(shù)前、后整車加速性能對比Table7 Comparison of vehicle acceleration performance before and after optimization

對比表6和表7可知：優(yōu)化后各擋等速油耗均下降，其中城市行駛常用擋位四擋等速60 km/h油耗降幅超過 8.99%，整車 NEDC循環(huán)油耗由原來的 7.52 L/(100 km)降低到7.01 L/(100 km)，降低了6.78%。原地起步100 km加速時間僅增加了4.32%，五、六擋超車加速時間增加但不超過 4.10%，所以，加速性能只是小幅度降低。

4 結論

(1) 利用 AVL-CRUISE軟件整車建模，從動力性和燃油經濟性指標加以評定模型的合理程度，整車加速時間、最高車速以及等速油耗等模擬計算值與實際試驗結果相符合，所建模型可用于動力傳動系匹配的優(yōu)化仿真。

(2) 按優(yōu)化的方案，優(yōu)化后整車經濟性得到有效改善，各擋等速油耗均較大幅度下降，整車NEDC循環(huán)油耗降低 6.78%。動力性雖小幅度下降，但其原地起步加速性能及五、六擋超車加速時間性能仍然較好；考慮該轎車主要面向城市及市郊，動力性能小幅度下降后仍然能較好地滿足使用要求，所以，得出的優(yōu)化方案具有實際意義。

[1] 余志生. 汽車理論[M]. 5版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2009:75-87.

YU Zhi-sheng. Automobile theory[M]. 5th ed. Beijing: China Machine Press, 2009: 75-87.

[2] 楊連生. 內燃機性能及其與傳動裝置的優(yōu)化匹配[M]. 北京:學術期刊出版社, 1988: 12-26.

YANG Lian-sheng. The optimal matching between internalcombustion engine performance and transmission[M]. Beijing:Academic Periodical Press, 1988: 12-26.

[3] MUNNS. A computer simulation of power train components with methodologies for generalized system modeling[D].Madison, USA: University of Wisconsin, 1996: 33-35.

[4] 劉惟信, 戈平, 李偉. 汽車發(fā)動機與傳動系參數(shù)最優(yōu)匹配的研究[J]. 汽車工程, 1991, 13(2): 65-72.

LIU Wei-xin, GE Ping, LI Wei. Study of optimal matching between automobile engine and transmission parameters[J].Automotive Engineering, 1991, 13(2): 65-72.

[5] 何仁, 商高高. 汽車動力傳動系參數(shù)的優(yōu)化方法[J]. 江蘇理工大學學報: 自然科學版, 2000, 21(6): 62-66.

HE Ren, SHANG Gao-gao. Optimum method of automobile transmission parameters[J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology: Natural Science, 2000, 21(6): 62-66.

[6] 劉振軍, 趙海峰, 秦大同. 基于CRUISE的動力傳動系統(tǒng)建模與仿真分析[J]. 重慶大學學報, 2005, 28(11): 8-11.

LIU Zhen-jun, ZHAO Hai-feng, QIN Da-tong. Simulation and analysis of vehicle powertrain based on CRUISE[J]. Journal of Chongqing University: Natural Science Edition, 2005, 28(11):8-11.

[7] 張京明, 趙桂范, 姜立標. 發(fā)動機特性計算模型在整車性能計算中的應用[J]. 車用發(fā)動機, 2000, 27(3): 26-28.

ZHANG Jin-ming, ZHAO Gui-fan, JIANG Li-biao. The application of computing model to engine performance for vehicle performance[J]. Vehicle Engine, 2000, 27(3): 26-28.

[8] Butler K L, Stevens K M, Ehsanim. A versatile computer simulation tool for design and analysis of electric and hybrid drive trains[C]// SAE Paper. Detroit, 1997: 970199.

[9] 周龍保, 劉巽俊, 高宗英. 內燃機學[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005: 254-255.

ZHOU Long-bao, LIU Xun-jun, GAO Zhong-ying. Internal combustion engines[M]. Beijing: China Machine Press, 2005:254-255.

[10] 江發(fā)潮, 曹正清, 肖春澤. 發(fā)動機特性仿真研究[J]. 車用發(fā)動機, 2003, 48(6): 18-20.

JIANG Fa-chao, CAO Zheng-qing, XIAO Chun-ze. Study on engine characteristics simulation[J]. Vehicle Engine, 2003, 48(6):18-20.

[11] 肖明偉, 楊靖. 495QME發(fā)動機與CDK6710客車傳動系的匹配研究[D]. 湖南: 湖南大學機械與汽車工程學院, 2006:50-55.

XIAO Ming-wei, YANG Jing. Study on the Matching between 495QME engine and CDK6710 carriage transmission system[D].Hunan: Hunan University. Institute of Machinery and Automotive Engineering, 2006: 50-55.

[12] 劉清泉. 城市車發(fā)動機設計匹配[D]. 長春: 吉林大學汽車工程學院, 2004: 35-37.

LIU Qing-quan. Design & matching for city vehicle and engine[D]. Changchun: Jilin University. Institute of Automotive Engineering, 2004: 35-37.

[13] 李峰, 趙杰. 汽車發(fā)動機與傳動系優(yōu)化匹配的仿真研究[J].計算機仿真, 2007, 24(11): 243-245.

LI Feng, ZHAO Jie. Simulation of the optimization matching between engine and transmission system[J]. Computer Simulation, 2007, 24(11): 243-245.

[14] Zub R W, Colello R G. Effect of vehicle design variables on top speed performance and fuel economy[C]// SAE Paper. Detroit,1980: 800215.

[15] 孫靖民. 機械優(yōu)化設計[M]. 3版. 北京: 機械工業(yè)出版社,2003: 124-151.

SUN Jing-min. Optimal design of machine[M]. 3rd ed. Beijing:China Machine Press, 2003: 124-151.