杜勇 馬洪龍

（1.合肥工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院；2.歌爾聲學(xué)股份有限公司）

為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境與節(jié)省能源，生產(chǎn)更加節(jié)能和低排放的汽車越來(lái)越成為世界各大汽車生產(chǎn)廠的首要任務(wù)，汽車中的啟停系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。目前我國(guó)還沒(méi)有完善的代表性工況，現(xiàn)有的國(guó)標(biāo)都是在歐洲工況的基礎(chǔ)上修改后頒布實(shí)施的[1]。因?yàn)槲覈?guó)城市結(jié)構(gòu)（如一、二、三線城市）特殊，導(dǎo)致工況也有很大的不同，而只有合適的工況才能得到最優(yōu)的動(dòng)力系統(tǒng)匹配。據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒提供的數(shù)據(jù)，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量由2010年的1.9 億輛增長(zhǎng)到2012年的2.23 億輛。由于我國(guó)汽車數(shù)量非常龐大，如果能夠有合適的動(dòng)力匹配，同時(shí)安裝怠速啟停系統(tǒng)，那么節(jié)約的燃油將非?？捎^，對(duì)環(huán)境也會(huì)有很好的保護(hù)[2]。文章以合肥市道路行駛工況作為代表性工況，提出基于啟停系統(tǒng)的動(dòng)力參數(shù)優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)。

1 整車參數(shù)及建立模型

1.1 基本參數(shù)

文章以某大型客車為例，其基本參數(shù)，如表1所示。

表1 整車基本參數(shù)

1.2 Cruise建立整車模型

在Cruise 軟件中搭建了試驗(yàn)車的整車模型，用以仿真分析汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)搜集的汽車實(shí)際參數(shù)，從模塊列表中選擇合適的模塊，并根據(jù)汽車布置形式建立整車模型，分別建立汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、主減速器、離合器、差速器、電池、怠速啟停系統(tǒng)、車輪及整車外形尺寸等相關(guān)參數(shù)模型，并組合各個(gè)模塊，完成整車仿真模型的建立，如圖1所示。

1.3 Isight集成Cruise

Isight 軟件進(jìn)行集成優(yōu)化時(shí)，需要在Simcode 模塊中加載輸入文件，并定義設(shè)計(jì)變量，從加載的輸出文件中定義目標(biāo)函數(shù)，隨后編寫(xiě)接口文件，并對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行可行性檢驗(yàn)，在沒(méi)有錯(cuò)誤的情況下，運(yùn)行模型，調(diào)用軟件計(jì)算。Isight 軟件主要提供了多種優(yōu)化算法，如數(shù)值優(yōu)化、全局優(yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化算法及Point 智慧優(yōu)化專家。每種算法都有各自的適用范圍，因此，需要針對(duì)不同的問(wèn)題選擇不同的優(yōu)化算法，進(jìn)而取得穩(wěn)健、全局及可靠的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[3]。

用Isight 集成Cruise 的過(guò)程中，需要用Calculation和Simcode 模塊來(lái)處理各參數(shù)間的關(guān)系。Simcode 模塊是集成仿真程序的方法，通過(guò)解析輸入文件和輸出文件更新輸入?yún)?shù)和讀取仿真結(jié)果，同時(shí)還可以通過(guò)命令執(zhí)行仿真程序；Calculation 模塊是應(yīng)用模塊之一，可通過(guò)它將模擬代碼結(jié)合在一起，使其能夠以相同的方式被重復(fù)使用，通過(guò)該模塊，可以產(chǎn)生新的參數(shù)幫助計(jì)算。

Simcode 模塊需要加載輸入文件（Man_RWD.dbf）、執(zhí)行文件（Cruise.bat）和輸出文件（result.log）；在 Calculator 模塊中設(shè)置各擋的速比。Isight 集成模型，如圖2所示。

2 怠速啟停系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理和優(yōu)化算法

2.1 怠速啟停系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理

汽車怠速啟停系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

汽車怠速啟停系統(tǒng)的工作原理是汽車在等待信號(hào)燈或堵車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)將關(guān)閉；當(dāng)駕駛員重新起動(dòng)汽車時(shí)，只需松開(kāi)制動(dòng)踏板或踩下離合器踏板，可以自動(dòng)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)[4]。

2.2 Pointer全能優(yōu)化器

Pointer 全能優(yōu)化器只需在優(yōu)化某問(wèn)題之前對(duì)優(yōu)化器進(jìn)行相似問(wèn)題求解訓(xùn)練，當(dāng)優(yōu)化器了解該問(wèn)題的求解經(jīng)驗(yàn)后，便能組合使用4 種優(yōu)化算法快速優(yōu)化這一類設(shè)計(jì)問(wèn)題，得到高效的優(yōu)化結(jié)果。

Pointer Optimizer 可以控制4 種優(yōu)化算法的組合:

1）線性問(wèn)題:線性單純形法Linear Simplex 可高效解決線性問(wèn)題；

2）光滑連續(xù)問(wèn)題:序列二次規(guī)劃的Schittowski 版本（NLPQL），具有非常好的收斂性和數(shù)值穩(wěn)定性；

3）非光滑連續(xù)問(wèn)題:Nelder-Mead 下降單純形法，具有非常好的效率；

4）全局、非連續(xù)及函數(shù)特征復(fù)雜的問(wèn)題:遺傳算法（Professor Schwefel，Dr.Mathias Hadenfeld） 具有很好的全局性和普適性，但是計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)。

3 目標(biāo)函數(shù)和約束的設(shè)定

3.1 設(shè)計(jì)變量的設(shè)定

設(shè)計(jì)中，可以從對(duì)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)有影響的基本參數(shù)中選取一組來(lái)體現(xiàn)某個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。有些基本參數(shù)可以根據(jù)安裝、工藝和使用要求預(yù)先給定，成為已知量。而另一些需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行選擇，這些基本參數(shù)稱為設(shè)計(jì)變量。

選擇設(shè)計(jì)變量一般遵循3 個(gè)規(guī)則:1）選取與目標(biāo)函數(shù)有直接或間接關(guān)系的，且對(duì)目標(biāo)函數(shù)有比較大影響的變量作為設(shè)計(jì)變量；2）設(shè)計(jì)變量應(yīng)是相互獨(dú)立的，否則優(yōu)化結(jié)果將不符合實(shí)際；3）盡量選取有實(shí)際意義的無(wú)因次量（沒(méi)有單位的物理量）作為設(shè)計(jì)變量[5]。

3.2 動(dòng)力性目標(biāo)函數(shù)

汽車動(dòng)力參數(shù)優(yōu)化的目的是保證在滿足汽車動(dòng)力性要求的前提下，使汽車在常用工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最佳。文章采用最大爬坡度作為動(dòng)力性目標(biāo)函數(shù)，表達(dá)式為:

式中:G——汽車總重力，N；

α——汽車爬坡角，（°）；

Ttq——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，N·m；

ig——變速器加速擋傳動(dòng)比；

io——主減速器傳動(dòng)比；

ηT——傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率，%；

r——輪胎靜力半徑，m；

Ff——滾動(dòng)阻力，N；

f——滾動(dòng)阻力系數(shù)；

Fw——空氣阻力，N；

CD——風(fēng)阻系數(shù)；

A——橫截面面積，m2；

ua——車速，km/h；

Ft——汽車牽引力，N。

3.3 經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)的建立

在保證動(dòng)力性的條件下，汽車以盡量少的燃油消耗量經(jīng)濟(jì)行駛的能力，稱作汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。汽車燃油經(jīng)濟(jì)性常用一定工況下，汽車行駛100 km 的燃油消耗量或一定燃油消耗量能使汽車行駛的里程來(lái)衡量。文章以合肥市行駛工況作為動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)工況，以100 km 油耗（Q）作為整車的經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)，表達(dá)式為:

式中:ΣQ——合肥市行駛工況下油耗量之和，L/km；

S——整個(gè)循環(huán)的行駛距離，km。

3.4 綜合目標(biāo)函數(shù)

因?yàn)榕榔露仍酱?，?duì)動(dòng)力性而言就越好，但油耗越大，其為正向指標(biāo)。但經(jīng)濟(jì)性要求油耗越低越好，其為逆向指標(biāo)。將最大爬坡度取倒數(shù)（1/α），轉(zhuǎn)化為逆向指標(biāo)，建立了最大爬坡度和100 km 油耗的多目標(biāo)優(yōu)化，表達(dá)式為:

式中:x——變速器與主減速器參數(shù)向量；

f（x）——目標(biāo)函數(shù)。

3.5 速比的約束

對(duì)于汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)，隨著擋位數(shù)的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)在燃油消耗率低的區(qū)域工作幾率增加，燃油消耗降低；對(duì)于汽車的動(dòng)力性而言，隨著變速器擋位數(shù)的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮高功率的機(jī)會(huì)也隨之增加，對(duì)提高汽車的加速與爬坡能力更加有利[6]。經(jīng)分析可知，主減速器速比和變速器速比對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性有很大影響，文章將其作為設(shè)計(jì)變量。

在Calculator 模塊中對(duì)各擋速比關(guān)系進(jìn)行設(shè)置，通常情況下，為了換擋方便且充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，各擋關(guān)系是按照等比級(jí)數(shù)分配的。但汽車在實(shí)際行駛過(guò)程中，因各擋利用率不同，所以各擋傳動(dòng)比比值并不相等[7]。汽車很多時(shí)候在高擋行駛，因此必須對(duì)等比分配方案進(jìn)行調(diào)整，相鄰兩擋的傳動(dòng)比隨擋位升高而降低，且低擋傳動(dòng)比的比值不宜過(guò)大，否則容易造成換擋困難。

綜上，文章確定的速比約束條件如下：

4 優(yōu)化結(jié)果及分析

文章選用Isight 中的Pointer 優(yōu)化算法，Pointer 能在優(yōu)化的不同階段自動(dòng)選擇某個(gè)優(yōu)化算法，自動(dòng)設(shè)置優(yōu)化算法的內(nèi)部參數(shù)（步長(zhǎng)及迭代次數(shù)等），提高了優(yōu)化效率。優(yōu)化前后傳動(dòng)系參數(shù)的對(duì)照，如表2所示，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的比較，如表3所示。Isight 尋優(yōu)里程，如圖4所示。

表2 優(yōu)化前后的傳動(dòng)系速比

表3 整車性能優(yōu)化對(duì)比表

從表3可得出:

1）從燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性來(lái)看，將傳動(dòng)系作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化非常有效，其對(duì)整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性影響非常明顯。

2）汽車的最高車速有所降低，這主要是由于優(yōu)化后的最小傳動(dòng)比（0.83）較優(yōu)化前（0.81）大，最高車速為105.37 km/h，較原來(lái)降低了6%，但在市區(qū)或高速情況下也能滿足行駛要求。

3）由表3可知，官方油耗與實(shí)際油耗有一定的差距，這正是因?yàn)楣r不同造成的，中國(guó)城市結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與歐洲工況差別較大（現(xiàn)有國(guó)標(biāo)是在歐洲工況的基礎(chǔ)上修改得到的）。在只有怠速啟停系統(tǒng)（合肥工況，但傳動(dòng)系參數(shù)沒(méi)有優(yōu)化）的情況下，節(jié)油0.16 L，節(jié)油效果并不理想，而傳動(dòng)系參數(shù)優(yōu)化后，節(jié)油1.46 L，節(jié)油效果比較理想。

5 結(jié)論

啟停系統(tǒng)裝置能減少發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速空轉(zhuǎn)，具有明顯的節(jié)能減排功效，但由于節(jié)能效果并非最佳，因此文章主要通過(guò)對(duì)客車模型仿真建模，以合肥市典型行駛工況的試驗(yàn)研究，對(duì)耦合計(jì)算變速器進(jìn)行相應(yīng)的匹配，并加入怠速啟停模塊，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)得出，優(yōu)化的傳動(dòng)系數(shù)能有效降低燃油消耗，對(duì)汽車的節(jié)油效果非常理想。