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汽车传动系的优化设计 |
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newmaker |
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汽车的动力性、经济性能是车辆的重要性能，影响汽车的动力性、经济性能的因素很多，其中汽车的动力装置参数（发动机的参数；变速器的挡位及传动比；主减器的速比；轮胎的规格及型号）和排气消声参数对上述性能的影响最大。过去研究动力传动系的匹配，是通过对不同的参数选择进行匹配试验，靠大量积累的试验数据和反复测试的结果进行设计，然后选择适用此车型的一组参数。这种方法耗时、耗力和耗费大量的费用。随着计算机的应用和测试手段的提高，可以通过模拟计算与试验相结合的方法来对汽车传动系优化设计。文中是对已经选定的一款发动机(4G)匹配商务车通过模拟计算与试验相结合方法来介绍如何对传动系优化设计。在已选定的发动机、变速箱速比和轮胎的基础上对后桥主减速比进行选择使动力性和经济性能达到最佳匹配。
1、 模型建立
对给定发动机传动系参数的进行优选，由于变速箱的速比和挡位数及传动比对汽车的行使功率和燃料消耗量有着决定的影响。变速器参数的选择及主减速比的选择不仅应当满足汽车行驶动力性要求，而且应使多数常用工况都处于发动机特性曲线的最低油耗区。可通过优选整个传动系的速比达到动力性和经济性最佳匹配。以加速时间作为动力性参数，以六工况百公里体积油耗为经济性参数的优化设计。设给定发动机及主减速比i0，由外特性曲线拟合所得的转矩多项式为：
因此，车轮牵引力Ft可表达为：
由汽车行使方程：
得
式中：σ——汽车旋转质量换算系数；
Ff——汽车的滚动阻力，(Ff＝G·f)；
G——汽车满载质量，kg;
Fw——汽车的空气阻力，
f——汽车满载质量，kg;
CD——空气阻力系数；
A——迎风面积，m2。
因为dt=dv/j，故可由加速度J的倒数与车速的关系曲线（图1)分段积分求得。
曲线下两个速度间的面积就是通过此速度区间的加速时间T，取汽车由起步并连续换挡加速至Vαmax的时间T=f1(X)最短作为优化匹配追求的第1个目标。
计算燃料的消耗量，用曲面拟合方法拟合发动机油耗的万有特性，得出以发动机功率和转速（分别以X和Y表示）为自变量的油耗率(g/kW·h)的二维多项式：
式中： 的平均值。
在第j挡（传动比Xj)和车速vα下发动机的转速和功率为：
将(6)、(7)代人(5)得该转速、功率这一点的油耗率：
这样可以求出在一定的车速下行驶一定的距离△s的油耗量为：
式中：W——加权系数（等速时取1，加速时取1.05)。
将上式在六工况试验曲线下积分，得到该工况下的油耗量Ql=f2 (X)，以其最小作为优化匹配追求的第2个目标。建立数学模型如下。
1.1 目标函数的建立
优化设计的目标是汽车的燃料经济性，故应根据汽车燃料消耗量试验方法的要求，分别选择，汽车的多工况燃料消耗量与汽车最高挡及次高挡等速行驶的百公里体积油耗作为目标函数，可根据汽车等速燃料消耗量与工况燃料消耗量的模拟计算方法编写目标函数。
λ1，λ2为加权系数，根据车辆对动力性和燃料经济性的不同要求进行选取。
1.2 设计变量的确定
传动系优化实质是合理选择主减速比i0与变速器的传动比jg,使其与汽车发动机性能达到良好匹配。对具有超速挡的五挡变速器：
1.3 约束条件的建立
对上述变速器建立以下约束条件：
汽车燃料经济性的提高应在保证汽车动力性的前提下，即要求汽车在最小传动比时有足够的上坡能力。评价指标用最高挡的最大动力因数表示汽车最高挡时爬坡能力和加速能力。
满足最大爬坡度的要求，则有：
满足最高挡动力性要求，则有：
式中:[Domax]——汽车最高挡动力因数的下限值。
式中；Va——当汽车处于最高挡时（传动比ig5=x4）对应于nM时的车速。
满足最高车速要求，则有：
式中：Memax——发动机最大扭矩,N·m;
Vamax——最高挡时发动机最大扭矩时的汽车车速，km/h；
最高挡的动力因数可以增大上坡加速能力，但最高车速降低，最高挡总传动比提高，发动机负荷率降低汽车经济性变差，若总传动比小虽然发，动机负荷率高汽车的燃料经济性变好但爬坡能力和加速能力降低，因此确定时应兼顾汽车的动力性与经济性，根据模型编制优化程序确定既满足汽车动力性要求而燃料经济性又最佳的汽车传动系参数。
2、 基本参数（表1)
3、 计算与分析
后桥主减速比原状态为3.909，按照发动机扭矩和功率变化后，车辆传动系统的速比应当适当的变化以适用车辆经济性能和动力性能，考虑到后桥主减速比变化趋势（根据齿轮配对计算），初步选定为3.909(43/11）和4.222(38/9）（暂不考虑轮胎花纹影响）。
配置状态如：4G发动机，MSZRI变速器3.909/4.222后桥主减速比，205/70 R15轮胎。
3.1 动力性比较（通过编定的程序进行计算）
汽车驱动力-阻力平衡见图2a、汽车爬坡度图见图2b、原地起步换挡加速时间一速度曲线见图2c。
由图2可以看出，后桥主减速比为3.909时最高车速为144km/h，最大爬坡度为27.8，整车原地起步连续换挡加速到100km/h的时间需24.06s，后桥主减速比为4.222时最高车速为150km/h，最大爬坡度为30.1，整车原地起步连续换挡加速到100km/h的时间需22.86s。
通过动力性评价指标进行分析，整车采用后桥主减速比为4.222后的动力性能要好于采用3.909的主减速比。
3.2 经济性比较（通过编定的程序进行计算）
评价车辆燃油经济性能的有100km燃油体积消耗、六工况油耗、城市工况油耗等，这里仅计算W挡（图3a)和V挡（图3b)的等速体积油耗和六工况油耗来进行对比。
六工况油耗：匹配速比3.909时100km油耗为6.9 L,配制速比4.222时100km燃油体积油耗为70L。
由计算可知，无论是W挡或V挡，整车后桥主减速比是4.222时中低速的经济性要略好于3.909的主减速比，高速时后桥主减速比是3.909时整车经济性要略好于4.222的主减速比。
4 、试验测试及分析
为了全面了解后桥主减速比对动力性能和经济性能的影响，下面根据理论计算的两种后桥速比进行样车测试对比。
4.1 经济性能的测试与分析
由于车辆在使用的过程中I挡仅仅是为了起步，而II,III,IV,V挡为使用工况，表2为商务车在满负荷情况下根据使用工况测试W挡和V挡的经济性。W挡和V挡的经济性及六工况燃料消耗见表2，W挡等速行驶燃料消耗见图4a,w挡等速行驶燃料消耗见图4b。
由试验结果可知，IV挡时整车后桥主减速比是4.222时中低速的经济性要好于3.909的主减速比，高速时后桥主减速比是3.909时整车经济性要略好于4.222的主减速比。V挡时后桥主减速比是3.909时低速（小于90km/h）经济性要好于4.222的主减速比。
4.2 动力性能的测试与分析
针对加速时间、最高车速和爬坡度进行测试比较分析。动力性能的测试见表3，直接挡从30km/h加速到100km/h见图5a，起步连续换挡加速到100km/h见图5b。
从上表试验测试结果分析来看，配置4.222后桥速比的最高车速、加速时间和最大爬坡度都优于配置3.909速比的后桥。
5、 结论
通过理论计算和试验结果分析来看，理论计算和试验结果基本一致，结合商务车的特点选用不同的加权系数，以动力性为主要的考虑对象进行综合比较选定后桥主减速比为4.222。
通过计算机编程的传动系优化计算和试验结合，证明了文中提出方法的可行性和正确性。这种模拟计算与试验结合的方法适用于所有的车辆匹配，大大的节省了时间与费用。但是整个传动系统的匹配设计是一个很复杂的过程，要考虑的因素也比较多，如速比的变化将影响到最小稳定转速，影响到操纵的舒适性能等，文中仅仅是从速比的选择来说明模拟计算与试验结合的方法在汽车匹配上的应用，如果要进行整车系统的匹配设计，根据约束条件把所有不同的参数代入设定的程序，分别计算、调整，然后选取计算调整的参数进行试验验证，最终得到比较好的传动系统。(end)
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(3/16/2007) |
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