硕士学位论文-商用车动力传动系统优化匹配研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文商用车动力传动系统优化匹配研究姓名：刘学琼申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：唐新蓬20051019独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：办、；专r|期：孑y-年I口月-y1日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交沦文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位沧文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本论文属于，不保密留。(请在以上方框内打“”)学位论文作者签名：伽哆、，一日期：or年一月川闩指导教师签名日期：珂华中科技大学硕士学位论文1绪论11商用车动力传动系统优化匹配研究的意义自从汽车诞生一百多年以来，人类社会发展深深打上汽车的烙印，其发展的步伐随滚滚车轮加速前进，没有汽车的现代社会是不可想象的。进入20世纪以来，全世界的汽车保有量越来越多，特别是第二次世界大战以后汽车保有量增加很快。1950年为6897万辆，而在1t986年达到5033亿辆，到目前超过65亿辆。截至2003年底，我国汽车保有量为2421万辆。2004年汽车产量507万辆。笔者工作的东肛l汽车有限公司是国内生产商用汽车著名企业，2004年生产商用车2615万辆，占国内商用车市场份额的95。在汽车的运输成本中，燃料消耗占2030，虽然近年来人们不断研究新能源以取代同益紧缺的石油作为汽车的动力能源，但目前汽车发动机使用燃料主要仍是石油燃料，随着我国国民经济的高速发展，汽车保有量持续快速增加，交通运输消耗的石油量在石油总消耗量中所占的比例不断上升，面对石油能源供给日趋紧张和复杂的国际能源形势，提高我们的汽车运输生产率，降低汽车的燃油消耗，减少汽车对进口石油的依赖性，是中国汽车Ilk急需解决的课题之，也是国民经济持续发展的需要【llO自20世纪70年代世界范围的能源危机发生后，各国除了i断研究新能源外，制定法律法规要求汽车企业努力降低燃油消耗，围绕着汽车和发动机主要采取了以下措施1：211)提高汽车行驶效率(1)减少行驶阻力通过改进车身造型，改善车身结构来减少迎风面积和空气阻力；通过改进轮胎结构来减少滚动阻力。(2)底盘轻量化采用新型轻质材料，通过计算机辅助计算和设计技术使整车质量轻量化，使各总成部件紧凑。f；置发动机、前轮驱动化。(3)提商驱动效率采用自动或电控自动换档装置，减少轴承与齿轮的磨擦损失，提高传动效率。2)提高发动机性能(1)提高能源利用率利用涡轮增压回收废气能量；提高附属装置(空调、电器装置等)的效率。(2)改进现有发动机一通过改善燃烧，减少冷却损失以提高热效率，采用汽油华中科技大学硕士学位论文电控燃料供给系统、柴油高压共轨燃料供给系统和ECU控制使发动机工作最优化131。3)研究开发利用新型动力(1)开发新一代发动机研制高循环发动机：研制氢气发动机：研制利用电能的电动车。(2)利用代用燃料一利用液化天然气、石油气等燃料；利用乙醇、甲醇等合成燃料K4Io41优化匹配动力传动系统(1)发动机的选型汽油机1j柴油机的选择：发动机使用特性的选择；发动机排量的选择151。(2)传动系型式及参数的选择一一变速器的形式、速比范围、档位间隔；液力变矩器型式及尺寸；驱动桥的类型及能力等。汽车的动力性和燃料经济性是汽车的最重要性能。汽车动力性和经济性的好坏，在很大程度上取决于发动机性能和传动系型式及参数的选择，即取决于动力传动系统优化匹配的程度”。71。即使台发动机具有良好的性能，如果没有一个与之合理匹配的传动系，也不能充分发挥其性能。将发动机和传动系参数合理地匹配，尽可能使发动机经常在其理想工作区附近工作。从而达到减少发动机磨损，提高发动机使用寿命，提高燃料经济性，降低排放的效果。汽车研发工作中，由于专业分工的不同，容易产生这样的情况，即发动机研发部门按规划开发出系列发动机着重于改善发动机的工作过程，降低机械损失，以减少燃油消耗率：底盘研发部门则按规划开发出系列变速器和后桥着重于提高传动效率，降低运行阻力等。但如果不将发动机与底盘传动系统视为一个整体进行合理匹配，任何个部件的性能改进完全有可能由于另一部件的延配不当而造成整体性能并未获得应有的改进。统计数据表明，目前汽车发动机使用工况多数是远离最佳经济区域，未能实现动力传动系统的最佳匹配。因此，通过合理匹配汽车动力传动系统来提高运输效率和降低燃油消耗，是一个值得进一步研究的课题”。91。传统的汽车设计开发对汽车的动力性和燃料经济性水平，是选择已开发完善的发动机与传动系统相结合在道路试验后给予评价的。华中科技大学硕士学位论文其设计与试验流程为l整乍概念定义l几I零部件的选择与殴计Io零部f，：试验I整乍试制I蚓11设计与试验流样图这样要设计某种车型，有三种整车总质量、四种发动机、三种变速器、三种驱动桥及两种轮胎可供选择，那么不同组合方案可达216种。要选出最优方案则每种方案都需要设计、制造一系列不同的零部件，需花费大量的时问和费用。这样做不但周期长、成本高，而在产品设计阶段对整车及总成方案的确定、结构参数的选择、传动系参数与发动机的匹配等，就有一定的盲闷性，造成大量人财物力的浪费1101。为了提高设计质量，缩短研制周期，随着计算机的广泛应用和现代计算方法的发展，计算机仿真计算为汽车动力性和燃料经济性预测提供了有效而准确的工具1llo计算机仿真与一般的性能计算方法相比，有着许多优点“2“31141：它可以考察出汽车结构参数是如何影响汽车动力性和燃料经济性的。特别是这些参数作微小变化时，实际车辆试验往往测量不出对动力性和燃料经济性的影响，而计算机仿真则可算出其微小的影响。它可以求解较复杂而精确的数学模型。过去无法求解的线性或非线性系统的微分方程组，采用电子计算机和现代数值计算方法以后，就可以很快地求出其数值解。它能按预定的程序仿真各种行驶工况，包括瞬态的非稳定工况，因而能全面预测汽车在各种工况下的动力性和燃料经济性。它能在很短时间内对大量的设计方案进行运算，查明这些方案和参数对汽车性能的影响，有助于设计人员很快地找到比较有利的设计方案和参数匹配。能使设计师在产品设计阶段，对整车性能和参数进行仿真分析和优化，使产品设计成功率和性能大提高。大幅度降低开发费用，缩短周期，达到丌发理想的预期目标车型。由此可见，计算机仿真汁算方法是汽车总体设计的有力工具。它不仅能分析和预华中科技大学硕士学位论文测汽车的动力性和燃料经济性及排放性能，而且结合设计的需要，设计预定的性能指标和技术要求找出最佳的设计参数。12国内外相关研究概况及预测自从上世纪五十年代人们将汽车设计上升到理论阶段，一般汽车设计厂都会对自己设计和制造的汽车进行动力性、燃油经济性计算。只是当时计算机技术尚不发达，每修改一个参数都要进行一系列复杂的公式运算，对动力传统系统的匹配谈不上优化。到了上世纪七十年代，计算机技术在美国Fl本等工业发达国家的应用蓬勃兴起，利用计算机编制程序，建立数学模型将复杂运算公式和运算过程都交由计算机完成，设计师将实际中可能出现的情况转化为输入和修改参数，很快就能得到计算机输出的结果，比较回归分析计算结果，轮回循环多轮；即可运用专业技术知识得到目标车型需要的动力性、燃油经济性适用的优化设计参数。美国通用汽车公司于1972年就研制出了GPS1M汽车动力性、燃料经济性的通过预测程序。福特汽车公司的TOFEP，康明斯发动机公司VMS，美国交通部的VEHSIM，同本的日产汽车公司的CSVFEP，奔驰公司的TRASCO等软件程序，都能对汽车的动力性、燃油经济性进行仿真计算及预测“5。161。7“跗。在国内，笔者所在的东风汽车公司，1975年，EQl40型载货汽车定型时就有专项动力性计算报告，1983年从日本进口的台式PC计算机开始进入设计室，由于有编程功能，当时就用BASlC语言编制出了动力性计算程序，从这时开始，以后在新车设计方案阶段，审查动力传动系匹配计算是必不可少的一项工作。一汽长春汽车研究所，清华大学，吉林工业大学等汽车院所和东风汽车公司一样，进入20世纪80年代后基层单位有了编程的台式计算机后，都开展了动力传动系匹配设计研究2。131。通过文献检索分析，国内外现有的研究有以下的特点9。20J1)汽车动力性、燃油经济性的仿真计算方法与优化已经普遍应用于汽车动力传动系统匹配的研究之中。2)汽车行驶工况的规范化，发动机和传动系特性的数学模型化。限于条件，基本上还是利用稳态工况下发动机试验获得的数据近似地仿真非稳态工况发动机的瞬态特性。3)汽车动力传动系统的优化匹配主要是传动系参数优化。其方法普遍是以汽车动力性能为约束条件，多工况燃油经济性为目标，没有考虑各种不同目标汽车的行驶工况特点。4)现有的汽车动力传动系统合理匹配的评价指标一般为多工况燃油经济性，或为4华中科技大学硕士学位论文汽车原地起步加速时间与多工况燃油消耗量的加权值。这一指标表示汽车基本性能参数的简单相加，并不能全面反映汽车动力传动系统的合理匹配程度。5)现有的汽车传动系参数优化方法并不适用，只能给出一个数值。因为汽车动力性和燃油经济性在一定条件下是相互矛盾的，所以，不可能存在某个方案，使两者都达到最优。展望未来，随着计算机技术的发展，计算机技术在汽车设计上应用越来越广泛，东风汽车公司于1986年率先在国内开始应用计算机进行二维的零部件设计，1997年开始应用PROE等软件进行零部件总成三维设计，目前已实现了整车设计全部三维数据，并能进行电子样车装配2210国外，应用三维设计技术比国内早十至十五年。汽车设计自从有了三维，人们就开始对其设计的零件进行产品性能仿真计算和仿真试验。对汽车各个总成及零部件进行一定深度的仿真和试验后，很快就想到要对整车性能进行仿真计算和仿真试验23|0在和日本日产汽车公司，法国雷诺汽车公司等国外大的汽车公司进行技术交流时，他们都谈到公司捌有自主知识产权的整车和零部件开发性能仿真计算机程序24-3010国内清华大学、江苏理工大学、我们华中科技大学都在进行三维的汽车整车性能仿真计算和仿真试验研究。一汽长春汽研所、东风商用车研发中心也部在开展整车性能仿真计算和试验应用方面探讨。随着汽车设计三维数字化技术的深入，将来进行整车动力传动系匹配研究时，完全可以应用三维仿真辅助计算分析初步选定动力传动系参数，再到试验收集采集的虚拟现实环境中进行仿照汽车实际行驶工况试验验证，反复将实际当中可能存在的方案轮回进行就可筛选出目标车型所需的动力传动系理想参数。13本文研究的主要内容本文通过数理统计和仿真计算，借助于计算机的强大数据处理能力功能，进行商用汽车动力传动系统选型和优化匹配。运用自编的“汽车动力性燃料经济性仿真计算程序”和奥地利AVL公司Cruise车辆整车性能仿真平台，以东风EQ611lLH大型客车为例，分别进行动力传动系统优化匹配仿真计算，通过本课题的研究，学习掌握商用汽车动力性燃料经济性仿真计算方法，为以后工作当中的应用和自主知识产权的汽车整车性能仿真计算和分析软件研究提出指导性意见。14本章小结本章首先对商用车动力传动系统优化匹配研究的意义作了全面的综述。提高运输生产效率、降低燃料消耗是其最重要的目的；随着计算机技术的发展，运用计算机技华中科技大学硕士学位论文术仿真计算是其研究的重要手段。分析了国内外自上个世纪八十年代就大量开展了这方面的研究情况，提出了本文的研究目的和主要研究内容。华中科技大学硕士学位论文21发动机的选择2商用汽车动力总成参数的选定根据开发的目标车型的使用环境、用途及吨位级，整车设计首先要初定的是适用的发动机。发动机是汽车的动力源。除为数不多的电动有轨城市客车，少量燃用CNG发动机的城市客车以及轻型商用汽车还有部分采用电子控制供油系统汽油机外，国内外商用汽车多用增压柴油机，与汽油机比，柴油机油耗低1530。发动机的性能主要有有效功率、有效扭矩、有效燃料消耗率、排放噪音水平等表征。发动机的功率越大，汽车的动力性越好；功率大也会使发动机功率利用率降低，燃料经济性下降，动力传动系统的质量也要求大，成本也增大B”。因此合理选择发动机功率非常重要。山区等道路条件不好的环境要求功率大螳，工程用车等重载车辆要求功率大些。选择发动机功率的原则之一是应当确保整车在最常用的车速下，发动机工作在万有特性图上经济最佳的区域。选择发动机时通常通过估算、计算、经验推理等方法；考虑公司及可能协作配套的厂家现有或可能潜在的资源等因数选取发动机最火功率，再根据发动机的扭矩特性以及相应转速、燃料消耗特性、排放噪音水平等选择合适的发动机。排放和噪音达不到国家规定的标准就首先遇到否定。排放和噪音不但要达到国家现行的规定，而且还要有潜力达到技术进步要求的F一步标准32。3310例如我国现行的要求是排放要达到欧II标准要求。如果发动机没有采用电喷或者电喷共轨供油技术的可能，就不可能达到欧III、欧的可能。开发一个全新的商用车，需要两至三年的时间，市场培育也需要一定的周期。排放、噪旨的标准，现行的做法都是三至五年技术进步上一台阶，达到新的法律法规要求。在仞定发动机时考核发动机达到现行和下一步排放噪音水平能力很关键。否则，待目标车型通过开发和市场培育，刚形成公司竞争力，就面临着寿终正寝灭顶之灾。发动机功率的选择主要通过经验推理方法，即参考主要竞争对手和潜在竞争对手同类型同级别的汽车来选择最大功率：通过国内外同级别同类型的汽车功率发展趋势选定发动机最大功率。其次，通过估算和理论计算选择发动机最大功率，也是在实际工作过程中较为可行的方法。仙算就是利用现有汽车统计数据初步估计汽车比功率来确定发动机最大功率。汽车比功率(九)是单位汽车质量(m)具有的发动机功率(P)。比功率的常用单位为K、WT。华中科技大学硕士学位论文扣刚一番+蒜吃。(2-1)汽车总质量rrl在设计的初始阶段也是一个估算值。在这里我们假定确定了目标车型的吨位级，就选定了它的估算值。理论计算方法确定发动机最大功率，主要是根据目标车型预期的最高车速圪。来确定的=寺(舞。+。蒜喘。)(2_2)式中：e。为发动机最大功率，KW；r，为传动系传动效率；m为汽车总质量，kg；g为重力加速度，ms2；厂为滚动阻力系数：圪一为最高车速，kmh；C。为空气阻力系数：4为汽车迎风面积，m2；m、C。、A、f、在、发计初期都是估算值或者是经验推断值，脚和C。值影响较大：在设计初期来说就非常重要。c。值在造型模型确认后，往往就安排1：5模型风洞试验来修订确认。在对目标车型的最大功率初步选定之后，紧随其后就是在公司及其和公司有配套及潜在配套关系的厂家、现有和正在同步开发及有可能改进的发动机资源中根据战略关系、竞争的需要初步定下目标车型的发动机。这期间将确定下来的发动机最大功率又不看作是一个具体数值，设计人员往往宏观地将它看成是一个功率值段，视和目标车型的理想接近程序，根据额定功率、额定扭矩、与之相应的转速、燃料消耗率等设定目标发动机1、1I、111等等。待将设定的各个目标假想发动机与后面选定的变速器后桥进行仿真计算，优选出适合目标车型需要的发动机j算初选定了发动机。可华中科技大学硕士学位论文算过程，还可以对发动机本身进行改进设计，适当做一些性能参数调整。例如，增加冲程长度，扩大缸径，调整供油系统供油量等微调以便选定的发动机理想地接近目标车型的需要。22变速器的选择汽车变速器的作用是把发动机的动力传给驱动桥，以适当的速度和扭矩，克服汽车运动过程中的阻力。如果发动机功率一定，阻力增加时只有增加扭矩，降低驱动桥的速度爿能满足汽车运动，目前，商用汽车多采用机械式变速器，是靠一系列可选择的齿轮传递扭矩和速度的，齿轮速比的间隔越窄，驱动桥便更能够有效的利用发动机的最大功率。变速器必须有一个足够大的速比，以保证目标汽车在道路条件恶劣的情况下能够起步和爬过规定的最大坡度；变速器还有一个最小速比，和驱动桥速比一起，让目标车型达到设计的最高车速。汽车爬大坡和起步时车速很低，可忽略空气阻力，最大速比(通常称为I档)可通过下面公式计算：f。丝型竺竺兰!坐鱼芝(23)”。ioqr式中：i。为变速器I档传动比；r为车轮半径；瓦为发动机扭矩；d为道路坡度；一般载货汽车的最大爬坡度约为30。一般客车的最大爬坡度约为22。对于有些增压柴油发动机，最大扭矩值远高于发动机怠速后800转分左右的扭矩值。此时还要验算I档速比是否在800转分，汽车起步克服四级公路9坡度所要求的低速扭矩。变速器最小传动比通常为1，有超速档的则为O709之间。在确定了变速器的最高档(I档)速比和最低档速比之后，中档各档的速比一般按等比级数分配档位的多少，速比问隔的大小决定变速器成本的高低。如果用s表示速比间隔。它表示较低档和相邻较高档速比之间的比率：5=墨R华中科技大学硕士学位论文式中：Ri为低档速比；月：为高档速比。如果用P来表征百分比间隔，则P=lOOx01)图21所示为现代直列和V型柴油机的功率一扭矩曲线。图中的转速为额定转速的百分比，功率和扭矩为最大功率和扭矩的百分比。j蕊i习j皇。+L一一、姜。_删叫一一J垃聚量巴将静嚣IK略功率_-一一一一L额定转速f1分比陶2-1般柴油机功率抓矩曲线从图21可以看出，最大扭矩点在略高于额定转速的70的地方，这实际上决定了最大速比间隔，相当于额定转速70时的速比问隔是143(I07)，因此速比间隔最好不超过140。图22表示有效的平均功率与速LIJ隔之间的关系。10霉速比间脯的百分数圈22速比J可隔的影响一般说来，速比问隔为40时，对应的平均有效功率达到91左右，当速比间隔高于80时，变速器就可能很难换档。如果速比问隔低于15时，平均有效输出功率达到97左右。当然速比间隔越小，档位就多。变速器的制造成本增大。当所有的速比间隔均为15，将会使发动机的最大功率在行驶过程始终得到充分利用，这正是公路运输高速化所期望的。对于最高扭矩较大高于额定转速时扭矩的增压柴油发动机，采用五档变速器，其速比间隔在5570之间；采用六档变速器，其速比间隔在56左右；采用九档变速器，其速比间隔在35左右：采用十档变速器，其速比间隔在26左右。由以上的分析可知，对变速器的选择，首先确定最大(I档)传动比。根据前面确定的发动机最大扭矩，就可以知道，变速器的最大输入和输出扭矩，也就确定了变速器的容量。变速器的最大输入和输出扭矩是表征变速器能力的重要值。现行情况下，我国商用车变速器的档位多在六档以内，六档以上多成为多档变速器，主要用在总质量20吨以上的重型载货汽车上。重型载货汽车的功率也大，耗油量大，增加变速器档位数不会过多的增加汽车整车的制造成本。采用多档变速器，可以适应复杂的使用条件，使重型汽车在具有足够的动力性同时有良好的燃油经济性。根据上面对变速器选择的原理原则，从公司及其和公司有配套和潜在配套关系的厂家现有和正在同步研发及有i叮能改造好的变速器数据库中初I少选择一些和目标车型适合条件的变速器I、II、I等。待进一步和发动机后桥进行动力性一燃油经济性仿真计算，优选后再确定。华中科技大学硕士学位论文23后桥的选择驱动桥位于动力传动系统术端，其基本功用是增大由传动轴或直接由变速器传来的扭矩。将扭矩合理的分配给左右驱动车轮；同时，驱动桥还要承受作用于路面和车架或车厢之间的垂直力、纵向力和横向力。对于总体设计人员来说，驱动桥的选择主要根据目标车型使用环境、用途、吨位级以及发动机、变速器、轮胎等有关参数，选择好传动系统的总传动比，并恰当地将它分配给变速器和驱动桥。驱动桥的减速比称为主减速比。驱动桥主减速比保证目标车型具有良好的动力性和燃油经济性。初定后桥主减速比，应尽量保证月标车型达到设计要求的最高车速：i：0377二堑(24)o0377嚣Q。4式中：，为车轮的滚动半径：n为发动机最大功率对应的转速；为目标车型设计最高车速；i为变速器的最高档速比，通常为1或0709之问。通过上式初定好主减速比后，计算驱动桥的输入扭矩M八=。-f。和输出扭矩Mm2一ig。io桥的输入和输出扭矩就决定了桥的传递扭矩能力，知道了要多大传递扭矩能力的桥和主减速比，就可以从公司及其公司有配套和潜在配套关系的厂家现有或正在同步开发及有可能改造好的驱动桥数据库中初步选辑一些和目标车型适配的桥I，II，m等，以便待进一步和发动机变速器进行动力性一燃油经济性仿真计算，优选后再确定。24本章小结本章提出了商用车动力传动系统总成参数的选用方法。视目标车型目的用途，通过比功率计算、最高车速计算、竞争对手同类同缴车推理以及资源条件选择发动机参数：通过最大最小变速箱速比的确定、输入输出扭矩容量的限定、等比级数、平均有效功率、成本价格竞争力和资源条件来选择变速箱及参数：通过主减速比和输入输出容量限定以及资源条件来选择后桥及参数。华中科技大学硕士学位论文3商用汽车动力性燃油经济性仿真计算31汽车动力性燃料经济性的评价311汽车动力性的评价汽车动力性是指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的、所能达到的平均行驶速度。汽车是一种高效率的运输工具，运输效率之高低在很大程度上取决于汽车的动力性。汽车行驶的平均速度越高，汽车的运输生产率越高：影响汽车平均速度的因素，除运输组织外，主要是汽车的动力性b4351。从获得的尽可能高的平均速度的观点出发，汽车的动力性主要可由三方面的指标来评定13611)最高车速Vmax最高车速是在水平良好路面上汽车能达到的懿高行驶速度。它仅仅反映汽车本身具有的极限能力，并不反映汽车实际行驶中的平均速度。商_Ej车的最高车速一般在70130kmJh之间。2)加速性能汽车的加速时问表示汽车的加速能力，它对平均行驶车速有很大影响。它的评价指标很多，但通用和统一的评价准则还没有。通常用原地起步加速时间与超车加速时间来表示汽车的加速性能。原地起步加速时间指汽车由第1档或第1I档起步，并以最大的加速度(包括选择恰当的换档时机)逐步换至最高档到某预定的距离或车速所需的时I训。超车加速时间指用最高档或次高档由某一较低车速全力加速至某一高车速所需的时间。3)爬坡性能汽车上坡性能力是用满载时汽车在良好路面上的最大爬坡度f表示的，如图31。显然，最大爬坡度是指I档最大爬坡度。道路坡度是以坡高与底长之比来表示的，即f：一h；tgaS有的国家规定在常遇到的坡道一k，以汽车必须保证的车速来表明它的爬坡能力。控制这个指标可以保证各种车辆的动力性相差不致太悬殊以维持路面上各种车辆畅通行驶。如要求单车在4的坡道上能以60kmh的车速行驶。在发展中的我国商用汽车华中科技大学硕士学位论文要行驶在各种道路上，要求必须具有足够的爬坡能力。载货汽车最大爬坡度一般30左右：客车最大爬坡度一般在22左右。h图3-1汽车的坡度312汽车燃料经济性的评价汽车燃料经济性常用一定运输r况下汽车行驶百公里耗油量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。目前，多采用等速燃料经济性和多T=况燃料经济性来评价汽车的燃料经济性。1)等速燃料经济性汽车等速燃料经济性是常用的一种评价指标，它指汽车在额定载荷下，以最高档在水平良好路面上等速行驶100km燃油消耗量。通常测出每隔10kmh或20kmh速度间隔的等速百公里燃油消耗量，然后在图上连成曲线，称为等速燃料经济特性盐线。以它来评价汽车的燃料经济性。但是，这种评价方法不仅没有反映出汽车实际行驶中受工况经常变化的影响，特别是市区行驶中频繁出现的加速、减速、怠速、停车等行驶1况。2)多工况燃料经济性汽车多工况循环模式，是在大量进行汽车实际行驶工况调研和统计的基础上获得的，因而采用多工况循环试验规范获得的汽车燃料经济性更接近行驶工况。自上世纪70年代起，各国为了能正确地模拟汽车行驶工况，在测定汽车典型使用工况的基础上，制定了各种试验规范，如联合国欧洲经济委员会颁布的ECEl5循环工况，美国汽车工程师学会SAE制订的燃料经济性测量道路试验程序J1082b，我国的GBT12545(汽车燃料消耗量试验方法要求载货汽车和公路客车进行六工况试验循环，城市客车进行四工况试验循环，并以这些试验循环的百公里燃油消耗量来评定相应行驶工况的燃料经济性。汽车动力性和燃料经济性指标实际E是相瓦矛盾的。因为动力性好特别是汽车加速性和爬坡性好，一般要求汽车稳定行驶的后备功率大：但对于燃料经济性来说，后备功率增大，必然降低发动机的负荷率，从而使燃料经济性变差。从汽车使用要求柬华中科技大学硕士学位论文看，即不可脱离汽车燃料经济性来孤立地追求动力性，也不能脱禺动力侄采孤丝】邑乐燃料经济性。因此，最佳的设计方案应是在汽车的动力性和燃料经济性之问取得最佳折衷。32商用汽车的动力性仿真计算方法321汽车行驶的动力性能正如前文所述，汽车行驶的动力特性主要可由三个方面的指标来评定：1)汽车行驶中能达到的最高车速；2)汽车行驶中能克服的最大道路坡度；3)汽车行驶中的加速能力(用原地起步、换档加速和直接档超车加速至一定车速所需的时间和距离表示，时间距离越短，则加速性越好)。决定及组成上述汽车行驶动力特性的因素和条件大致包括下列几方面：1)发动机的动力特性，如功率、扭矩及发动机相应的转速，因此必须提供发动机使用外特性曲线及数据。2)汽车的整车总重，这是目标车型设计中首先必须明确的。3)道路条件，即道路阻力。4)汽车的空气阻力，即相关窄气阻力系数和迎风面积。5)汽车传动系统的传动比。如：驱动桥主传动比及变速箱各档速比。6)轮胎的滚动半径、结构和特征。7)车轮和传动系的转动惯量。8)各档总传动比的机械效率。9)发动机的系统设计，如车上的进气系统、排气系统和供油系统等，这些系统中所产生的进气阻力、排气阻力和供油阻力等应不影响或牺牲发动机原有的动力特性(应通过检查，不得大于限值)。10)车上是否装有液压变速箱和空调等其他装置，因为这些装置消耗发动机的扭矩和功率。322发动机性能和汽车行驶动力性能关系曲线为了建立和分析发动机性能和汽车行驶动力性能之问的关系，首先对变速箱分别处于不同档位时建立下列两项关系式及关系曲线。1)发动机转速与汽车行驶车速之间的对应关系式。华中科技大学硕士学位论文矿：兰竺：翌60：o377竺“1000iFioigior=00254d2+6(1一旯)】(31)(3-2)式中：Va为车速(Kmh)n为发动机转速(rmin)i。为变速箱速比io为汽车驱动桥主传动比r为轮胎滚动半径(m)d为轮辋直径(iach)b为轮缘宽度(inch)为轮胎变形系数。小客车为：1214；载重车为：lO12；超低压轮胎为：1218。轮胎的滚动半径应通过实测获得，但一般也可以采用以上经验公式进行计算。EQ6111u客车发动机转速与汽车行驶速度关系如下图所示。譬菩j。螬求毒赫耐O204060gO100120149车速(kmla)图3-2EQ611ILH客午发动机转速与车速关系图2)发动机扭矩与汽车驱动轮上的扭矩和驱动力之I、日J的关系。正=Tqigio町，(33)6华中科技大学硕士学位论文JF=：互：玉盟旦(34)，式中：7：为作用于驱动轮上的扭矩(Nm)，瓦为发动机的扭矩(Nm)，从发动机使用外特性中获得，r7为传动系统的效率，F为驱动力(N)。变速箱速比具有多个不同档位，一档速比最大，一档行驶时车速最低而车轮上发出扭矩最大。最高档速比最小，最高档行驶时车速最高而车轮上扭矩最低。最高档有直接档和超速档之分，直接档速比为l，超速档速比小于1。汽车驱动力与车速之闭关系见图33。下：，、50誊R40督爵302010020车速(krnh)图3-3EQ61IILH客车驱动力与下速关系图传动机械效率轿是速比、车速和负荷等的函数，一般根据测试统计，rT值大致如1)变速箱处直接档时的传动效率玎2)变速箱处其他档位3)特别高的减速比驱动(终传动)754)64驱动5)66驱动92：90：80：87：82。华中科技大学硕士学位论文传动系统中摩擦功率损失将变成热能，通过润滑油及金属机件导热，辐射散发到外界空气。汽车上采用液压变速箱当然有其优越性，能大大提高行驶操作方便性，但液压变速箱传动机械效率较低，它散发的热量较大，机油必须采用机油冷却器进行冷却，比一般机械变速箱所消耗的摩擦功要大的多，必然消耗掉发动机的一部分扭矩，至于它的机械传动效率多少，应由液压变速箱制造商向用户提供。323汽车的行驶阻力汽车在水平道路上等速行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力(Fr)和来自空气的空气阻力(瓦)。当汽车在坡道上行驶时还必须克服重力沿坡道方向的分力，称为坡道阻力(F)。汽车加速行驶时还需要克服加速阻力(F)。因此汽车行驶总阻力为：F=Fr+只，+f+F，(3-5)道路滚动阻力P在任何行驶条件下部是永久存在的，空气阻力Fw在车速很低时可忽略不计。上坡阻力F及加速阻力一i仅在一定条件下存在，如果汽车在水平路面上以等速行驶，则F=O，F=O。1)道路滚动阻力一滚动阻力与汽车总重和滚动阻力系数有关，滚动阻力系数取决于下列因素：路面状念轮胎滚动速度轮胎结构及材料轮胎气压及接地负荷滚动阻力只=滚动阻力系数f车辆总重G，即只=fG(N)。所以必须首先确定滚动阻力系数f，滚动阻力系数可有三种途径求得：a)经验推荐的概值；b)公式估算法；c)汽车滑行试验测定法。车速在50Kmh以下时，滚动阻力系数变化不大，在100Kmh以上时滚动阻力系数增长较快，如果达到150Kmh或更大，则轮胎产生驻波现象，周缘不再是圆形而呈波浪状，致使滚动阻力系数剧增，同时会出现轮胎爆裂的危险，因此对轮胎要求很高。轮胎的气堆对滚动阻力系数影响也很大，气压降低时，在硬路面上轮胎变形大，滚动时迟滞损失有很大增加，滚动阻华中科技大学硕士学位论文力系数显著增大。不过，目前在进行汽车动力计算时，一般对滚动阻力系数进行简化多数采用0010，这里已考虑了轮毂内轴承到传动轴轴承的摩擦系数，并假定汽车在良好的路面上行驶。2)空气阻力昂昂=CDApVr2(36)式中：Cn为空气阻力系数(货车的C，=050-080，客车的_=O58080)。p为空风密度，一般p=I2258N-S2m。4A为迎风面积(m2)(常用汽车的轮距B与汽车高度Ha之乘积近似表示)。为相对速度(ms)，在无风时即为汽车行驶速度va，即v用Va(每小时公里Kinh)骶故易=瓣(N)3)坡度阻力F尸=Gsin口见图34F、rfi：。-。一卜l，-叠|oll，、园34汽下L坡行使时的受力示意图Q一1一图聊。j一卜=眩、。、心o、墼。6k“。乏一婀华中科技大学硕士学位论文：一-=；=；=；=#d为坡度倾斜角，在计算中，坡度常用百分比表示，即用升高(h)行驶距离(S)来表示，故坡度i=hS=tg口，当道路坡度不大时(gl2333444l555555566666666Speed136102i5829l96007l440i0i920i4876e61i69151461441753738533910667412800914934417067919201421334，94727110515126302142090157e7a1736661894S4roadSignal870110l168S1354iS7823732833210224332796342840553l563230”284264495360596585547359756798771688B0(bption(1100km)3189265218392l81126913841621937226613061358151718272l45249829531501170619472l99255829733455366L从10kmh剖130kmh等述行驶一1况燃汕消耗MaxlmumveloeityinthegearsGear一12345651各档最大加速度Velocity16i6278045B375271031213905Speed2200002200002200002200DO220000219533最高档最高下速为13905kmhHeasurodS口edRatio000000O00000000000O00000000000000000000000000000O00000000000000000000000000MeasuredSpe酣Ratio(一000000000OOO0000004华中科技大学硕士学位论文MaximumAccelerationGear(一i235661连续换档加速时间和距离Velozlt71002000300040005000500070008000900010000110001200013000Velocitykmh)i08517t72947484765478847旬日ed(irain14763013e29814l日5lU683139688139680谁最人加速度最人为254ms2。Gear(一1233455S686Distance2i5896246t52儿10231178592784842783636109028Z14371l228316378568Msured卸雠dPetio一000000OO0000Mea目LredSpeedRatio000000000000000000000009D0口00000口000000从10kmh连续换挡至130kmh，加速时间为13609s，距离为378568m71二档起步连续换档加速时间和距离T368111E2025324iSi7096139Distance419138l295156981071918347280384327364100907721442102288t3379064Speed8477515e29i144010192014146144175373204601170679192014213349173666189454205241lleasuxedSpeedRatlo00000000000000000000000000二档起步从lOkmh连续换捎至130kmh，加速时间为13959s，距离为379064m42n0tarei3880l32e旭：o0oAn(盐H；iil【hmi啪mm啪m州呲!illi0liiii6舱卧钙拍弛鸲神那盯们钉吕；r：。；。)l口。Ii0h000000000O000，婶，蚕如加如钟卸加帅帅叩加加如1i4751435329943334242955308050t76665758458330067271041267736130799Speedllmin)B5339106674128009149344170679192014213349MeasuredSpeedRat】o00000000000000直接档从40kmh加速至lOOkmh，加速时间为7736s，距离为130799m9)超速档40100kmh加速时间和距离Velocityk11h40005000600070008000900010000110001200013000Gear一6666666666T0265791122136152172199242Speed631518477594727110515126302142090157878173666189454205241MeasuredSpeedRario000000000000000000000000000000超速档从40kmh加速到100kmh，加速时间为15283s，距离为282424m4300OO000h0000O00，y00O0000tk45678901(1ColePCn；!i9am；li81S；li01ll!D384048427ii5惦勤叩虾“”的舱华中科技大学硕士学位论文蝻祭蚓莲置g|0cc一辱c一目IJo!一蚶导球H暴需越露H丑雌廿寸目匝u一口皇oI=0口一口o譬堪世。雠州囊臀熟茁露_r习啊壬c_目匝团刨哥球唾擎H暴臀划露1帐寸目匝团忙求挚H赛蒋描瑟Hct匝华中科技大学硕士学位论文图4-5EQ6111LH客车六r况驱动时间分布图从图4-5可以看出六工况时发动机驱动多在发动机低燃油消耗率区图4-6EQ6tllLH客车人J况耗油分布图华中科技大学硕士学位论文-一“D，FL曲嚣管。at熨印JBu口ijA、：ii；i!雌；4，。_，A，、一，。r。7，厂哆l：fZ幺Zz计：旋喜辔孥咄=二一”-嚣I”“幽47EQ611ILH客车等速百公里油耗(升卣公里)从图47可以看出各档速比下不同转速(对应车速)的燃油消耗。嚼图4-8EQ6111LH客车汽车功率平衡图从图4-8可以看出最大功率平衡139kmh处。华中科技大学硕士学位论文班毯剥器o；姐越制蕞嗡幽卅g通莨瓤摊丑懈口o【函互吕cI氓艘卅恒嚼琳盎。寻匦o一、1S。8Nl。lf!1氏1_=ll基。l日营芎，一。、l岛。I：甚占高：2。淤一舻A。一；1、8l0R；、赛舅蕙；is鼍孺：鲁高告：a聪f；jjjX$舀8击占蛊主宝；莒，jEI8g8。f8k书涟一9一，8j!二，i：o!：jigI。!gggl【州州I。I。【qqnp“5u蟾锻炉恒堪瓤啦a函i。奄蛊“口。口口11日$”。lxuvv；昌昌可，HH日耋毪目点ihoo口nuooon舅胃要置善量善善兰0nNNNNslI胃Z目H昌”pnu】：i，“目h。=占E0h翥8iig字苗o8目=oo2昌=毒gI妻毯ix_0镕盎j。暑号“。“。薯；点量：=雩譬詈曼i8墨錾。苗=鼍名二量三：豢鲁李p目bU昌。号8。8i；嘣“揣ju=330；盏3：2可doo，h言昌目#目莒嚣黼ig霉善月s目习|曼量口口口x暑-曩：鎏m0=口盘：华中科技大学硕士学位论文窖制曩靶避涮抖神H1_【_【gc)登函口口E2旨，ll$；。口。入一I#li凝圭_土_=H露_hj一j蕊s8-qi、g。El|tn。f。j：ixk翁。l5罩i；卜8争，撼l弋u日岛#g2目li!iig8o。l!g目!8。Xl：!ii百：2Ii!i：!；g重量量寸譬潮墨靶避端煳龄测颦“婶Ij一190uI【匝l；llio。；。hii|1gT#目：f=毒5N；一E蕞一一|!l!lr。281一PJjjf2jr0#Fj一一-l3。苒u再舀”l8“挝g100日：R郅高8g21寺；f；丐寸4=-。!；目iss。帕目要壹iu_自。qh篷B三8=g=5g；。gh重量；旨tn十+17ol=138毒蛊占华中科技大学硕士学位论文匝趟饕掣扑肺丌=_foo!毒匿。、!l，J一毕!：；Nl望皇二二二ii一：涮I!。1k!f；!粒必su一：、。|l鬻黼1=j2；N影iJ1巡g2、li；弛iisi搿一1-_8s譬!g三2mm毪目黑兰3：兰兰蛊j盈口；mY：璃，N目；!；：。iSillilwllpqt目赶垦曹幽嚣颦瑙裂册婶H1II一。吕cl奇匝i!iii。ij-jio罗蕊o|!Ss。8|；S。l3：；一。i：-“，w华中科技大学硕士学位论文43本章小结本章介绍了奥地利AVL公司及其AVLCruise仿真计算分析商业软件，运用其对EQ6111LH大客车进行了动力性能和燃油经济性仿真计算，输出了计算结果和非常直观的数表。说明经过优化后的EQ6111LH大客车动力性和经济性相对较好。华中科技大学硕士学位论文5商用车动力传动系统优化匹配汽车动力性与燃油经济性的指标已经能够较好的反映汽车动力性和燃油经济性。随着大型高速计算机技术的发展，在汽车方案设计阶段，就对整车建立起仿真模型，对动力传动系统中发动机、变速箱、后桥参数进行选择，就实际生产当中可能出现的各种方案进行仿真计算，优选出目标车型丌发所需要的动力传动系统参数136-381。即便有三种整车总质量，四种发动机，三种变速箱，-t0驱动桥和两种轮胎组合成216种方案，除了第一次计算建立模型要花较长时间外，以后每种方案都是修改模型参数，每种方案的计算花费不到10分钟，216种方案实际比一种方案多不到一个人一个星期的工作量。汽车的动力性和燃料经济性是其重要的性能，同时提高其性能是矛盾的，也是不可能的。商用车动力传动系统优化匹配的ljj的，是根据要优化的发动机使用外特性、变速箱、后桥速比等参数，在动力性和燃料经济性两者之间获得最佳平衡”4。不同的目标车型在实际使用过程叶用途不同，对动力性和燃料经济性要求的侧重点也就不同。51EQl094F6D型载货汽车设计开发实例根据市场需求的细分，对工程用的商用汽车，由于在实际使用过程中流动范围较小，重载甚至是超载，往往是工程建设的需要，加上使用环境恶劣，路面泥泞，附着力较小，坡度较大。对于这种目标用户使用的车型，应该在确保动力性的前提下平衡经济性。视竞争对手同吨位车型动力性情况，留足重载甚至是超载或带挂车爬大坡道的后备功率424310这种目标车型，出于重载原因车速不可能太高，但由于返程空载，车速也不能太低。最高车速基本上在80-90kmh之间，动力传动系统部件和参数的选择和优化都是优先考虑确保动力性的。以EQl094F6D型载货汽车的发计开发为例。EQl094F6D型五吨长头柴油载货汽车，发动机选用东风康明斯6BT59增压柴油发动机，主要技术指标为：华中科技大学硕士学位论文表516BT59和竞争对手CA6110柴油机主要参数6BTCA6110额定功率kWrpIll11826001182900最大扭矩Nm仲m5881300J50043】2000最低燃料消耗率g(kWh)215220为了和6BT59发动机匹配，采用磨擦片外径为0350离合器，从动盘带预减振器结构，液压气助力操纵；变速箱新开