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基于循环工况的城市公交客车动力传动系统参数研究 摘要 汽车动力传动系统参数是影响汽车动力性和燃油经济性最重要的因素，而循环工况 是汽车动力传动系统参数设计重要的参考依据。本文对城市公交循环工况的试验和开发 方法进行研究，并根据循环工况对汽车的动力传动系统参数进行优化设计。 提出了基于p v ( 特征值) 的城市公交循环工况开发方法。根据车流量在主要商业 区或工业区与居民区之间选择测试线路进行数据采集，以公交各站点间的行程作为短行 程，根据工况时间比例由短行程构建城市公交循环工况，并应用特征参数偏差平方和均 值选择典型城市公交循环工况。以某城市为例，对城市公交循环工况进行开发，并对开 发的循环工况进行模拟计算和试验验证，对基于p v 的城市公交循环工况开发方法的有 效性，以及应用该方法合成的城市公交循环工况的真实性进行了验证。 提出了基于d o e ( 试验设计) 的汽车动力传动系统参数优化设计的方法。对城市 公交客车的动力系统参数进行研究，利用燃油经济性动力性曲线，对某城市公交客车 的动力传动系统匹配方案进行分析和对比。以动力传动系统参数为设计变量，以参数设 计要求和动力性为约束条件，以循环工况下的油耗为目标函数，对动力传动系统参数进 行优化计算，并对比了不同循环工况下的优化设计结果，实现了基于循环工况的汽车动 力传动系统参数优化设计。对动力传动系统参数进行试验方案设计，对试验方案进行动 力性和基于循环工况的燃油经济性模拟计算，采用回归分析的方法对试验结果进行处 理，研究了试验因子及其交互对试验指标的影响，并对参数进行了预测和优化。 提出了改进的汽车动力传动系统参数评价的方法。提出动力性和燃油经济性影响因 子，利用综合性能因数对汽车动力传动系统匹配的合理性进行评价。以某客车为例，应 用上述评价方法对不同的客车动力传动的匹配方案进行评价，结果表明该方法具有很强 的实用性。 关键词：动力传动系统；优化；循环工况；燃油经济性；动力性 大连理工大学博士学位论文 t h es t u d yo np a r a m e t e r so fp o w e rt r a i nf o ru r b a nb u s b a s e do nd r i v i n gc y c l e s a b s t r a c t p a r a m e t e r so fp o w e rt r a i nh a v eg r e a ta f f e c t i o no nt h ep e r f o r m a n c eo fp o w e ra n df u e l e c o n o m ya c c o r d i n gt od r i v i n gc y c l e s t h et e s t sa n dm e t h o d so nd r i v i n gc y c l ea r es t u d i e di n t h i sp a p e r t h ep a r a m e t e r so fp o w e rt r a i nf o ru r b a nb u sa r eo p t i m i z e db a s e do n “讥n g c y c l e s am e t h o do fd r i v i n gc y c l ec o n s t r u c t i o nb a s e do np e r f o r m a n c ev a l u e ( p i sd e v e l o p e d f o ru r b a nb u s d r i v i n gc o n d i t i o nd a t ai sc o l l e c t e do nt h er e p r e s e n t a t i v er o u t e sw h i c ha r e s e l e c t e db e t w e e nt h em a j o rr e s i d e n t i a la r e a sa n dc o m m e r c i a lo ri n d u s t r i a la r e a sa c c o r d i n gt o t h et r a f f i cf l o w t h em i c r o - t r i pi sd e f i n e da sat r i pb e t w e e nt w ob u ss t o p s ad r i v i n gc y c l ei s t h e nc o n s t r u c t e dw i t ht h er a n d o m l ys e l e c t e dm i c r o t r i p sa c c o r d i n gt ot h ep r o p o r t i o no ft h e d r i v i n gc o n d i t i o n t h er e p r e s e n t a t i v eu r b a nb u sd r i v i n gc y c l ei ss e l e c t e db yt h ed e v i a t i o no f t h ep a r a m e t e rm e a nv a l u e t h ei m p r o v e dm e t h o do fu r b a nb u sd r i v i n gc y c l ec o n s t r u c t i o na n d t h es y n t h e s i z e dd a l i a nu r b a nb u sd r i v i n gc y c l ea r eb o t hv e r i f i e dw i mt h ec a s es t u d yo fu r b a n b u si nd a l i a n am e t h o do fd r i v et r a i np a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nd e s i g nb a s e do nd e s i g no fe x p e r i m e n t ( d o e ) i sd e v e l o p e d t h ep a r a m e t e r sa r ea n a l y z e df o rt h em a t c ho fp o w e rt r a i na c c o r d i n gt o t h ec u r v e so fp o w e ra n df u e le c o n o m yp e r f o r m a n c e t h ep a r a m e t e r so fp o w e rt r a i na r ea l s o o p t i m i z e dw i t ht h er e s t r a i n t so fp o w e rp e r f o r m a n c ef o rt h eo b j e c t i v eo fm i n i m u mf u e l c o n s u m p t i o ni nd r i v i n gc y c l e s t h ef u e lc o n s u m p t i o ni sr e d u c e dw i t ht h en o r m a lp o w e r p e r f o r m a n c et h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o no fp o w e rt r a i n t h em e t h o do fo r t h o g o n a ld e s i g ni s a p p l i e di nt h ed o e ，a n dt h ee x p e r i m e n t sa r es i m u l a t e d t h er e s u l t sa r ea n a l y z e d 谢mt h e a n a l y s i so fr e g r e s s i o nt os t u d yt h ee f f e c to ft h ed r i v ea n df u e le c o n o m yp e r f o r m a n e eb yt h e f a c t o ro fd r i v et r a i np a r a m e t e r s t h ep a r a m e t e r so fd r i v et r a i na r ea l s od e s i g n e d 谢mt h e m e t h o do f o p t i m i z a t i o nt op r o v i d et h er e f e r e n c eo f t h ed e s i g no fd r i v et r a i n a ni m p r o v e d m e t h o d o l o g y o fm a t c h i n ga n de v a l u a t i o nf o ra u t o m o t i v e p o w e r t r a n s m i s s i o ni sd e v e l o p e d 丽mt h ei n t e g e rp e r f o r m a n c ef a c t o rb a s e do nt h ew e i g h t e ds u mo f p o w e re f f e c tf a c t o ra n df u e le c o n o m ye f f e c tf a c t o r t h ee v a l u a t i o no ft h ep o w e rt r a n s m i s s i o n m a t c h i n go fab u sw i t l lt h ei m p r o v e dm e t h o d o l o g ys h o w st h a tt h em e t h o d o l o g yi sp r a c t i c e d b a s e do i lt h er e s u l to ft h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n dt e s tv e r i f y k e yw o r d s ：p o w e rt r a i n ；o p t i m i z a t i o n ；d r i v i n gc y c l e ；f u e le c o n o m y ；p o w e rp e r f o r m a n c e i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：蒸孟缅丛至亟壶! 亟墼垫丕至塑丛耋望圣经玺敦熟 作者签名： 凼二藿宙 日期：递芝年丛月j 1 日 大连理工大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论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。 学位论文题目：勃缝丛至l 选亟盘碰童坳丝避避壑咝 作者签名： 导师签名： 日期：垃年卫月卫日 日期：逝2 年上月卫日 基于循环工况的城市公交客车动力传动系统参数研究 引言 随着汽车工业的飞速发展，汽车产业已经成为国民经济的支柱产业。中国加入世界 贸易组织后，改革开放更迸一步地深入，在今天更加开放的市场环境下，中国的汽车工 业发展势头令人瞩目。在全球化浪潮不断激荡下，中国的汽车工业在正逐渐地融入到全 球汽车市场的发展体系中。很多跨国汽车公司纷纷看出中国汽车市场的发展潜力，对中 国的汽车市场高度重视，加速在中国的战略拓展，将中国发展成为重要的汽车生产制造 及销售基地。 同时更多的中国汽车企业也开始走出国门，拓展国际市场。中国汽车企业从生产制 造、研发、销售和服务等各个方面，积极寻求与国际企业的深入合作与拓展。我国汽车 行业销售需求旺盛，汽车保有量也持续快速增长。2 0 0 2 年至2 0 0 7 年，我国汽车销售量 从3 2 7 万辆增长到8 8 5 万辆，2 0 0 8 已经达到9 3 8 万辆，2 0 0 9 年已经超过1 0 0 0 万辆。我 国已经步入了汽车生产和销售大国行列，汽车行业已经成为国民经济的支柱产业，是拉 动国民经济增长的重要力量。 安全、节能和环保是目前汽车工业发展中人们最关注的问题，也是各个国家汽车工 业的重要发展战略。随着汽车保有量的快速增加和汽车工业的飞速发展，人们对汽车安 全、节能和环保方面的要求也越来越高。最新的安全和排放法规不断实施和石油资源短 缺与价格增长，汽车工业正在面临着一场新的技术革命。 汽车作为当今社会主要的交通工具，正在吞噬着世界的大部分石油资源。按照目前 的状况，几十年后无石油可开采的世界将是无法想象的。同时汽车排放引起的温室效应， 导致全球变暖也是当务之急需要解决的问题。防止全球变暖、节约燃油、严格控制排气 污染，已经成为国际社会极为关心的热点议题。当前汽车技术正朝着“高效率、低排放、 性能优、价格低”的方向发展。为实现最新的节能与排放法规的要求，以混合动力、纯 电动和燃料电池为代表的电动汽车是目前开发研究的重要课题，并且已经部分生产使用 了。从长远看来，电动汽车才是高效节能汽车的发展方向，它凭高效、节能、低噪声、 零排放等优点，注定成为今后研究的重要课题。 在提高汽车的能源利用率和控制排放污染的研究过程中，如何准确合理的对车辆和 动力系统进行测试，是对车辆和动力系统正确评价的前提。而对车辆和动力系统的正确 评价，对很大程度上决定了车辆和动力系统性能优化及排放控制方案的制定。 大连理工大学博士学位论文 1绪论 1 1 课题的选题依据和意义 汽车动力系统参数是影响汽车动力性和燃油经济性的重要因素，而汽车的行驶工况 和发动机的运行工况在整车和发动机的研究开发中，起着至关重要的作用。符合实际使 用情况的工况数据，是优化动力系统性能，提高整车的动力性和燃油经济性重要前提。 车辆行驶工况是针对某一类型车辆( 如乘用车、公交车、长途客车、重型车辆等) 指定用来代表特定交通环境下( 如城区、高速公路) 车辆行驶特征的速度一时闻历程， 是对车辆的实际行驶状况的调查，并对试验数据进行分析统计，建立起来的典型工况。 世界各国的工况研究和开发，根据评价目标和研究对象的不同，形成了种类繁多、用途 各不相同的工况。这些工况满足了从轻型车到重型车、从汽油车到柴油车等各种系列的 车辆的性能测试。随着工况研究的深入和完善，行驶工况具有典型的道路实际驾驶特征， 能够反映车辆真实的操作工况，为考察某类车辆在某一地区的排放或能量消耗量提供评 价标准和检测依据，并为车辆设计的动力传动系统匹配、经济性能优化提供参考。 车辆保有量的增加改变着车辆的实际行驶工况，它们需要通过对真实的道路工况的 持续评估加以修正。了解和掌握行驶工况的研究动因、对象和型式，以及各种主要工况 间的差异及其发展，对开发我国的循环工况具有重要意义。 城市公交循环工况对城市公交客车的排放和燃油经济性影响很大，客车动力系统的 结构形式、参数匹配和控制策略开发等必须以汽车的循环工况为设计数据。同时，整车 开发完毕，也必须以循环工况为基础进行试验验证。现有的城市客车工况不能反映出某 特定地区实际客车的运行特点和动态特性。基于循环工况的汽车动力系统参数设计，在 对整车和发动机实际运行工况的研究的基础上，建立车辆的循环工况，并对车辆动力系 统参数进行优化，无疑对改善动力传动系统的匹配，真实全面的评价车辆的燃油消耗量 和污染物排放都有着重要的意义。 1 2 循环工况的研究和现状 循环工况广泛应用在汽车污染物排放和燃油消耗量的测量中【l 训。目前世界范围内 车辆测试用行驶工况可分成欧、美、日等三大法规体系【5 】a 美国f t p 联邦认证程序为代 表的瞬态工况f t p 7 2 和e c e 为代表的模态工况n e d c 也为世界各国所广泛采用。 美国行驶工况种类繁多，用途各异，大致包括认证用f t p 系、研究用w t 系和短 工况i m 系3 大体系，广为熟知的有联邦测试程序f t p 7 5 、洛杉矶l a 9 2 和负荷模拟工 况i m 2 4 0 等行驶工况睁9 】。 基于循环工况的城市公交客车动力传动系统参数研究 在2 0 世纪6 0 年代，人们上下班所用汽车排放的废气，使美国加州洛杉矶制定了乘 用车和轻型载货汽车用行驶工况。经过研究，从一条具有代表性的汽车上下班路线上解 析出车辆的速度时间曲线，在1 9 7 2 年被美国环保局( 简称e p a ) 用作认证车辆排放的测 试程序( 简称f t p 7 2 ，又称u d d s ) 。e p a 的u d d s 循环逐渐发展在底盘测功机上测试重 型车辆的循环，称为h i ) u d d s 循环，如图1 1 所示。h d - u d d s 循环共1 0 6 0 s ，行驶 8 9 k i n ，平均速度为3 0 4 k m h ，最高速度为9 3 3 k m h 。 号 魁 龋 0 2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 0 时间o ) 图1 1f t p 7 2 循环工况 f i g 1 1 f r p 7 2d r i v i n gc y c l e 按照这种程序来控制车辆排放削减，被认为考虑了最严格的情形。兀p 7 2 由冷态过 渡i 况( o - - - 5 0 5 s ) 和稳态工况( 5 0 6 1 3 7 0 s ) 构成。1 9 7 5 年在f t p 7 2 基础上加上6 0 0 s 熟浸 车和热态过渡工况( 重复冷态过渡工况) 。这4 个阶段构成了研瞪7 5 ，持续时间2 4 7 5 s ，同 时可用于车辆热启动排放的检查。由于交通网络的发展，道路出现许多主干线和高速道 路，车辆高速运行时间在出行的时间中所占的比例越来越大，发动机3 种主要污染物的 排放特征发生改变，e p a 发布了f t p 修订。研究者们开发了许多能够更加反映真实交 通状况的循环，如考虑了道路变化的u s 0 6 、车辆开空调满负荷运行的s c 0 3 ，作为f t p 的补充工况，形成s f t p ( s u p p l e 2 m e n tf t p ) ，并应用于2 0 0 1 年度后生产车型的排放测试。 而被e p a 用于乘用车高速公路燃油经济性测试的循环( h w f e t ) ，由于道路坡度对于车 辆油耗的影响，还开发了可变坡度的循环h w f e 他m t n 。 对于重型车辆的研究近年来有侧重于瞬态工况方面的趋势。其中b a c 被推荐作为 测试重型车燃油经济性的操作规程( s a e j1 3 7 6 ) 。c b d l 4 是商业中心区域车辆测试循环， 如加如m o 大连理工大学博士学位论文 也是b a c 复合测试循环的一部分，运用1 4 个相同的循环模拟公交车停车到运行的驾驶 模式。c b d l 4 近似于c b d b u s 循环，但是时间步长可变。其它还有用于货车的 c b d t r u c k 循环、城郊通勤往返测试的c o m m u t e r 循环。比较著名的还有市内测功 机测试循环u d 2 d s h d v ，模拟重型汽油机市内区域的操作，运行长度为1 0 6 0 s ，3 3 为 怠速、平均速度3 0 4 h n h ，并用于燃油蒸发排放测试。纽约城市循环n y c c 则更是代 表了市内区域道路大型车辆的运动工况。它们作为f t p 标准工况被广泛应用。 为了评价公交车的排放效果，美国西弗吉尼亚大学通过对纽约城市曼哈顿地区几条 不同的、公认的繁忙运行路线上的混合电力和常规动力的公交车的操作和状态进行调 查，开发了一组含1 0 个短行程的循环，短行程之间怠速时段1 9 s ；为满足足够的能源消 耗测试，将短行程数目增加至2 0 个，作为常规动力用在运输车n e w y o r k b u s 工况。还 研究了代表重型车道路测试数据复合行驶工况c s h v r ；各种微型行程组成的典型城市 复合行驶工况一市区w v u c i t y 、郊区w j s u b 和洲际w 7 i n t e r ，以及n y c o m p 、 n y c t r u c k 等工况。 除了用于底盘测功机的工况外，对于重型车辆，还有使用在发动机台架上的代表性 工况，它用发动机转速和转矩计算的车辆特性( 最大功率比率、最大转矩) 来描述。测 试工况循环包括一套稳定的按照发动机转速和转矩( 欧洲和日本规则) 定义的操作事项， 或者是同时以瞬时发动机速度一转矩指示( 美国规则) 的瞬态循环。1 9 8 5 年开始，美国 e p a 的重型车用柴油机采用瞬态工况试验法取代1 3 工况试验法，根据整车的运转循环， 用计算机采集转换成发动机的运转工况进行测试，运转工况为瞬态工况。 在欧洲，为研究适合欧洲的交通状况的循环，研究人员系统地比较各种已有的用于 测量和控制排放程序( 欧洲、日本和美国) 和技术( 采样和分析装备等) ，通过各种不 同的车辆，研究车辆行驶工况。依据道路拥挤程度或流量大小，分类定义成不同道路区 域，如市区、郊区和高速以及平均速度、加速度的多种层级归类，人为地开发和层叠成 稳定的速度和加速度段【l m l 3 】。 用于在底盘测功机上认证轻型车排放的e d c ，在欧洲又称为m v e g a ，现发展成为 n e d c 。在该循环里局部循环速度是恒定的，是一种稳态工况。包括市内e c e l 5 、市郊 e u d c 或市郊低功率车e u d c l 。e c e l 5 是一个包括4 个代表市区驾驶状况的运转循环 u r b a n d c ，具有低速、低负荷和低排气温度的特性。由于车辆城郊运行比例增加，1 9 9 2 年开发了代表高速行驶工况的e u d c 或e u d c l o w 片段，在e c e l 5 基础上增加1 个 e u d c 或e u d cl o w ，就构成现在大家熟悉的e c e + e u d c 。在2 0 0 0 年之前，即欧洲 i i 排放法规实际应用时，工况不计量0 - 4 0 s 的运转。而欧洲排放法规则由于更加严 格控制车辆排放，考核发动机冷启动排放，排放采样和运转循环同步，采用完整的运转 一4 一 基于循环工况的城市公交客车动力传动系统参数研究 循环，并称之为新欧洲运转循环，简称n e d c ，如图1 2 所示。n e d c 循环持续时间为 l1 8 0 s ，行驶里程11 0 0 7 k i n ， e c e l 5 循环平均速度为1 8 7 k m h ，最高速度为5 0 k m h ， e u d c 循环平均速度为6 2 6 k m h ，最高速度为1 2 0 k m h 。整个n e d c 循环平均速度为 3 2 1 2 k m h ，最大加速度为1 0 6 m s 2 。 图1 2n e d c 循环工况 f i g 1 2 n e d cd r i v i n gc y c l e 模态循环用于能源消耗或排放方面，由于变速策略的不同可能造成测试结果有一些 细微差异。欧洲e c e r l 5 1 0 4 所采用的循环工况，针对手动和自动挡车辆就考虑了这种 差异，工况的行驶距离和平均速度分别为4 0 6 k m h 和1 8 7 k m h 以及3 , 9 8 k m h 和 1 8 4 k m h 。 从速度时间曲线中分析发现，欧洲循环稳定速度的比例太高：各种驾驶状况的分不 均，如平均驾驶工况的持续时间短而中心市区驾驶工况的持续时间长等，而且平均加速 度值也比真实的要低一些；e c e 循环仅接近过去时代的城市中心状况。总之，这种循环 存在着相当的局限性。当欧洲循环被认为不充分时，研究人员确认f t p 7 2 循环能相对较 好地满足欧洲城市的平均交通状况。主要原因是由于n e d c 属于模态循环，并不能代表 真实的驾驶状况。出于开发新型动力车辆的需要，欧洲基于b r i t ee u r a mh y z e m 项目开发了一组称之为h y z e m 循环的实际行驶工况，它属于瞬时循环，h y z e m 包含 了市内循环、市郊循环和高速循环。该工况基于贯穿欧洲城市道路、8 9 部车辆真实驾驶 模式记录数据库，因而它比标准的欧洲循环更能代表驾驶条件。相对于模态循环，其稳 拗 卅 们 柏 如 。 耋崔蝈 大连理工大学博士学位论文 定速度部分要少很多。平均速度4 0 4 k m h ，停车次数o 6 9 次k i n ，平均加速度0 7 1 m s 2 ， 最大加速度1 3 m s 2 。可能由于它是1 9 9 7 年后的研究成果，尚未被官方所采用，但已被 各种研究广泛使用。 与欧洲行驶工况相似，日本工况也属于模态工况。在1 9 7 6 年之前，日本一直采用 1 0 工况1 0 m o d e 工况来模拟市内行驶工况，重复6 次，对后5 次取样，即所谓热启动。 1 9 7 6 年度以后生产的车型，采用1 1 工况，从冷启动开始，重复4 次循环，对全过程采 样，行驶距离和平均速度分别为4 0 8 k m 和3 0 6 k m h 。1 9 9 1 年1 1 月，采用了1 0 1 5 工况， 由4 个1 0 工况和1 个1 5 工况构成。虽然j 1 0 1 5 工况并未成为国际工况，但行驶工况的 研究在日本仍得到持续和深入。日本坚持自己的工况，而世界其他各国，或采用欧洲或 采用美国，主要是该工况与欧洲、美国的认证行驶工况具有良好的相关性。目前正在对 1 0 1 5 工况进行修订，新的循环称c d 3 4 工况。 日本j e 0 5 重型车排放法规的瞬态测试循环，如图1 3 所示。根据整车的运转循环， 计算采集转换为发动机的运转工况进行测试。整个循环持续时间约1 8 0 0 s ，平均速度 2 6 9 4 k m h ，最高速度8 8 k m h 。 9 0 8 0 7 0 量篓 倒o 蜊3 j 2 0 o o 5 0 01 0 0 01 5 0 0 时间 图1 3日本j e 0 5 瞬态测试循环工况 f i g 1 3 j e 0 5t r a n s i e n tm o d ed r i v i n gc y c l e 此外澳洲的很多城市也在开发各自城市的循环工况，包括悉尼、墨尔本和佩斯等城 市【1 4 。1 7 1 。中国香港也提出了改进的循环工况开发方法，并开发出了香港城市循环工况 【1 8 一1 9 】 o 我国虽然在工况研究方面起步比较晚，但是发展速度还是相当快的。为了建立符合 我国汽车实际使用情况的行驶工况，许多高校和科研机构都以我国常用车型根据典型城 基于循环工况的城市公交客车动力传动系统参数研究 市的道路情况，对符合我国国情的汽车行驶循环工况的试验方法和理论进行了研究与探 讨。 中国汽车技术研究中心的朱西产和李孟良，分别对车辆行驶工况特征、构成以及开 发方法进行了深入细致的研究。对几个典型国家和地区( 美国、欧洲和日本) 开发并采 用的几种有代表性的行驶工况及各自的特征进行深入的研究和对比。通过把记录的车速 曲线在连续的停顿处分割成运动学片段的方法来研究交通状况特征。用主成份分析法和 聚类技术提炼这些运动学片段的特征。根据统计分析的概率随机选择并重组实际运动学 片段，构造了一系列行驶工况。基于大量的车辆行驶工况开发的方法和设备的研究，将 车辆行驶工况的开发从道路调查到工况的验证分为五个基本过程。结合具体项目的研 究，对每一个过程所使用的方法进行了深入的论述。应用研究结果证明了这种方法的完 整性性和科学合理性 2 0 - 2 5 。 一汽集团技术中心的刘明辉和赵子亮等，对城市客车循环工况开发的程序和测试方 法进行研究，通过测试仪器和数据采集系统，完成了北京城市客车循环工况的测量。对 北京公交客车的实际运行特点进行分析，得出北京城市客车的平均车速、运行时间、停 车时间、客流量分布以及变速器挡位分布，基于城市工况的特征，提出了一种多条线路 循环工况的合成方法【2 6 1 。开发出的北京城市公交循环工况，如图1 4 所示。 董 篓 05 x il f x oi 角x i2 l x x l 2 5 t l l t x x )3 辩m 时同 图1 4 北京城市公交客车循环工况 f i g 1 4 d r i v i n gc y c l eo fb e i j i n gf o ru r b a nb u s 同济大学对上海市区道路车辆运行条件进行了调查的试验规划与试验方法的研究。 根据交通信息对城市道路进行分类，得到试验道路。在试验过程中采用了直接读取电喷 发动机e c u 数据的方法。通过系统大量的数据采集工作，得到了上海市车辆运行条件 的初步统计参数，并在此基础上按照欧洲行驶循环曲线的构造方法，构造出上海市市区 行驶工况循环曲线【2 他8 1 。构造出的上海市区行驶工况循环，如图1 5 所示。 锯枷赫挪器洳硌m 5 o 大连理工大学博士学位论文 1 0 0 量： 剖4 0 划2 0 0 02 0 04 0 06 0 08 0 0l o 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 01 8 时问 图1 5 上海城市市区循环工况 f i g 1 5d r i v i n gc y c l eo fs h a n g h a ii nu r b a na r e a 天津大学在汽车道路行驶工况的测试中，通过大量试验研究和理论分析，构造了1 3 各分析道路特征和速度构成特性的准则参数，并按照各种参数对机动车辆污染物排放两 影响程度的大小，对各个准则数个于不同的相对误差阈值，同时给出了合成代表性行驶 工况的方法和步骤，最终建立了天津市市区汽车行驶工况【2 9 1 ，如图1 6 所示。 7 0 卯 耋： 簧3 0 1 0 o d 加0柏06 叩 8 叨 l o 时问国 图1 6 天津市区循环工况 f i g 1 6d r i v i n gc y c l eo ft i a n j i ni nu r b a na r e a 除此之外，华南理工大学也对广州市区行驶工况循环进行了测量【3 们，武汉理工大学 也总结出了武汉市区城市公交车的行驶循环工况【3 舢。总的来说，全国很多大城市的城 市循环工况都进行了实际的测量，并进行了比较深入的研究，开发出了各自城市区域的 循环行驶工况。但是与国外相比还有很大的差距，不能像欧美和日本一样形成一个比较 统一完善的，适合中国实际道路情况的行驶循环工况标准，特别是对于运行工况更为复 杂的城市公交客车，在这个方面还有待进一步研究。循环工况也广泛应用到汽车发动机 性能的研究中，用于测量发动机污染物的排放和燃油消耗量的测量【3 5 都】。 基于循环工况的城市公交客车动力传动系统参数研究 由于历史认识和技术原因，我国现行的国标g b t1 8 3 5 2 2 2 0 0 1 轻型汽车排放污 染物测试方法和g b f r18 3 6 8 2 0 0 1 电动汽车一能量消耗率和续驶里程一试验方法 都是采用欧洲行驶工况。而g b t1 2 5 4 5 2 0 0 1 中仅有一个非常简化的四工况、六工况。 这些工况都不具有我国城市车辆行使工况的代表性，不能满足我国汽车工程人员在开发 和设计时使用要求，也不能准确评估车辆实际排放和使用油耗。而2 0 0 5 年5 月2 3 日颁 布g b t1 9 7 5 4 - 2 0 0 5 重型混合动力电动汽车能量消耗试验方法，采用了“中国典型 城市公交循环 【4 5 1 。 1 。3 汽车动力系统参数的研究和现状 美国通用汽车公司首先开发了汽车动力性、燃油经济性的通用预测程序g p s i m ， 在测定汽车典型行驶工况的基础上，国外大的汽车公司也都相继开发了各自的模拟程 序，如福特汽车公司的t o f e p ，康明斯公司的v m s ，美国交通部的v e h s i m ，日产汽车 公司的c s v f e p ，奔驰汽车公司的t r a s c o 等，使用这些程序在样车制造前，就能准 确地对汽车动力性和燃油经济性进行预测，并可以根据集中传动系速比的变化，引起整 车性能的变化，形成“最佳动力性、燃油经济性曲线”和“c 曲线”，从而找到能与所 选发动机合理匹配的传动系。目前，国外的动力系统参数的研究主要集中在电动汽车的 动力系统匹配中，包括混合动力电动汽车的动力参数匹配和燃料电池汽车动力参数的匹 配研究。 s h e u 对混合动力电动汽车的动力传动系统进行了分析和评价，特别是对混合动力的 电控系统和动力传动系统的参数进行了研究【4 6 j 。c o r b o 等对燃料电池动力系统在公共交 通的应用进行了试验研究。燃料电池电动汽车需要燃料电池和电控能量存储设备，以进 行核实的能量管理系统【4 7 i 。动力传动系统性能和效率的优化需要进行试验的分析，对静 态和瞬态的循环工况都必须有效。对小型客车的燃料电池动力系统进行试验，对在动态 工况下的燃料电池的能量管理系统进行了研究。参考欧洲r 4 0 循环，对动力传动系统进 行试验，在特定的循环工况下，模拟车辆和道路参数。对软混合和硬混合两种不同的控 制策略进行对比，对能量存储系统和电子驱动系统进行系统的研究【4 引。 ，m i z s y 等对四种不同的动力传动系统进行开发，对比了内燃机与混合动力、燃料电 池等动力源的驱动系统的排放和能量利用效率。虽然内燃机的费用较低，但其能量的利 用率和排放却远不及新能源车辆，并通过实例验证了新能源车辆动力传动系统的可行性 【4 9 】 o 我国汽车动力传动系统匹配的研究起步比较晚，8 0 年代后期，国内一些研究机构和 高校展开了相关的研究工作，主要围绕汽车动力传动系统最有匹配的评价指标和汽车动 大连理工大学博士学位论文 力传动系统参数的优化两个方面进行研究 5 0 彤】，并逐步向混合动力及燃料电池电动汽车 的动力系统匹配方向发展。 吉林大学的葛安林等在汽车动力传动系统参数的最佳匹配中，以真实的瞬态过程代 替稳态过程，使用细化的精确模型和整体优化，实现了动力传动系统参数的最佳匹配 5 4 1 。 清华大学刘惟信和戈平等对汽车发动机与传动系统参数的最优匹配研究中，对发动 机与传动系的匹配进行了一系列的分析，并提出了优化的设计方法，使整车的综合性能 有了显著的改善。随后又提出了优选传动系参数与给定发动机参数的匹配和优选( 调整) 发动机参数与给定的传动系作最优匹配的几种方法【5 5 1 。 江苏理工大学的何仁应用数理统计的方法，综合考虑汽车发动机最佳经济区和汽车 常用的行驶工况，提出汽车动力传动系统合理匹配的实用方法，并以实例验证了实用方 法的正确性和可行性【5 6 , 5 7 】。 天津大学机械工程学院的岳惊涛，在选择动力源的基础上，对影响汽车动力性能的 主要指标提出了理想的评价标杆，并以此为依据，建立了汽车动力系统匹配的多因子加 权分值的评价方法【5 8 】。 如何能够优化动力传动系统的参数，以及对所选的参数进行合理评价一直是正在研 究的课题，特别是根据某一地区汽车行驶的工况优化在该地运营的公交车辆，将对提高 其动力性和燃油经济性有这决定性的意义。 试验设计( d o e ) 也是现代进行优化设计的一种常用方法。试验设计通过优选选择 对产品特性影响比较大的各相关参数，确定因素重要程度和水平搭配，可获得最好的产 品特性指标，并考察影响产品特性的各个参数。试验设计应用在多参数的优化设计中 【5 2 1 ，而在动力系统参数的优化匹配中还没有得到广泛地应用。 1 4 本文研究的主要内容 本文结合国家高技术研究发展计划暨8 6 3 计划项目“电动汽车运行试验与技术考核 ( 项目编号：2 0 0 8 a a l1 a 1 6 4 ) 和某企业的客车动力系统参数优化项目，基于循环工况 对城市公交客车的动力系统参数进行了系统的研究。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 提出了基于p v ( 特征值) 的城市公交循环工况开发方法。根据车流量在主要商 业区或工业区与居民区之间选择测试线路进行数据采集，以公交各站点间的行程作为短 行程，根据工况时间比例由短行程构建城市公交循环工况，并应用参数偏差平方和均值 选择典型城市公交循环工况。以大连为例，对城市公交循环工况进行开发，并对开发的 循环工况进行模拟计算和试验验证，对改进的城市公交循环工况开发方法的有效性，以 及应用该方法合成的大连城市公交循环工况的真实性进行了验证。 基于循环工况的城市公交客车动力传动系统参数研究 ( 2 ) 提出了基于d o e ( 试验设计) 的汽车动力传动系统参数优化设计的方法。对城 市公交客车的动力系统参数匹配进行研究，以某客车为例，利用燃油经济性动力性曲 线，对某城市公交客车的动力传动系统匹配方案进行分析和对比。以动力传动系统参数 为设计变量，以动力性为约束条件，以循环工况下的油耗为目标函数，对动力传动系统 参数进行优化计算，并对比了不同循环工况下的优化设计结果。在保证汽车动力性的前 提下，提高了燃油经济性，实现了基于循环工况的汽车动力传动系统参数优化设计。以 某客车为例，对动力传动系统参数进行试验方案设计，对试验进行动力性和基于循环工 况的燃油经济性模拟计算，采用回归分析的方法对试验结果进行处理，研究了试验因子 及其交互对试验指标的影响，并对参数进行了预测和优化。 ( 3 ) 提出了改进的汽车动力传动系统匹配评价的方法，根据动力性和循环工况下燃 油经济性影响因子的加权和，利用综合性能因数对汽车动力传动系统匹配的合理性进行 评价。以某客车为例，进行仿真模拟计算与试验验证，并应用改进的评价方法对客车动 力传动的匹配进行评价，结果表明该方法具有很强的实用性。 大连理工大学博士学位论文 2 城市公交客车循环工况开发 2 1概述 循环工况反映了一个特定区域的车辆典型的行驶工况。国外已经开发了很多反映本 地区实际情况的标准循环工况，如f t p 和e c e 循环等，都广泛地应用在汽车排放法规 的制定和新车型的设计开发，污染物排放评估，以及特定区域的燃油消耗量测量中。 循环工况的开发主要根据道路和车辆的类型、运行时间和速度对实际行驶工况数据 进行统计。特定道路的类型需要选择特定车辆的类型，路线也要根据土地使用情况、道 路类型、行驶工况和公共交通的情况来选择。一般来说，由于车流状况、驾驶习惯和道 路网络拓扑情况不同，每个城市的循环工况特点也都不同。用其他地区的循环工况来评 估本地的污染物排放量和燃油消耗量，很难得到准确的评估结果。为了更好的对环境加 以保护，各地区政府都致力于开发适合本地区自身特点的循环工况，而不再使用其他地 区的循环工况。国内也在循环工况的开发上进行了许多的研究，很多城市都开发出了适 合于本地区的循环工况。 本文在上述传统的城市循环工况开发研究工作的基础上，提出了改进的城市公交循 环工况开发方法，包括测试线路的选择方法，短行程的确定方法，以及城市公交循环的 合成方法等。以大连城市公交为例，对改进的城市公交循环工况开发方法的有效性，以 及应用该方法合成的循环工况的真实性进行了验证，为开发适合城市公交特点的电动汽 车及其污染物排放量和燃油消耗量的测量提供了开发平台和设计依据。 2 2 城市公交循环工况开发方法 在传统的循环工况开发方法的基础上，提出了一种改进的城市公交循环工况开发方 法，循环工况的开发包括线路选择、数据采集、数据统计分析和循环工况合成等步骤。 2 2 1 数据采集方法 数据采集方法包括实车测量的方法和车辆跟踪的方法。城市公交车的路线固定，而 且市区车流密集，为提高数据的准确性，采用了实车测量的方法。在选定的公交线路上， 根据不同的客流和交通情况，分时段对公交车的工况进行测量，试验时考虑到上班和下 班车流高峰等因素，记录车辆的运行工况数据。试验仪器安装在被测量的车辆上，包括 车速传感器，发动机转速传感器、油耗仪、笔记本电脑等。 基于循环工况的城市公交客车动力传动系统参数研究 2 2 2 典型测试线路选择方法 典型的测试线路是反映一个地区交通情况的关键，而典型线路的选择一般由研究人 员主观决定。本文根据道路的平均车流量，提出了一个相对系统的、客观的典型测试线 路的选择方法。 对所研究的地区先进行区域划分，包括居民区、商业区和工业区等，如大连城市区 域划分具体的细节可以参照大连市政规划，据此确定公交路线的始发站和终点站。根据 平均车流量确定测试路线方向和测试时间段，例如早晨上班高峰期的测试路线，始发站 要选择在主要的居民区，而终点站要选择在集中的商业区或者工业区，相反下班时间高 峰期的测试路线，始发站要选择相对集中的商业区或工业区，而终点站选择在主要的居 民区。因此道路试验的公交线路就可以基本覆盖所有车流量最高的区域。测试中主要测 量工作日的工况，节假日不考虑在其中。 2 2 3 城市公交循环构建方法 每个城市的类型、车辆保有量不同，道路交通结构复杂而且机非混行是我国的交通 特征，车辆运动的区域也都很大，构造循环工况较为复杂，必须对实际运行的工况进行 统计，构建出在台架或者道路试验上长度都适宜的循环工况。实际工况测量中，运动学 片段数量很多，需要按照实际交通状况的特征，利用统计数据在每一个片段组中建立有 代表性的循环工况。 一般循环工况的构建方法，选定某一类运动学片段，按行程中出现频率的比例随机 挑选，l 各片段组成一个工况，如果这一工况的速度和加速度频度与该类运动学片段的速 度和加速度品读的平均值误差在1 0 以内，并且总运行时间在某长度左右，那么构建的 这一工况就能代表这一类运动学片段，即可作为相应的交通特征道路的实际行驶工况，