硕士论文-汽车动力传动系分析、优化匹配的研究及软件开发.pdf

密级 单位代码 学号 夺肥工，譬火警 10 3 5 9 0 3 1 0 0 2 1 2 0 3 3 6 H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y 硕士学位论文 ：MAST ERDIS SERTATIoN o 论文题目： 汽车动力传动系分析、优化匹配的 研究及软件开发 学位类别： 学科专业： ( 工程领域) 作者姓名： 导师姓名： 完成时间： 学历硕士 车辆工程 陈宗好 张代胜教授 2 0 0 6 年5 月 汽车动力传动系分析、优化匹配的研究及软件开发 摘要 本文首先对国内外汽车动力传动系计算机模拟计算、匹配的研究现状进行 了论述，在总结前人研究的基础上提出了一套综合评价汽车动力性与经济性的 评价指标体系。在建立发动机及整车动力性、经济性数学模型的基础上，提出 了传动系参数综合优化模型；并建立了相关参数对汽车动力性与燃料经济性的 弹性系数数学模型。 其次，基于动力传动系参数优化及分析模型的建立，结合M A T L A B 与V is u a l c + + 编程语言的各自优点，开发了一套基于P C 机的动力传动系参数分析及优化 设计软件。利用该软件，对安凯某型客车的动力传动系统进行了参数弹性系数 分析及优化设计研究。 最后，根据相似工程学理论，建立了汽车动力传动系统相似计算模型，从 动力传动系结构与整车性能相似模型来探讨相似理论在动力传动系匹配过程 中的应用。 关键词：动力传动系统优化匹配参数弹性系数软件开发相似建模 R e s e a r c ho nA n a l y s i s ，O p t i m a lM a t c h i n go f A u t o m o b i l e P o w e r - t r a i na n d A p p l i c a t i o nS o f t w a r eD e v e l o p m e n t A b s t r a c t F i r s t l y ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sr e s e a r c ha c t u a l i t yo fa n a l o gc a l c u l a t i o na n d m a t c h i n go fa u t o m o b i l ep o w e r - t r a i n S y n t h e t i c a l e v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo f t r a c t i v ep e r f o r m a n c ea n de c o n o m i cp e r f o r m a n c eo fa u t o m o b i l ei sp r e s e n t e do nt h e b a s eo fs u m m a r i z i n gf o r m e rs t u d i e s O nt h eb a s eo fb u i l d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l s o ft r a c t i v e p e r f o r m a n c ea n d e c o n o m i cp e r f o r m a n c e ，s y n t h e t i c a l o p t i m i z a t i o n m o d e lo ft r a n s m i s s i o np a r a m e t e r si sp r e s e n t e d ：A n db u i l d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l s o ff l e x i b i l i t yc o e f f i c i e n to fc o r r e l a t i v ep a r a m e t e r sa f f e c t i n gt r a c t i v ep e r f o r m a n c e a n de c o n o m i cp e r f o r m a n c e S e c o n d l y ，b a s e do nt h eb u i l d i n gm o d e lo fp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n a n d a n a l y s i So fa u t o m o b i l ep o w e r t r a i n ，a n dc o m b i n ee a c he x c e l l e n c eo fM A T L A Ba n d V i s u a lC + + p r o g r a ml a n g u a g e d e v e l o pas e ts o f t w a r eo fp a r a m e t e ra n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o no fa u t o m o b i l ep o w e r t r a i nf o rp e r s o n a lc o m p u t e r W i t ht h i ss o f t w a r e ： p a r a m e t e r sf l e x i b i l i t yc o e f f i c i e n ta n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no fp o w e r t r a i na r ed o n e t os o m et y p eb u so fA n K a ic o m p a n y F i n a l l y ，a c c o r d i n gt os i m i l a r i t ye n g i n e e r i n gt h e o r y ，b u i l d i n gt h em o d e lo f s i m i l a r i t y c a l c u l a t i o no fa u t o m o b i l ep o w e r t r a i n ， f r o mt h es i m i l a r i t yo f p o w e r t r a i n s t r u c t u r ea n dv e h i c l ep e r f o r m a n c et od i s c u s st h ea p p l i c a t i o no f s i m i l a r i t ye n g i n e e r i n gt h e o r yi nm a t c h i n go fp o w e r t r a i n K e y w o r d s ：P o w e r t r a i n ，O p t i m a lm a t c h i n g ，P a r a m e t e rf l e x i b i l i t yc o e f f i c i e n t S o f t w a r ed e v e l o p m e n t ， S i m i l a r i t ym o d e l i n g 图卜1 图3 一l 圈3 2 图3 3 图3 - 4 图4 1 图4 2 图4 - 3 图4 4 图4 - 5 图4 - 6 图4 7 图4 - 8 罔4 - 9 图4 一1 0 图4 1 1 图4 一1 2 图4 一1 3 图5 1 图5 - 2 图5 3 图5 4 图5 - 5 图5 - 6 图5 7 图5 - 8 插图清单 全文研究的主要内容及逻辑关系6 机械式动力传动系的组成及布置2 0 汽车动力传动系统与汽车动力性和燃料经济性的关系2 0 装五档变速器的汽车驱动力特性2 2 汽车六工况试验规范2 3 常用的M F C 层次关系示意图3 1 M A T L A B 与V C 的集成方法3 4 各功能模块的调用关系3 4 软件的主界面3 6 点击车重对最高车速的影响项目对应的界面3 7 综合优化过程中的数据传递3 7 综合优化模块的程序控制流程3 8 综合优化主界面3 9 相关参数对汽车最高车速影晌的弹性系数曲线4 3 相关参数对汽车最大爬坡度影响的弹性系数曲线4 4 相关参数对汽车加速时间影响的弹性系数曲线4 5 相关参数对汽车燃料经济性影响的弹性系数曲线4 6 本软件输出的综合优化前后汽车特性图4 7 相似系统建模要素映射示意图5 0 汽车动力传动系相似单元化分5 3 发动机总成特征5 3 变速器总成特征5 3 离合器总成特征5 4 主减速器总成特征5 4 A 、B 两系统间的相似度计算5 6 整车动力、经济性能单元特征划分5 6 表4 一l 表4 1 表4 2 表4 3 表4 - 4 表4 5 表4 6 表4 7 表4 - 8 表4 9 表4 1 0 表4l l 表4 一l2 表4 1 3 表5 1 表5 2 表5 - 3 表5 - 4 表5 - 5 表5 - 6 表5 7 表格清单 各类汽车一些动力性参数范围g 优化工具箱中求非线性函数极小值的指令函数3 2 参数说明向量的元素3 2 优化的约束条件3 2 样车的基本参数4 0 底盘结构及参数4 0 发动机结构及参数4 0 外特性拟合选取数据4 1 万有特性拟和选取数据4 1 相关参数对汽车最高车速的弹性系数值4 6 相关参数对最高爬坡度的弹性系数值4 7 相关参数对汽车加速时间的弹性系数值4 7 相关参数对汽车燃料经济性的弹性系数值4 7 加权因子= 0 5 、口，= O 5 时优化结果4 7 汽车动力传动系布置形式相似特征5 4 发动机总成结构形式相似特征5 4 变速器总成结构形式相似特征5 4 离合器总成结构形式相似特征5 5 主减速器总成结构形式相似特征5 5 原型系统A 的特征值5 7 B 系统的特征值5 8 独仓性声明 本人声明所呈交的学位论文娃本人在导师指导下进行的研究上作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注羽l 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒胆：! ：些友堂 或其他教育机构的学位或证 5 而使用过的材刳。与我一同作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 籼论文作者虢1 鲁胁签字溉a “年，月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 佥魍= E 些盔堂 有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权 金月1 ! ：些太堂 可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学何论文作者签名：阿名丫 签字日期：弘年月叼日 导师签名晦盹 签字日期：参回萨月 学位论文作者毕业后去向：嗄 数象晤 工作单位：分嘞汔 奄得儡哥 通讯地址磊弛教学撕i 饭艮移耠治了善 矽日 电话：p fs ) 一r r z 2 邮编：砷D 够 致谢 本研究及学位论文是在我尊敬的导师一张代胜教授的亲切关怀和悉心 指导下完成的。张老师严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作 风以及独特的人格魅力深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完 成张老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。三年来，张老师不仅在学 业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨 向张老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在完成论文和课题期间，得到了陈朝阳校长、张树强院长、石琴副教授、 张卫华副教授、尹安东副教授、谭继锦副教授以及温干虹老师无微不至的关怀 与帮助，在此表示诚挚的谢意! 在此，我还要感谢在一起愉快度过研究生生活的各位同门，正是由于你们 的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。特 别感谢肖悦、肖海萍、李增辉、李华香、高扬、顾福勇、王亚晴、李庆欢、李 仲奎、初长宝、孙企企、吴勃夫、姜永胜、黄志鹏、尹鸿飞、汪文龙、姜竹胜、 李碧春、汪知望等同学对本人在学习、研究和生活上的帮助! 同时特别感谢邹 海斌、顾勤林、刘焕广、刘嫂、蔺瑞兰、张雷、柏海舰等师兄师弟师妹们的鼓 励与帮助! 最后，我要向我的家人表示深深的谢意。你们的理解、支持、鼓励让我更 加上进，你们的情感永远都是催我上进的不竭的动力源泉! 作者：陈宗好 2 0 0 6 年5 月 1 1 选题背景 第一章绪论 随着汽车工业的发展，世界汽车保有量也是节节攀升，特别是第二二次世界 大战以后增加尤为迅猛，1 9 5 0 年为6 8 7 9 力辆，而截止到2 0 0 6 年2 月为8 5 亿辆， 预测到2 0 1 0 年将达到l O 亿辆。我国的汽车工业起步较晚，发展的空间巨大，进 入2 l 世纪以来，我国的汽车保有量以前所未有的速度发展着，随着奇瑞、吉利 以及华晨等具有自主品牌的企业在我国汽车工业中发挥越来越重要的角色，它 们势必会给我国汽车工业带来了新的发展里程。作为现代交通运输工具，随着 它的保有量的不断增加，人们对汽车的性能也提出了越来越高的要求。特别是 进入2 l 世纪，汽车更向节能型、环保型的方向发展。在汽车运输成本中，燃料 消耗占2 0 一3 0 “j ，而目前汽车发动机使用的仍是以石油燃料为主。随着国民经 济的增长和交通运输业的发展，能源矛盾只益突出。因此，提高汽车的运输生 产率，降低汽车的燃料消耗是目前汽车工业需要解决的重要课题之一“1 1 。 自上世纪7 0 年代世界范围的能源危机发生后，各国汽车界都被迫努力降低 燃料消耗，围绕汽车和发动机主要采取以下措施”1 1 ： ( I ) 提高汽车行驶效率 减少行驶阻力一一通过改进车身造型、改善车身结构来减少空气阻力； 通过改进轮胎结构减少滚动阻力。 底盘、车身轻量化一采用新型轻质材料，通过可靠性设计技术使整车 轻量化，使备总成部件、附件紧凑。 提高驱动效率一一采用自动或无极变速系统，减少轴承和齿轮的摩擦损 失，提高传动系统的传动效率。 ( 2 ) 提高发动机性能 Q 改进现有发动机一一通过改善燃烧，减少冷却损失以提高热效率；采用 i t ，变气门正时、变排量技术以改善部分负荷性能；通过降低运转部件的摩擦损 失和发动机辅助设备的损失以提高机械效率；采用汽油喷射、电子点火和微机 控制使发动机工作过程最佳化。 提高能源利用率一一利用涡轮增压回收废气能量；利用储能装置( 飞轮) 回收制动能量；提高附属装置( 空调、电器装置等) 的效率。 ( 3 ) 开发利用新型动力 开发新一代发动机一一研制高效率循环发动机；研制氢气发动机；研制 利用电能的电动车：采用混合动力驱动系统。 利用代用燃料一一采用外燃机燃烧低质燃料：利用压缩天然气、液化石 油气等燃料；利用醇类或合成燃料。 利用新能源一一研制高效太阳能电池：应用氢气储存法和氢气混合燃烧 法。 ( 4 ) 优化匹配动力传动系统 发动机的选型一汽油机与柴油机的选择；发动机使用特性的选择：发 动机排量的选择。 传动系型式及参数的选择一一变速器的型式、速比范围、档位数、速比 间隔；液力变矩器型式及尺寸；驱动桥的类型及尺寸。 汽车动力性与燃料经济性的好坏，在很大程度上取决于发动机的性能和传 动系型式及参数的选择，即取决于汽车动力传动系统合理匹配的程度。动力传 动系统即发动机一变速器一驱动桥一驱动轮系统，它是汽车重要组成部分。能 与发动机合理匹配的传动系可以使发动机经常在其理想工作区附近工作，这样 不仅可以减少燃料消耗，减轻发动机磨损，提高发动机的使用寿命，而且可以 取得良好的排放效果1 “。 然而，在汽车研制工作中，由于专业分工过细，往往存在着这样的情况， 即发动机研制部门着重于改善发动机的工作过程，降低机械损失，以减少燃料 消耗：底盘研制部门则着重提高传动效率，降低运行阻力等。这些工作无疑是 很重要的，但如果不将发动机和底盘视为一个整体进行合理匹配，任何一个总 成的性能改进完全有可能由于与其它总成的匹配不当而造成整体性能未获得 应有的改进。根据统计分析表明，目前国产汽车发动机使用工况多数是远离其 最佳经济区域，未能实现动力传动系统的最佳匹配。因此，通过合理优化、匹 配汽车动力传动系统来提高汽车运输效率，降低燃料消耗，具有较大的潜力， 是一个值得进一步研究的课题”4 。“1 。 1 2 本文研究的意义及目的 1 ，2 1 动力传动系统计算机模拟优化匹配的意义 汽车动力性和燃料经济性的好坏，在很大程度上取决于发动机的性能和传 动系型式及整车相关参数的选择，即取决于汽车动力传动系统合理匹配的程 度。即使一台发动机具有良好的性能，如果没有一个与之相匹配的传动系，也 不能充分发挥其性能。能与发动机合理匹配的传动系可以使发动机经常在其理 想的工作区附近工作。这样不仅可以减少发动机的磨损，延长发动机的使用寿 命，而且可以取得良好的排放效果。 传统上，对汽车的动力性和燃料经济性水平，是在进行试车道路试验之后 给予最后评价的。这样做不但周期长，成本高，而且在产品设计阶段对整车及 总称方案的确定、机构参数的选择、传动系参数与发动机的匹配等，就有一定 的经验性、盲目性，可能会遗漏较好的方案，使得产品的性能不能令人满意， 进而造成人力、财力浪费。 以往动力传动系统的匹配，由于测试手段和计算工具的限制，只能采用定 性分析和简单的定量计算，靠大量的试验数掘和反复测试的结果进行设计。例 如要试验某种车型，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，那么各种不同组合的试验方案可达2 1 6 种。而每种方 案都需要进行设计、制造系列不同的零部件，需要花费大量的时1 ；【f 和费用。 计算机仿真模拟优化选择方案，消除了试车道路试验中，司机、道路环境、 气候条件等因素对性能测定的影响，具有可比性好、重复性好的优点。计算机 模拟可使设计者在新车设计、旧车改进时迅速且经济地在诸多匹配设计方案中 选择最佳方案。以计算机模拟为基础的传动系参数优化设计，在新车设计阶段 就能相当精确地预测出汽车的性能，而且既迅速又经济。 1 2 2 本文研究的目的 ( 1 ) 汽车传动系统参数优化通用软件可以实现对车辆传动系统参数的优 化设计，达到了保证动力性能、燃料经济性的最佳配置，为车辆传动系统的设 计提供参考。同时，该软件还可以对汽车的部分参数对动力性和燃料经济性影 响的弹性系数进行计算分析，为汽车的改型提供参考。 ( 2 ) 可以揭示汽车的动力性、燃料经济性影响参数对其性能的影响规律。 特别是当这些参数有微小变化时，实际车辆往往测量不出影响结果，而模拟程 序则可测出。此外，模拟结果可消除某些随机因素( 如驾驶员、车辆、天气等) 的影响。 ( 3 ) 以前此类应用软件的开发都是单独基于M A T L A B 软件，界面不友好，且 软件脱离M A T L A B 后不能单独运行，软件的可移植性较差。本文研究的M A T L A B 丰D v c + + 混合编程的解决方法，为开发方便、实用的数值计算型软件提供参考。 1 3 国内外研究状况 1 3 1 国外研究状况 计算机辅助汽车动力传动系统优化匹配的研究，国外开展得比较早，1 9 7 2 年，美国通用汽车公司首先开发了汽车动力性和燃料经济性的通用预测程序 G P S I M ( G e n e r a lp u r p o s eA u t o m o b i leV e h i c l e P e r f o r m s n c ea n dE c o n o m y S i m u l a t e ) 系统。该系统可以模拟汽车在任何形式工况下的瞬时油耗、累计油 耗、行驶时间和距离，预测汽车设计参数如重量、传动系传动比、空气阻力系 数等的变化对汽车性能的影响。电子计算机的应用和测试手段的提高，使通过 模拟计算与实验相结合的方法来研究汽车动力传动系统匹配问题成为可能。目 前，国外各大汽车公司在这方面作了大量的研究工作，并开发了各自的模拟程 序，除美国通用汽车公司的G P S I M 外，还有福特汽车公司的T O E F P ( T e s t O p e r a t j n gF u e 】E c o n o m yP r o g r a m ) 、美国康明斯公司的V M S ( V e h i c l eM is s i o r l S i m u l a t i o n ) ，日本同产汽车公司的C S V F E P ，德国奔驰汽车公司的T R A S C O 等。 这些程序的使用在样车制造前就能准确的对汽车动力性燃料经济性进行 预测，并可以根据几种传动系速比的变化引起整车性能的变化，找到这种变化 间的关系，形成“最佳动力性、燃料经济性曲线”，从而找到能与所选发动机 合理匹配的传动系，这样就节省了大量的试验费用，大大缩短了设计周期。 1 ，3 2 国内的研究状况 我国在这方面研究起步较晚，进入上世纪8 0 年代后，吉林工业大学、清华 大学、长春汽车研究所等单位开展了一些工作，取得了一些成果。如吉林大学 的载货汽车燃料经济性的计算机模拟，清华大学的动力性燃料经济性的 计算机模拟程序，长安大学的( 汽车动力性燃料经济性模拟与主减速器速比优 化的研究，长春汽车研究所的汽车动力性燃料经济性模拟程序及动力系统 合理匹配的研究，江苏理工大学的汽车动力传动系最佳匹配理论与方法 等。 目前，国内主要围绕以下几个方面开展工作的：( 1 ) 汽车动力传动系数学模 型的研究；( 2 ) 按给定工况模式的模拟研究；( 3 ) 按实际道路条件随机模拟的研 究；( 4 ) 模拟程序的应用研究。 在数学规划方法基础上发展起来的“最优化设计”，由于上世纪六十年代 计算机引入工程设计领域后，计算手段得以解决，促使最优化方法与理论蓬勃 发展，雨逐渐形成一种新的有效的工程设计方法。 近些年来，国内在对汽车动力性、燃料经济性模拟程序研究的基础上，开 始对发动机、传动系的最优匹配进行探讨，主要内容包括：( 1 ) 发动机给定，对 传动系速比进行优化设计，依此进行调整，达到改进目的：( 2 ) 传动系给定， 优选发动机。前者又包括以动力性为设计目标、以燃料经济性为约束条件和以 燃料经济性为设计目标、以动力性为约束条件两种方法。以动力性为设计目标 的方法一般取加速时间为动力性指标；以燃料经济性为设计目标的方法，一般 以六工况和某一车速下等速工况两者加权油耗作为燃料经济性目标。另外江苏 理工大学的何仁老师提出的以能量利用率为设计目标的汽车动力性、燃料经济 性优化设计”“2 ，这些研究和成果使我国在这个领域的研究水平提高到一个新 的阶段，也有力地推动了汽车节能工作。但这些研究往往是建立在牺牲汽车某 一一性能( 燃料经济性或动力性) 的前提下来提高另一个性能( 动力性或燃料经 济性) ，因此本文提出了汽车动力性和燃料经济性综合优化方法，通过加权的 方法柬达到不同侧重点的优化目的。本文基于这种思想编制的优化软件可以通 过输入不同的权值来达到不同重要度的优化，如城市出租车更注重汽车的燃料 经济性，而越野车则更注重汽车的动力性。这样在对城市出租车进行动力传动 4 系优化时，给经济性分目标赋以较大的权值；相反，在对越野车进行动力传动 系优化时就要对动力性分目标赋以较大的权值。在此基础上编制的软件具有更 好的通用性。 1 4 本文研究的主要内容 本文研究了汽车动力传动系统的数学模型、车辆动力性与燃料经济性的模 拟计算方法，在此基础之上，以汽车的动力性和燃料经济性的双目标函数为优 化目标函数，提出了传动系参数优化设计方法；用弹性系数法分析了相关参数 对汽车动力性、经济性的影响。利用V is u a lc + + 及M A T L A B 软件设计丌发了汽车 传动系统参数优化程序及参数弹性系数分析序。主要工作概括如下，各部分工 作的逻辑关系如图卜l 所示。 ( 1 ) 汽车动力性燃料经济性的模拟计算方法 首先对汽车动力传动系统进行了研究，它是汽车的重要组成部分，对汽车 的动力性、燃料经济性有很大影响。在此基础之上，概括总结出汽车动力性、 燃料经济性的模拟计算方法。 ( 2 ) 汽车动力传动系统参数的优化设计 提出了传动系统参数优化设计的方法，该方法以汽车的动力性、燃料经济 性为综合优化目标函数，并以动力性能为约束条件，通过改变动力性或经济性 的权重来达到不同的优化目的。 ( 3 ) 汽车相关参数对动力性和燃料经济性的弹性系数分析 利用弹性系数法对汽车相关参数迸行影响分析，可以明确哪些参数的影响 较为显著哪些参数影响不大，这样在新车设计与旧车改进时，着重改善那些对 动力性和燃料经济性影响较大的参数，并提出一个最佳的改进方案来，从而有 效地提高汽车的动力性和燃料经济性。 ( 4 ) M A T L A B 与v js u a lC + + 集成软件开发 在建立仿真计算模型的基础上，按照软件工程理论，完成一系列软件开发 工作，包括发动机外特性拟合程序、发动机万有特性拟合程序、汽车动力性经 济性模拟程序、传动系参数优化程序以及参数弹性系数分析程序等。根据 M A T L A B 软件及V e + + 软件的各自优点，模拟程序、优化程序及图形绘制主要在 M A t L A B 内完成，对于用户操作界面则是利用V is u a lc + + 6 o m 开发。这样，用 户接触到的只是V i s u a lC + + 编写的软件界面，而M A T L A B 编写的程序隐藏在后台， 为用户提供计算、优化与绘图服务。 ( 5 ) 软件应用实例 利用该软件对某型客车的动力性和燃料经济性指标进行模拟以及相关参 数弹性系数分析，并对其传动系统进行优化，与实际值进行比较，证明该软件 的实用性和可靠性。 ( 6 ) 相似工程理论在汽车动力传动系选型匹配中的应用 根据相似工程理论，建立了汽车动力传动系相似系统模型，并对相似特征 进行了划分。在此基础上计算了两系统的相似度，从而为动力传动系的匹配提 供参考。 1 5 本章小结 图1 1 全文研究的主要内容及逻辑关系 本章从本文的研究背景、研究的意义及国内外的研究状况等方面说明了本 课题的研究意义和发展前景。同时，简单介绍了本文研究的目的及主要内容。 第二章汽车动力性燃料经济性模拟计算模型的建立 存开发汽车性能模拟计算及传动系参数分析、优化软件之前，首先要分析 性能好坏的评价指标，建立汽车动力性、燃料经济性模拟计算的模型，包括发 动机特性模型，再根据这些计算模型，选择合适的编程语言，利用软件工程， 丌发出用户界面良好、使用方便、计算结果精度高、优化快捷的仿真系统。 2 1 评价指标分析 汽车的最基本的也是最主要的性能是动力性与燃料经济性，它们是评价一 辆汽车性能好坏的主要指标。也是动力与传动系统设计、选型及匹配好坏的评 价指标。在进行汽车动力与传动系统匹配技术的研究中，必须确定其具体的评 价标准，一般情况下使用如下具体评价指标”1 ：( i ) 汽车的比功率或比扭矩； ( 2 ) 汽车动力性评价指标( 最高车速、最大爬坡度、直接档加速时间、原地起步 连续换档加速时间等) ；( 3 ) 燃料经济性评价指标( 包括等速燃料消耗量、加速 燃料消耗量、多工况燃料消耗量等) ：( 4 ) 动力性与经济性综合评价指标。 2 1 1 汽车比功率及扭矩适应性系数 2 1 1 1 汽车比功率 汽车比功率是单位汽车总质量具有的发动机功率，比功率的单位为k w t ， 即 汽车比功率= 发动机的额定功率( k w ) 汽车的总质量( 吨) 汽车比功率的选择及计算方法如下： 假设设计要求的汽车最高车速为“，则汽车要求的发动机功率只为 熹c 羔U a m a x + 蒜3 。， ， 则汽车比功率应满足 汽车比功率砉(袅Uara。x+黑“。37 。) ( 2 - 2 ) ，j O ，O 1 斗，Z 式中：r ，一一传动系的传动效率 m 一一为汽车的总质量( 堙) g 一一为重力加速度( m l s 2 ) r 一一为滚动阻力系数 C 。一一为空气阻力系数 A 一一为汽车正面投影面积( m 2 ) 按上式左边计算的发动机功率应为发动机在装有全部附件时的净输出功 率，它比发动机的实际外特性功率低1 2 一2 0 。 21 1 2 发动机的扭矩适应性系数 设发动机最大转矩M 。；，其对应的发动机转速为n 。，发动机最大功率处 对应的转矩为M 。及对应转速为 。，则发动机的扭矩适应性系数t a 是指：发动机 最大转矩M 。、与最大功率处转矩膨。之比，即 口一M e m x ( 2 一：j ) M l ， 它标志着汽车行驶阻力增加时发动机沿外特性曲线自动增加转矩的能力。 显然口值大则换档次数可以减少，从而油耗也可以降低。对应转矩适应性系数 有转速适应性系数”。n 。，若转速适应性系数过小，即n 。过于接近 ，则会出 现氲接档最低稳定车速偏高，导致汽车在通过繁忙的交叉路口时换档次数过 多，甚至需要增多变速器的档位数。所以n 。n ，不宜小于1 4 ，一般在1 4 - 2 0 之间。 发动机的适应性系数巾：转矩适应性系数与转速适应性系数之乘积，称为 发动机适应性系数，它表示发动机适应客车行驶工况的程度，即 中：口鱼：丝堕生( 2 4 ) n M M Pn M m 小值愈大，则发动机的适应性愈好。采用m 值大的发动机可减少大客车 换档次数、减轻司机的疲劳、减少传动系的磨损和降低油耗。 2 1 2 汽车动力性评价指标 汽车的动力性主要可有三方面的指标来评定，即：汽车的最高车速“。， 汽车的加速时间f ，汽车的最大爬坡度f 。矿 ( 1 ) 最高车速 最高车速是指在水平的良好路面上( 混凝土或沥青) 汽车能达到的最高行 驶车速“，“值越高则动力性越好。随蓿汽车性能特别是主被动安全性能 的提高以及各国公路路面的改善和高速公路的发展，汽车的最高车速普遍有所 提高。选择“。时应考虑汽车的类型、用途、道路条件、具备的安全条件和发 动机功率的大小等，并以汽车行驶的功率平衡为依据来确定。 ( 2 ) 加速时间 汽车的加速时间表是汽车的加速能力，它对平均行驶车速有很大影响，特 别是轿车，对加速时间更为重视。常用原地起步加速时间与超车加速时间来表 明汽车的加速能力。加速时间越短则动力性越好。 ( 3 ) 最大爬坡度 汽车的爬坡能力是用满载( 或某一载质量) 时汽车在良好路面上的最大爬 坡度i 一表示的。轿车最高车速大，加速时间短，经常在较好的道路上行驶， 一般不强调它的爬坡能力：然而，它的I 档加速能力大，故爬坡能力也强。货 车和客车的行驶工况较复杂，所以必须有足够的爬坡能力，一般f 。在3 0 即 1 6 7 。左右。表2 一I 为各类汽车一些动力性参数范围。 表2 1 各类汽车一些动力性参数范围 直接档最人档最大最高车速 比功率 乍型类别 动力冈数 动力因数 “d m 眈 ( k w t ) D om a x D 1 一 ( k m h ) 小型总质量一2 t O 0 6 0 1 0 0 3 0 0 4 0 8 0 1 2 015 3 5 轻型总质量 2 6 t0 0 5 - 0 0 80 3 0 - 0 4 08 4 1 2 09 6 2 2 货午 中型总质量 6 1 4 t 0 0 5 - 0 0 60 3 0 - 0 3 57 5 1 1 07 4 1 2 重型总质量 1 4 t 0 0 4 - , 0 0 60 3 0 - 0 3 57 0 1 0 07 4 1 3 小型总质量一4 t 00 5 - 0 0 80 2 0 - 0 3 58 0 1 2 01 5 - 2 3 5 中、大型总质量 4 1 9 t 0 0 4 - 4 3 0 60 2 0 加3 S7 0 1 0 06 6 8 8 客乖 铰接通道 总质茸 1 8 t 0 0 3 , - 0 0 4 0 1 2 O 1 55 5 8 53 7 墙1 n 微型车排嚣- 0 9 L0 0 7 0 1 00 3 0 0 4 09 0 1 2 01 8 5 1 7 轿乍 轻型车排蟹 0 9 L 0 0 8 - 0 1 20 3 0 0 4 51 2 0 1 7 03 7 6 6 中级排量 2 4 L 0 1 0 0 1 5 0 3 0 0 5 0 1 3 0 2 2 04 4 7 3 5 高级排量 4 L0 1 4 - 0 2 00 3 0 - - 4 ) 5 0 】4 0 1 9 05 2 】1 0 矿用白卸车 0 0 3 0 0 50 3 0 - 0 5 0 5 4 7 04 4 - , 5 ，9 2 1 3 汽车经济性评价指标 汽车的燃料经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃料消耗量或 一定燃料量能使汽车行驶的历程柬衡量。在我国，燃料经济性指标的单位为 L 1 0 0 k m ，即行驶l O O k m 所消耗的燃油升数1 3 1 】。这个数值越小，汽车的燃料经 济性越好。具体的燃料经济性评价指标有：等速百公里燃油消耗量、最高档全 油门加速行驶5 0 0 m 的加速油耗量两个单项评价指标和多工况燃油消耗量综合 评价指标。 ( 1 ) 等速百公里燃油消耗量 等速行驶百公里燃油消耗量是常用的一种评价指标，指汽车在一定载荷 下，以最高档在水平良好路面上等速行驶l O O k m 的燃油消耗量，常测出每隔 l O k m h 或2 0 k m h 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 为等速百公罩燃油消耗量曲线，用它来评价汽车的燃料经济性。 ( 2 ) 加速燃油消耗量 是指用最高档从某一车速开始全油门加速行驶5 0 0 m 的燃油消耗量，换算成 百公里油耗量。 ( 3 ) 多工况燃油消耗量 汽车在实际运行中的工作状态的变化非常复杂，为了测量出反映汽车实际 使用特点的燃油消耗量，人们针对各种交通状况，对大量的汽车行驶工况进行 了统计和分析，制定出了各类汽车燃油消耗量试验方法。通常轿车用十六工况 燃油消耗试验法，客车用四工况燃油消耗量试验法，货车用六工况燃油消耗试 验法。实际测出的燃油消耗量即为多工况燃油消耗量，它们是评价汽车燃料经 济性的一个实用方法。 2 14 综合评价指标 幽内燃机理论和汽车理论可知，现有的汽车动力性和燃料经济性指标是相 互矛盾的，因为动力性好，特别是汽车加速度和爬坡性能好，一般要求汽车稳 定行驶的后备功率大；但是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。从汽车使用要求来看，既不可脱离汽 车燃料经济性来孤立地追求动力性，也不能脱离动力性束孤立地追求燃料经济 性，最佳地设计方案是在汽车的动力性与燃料经济性之间取得最佳折中”。 ( 1 ) 指标形式：驱动功率损失率与多工况燃料经济性的加权值作为综合评 价指标； ( 2 ) 加权系数的选择：通常各占5 0 ，但是也可根据设计的具体情况和对汽 车性能的具体要求进行确定；还可以用实践经验来确定。 在进行动力传动系统优化匹配时，有些文献应用汽车原地起步连续换档加 速时问与多工况燃料经济性的加权值作为综合评价指标，还有些文献应用驱动 功率损失率与有效效率利用率的加权之和作为综合评价指标。 22 发动机特性数学模型的建立 汽车动力性燃料经济性模拟计算是以发动机数学模型为重要依据的。发动 机数学模型的描述，包括汽车发动机外特性和发动机万有特性。 描述发动机性能的方法有表格法、插值法和数学模型法三种，前两种精度 较高，但占用内存较多、运算速度较慢，故目前都采用数学模型法”3 “。 对于己知试验数据的发动机，其使用外特性可以看作是发动机转速的一元 函数，用最小二乘法获得；而万有特性可以看作是发动机转速和发动机转矩的 二元函数，用曲面拟合法获得。限于发动机测试技术，目前还主要是利用稳态 工况下发动机特性试验数据获得的模型近似的代替非稳态工况下发动机瞬时 特性。 考虑到发动机加速工况时，其转矩较稳定工况有所下降，燃料消耗率有所 上升，般认为其转矩下降量与曲轴角加速度成线性关系，可以采用修正系数 方法来考虑这种影响，借以减少稳念工况代理瞬态工况带来的误差。 22 1 发动机使用外特性 发动机使用外特性下发动机转矩坦可以表示成发动机转速胛。的函数，可 以用下面的多项式表示： M 。= A ，n ： 式中：M 。一一发动机有效扭矩( N 聆一一发动机转速( r m i n ) 4 一一待拟合多项式系数 j 一一多项式的阶数 设已知组试验数据( M 。N 。) ， 入随即误差P 有 M 。1 M 。2 ： M ? q 1 dn d 2 1 n 三 胛： 胛乞 ( f - 0 , 1 “2 一，k ) ( 2 - 5 ) mJ A o 爿l ： 4 将每组数据( M 。N 。) 带入上式，并记 + P 】 P 2 写成矩阵形式为 M 。= G A + E 式中G 为N x ( 七+ 1 ) 阶矩阵，M 。、E 均为N x l 列向量。假设 。，= P ；= E 7 E i = l 应用最小二乘法原理，按照极值理论有 劁：0 捌 。；j 易得 j = ( G 7 G ) 7 G 7 M 。 则 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 薪。：G 。j ( 2 1 1 ) 按以上原理，编写曲线拟合程序计算，即可求得A 。和k 。这里值得注意的 是，女值的确定取决于计算的精度，并且女N 一1 a 2 2 2 发动机的万有特性 发动机的万有特性即把发动机的有效燃油消耗率g 。看作为发动机转速n 。 和有效转矩M ，的函数，并用多项式表示。 发动机的使用万有特性的数学模型可以表示为： g 。= 窆艺爿l l ( J + 1 ) ( J + 2 ) 川+ 眇”：。 汜。1 2 式中：g 。一一发动机的燃油消耗率( g k w h ) M 一一发动机有效扭矩( N m ) H 。一一发动机转速( r m in ) A 一一模型中的各项系数数组 s 一一多项式的阶数 采用曲面拟合的方法求取模型中的参数。所谓曲线拟合问题实际上是个拟 线性回归问题，即认为平面上个测点z ( 对应于燃油消耗率g ，) 是其坐标( x ，Y ) 的函数( 对应于( 甩，M ，) ) ，建立的回归模式为： I 2 ： 1 磁M 嘞吃 1 嘞崦必此吃 ： 1 魄。噬N 髓谯。氨 ( 2 13 ) 式中 扣。n ，n 。j一一模型中的待定系数 e Je ，e 。) 一一随机误差 一一试验观测数据点数 写成矩阵形式有 g 。= G A + E ( 2 - 1 4 ) 其中G 为N k 阶矩阵，g 、E 均为N x l 列向量，而G 的列数女与多项式阶 数s 存在着如下关系 七：Q ! 坐型( 2 15 ) 2 假设 b 蕃8 7 鲍7 1 ( 2 - 1 6 ) 按照极值理论应有 型l ：0( 2 - 17 ) 醐1 。； 易得 A = ( G 7 G ) 7 G 7 g 。 ( 2 - 18 ) 则 g 。= G A ( 2 - 1 9 ) 拟合值与观测值g 。的拟合程度，可用拟合度C 来评价，同时也确定了最 佳s 值。 C = ( g 扩g 。) 2 1 一母二 ( g 扩；，) ( 2 2 0 ) 一旧! 至1lILij 一卜悖引引 纸哦 诋 略 其中i = 专喜乳 为总体均值。 按照以上的原理，编制相应的计算机程序求出回归方程的系数A 和s ，然后 将其代入( 2 - 13 ) 即可求出回归方程的表达式： g 。= l 仇M 。_ M 。M ； 、憎I ”； 一M ，州】1 “lf ( 2 2 1 ) 2 23 非稳态工况下发动机性能的修正 吼一l 汽车发动机大部分时间处于非稳定工况，而非稳定工况下动态特性和稳定 工况特性显然是不同的。 目前，虽然能够说明发动机非稳定工况的一般规律，但对它的研究还是不 够的。试验表明：汽车加速时，发动机转矩的下降与曲轴角加速度成线性关系， 并且下降量不超过发动机最大转矩的4 到5 。 加速时，发动机提供的转矩为 M 沪M 。一埘= M 。一r M 。等 ( 2 - 2 2 ) 式中：M 。一一按外特性工作的发动机转矩( N m ) r 一一非稳定工况下发动机提供的转矩下降系数，= 0 0 7 0 0 9 丝一一发动机曲轴角加速度( 1 sz ) 2 3 汽车换档规律的处理 机械变速器是否需要换档，取决于驾驶员对汽车行驶条件以及对发动机转 速和负荷的判断。行