硕士论文-城市道路工况的构建及客车传动系的优化设计.pdf

合肥工业大学 硕士学位论文 城市道路工况的构建及客车传动系的优化设计 姓名：邓超 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：石琴 20090301 城市道路工况的构建及客车传动系的优化设计 摘要 本文简单介绍了汽车动力性和燃油经济性评价指标，并概括总结了各指标 的模拟计算方法，研究了综合评价汽车动力性燃油经济性的指标体系。建立了发动 机外特性曲线及发动机万有特性曲面拟合数学模型。 依据E C E 工况构建方法，在大量试验数据的基础上，建立了城市道路工况 曲线，以此作为燃油经济性评价的依据。并参照该曲线进行了实车试验，将试 验油耗结果与计算机仿真结果对比，证明所构建工况的准确性。 对客车传动系的参数进行了优化设计。运用遗传算法最优化设计理论，以基于挡 位利用率的驱动功率损失率和构建的城市道路工况百公里燃油消耗量分别作为衡量 动力性和燃油经济性的两个分目标，采用线性加权组合的方法将其转换成统一目标函 数，建立了客车动力传动系参数优化数学模型。 基于以上理论，利用M A T L A B 、E X C E L 及V B 等开发软件，以某客车为例，建立了 客车性能仿真模型和传动系参数优化设计模型。将数学仿真模型结果与试验结果进行 对比分析，验证了数学模型的准确性。并对客车传动系参数优化前后的整车动力性、 燃油经济性进行了对比分析，通过优化传动系参数从而提高了客车的动力性能，并达 到了降低燃油消耗的目的。 关键词：城市道路工况动力性经济性优化遗传算法 T h eU r b a nD r i v i n gC y c l eB u i l d i n ga n dT r a n s m i s s i o nO p t i m i z a t i o n o nB U S A B S T R A C T 1 1 1 ee v a l u a t i o ni n d e x e sf o rp o w e r p e r f o r m a n c ea n df u e l e c o n o m yw e r ei n t r o d u c e d ms i m u l a t i o nm e t h o d sw e r eg e n e r a l i z e dt ot h ei n d e x e s ，t h ee v a l u a t i o ni n d e x e ss y s t e mf o r p o w e rp e r f o r m a n c ea n df u e l e c o n o m yw e r eg i v e n u r b a nd r i v i n gc y c l ec u r v ew a sb u i l tb a s i n go nt h ee x p e r i m e n t a t i o nd a t u m ，w h i c h t h eb u i l d i n gt h e o r yi st h eE C E ( E c o n o m i cC o m m i s s i o nf o rE u r o p e ) c y c l em e t h o d B a s e d o nt h ec u r v et h ee v a l u a t i o ni n d e xf o rp o w e r p e r f o r m a n c ea n df u e l e c o n o m yC a nb eo f f e r e d A n dt h et e s tw a sp e r f o r m e da c c o r d i n gt Ot h e C u r v e ，c o m p a r e dt h es i m u l a t e df u e l c o n s u m p t i o nt ot h er e a lt e s tf u e lc o n s u m p t i o nt h er e s u l ts h o w nt h eb u i l d i n gc o n d i t i o ni s p e r f e c t ，n l ep a r a m e t e r sf o rb u s St r a n s m i s s i o ns y s t e mw e r eo p t i m i z e di nt h i sp a p e r T on l e o p t i m i z a t i o nm e t h o d ，t h ed e s i g nt h e o r yi sg e n e t i ca l g o r i t h m ，t h eo p t i m i z a t i o nh a st w o d i f f e r e n to b j e c t sw h i c ha r et h ed r i v i n gp o w e rl o s t - r a t i ob a s eo ng e a re f f i c i e n c ya n df u e l c o n s u m p t i o np e r10 0 k i n ，t h et w oo b je c t sw e r ec o m b i n e dt Oau n i t e do b je c tf u n c t i o n a c c o r d i n gt ot h el i n ew e i g h t e dm e t h o d ，S Ot h em a t h e m a t i c a lm o d e lw a sb u i l t B a s e do nt h em e n t i o n e dt h e o r i e sb e f o r e ，u s i n gt h ed e v e l o p m e n ts o f t w a r es u c ha S N 哪L A B ，E X C E La n dV B ，t h et w om o d e l sw e r eb u i l tw h i c ha r et h es i m u l a t i o nm o d e lt o t h eb u s Sp e r f o r m a n c ea n dt h eo p t i m i z a t i o nm o d e lt ot h et r a n s m i s s i o ns y s t e m A n dt h e e x p e r i m e n t a t i o nW a sp e r f o r m e da tt h es a m et i m e C o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l tt ot h e e x p e r i m e n t a t i o nr e s u l tw h i c hs h o wt h a tt h em a t h e m a t i c a lm o d e li Sr i g h t n l ei n f l u e n c et o t h ep o w e rp e r f o r m a n c ea n dt h e f u e l - e c o n o m yw i t ht h ec h a n g eo ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e m S p a r a m e t e r sh a sb e e na n a l y z e d K e yw o r d s ：U r b a nd r i v i n gc y c l e ，P o w e rp e r f o r m a n c e ，F u e l e c o n o m y ，O p t i m i z a t i o n ， G e n e t i ca l g o r i t h m 插图清单 图2 1 驱动力与行驶阻力平衡图1 5 图2 2 求最高车速程序流程图1 5 图2 3 加速度倒数曲线1 7 图2 4 等加速过程的燃油消耗量计算1 9 图2 5 模拟计算耗油量的流程图2 1 图3 1 光电五轮仪2 5 图3 2 油耗仪2 5 图3 3 便携式电脑2 5 图3 4 车速历程图。2 9 图3 5 速度分布饼图。3 0 图3 6 加速度历程图3 0 图3 7 减速度分布图3 0 图3 8 加速度分布图31 图3 9 行驶工况曲线3 2 图4 一l 汽车驱动力特性曲线3 9 图4 2 遗传算法的程序流程图4 4 图4 3 拟合的发动机外特性转矩曲线4 7 图4 4 拟合的发动机外特性功率曲线4 7 图4 5 拟合发动机万有特性图4 9 图4 6 汽车驱动力一行驶阻力平衡图5 0 图4 7 汽车动力因数图5 0 图4 8 汽车功率平衡图5 1 图4 9 等速百公里油耗曲线图5 1 图4 1 0 优化前后驱动力对比5 3 表格清单 表3 1 昌河爱迪尔1 1 配置表2 6 表3 2 部分原始数据列表2 8 表3 3 运行特征值3 1 表3 4 工况分解表3 2 表3 5 挡位利用率统计表3 3 表3 6 样车配置表3 4 表3 7 道路试验油耗结果3 4 表3 8 道路试验油耗对比结果3 5 表4 1 样车配置表4 5 表4 2 外特性拟合数据点4 6 表4 3 M A T L A B 拟合万有特性数据结果4 7 表4 4 动力性能仿真与试验对比表5 0 表4 5 经济性能仿真与试验对比表5 1 表4 6 客车优化前后传动比参数对比5 2 表4 7 客车优化前后动力性对比5 2 表4 8 客车优化前后经济性对比5 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，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 金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工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。 学位论文作者擗他签亍睨汐夕年归多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些态堂 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，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金胆王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签辄叩趣 签字日期： C ，歹年铲月歹日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 诵诵纳五卜 翩躲玄 签字日期： 汐夕年争月莎日 电话： 邮编： 致谢 研究生的三年学习生活中，导师石琴教授严谨的治学态度、深邃的学术思 想、锐意进取的奋斗精神、勤奋扎实的工作态度给予了我莫大的鞭策与鼓舞。 对于每一项课题研究的完成，都得益于石老师精辟独到的学术见解及耐心细致 的传授点拨。在生活上，石老师也倾注了大量的心血、汗水，对我的成长给予 了无微不至的关怀与爱护。导师的教导恩重如山，无以为报，并让我终身受用， 在此谨向导师致以最诚挚的谢意! 值此论文完成之际，我还要感谢张代胜教授、谭继锦副教授、尹安东副教 授以及其他给予过我指导和帮助的老师们，谢谢你们，你们谆谆教诲让我终身 受益! 本文的完成还得到了安凯客车技术中心汽研所洪洋总工、王华副所长、田 阳工程师的帮助。在此向他表示诚挚的谢意! 感谢黄志鹏、张雷、王华、汪成明、李进、初长宝、夏国林、仇彬、张林 涛、刘钊，卢利平、张瑞、程小虎、李强、李波、怀自力、路瑞刚、陆昌年、 曾凡灵、芦伟、朱轶、刘丹、李丽、李芳龙、胡金芳、夏云峰、何艳则、刘魏 娜、李庆虎、汪新伟、李友文、朱俊虎等师兄弟姐妹们和同学们，在我研究生 期间对我生活和学习上的帮助! 感谢我的父母，感谢他们默默地支持鼓励我，是我奋斗的动力! 感谢所有帮助过支持过我的朋友! 作者：邓超 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1 选题背景 1 1 1 行驶工况对车辆性能的影响 对车辆性能进行评价，需要通过仿真计算，各种台架试验和道路试验，因 此必须选择能够较好的反映实际运行条件的驾驶循环作为评价的条件和依据。 对于同一辆车，在其他条件相同的情况下，依据不同的行驶循环标准，测试出 的燃油消耗量都存在着较大的差异。主要原因有两方面：一方面，各循环所对应 的发动机工况有不同的分布，受实际燃油消耗率的影响；另一方面，完成各循 环时，平均单位行驶距离在驱动轮处所需的驱动能量不同。各循环在驱动轮处 所需的驱动能量，对于车辆百公里油耗的影响可以用平均驱动力的大小来衡量。 平均驱动力是指完成循环时在驱动轮处所需总驱动能量与循环理论行驶距离的 比值。平均驱动力大，完成循环时，单位循环理论行驶距离所需的驱动能量增 加，在其它条件相同的情况下，车辆的燃油经济性就差。平均驱动力的大小主 要取决于车辆的速度和负荷【l 】。 发动机的燃油消耗率在整个发动机的工作区域变化较大，因此对燃油经济 性的影响很大。另外，完成不同的驾驶循环时在驱动轮处所需的驱动能量有较 大的差别，但对于内燃机汽车，对平均驱动力增加贡献大的车况所对应的发动 机工况多处于燃油消耗率低的区域，说明平均驱动力的差异对内燃机汽车能量 经济性的影响要小1 2 1 。 综上所述，为了使车辆的使用性能达到最佳，并作为选型、设计、匹配以 及测试的依据，需要确定其使用的典型工况。 1 1 2 动力传动系优化设计的研究 随着经济的发展，汽车不论在种类还是生产规模上，都极大满足了国内外 汽车市场的需求，也已经成为我国国民经济的支柱产业。进入2 0 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。 在汽车运输成本中，燃料消耗占2 0 一3 0 ，而目前汽车发动机用的主要仍是石 油燃料，随着国民经济的进步和交通运输的发展，能源供给日趋紧张p J 。因此， 提高汽车的运输生产力，降低汽车的燃料消耗是目前汽车工业急需解决的问题 之一。 汽车动力性与燃油经济性的好坏，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。即使一 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。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【4 J 。 在客车开发设计阶段，设计工程师经常需要对其动力性、燃油经济性进行 预测和估算。为了求得客车动力传动系的最佳匹配，需要不断调整一些参数， 反复查阅、计算。在没有计算软件的情况下，往往只是取几个点估算一下，由 此误差很大。通常对客车的动力性和燃油经济性水平，是在进行实车道路试验 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 车及各总成方案的确定、结构参数的选择、传动系参数与发动机的匹配等，有 一定的盲目性，可能会使较优的方案遗漏，使得产品的性能不令人满意，进而 造成人财物力的浪费【5J 。 自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，围绕汽车和发动机采取了一系列措施，包括提高汽车行驶效率、提高发动 机性能、开发利用新型动力以及优化匹配动力传动系统。优化匹配动力传动系 统，就是合理匹配发动机和传动系统，使发动机经常在经济区域工作【6 】。 随着计算机技术和数值计算方法的发展，大型复杂工程问题可以采用适当 的数值计算方法并借助计算机技术求得满足工程要求的数值解。编程软件的通 用性和有效性，受到工程技术界的高度重视，使之发挥了巨大的经济和社会效 益。优化设计是6 0 年代初发展起来的一门新学科，它是将最优化原理和计算技 术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法【7 】。利用这种新 的设计方法，人们就可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案，从而大大 提高设计效率和质量。因此，优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域， 它已广泛应用于各个工业部门。 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，一直都采用 定性分析和简单的定量计算，靠大量积累的试验数据和反复测试的结果进行设 计。例如要试验某样车，有三种车型、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法可达2 1 6 种【8 】。而每种方 案都需要设计、制造一系列不同的零部件，需花费大量的时间和费用。 因此，为了提高设计质量，缩短研制周期，在设计阶段就需要根据有关设 计参数，对客车动力性和燃油经济性进行预测，随着计算机的广泛应用和现代 计算方法的发展，计算机模拟计算方法为客车动力性和燃油经济性的预测提供 了有效而准确的工具。它可以考察出客车结构参数是如何影响客车动力性和燃 油经济性的，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 力性和燃油经济性的影响，而计算机模拟计算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，过去无法求解的或需大量时间才能求解的线性 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；它能按预定的程序模拟各种行驶工况，包括瞬变的非 2 稳定工况，因而能全面地预测客车在各种工况下的动力性和燃油经济性；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客车性能的 影响，有助于设计人员很快地找到比较有利的设计方案和匹配参数 9 1 。由此可 见，计算机模拟计算方法是客车总布置设计匹配的有力工具。 人们在做一切工作时，总希望所选用的方案是一切可能方案中最好的，这 就是最优化问题。最优化技术是研究和解决最优化问题的一门学科，它研究和 解决如何在一切可能的方案中寻求最优的方案【I 叭。换言之，最优化技术研究和 解决两大类问题：如何将最优化问题表示成数学模型；如何根据数学模型尽快地 求出其最优解。 最优化技术发展阶段按处理最优化问题数学方法的不同，可分为两个阶段， 第二次世界大战以前，处理最优化问题的数学方法主要是古典的微分法和变分 法，第二次世界大战中，由于军事上的需要产生了运筹学，提出了大量不能用 上述古典方法解决的最优化问题，从而产生了如线性规划、非线性规划、动态 规划等新的方法，此后，最优化的理论和方法逐渐得到丰富和发展。特别是从 6 0 年代以来，最优化技术发展迅速，成为一门新兴的学科，而且得到了广泛的 应用。 我国开始从事这方面的研究与应用比较晚。虽然在机械设计中采用最优化 技术的历史很短，但其进展的速度却是十分惊人的。无论在机构综合、通用机 械零部件设计，还是在各种专业机械和工艺装备的设计中都由于采用了最优化 技术而取得了显著成果。汽车工业的新技术不断引进和采用，特别是汽车C A D 、 C A E 及C A M 一体化的进步，为我国汽车工业形成独立自主开发能力创造了良好的 条件，提高了工程技术人员的素质和水平，其中汽车优化设计理论和方法也得 到了推广和普及。 优化技术在动力传动系统方面也得到广泛的应用。对传动系进行优化设计 的目的主要有两个方面：取得令人满意的汽车动力性和燃油经济性；得到一个令 驾驶员满意的操作方式。 目前，国内外关于这方面的研究工作主要包括： ( 1 ) 开发动力性和燃油经济性的计算机模拟计算程序来进行传动系各参数 的优化设计，通过模拟计算，对各结果进行比较，选择比较合理的传动系参数。 ( 2 ) 利用优化设计的理论，对传动系参数进行优化，达到保证汽车动力性的 前提下，燃油经济性最小的目的。 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、重复性好的优点。 随着现代技术的迅速发展，优化设计技术不断地被探索完善，最优化技术 将在汽车行业中获得更广泛更有效的应用与发展，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，既迅速 3 又准确。 在汽车动力传动系统合理匹配的设计工作中，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，以减少燃油消 耗率；底盘研制部门则着重于提高传动效率，降低运行阻力等。这些工作无疑 是很重要的，但如果不将发动机与底盘视为一个有联系的综合整体进行合理匹 配，那么完全有可能由于另一部件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【l2 1 ，目前车用内燃机大部分时间均工作在远离最佳的经 济油耗区域，未能实现动力传动系统的最佳匹配。往往是一流的内燃机加上一 流的底盘不一定等于一流的汽车( 其他如拖拉机、工程机械、农用内燃机动力也 都是如此) 。其中的关键是“匹配”问题。“大马拉小车”，“千里马变油老虎 ， 使内燃机的性能不能得到充分的发挥。对于四冲程汽车发动机而言，其整个持 续工作时间内的平均工作效率较低【1 3 】，主要是由于发动机与传动系参数匹配不 当所造成的。 利用合理的优化设计理论对动力传动系统进行优化，可以降低燃油消耗， 提高运输效率。因此，这方面的研究是一个和实际情况贴合很紧密的课题，值 得进行更深一步的研究。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 国内外车辆行驶工况研究 世界范围内的行驶工况研究以美国行驶工况F T P ，欧洲行驶工况E C E ( E c o n o m i cC o m m i s s i o nf o rE u r o p e ) 和日本行驶工况J A P A N l 0 为代表广为应用。 美国加利福尼亚标准测试循环，即“7 工况法”，是世界上最早的汽车排放测 试规范，经过相关部门的调查，根据道路上汽车的速度一一时间的解析结果构 造了一条具有代表性的上下班路线。后又经过改进形成城市测功机运行工况 U U D S ，即F T P7 2 工况。欧洲目前使用的是E C E l5 工况，E C E l5 工况由两部分 构成，即E C E + E U D C ( E x t r aU r b a nD r i v i n gC y c l e ) 。第一部分E C E 指的是传统的 城市道路行驶工况，在进行排放测试前，测试车辆必须在2 0 3 0 度的温度下放 置6 d , 时后再进行试验【1 4 】。另外在欧I I I 标准之前，试验车辆需先冷启动4 0 s 的怠 速运转，接着重复进行四次循环行驶试验，将排放的污染物收集于同一个集气 袋中，污染物排放采用g k m 计算。第二部分E U D C 是一个附加的市区行驶工况， 最高速度为1 2 0 k m h 。使用E C E l 5 1 况试验时，第一部分E C E 工况四次循环一共 需要行驶7 8 0 s ，然后再完成4 0 0 s 的E U D C 。J a p a n lO I 况相当于车辆在城市中心 的行驶状况，车辆在进行J a p a n l 0 3 - 况测试之前，要进行热车，具体要求是测试 车辆以不低于4 0 k m h 的速度最少行驶1 5 分钟。J a p a n l l 工况用于模拟车辆由郊外 驶入城区或在郊外的行驶状况【15 】。上世纪7 0 年代，由于城市结构、交通流量 等的变化，日本开始对J a p a n l 0 7 - 况加以修改，目前日本使用的就是J a p a n l 0 改 4 进后制定的J a p a n l0 1 5 工况。J a p a n l 0 15 工况运行时间是6 6 0 s ，最高车速为 7 0 k m h ，评价速度2 2 7 k m h ，整个工况由三个1 0 工况循环和一个1 5 工况循环构 成 1 6 】。 当然随着汽车工业发展和道路交通状况的不断变化，欧美和日本也仍然在 继续对行驶工况进行研究，修正和补充。我国从1 9 8 4 年开始陆续制定一些汽车 排放标准，其中适用于汽油车的1 0 项，适用于柴油车的6 项。其控制水平相当于 国# 1 2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初的水平【1 7 】。现行的国标G B T 1 2 5 4 5 1 2 0 0 1 乘用 车燃料消耗量试验方法中有包括适用于货车的六工况循环和适用于城市客车 和双层客车的四工况循环，但这些工况都不具有我国城市车辆行驶工况的代表 性，不能满足我国汽车工程人员在开发和设计时的使用要求。 近几年来，中国环境科学研究院、中国汽车技术研究中心、深圳环保研究 所、重庆汽车研究所等科研单位以及清华大学、天津大学、北京理工大学等高 校等在一些经济发达、环保要求高的城市如北京、天津、大连、广州、深圳、 香港等城市进行了工况构建方面的研究工作，形成了各自的实际行驶工况，取 得了一定的成果，为在这方面的后继研究积累了一定的经验【l 引。 1 2 2 传动系优化设计国内研究状况 我国在传动系优化匹配这方面的研究起步较晚，进入8 0 年代后，长春汽车 研究所、吉林工业大学、江苏理工大学等单位开展了一些工作，也取得了一些 成果。目前，国内汽车界主要是围绕以下几个方面开展工作的【1 9 】：( 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。 从2 0 世纪6 0 年代起，中国客车底盘制造业随着中国客车工业的发展从无 到有，走过了一段艰难曲折的发展历程。2 0 世纪6 0 年代到8 0 年代期间，中国 客车制造基本是直接采用载货车底盘改装而成。其中大型客车基本上采用黄河 牌载货车底盘，中型客车主要采用解放、东风载货车底盘等。近年来，在引进 技术的同时，国内一些客车底盘制造企业如一汽、东风和江淮等通过模仿，自 主研制开发出一批客车专用底盘，其中6 8m 客车底盘以H F C 6 6 0 1 K Y ， H F C 6 7 0 2 K Y ，H F C 6 7 8 2 为代表，1 0 1 1m 客车底盘以C A 6 1 0 0 ，E Q l 4 5 系列客车底 盘为代表，较好地满足了市场需求。但是，根据统计分析表明【2 0 1 ，绝大多数客 车底盘的传动系采用与卡车底盘相同的配置，不能个性化的满足客车用户的需 求，尤其是城市客车的要求。 国内客车生产厂对匹配技术的研究经验相对于国外生产厂家来说相对较 少。目前国家的产业政策已调整为积极鼓励各企业尽快形成自主开发能力，企 业为适应国内外两个市场激烈竞争的需要，不断学习和探讨汽车现代设计与试 验方法，有效地建立自己产品的特性资料库，迅速积累研发经验并不断创新， 设计制造出适应顾客个性需求的各种汽车产品。近几年来，国内一些科研院所 也开始使用仿真计算来进行发动机与传动系的匹配研究，但是由于车辆的行驶 是一个复杂的过程，因此这些研究建立的数学模型大多比较简单，忽略了很多 参数、条件以及一些细节过程，导致仿真结果大多只能用于定性分析。这相比 传统的仅仅依靠手工计算和试验来分析改进的方法，无疑有了很大的进步。但 是，如果能详细考虑车辆在行驶过程中的各种复杂情况，建立的模型就会更加 完善，将会使仿真结果更加实用可信。因此，对发动机与底盘的匹配技术的研 究刻不容缓。 因此，合理匹配优化动力传动系统还有很多值得进一步研究的地方，是能 使整车性能提高的一个重要的部分。 国外在计算机辅助汽车动力传动系统优化匹配方面的研究开展的较早。 1 9 7 2 年，美国通用汽车公司首先开发了汽车动力性与燃油经济性的通用预测程 序G P S I M ，该程序可以模拟汽车在任何行驶工况下的瞬时油耗、累积油耗、行 驶时间和距离，预测汽车设计参数如重量、传动系速比、空气阻力系数等的变 化对性能的影响。电子计算机的应用和测试手段的提高，使通过模拟计算和试 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 汽车公司在这方面做了大量的研究工作，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 ，康明斯公司的V M S ，美国 交通部的V E H S I M ，日本日产汽车公司的C S V F E P ，德国奔弛汽车公司的T R A S C O 等。这些程序的使用在样车制造前就能准确地对汽车动力性燃油经济性进行预 测，并可以根据几种传动系速比变化引起的整车性能的变化来找到这种变化间 的关系，形成“最佳动力性、燃油经济性曲线 ，从而找到能与所选发动机合 理匹配的传动系，这样就可以节省大量的试验费用，缩短设计周期【2 。 国外客车生产厂对匹配技术已经研究多年，并形成了一整套的匹配技术规 范，在产品设计过程中发挥了巨大作用，避免了众多失误。 1 3 本文主要研究内容 本文研究了客车发动机特性，对整车动力性及燃油经济性进行了模拟计算， 并与试验结果进行对比，得到较好的仿真结果。构建了实际的城市道路行驶循 环工况，在此基础上建立了汽车动力传动系统参数优化数学模型，分别以客车 驱动功率损失率和实际行驶工况的燃油消耗量的双目标函数作为优化目标函 数，在了解结构及性能参数对客车动力性、经济性的影响程度的同时，利用遗 传算法的优化理论对目标函数进行计算，获得了较好的计算结果。 本文主要完成了以下工作： ( 1 ) 分析了客车动力性和燃油经济性的评价指标，建立了发动机外特性曲 线拟合数学模型和发动机万有特性的数学模型，概括总结了客车动力性及燃油 经济性各项评价指标的模拟计算方法，研究了客车的最佳动力性经济性换挡规 6 律。 ( 2 ) 以道路试验为基础，采集了大量的车速一时间数据，根据E C E 工况构 建的方法，对数据进行解析，构建了城市道路实际的行驶工况。根据构建的工 况进行了油耗采集试验，以油耗量为对比依据，得出该构建的工况比较符合城 市实际道路工况的结论，可以代表传动系参数优化模型的经济性目标函数。 ( 3 ) 以考虑挡位利用率的驱动功率损失率和该城市道路工况百公里油耗量 作为动力性和燃油经济性的两个分目标，采用线性加权组合的方法将其转换成 统一目标函数，建立了以动力性、经济性作为综合优化目标函数，以动力性能 作为优化设计约束条件的客车传动系参数优化数学模型。 ( 4 ) 以遗传算法为求解方法计算优化模型，利用M A T L A B 优化工具箱来进 行计算。并以某客车为例，对其传动系参数进行优化设计，通过对优化前后客 车整车性能的对比分析，使得整车动力性和经济性有一定的提高，验证了该优 化模型的合理性。 论文的创新之处体现在构建城市车辆实际行驶工况，将其作为传动系参数 优化模型的经济性目标函数。本文一改之前常用的以城市4 工况或等速百公里 工况为经济性目标函数的做法，将实际构建的城市道路工况作为优化模型中的 经济性目标函数，更加真实的反映出城市客车的燃油消耗水平，更有利于整车 性能的提高。 7 第二章客车动力性燃油经济性的模拟仿真 2 1 动力性经济性评价指标分析 2 1 1 动力性评价指标 汽车的动力性是汽车重要的性能之一，运输效率的高低在很大程度上取决 于汽车的动力性。当汽车行驶的平均速度越高，汽车的运输生产率越高，而影 响平均速度的因素，除运输组织原因外，主要是汽车的动力性。汽车的动力性 通常由汽车的最高行驶车速、加速时间和最大爬坡度这三方面指标来评定。 客车动力性三方面评价指标的侧重点各有不同，最高车速和最大爬坡度体 现了客车的极限行驶性能，而加速时间则反映了客车的综合动力性能。 ( 1 ) 客车的最高车速一一表示客车在水平良好的路面( 混凝土或沥青路) 上所能达到的最高行驶速度。它反映了客车本身具有的极限能力。 ( 2 ) 客车的加速时间一一表示客车的加速能力，它对平均行驶车速有着很 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。加速时间通常 包括原地起步加速时间与超车加速时间两种。原地起步加速时间指客车由I 挡 或I I 挡起步，并以最大的加速强度逐步换至最高挡后到某一预定的距离或车速 所需的时间；超车加速时间指用高挡由某一较低车速全力加速至某一高速所需 的时间。 ( 3 ) 客车的爬坡能力一一表示满载( 或某一载质量) 时客车在良好路面上 的最大爬坡度，最大爬坡度是指I 挡最大爬坡度。 在对汽车传动系优化的工作中，以上三项评价指标都能用于动力性的目标 函数，但以动力因数、加速时间及驱动功率损失率为目标函数在目前是比较常 用到的。 2 1 2 燃油经济性评价指标 在保证动力性的条件下，汽车以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能力，称 作汽车的燃油经济性。汽车的燃油经济性常用一定行驶工况下汽车的百公里燃 油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程数来衡量。目前，一般采用等速行 驶百公里燃油消耗量和多工况循环行驶百公里燃油消耗量来评价汽车的燃油 经济性【2 2 1 。 等速行驶百公里燃油消耗量评价指标 等速行驶百公里燃油消耗量是常用的一种评价指标，指汽车在额定载荷下， 以最高挡在水平良好路面上等速行驶1 0 0k m 的燃油消耗量。通常测出每隔1 0 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 8 等速百公里燃油消耗量曲线，以它来评价汽车的燃油经济性。 但是，等速行驶工况并没有全面反映客车的实际运行情况，特别是市区行 驶中频繁出现的加速、减速、怠速停车等行驶工况1 2 3 1 。因此，在对实际行驶车 辆进行跟踪测试统计的基础上，各国都制定了一些典型的循环行驶试验工况来 模拟实际汽车运行状况，并以其百公里燃油消耗量来评定相应行驶工况的燃油 经济性。 多工况循环行驶燃油经济性评价指标 汽车多工况循环模式，是在进行大量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油经济性更接近实际行驶状 况。多工况循环行驶工况包括加速、减速、等速以及怠速等工况，将这些工况 的燃油消耗量累加起来，并折算成等速百公里燃油油耗量来评定相应行驶工况 的燃油经济性。多工况试验方法是按汽车实际运行工况统计分析后制定出的一 种试验规范，它与汽车的实际使用工况接近，以此方法来进行汽车燃油经济性 分析具有一定真实性和准确性。 各国都制定了一些典型的循环行驶试验工况来模拟实际汽车运行状况，并 以百公里燃油消耗量来评定响应行驶工况的燃油经济性。联合国欧洲经济委员 会( E C E ) 、美国及我国分别制定了测定燃油经济性的循环行驶工况【24 。分别 有用于欧洲城市的E C E - R 15 I 况、用于美国城市的U D D S I 况及用于我国货车的6 工况和用于客车的城市4 工况行驶工况。 2 1 3 汽车动力性与燃油经济性的综合评价 汽车动力性和燃油经济性是相互抵制的两个评价指标，动力性的提高势必 要以消耗更多的燃油量为代价，同样如果追求较好的燃油经济性，汽车的动力 性，尤其是加速时间和爬坡能力将会下降，因此如何在保证动力性能良好的情 况下又不会消耗过多的燃油是如今追求的最佳效果【2 5 1 。 建立汽车动力性和燃油经济性的综合评价指标，能够反映汽车发动机和传 动系统匹配的程度，并能够揭示动力传动系存在的问题和可能改善的方法【2 6 1 ， 为提高整车动力性经济性提供了可靠，有效的途径。尤其对于起步换挡频繁、 燃油消耗量大的城市客车，需要通过此类办法对其整车性能做出有效改善。 目前，作为汽车动力传动系统优化匹配的评价指标有很多，汽车原地起步 连续换挡加速时间和驱动功率损失率一般较多的作为动力性的评价指标，驱动 功率损失率反映了汽车实际动力传动系特性与理想的动力传动系的差距，也能 够反映汽车动力性的大小与汽车动力性能发挥程度，其值越小，发动机与传动 系统在动力性能方面匹配得就越好【2 7 1 。多工况燃油消耗量则较多的应用于经济 性的评价指标里。在研究动力性和燃油经济性的综合评价时，可以将上述评价 指标分别计算并加权作为最终的目标函数来进行优化设计。 在对加权系数的选择中，通常各占5 0 ，但是也可根据设计的具体情况和对 9 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，本文用驱动功率损失率与实际构建的城 市道路行驶工况燃油消耗量的加权值作为综合评价指标。 2 2 发动机特性数学模型的建立 汽车动力性和燃油经济性模拟计算的前提是发动机特性数学模型的建立。 发动机特性数学模型的描述，包括发动机外特性数学模型和发动机万有特性数 学模型。描述发动机性能的方法有表格法、差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【2 8 1 。 动力性评价指标的求解是建立在发动机的外特性基础上的，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；而燃油经济性评价指标的求解是建立在发动机的万有特性基础上的， 万有特性可以看作是发动机转速和发动机转矩( 或功率) 的二元函数，其系数 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，近似地代替非稳态工况下发动机瞬时特性。 2 2 1 发动机外特性模型 分析发动机外特性时，本文引用最小二乘法原理来拟合外特性曲线多项式。 最小二乘法的曲线拟合问题，从几何上讲，就是寻求在给定点X 。，X ， x 。处与各原始点距离平方和最小的曲线。 所谓多项式拟合，就是对于给定的一组数据( 屯，Y ，) ( f = 1 ，2 ，m ) ，求作 n 次多项式( n m ) 。 一 p 。( x ) = 吼x 。 ( 2 1 ) k = 0 使偏差P 。( x ，) 一Y ，的平方和为最小，即 m 甩( 一y f 】2 ：mminZ px i ) m i n 墨 。a k x i 七一Y i I z ( 2 2 )甩(一y f 】二= 万一 I ( 2 一) f _ 0i = 0k = 0 。 令2 - 2 式的值最小，这样得到的多项式p 。G ) 就是所求的最小二乘拟合多项 式。 发动机的外特性模型即把发动机的扭矩丁。看作是发动机转速刀的函数，可 以用下面的多项式表示： 乙2 静煳庀( 阀1 ，2 ，肌) ( 2 埘 式中：一发动机的扭矩( N m ) ； 厅一发动机的转速( r m i n ) ； 1 0 如一多项式拟合系数： 册一多项式的阶数。 设已知N 组试验数据( 乙f ，n i ) 分别代入上式并记入随机误差P 1 ，P 2 ， e ，有 砀 乏2 ： 毛 l n l 伪2 矿 1 屹屹2 n 2 七 !； 1 n Nn N 2 n N k 铂 4 ： 4 ( 2 - 4 ) 写成矩阵形式为： 乙= G A + E ( 2 5 ) 式中：丁。、E - N 1 阶列向量； G _ NX ( k + 1 ) 阶矩阵； 彳一( k + 1 ) l 阶列向量。 根据最小二乘法定义，假设，：N P f 2 ：E 丁E ，为得到拟合系数A 的取值，按照极 值理论，对，求导，得 型1 ：o ( 2 6 ) 副I 爿：二。 。 则 = G A ( 2 7 ) 将该式变形容易得到得二：( G r G ) 一1 G T ，编制曲线拟合程序计算，即可求得么 和后。式中k 值的确定取决于计算的精度，且K N 一1 。经过计算，一般k = 4 时，拟 合曲线的精度较高【2 9 1 。 2 2 2 发动机万有特性模型 发动机的万有特性曲线是表示发动机的燃油消耗率与发动机功率、发动机 转速之间关系的一簇曲线。客车燃油经济性指标的模拟计算，需要频繁地计算 发动机的燃油消耗率，这是以发动机万有特性数学模型为主要依据的。汽车在 行驶过程中，发动机经常工作在非稳定状态下，尤其是城市客车，不稳定工况 工作时间占5 0 - 8 0 ，其中2 5 - 4 0 为加速工况【30 1 。因此对发动机非稳定工况的 模拟计算是一项十分重要的工作。 发动机的万有特性即把发动机的有效燃油消耗率g 。看作是发动机转速以和 有效功率( 或转矩) 忍的函数。而万有特性试验数据的处理，常采用多元线性 回归的方法进行曲面拟合，建立的回归模型为： 鼢 g 娩 g e N llM 砌傀2 - f1 n 2P e 2n 2 2 ； ； b 鲥肼彩 咿ap 0 蠢 哪晓p 0 遣 吣p e Np e 寺衬 式中： 岛，局，瞰一1 ) 一模型中待定系数： P l ，e 2 ，g 卜一随机误差； J 一多项式的最高幂次数； 七一多项式的级数( k = ( s 十1 ) ( s + 2 ) 2 ) 。 写成矩阵形式如下： g P = G B + E 式中：G 刊xk 阶矩阵； ( 2 8 ) ( 2 9 ) g e 、E _ _ N