汽车动力传动系统优化匹配

汽车动力传动系统优化匹配主讲人：宋传学教授单位：吉林大学汽车工程学院２００7年12月15日第一章概述研究必要性传统内燃机汽车仍是主要运输工具，其经济性直接决定我国的能源需求量从动力传动系匹配方面提高汽车燃料经济性仍有潜力可挖。动力性与经济性的预测计算是提高汽车动力传动系设计的有效手段动力传动系的合理匹配对改善汽车排放性也很有帮助。降低汽车燃油消耗措施提高汽车行驶效率提高发动机性能开发新型动力

优化匹配动力传动系统国外研究情况1972年，美国通用汽车公司首先开发了汽车动力性与燃料经济性的通用预测程序GPSIM，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。有福特汽车公司的TOEFP软件，康明斯公司的VMS软件等。奥地利AVL公司开发的CRUISE软件。可对内燃机汽车、混合动力汽车、电动汽车进行动力性、经济性及排放性计算。美国能源部开发的ADVISOR软件（主要做混合动力，电动汽车的性能预测计算）国内研究情况国内此类研究开展的较晚，特别是该类软件开发方面较国外落后很多。一汽汽研所进行了较深入的研究，开发有汽车动力性经济性模拟计算软件EP。吉林大学，江苏理工大学等学校也开展这方面的研究。其中吉林大学汽车工程学院目前在开展考虑排放约束的动力传动系匹配方法。开发有模拟计算软件AutoDyn。第二章

汽车动力性与经济性评价体系§2－1汽车动力性的评价指标最高车速：指汽车在水平良好的路面上所能达到的最高行驶速度，它是一种极限能力的评价指标。加速性能：它的评价指标很多，欧美国家常用的评价指标采用汽车油门全开时的加速距离和时间；也有的国家采用油门全开时加速到最高车速一半的时间和距离。当今汽车界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。原地起步加速时间系指用一档或二档起步，按最佳换档时机逐次换至高档，油门开度保持全开，加速至某一预定的距离或车速所需的时间。超车加速时间系指用最高档或次高档由某一较低车速在油门全开的情况下，加速至某一高速所需要的时间。爬坡性能：汽车的爬坡性能是用满载时汽车在良好路面上的最大爬坡度表示的。显然，最大爬坡度是指一档爬坡度。另外有的国家规定在常遇到的坡度上，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。§2－2汽车燃料经济性的评价指标等速燃料经济性：它是一种常用的评价指标，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的燃油消耗量。但这种评价方法没有反映出汽车实际行驶中受工况经常变化的影响。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实际行驶状况。自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，制订了各种试验规范，如联合国欧洲经济委员会颁布的ECE15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；我国的载货汽车六工况试验循环JB3352、城市客车四工况试验循环JB3972等。目前我国分别新发布了乘用车与商用车辆燃料消耗量试验方法（GB／Tl2545.1-2001、GB／T12545.2-2001）

并以这些试验循环的百公里燃油消耗量来评价相应行驶工况的燃料经济性。§2－3汽车动力性和燃料经济性的综合评价汽车动力性与燃料经济性的综合评价指标，应该能定量反映汽车动力传动系统匹配的程度，能反映出发动机动力性与燃料经济性的发挥程度，能够提示汽车实际行驶工况所对应的发动机工况与其理想工况的差异，能够提示动力传动系统改善的潜力和可能的途径。动力性能发挥程度的评价指标——驱动功率损失率汽车的动力损失图图2－1汽车驱动力损失图2－1为装有四档变速器的汽车驱动力与车速关系曲线图，曲线上方的区域为因发动机功率所限汽车不能达到工作范围，下方的阴影部分为汽车驱动力损失的工作区。在汽车前进档数一定的条件下，优选变速器各档的传动比使汽车的实际驱动特性最接近理想特性，即上图阴影面积最小。驱动功率损失率定义驱动功率损失率反映了实际汽车动力传动系特性与理想的动力传动系的差距，也能反映汽车动力性的大小与汽车动力性能的发挥程度。值越小，发动机与传动系在动力性能方面匹配得越好。理想驱动力曲线下覆盖的面积：定义驱动功率损失率（2－8）——发动机在第j档时的转速工作范围。（2－9）经济性能发挥程度的评价指标——有效效率利用率汽车发动机在实际使用中，很少是完全沿着速度特性或负荷特性曲线工作的，也就是说，它的工作范围在以转速和负荷（转矩）构成的二维平面的特定区域，其燃油消耗率不仅取决于这个区域的位置、形状、大小，而且取决于在不同区域的持续时间。从经济性考虑，希望内燃机工作在其经济区域内。内燃机有效效率发动机常用工况有效效率利用率汽车动力传动系统匹配的综合指标——汽车能量利用率汽车的能量利用率是一个新的概念，它统一了两个相互制约的概念，燃料经济性和生产率。从能量的观点看，可为获得最高的生产率和燃料经济性，需要尽可能减少汽车行驶过程中不必要的能量损耗，即以较少的燃油消耗完成一定的运输工作量。汽车的能量利用率是指燃料的化学能转为汽车有用功的效率。在这里，传统的力学和热力学效率完全不适用，这是因为汽车——司机——道路系统中存着非保守特性和概率特性，如汽车运输过程中的全部机械功终将转化为摩擦热而消耗掉，有用功为零。故不便简单地采用热机效率的概念。汽车行驶的能量能量利用率定义汽车能量利用率计算能量利用率的意义从能量利用率的推导过程可以看出，这个指标已把发动机和底盘的固有特性与汽车实际行驶条件相结合，既反映了汽车具有的能力，又反映了汽车的实际使用效果，因此用它作为汽车动力传动系统合理匹配综合评价指标，既反映汽车动力传动系统与使用工况匹配程度，又能提示动力传动系统改善的潜力和途径。第三章

汽车动力性与经济性的模拟计算方法发动机模拟计算模型汽车动力性和燃料经济性模拟计算中，首要的问题是发动机数学模型的正确建立。发动机数学模型的描述，包括汽车发动机外特性（使用外特性，对于柴油机来说，是功率特性）和发动机万有特性。描述发动机性能特性的方法很多，其中有表格法、插值法和模型法。前两种方法精确度较高，但占用内存较多、运算速度慢，故目前大都采用数学模型法。对于已知实验数据的发动机，其使用外特性可以看作为发动机转速的一元函数，用最小二乘法拟合获得；而万有特性可以看作为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实验数据获得的模型近似代替非稳定工况下发动机瞬态特性。考虑到发动机在加速工况时，其转矩较稳定工况有所下降，燃油消耗率有所上升，一般认为其转矩下降量与曲轴角加速度成线性关系，可以采用修正系数法来考虑这种影响，借以减少稳态工况代替瞬态工况带来的误差。发动机使用外特性模型的建立某发动机外特性曲线发动机万有特性模型的建立某直列六缸发动机万有特性图发动机飞轮及运动系统的转动惯量发动机飞轮及运动系统的转动惯量可用经验公式计算（本经验公式是统计了国内外十几种发动机的实际数据得到的，公式简单明了，十分接近实际情况）：汽油机：I=0.1Volume;（kgM2）…3.10柴油机：I=0.2Volume;（kgM2）…3.11式中：Volume：排量（L）非稳定工况时发动机性能的修正汽车发动机大部分时间处于非稳定工况，而非稳定工况下的动态特性和稳定工况特性显然是不相同的。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％~5％。变速器的数学模型变速器的数学模型比较简单，是一个可以换档的传动机构，各档位有各自不同的传动效率，典型的5档变速器的传动效率见表3-1。表3-1典型5档变速器的传动效率档位三轴式变速器轿车双轴式变速器一档0．960．97二档0．9650．975三档0．970．98四档0．99（直接档）0．985五档0．970．98驱动桥效率变化特征分析驱动桥的传动效率主要与输入扭矩和输入转速这二个参数有关。扭矩越小效率越低；转速越高，效率越低。以下是原因分析：轴承的预紧力产生的摩擦力矩基本是一个常数，搅油损失产生的阻力矩只与转速有关，与输入扭矩无关。所以，在小输入扭矩状态下，上述两项阻力矩占整个输入扭矩的比例较大，所以输入扭矩越小，效率越低；反之，在大输入扭矩状态下，上述两项可以忽略，从试验数据中可以看出，在输入扭矩大于20％最大允许输入扭矩时，阻力矩主要来自传动齿轮的摩擦，由于摩擦系数接近常数，所以传动效率基本不变。图3.4为两种驱动桥的传动效率随载荷的变化曲线，试验温度为80℃，输入速度为260r/min，两种桥的最大允许输入扭矩都约为10000Nm。桥的传动效率随载荷变化曲线3.4为两种驱动桥的传动效率随载荷的变化曲线，试验温度为80℃，输入速度为260r/min，两种桥的最大允许输入扭矩都约为10000Nm。输入扭矩小于2000Nm时桥的传动效率随载荷变化曲线驱动桥效率模型单级驱动桥最高传动效率一般在0.96到0.94之间。国内中重型车的一般水平在0.95左右，轻型车一般为0.96，轿车大约在0.96到0.97之间。当输入扭矩大于0.2倍的最大允许输入扭矩时，效率约等于最高传动效率，是一个常数；当输入扭矩小于0.2倍的最大允许输入扭矩时，效率按经验公式3.12计算。式中：x=M_in/(Min_max/5)。M_in：输入扭矩（Nm）。Min_max：最大允许输入扭矩（Nm）。：驱动桥最高效率（典型值为0.95～0.96）。驱动桥效率拟合曲线图3.6是按3.12式计算所得的驱动桥效率拟合曲线。为使计算简便，忽略了转速对传动效率的影响。从图3.6分析，转速对传动效率的影响较小，所以忽略转速对效率的影响不会带来很大的计算误差。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。行驶中，驾驶员严格遵守道路环境对速度的限制；在未达到对速度的限制时，可以充分发挥汽车的动力性；在满足上述条件时，应考虑汽车的燃料经济性，尽量利用高档行驶。最佳动力性换档规律在动力性模拟计算中使用了保证最佳动力性的换档规律，即认为与尽可能在较低档位行驶。关键问题是换档点的选择，目前有两种判断方法：一种是以同一车速下各档加速度的大小作为换档依据；另一种是以同一车速下各档驱动力的大小作为换档依据。模拟计算中，对驾驶员换档规律规定：1．当发动机转速低于其最小稳定转速时，由高档换入低档；2．当发动机转速高于其最大转速时，由低档换入高档；3．当发动机转转速介于最大和最小转速之间时，若高档加速度大于低档加速度时，应由低档换入高档。最佳经济性换档规律在燃料经济性模拟计算中使用了保证最佳经济性的换档规律。这里也有两种判断方法，一种是在汽车加速度大于零情况下，尽可能采用高档行驶；另一种是以发动机燃油消耗率作为换档依据，保证汽车总是以使发动机的燃油消耗率最小的档位行驶。模拟计算中，对驾驶员换档规律规定：当发动机转速低于其最小稳定转速时，由高档换入低档；当发动机转速高于其最大转速时由低档换入高档；当发动机转速介于其最大和最小转速之间时，若高档加速度大于零时，应由低档换入高档。当行驶阻力大于牵引力时，若发动机转速高于发动机最大转矩所对应的转速时，则不换档，反之应换入低档。§3－3汽车动力性模拟计算方法各档动力因数计算最大爬坡度的计算汽车最高车速的计算汽车加速性能的计算起步能力计算各档动力因数计算续续15吨汽车动力特性图最大爬坡度的计算某15吨汽车最大爬坡度计算结果某15吨车加速特性计算结果滚动阻力系数计算轮胎综合滚动阻力系数轿车低压子午胎：f=0.01376×(1+Va×Va／40566)适用车速：220km/h以下。轻型车斜胶胎：f=0.0108×(1+Va×Va／19440)适用车速：130km/h以下。轻型车子午胎：f=0.0108×(1+Va×Va／40566)适用车速：150km/h以下。中重型斜胶胎：f=0.00717×(1+Va×Va／19440)适用车速：130km/h以下。中重型子午胎：f=0.00717×(1+Va×Va／40566)适用车速：150km/h以下。式中：Va：车速（km/h）f：综合阻力系数上述滚动阻力系数f，实际上包括了轮胎的滚动阻力、变速器及驱动桥的搅油损失等等因素。所以更贴切的，应该名之为“综合阻力系数”，它反映的是用滑行法测得的综合阻力的大小（除空气阻力外的所有阻力）。综合阻力系数f及空气阻力系数Cd的获取综合阻力系数f的经验公式是这样确定的，以中重型轮胎为例：首先根据滑行阻力的试验数据拟合出滑行阻力—车速曲线图3.7和图3.8是解放牌某2种中重型车型的滑行阻力试验结果及2次拟合方程。

图3.7某14吨车滑行阻力-车速拟合曲线图3.8某12吨滑行阻力-车速拟合曲线汽车最高车速的计算汽车最高车速是指在良好的水平路面上汽车所能达到的最高车速。根据功率平衡原理，发动机功率曲线（直接档或最高档）与汽车行驶阻力功率曲线相交点处的车速，便是汽车最高车速。汽车加速性能的计算起步连续换档加速过程框图起步能力计算S=(78.5495*Te*Rt*Ra)/(GW*r)…3.4式中：S：起步能力（%）Te：离合器接合时的发动机扭矩，通常对大型柴油机可取发动机800r/min时的扭矩，对于小型发动机，可以取1000r/min时的扭矩（kg.m）；Rt：变速器的最低档速比；Ra：主减速比；r：轮胎的滚动半径（m）；GW：车辆总重（包括挂车）（kg）起步能力的物理意义起步能力的物理意义是：汽车在这样大的坡路上能够起步。注意不能与最大爬坡度混淆，最大爬坡度的概念是汽车已经在运动中，能够爬上的坡度。设计过程，对中重型车的起步能力有一定的要求：S=16%公路用车最低要达到16；S=25%工程用车最低要达到25；S=30%使用条件极其恶劣的越野车最低要达到30％。对于轻型车和轿车，一般起步能力比上述要求还要大。但主要考虑的已经不是汽车起步的能力，而是为了保证汽车具有足够的加速能力，起步能力自然就比较大。等速燃料经济性模拟计算等速油耗计算框图某15吨车等行驶燃料消耗特性汽车多工况燃料经济性计算方法多工况循环试验是不同强度的加速、减速和等速三种行驶工况连续循环的组合，其速度历程总可以表示为随时间变化的分段函数，即：。多工况燃料经济性模拟计算就是这三种工况油耗计算的综合。等速过程加速过程15吨车高挡加速过程燃料消耗特性减速过程多工况循环试验的百公里油耗；多工况循环试验的油耗Q就是上述三种过程油耗量的总和，于是整个循环试验的百公里油耗可按下式计算式中：S——循环试验总行驶距离（m）；——燃油密度多工况燃料经济性计算流程图某汽车多工况行驶负荷变化特性多工况行驶瞬时燃料消耗量第四章

汽车动力传动系统的优化优化问题概述我们在做一切工作时，总是有很多方案可选用，优化问题就是从这众多可选方案中找出最好的方案。其实质是在现有条件下，使我们所期望的目标值达到最大。如在汽车生产中，在保证汽车质量的前提下，选择最合理的生产过程，使生产费用最省。在生产、科研领域中，普遍存在着这种是最优化问题。最优化技术就是研究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寻求最优化的方案。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最优解。优化技术发展电子计算机的飞速发展为最优化技术提供了有力的计算工具也对应优化技术的广泛应用起到了巨大的推动作用。由于最优化技术是要在一切可能的方案中寻求最优的方案，往往需要进行大量的计算。若没有电子计算机而用人工进行计算，不仅工作量很大，且有时是难以实现的，而有了计算机这一有效的计算工具，就使得最优化技术得以迅速发展。运用计算机技术进行机械最优化设计，对速个机械设计学科产生了十分深刻的影响，使许多过去无法解决的关键性问题获得了重大突破，并取得显著经济效益与社会效益。机械优化设计作为一种新兴的技术在汽车产品中的应用也逐渐深入，从产品设计到应用都普遍采用优化技术提高产品性能，降低生产成本。传动系参数与动力性燃料经济性间关系分析发动机的工作特性曲线与汽车行功率的合理匹配问题，可由传动系来解决。传动系参数对汽车的行驶功率和燃油消耗量有着决定性的影响，改变传动系的传动比，使汽车的常用工况处于发动机特性曲线的最佳经济区，那么一定能有效地降低汽车的燃油消耗。传动系的参数包括：变速器的速比范围，档位数，速比分配规律和驱动桥速比等。对传动系参数选择的基本要求是：档位数适当；速比合适；轻量小型；传动效率高、操纵感觉好；振动、噪声特性好；耐久性好；成本低廉；拆卸、装配、维修方便汽车动力性与经济性分析用于分析传动系参数与动力传动系合理匹配间关系的工具是汽车动力性与燃料经济性模拟计算方法。通过计算获得的动力性与燃料经济性指标在以汽车原地起步连续换档加速时间为纵坐标，多工况循环模式燃料经济性为横坐标的图上为一点。在一定范围内，连续改变驱桥速比，就可得到一条描述由驱动桥速比改变而引起的动力性随燃料经济性变化的曲线。同样改变变速器各档速比等参数，也可以获得类似的曲线，根据这些曲线，可以定量分析传动系参数改变时，对整车动力性与燃料经济性的影响。速比范围的影响传动比的范围要根据发动机的特性、汽车最高车速、最低车速和使用条件等要求而确定。最大传动比决定着汽车最大爬坡度、附着力，及汽车最低稳定车速。而最小传动比除影响汽车最高车速外，还决定了汽车的最高档动力因数。变速器档位数的影响档位数的增加，不仅有利于增大利用发动机最大功率的机会，提高汽车的动力性能；而也增大了发动机在最佳经济区工作的机会，提高了汽车燃料经济性。燃而机械变速器的前进档数超过五档时，会使结构变得复杂。对于给定的发动机，如果发动机的转矩储备系数小，为使相邻档位顺利衔接，需要较多的档位；相反，如果发动机的转矩储备系数较大，则可以减少档位数。速比分配规律的影响传统方法是按等比级数来分配变速器各档速比，可以使发动机保持在同一转速范围内工作，可充分利用发动机提供的功率，提高汽车行驶的动力性。实践表明，汽车在实际行驶时，变速器主要在高档位工作。例如，中型货车五档变速器在干线公路上1、2、3三个档位的总利用率仅为10％~15％。而按等比级数分配的传动比使利用率低的低档位数较多，而高档速比间隔较大。为了合理利用变速器有限的档位，使汽车在行驶中具有良好的动力性与燃料经济性，应根据行驶条件的要求，使传动比的间隔由低档到高档逐渐减少。即采用偏置等比级数分配各档速比，使得低档时发动机的转速范围较宽，而高档时较窄，即在高档位时两档位之间重合区域增大了。当汽车以较高车速行驶时，变速器在高档间换档时发动机功率下降较小，工作区的平均功率较大。驱动桥速比的影响当变速器选定后，汽车动力性与燃料经济性将主要由驱动桥速比决定。驱动桥速比的变化影响着行驶阻力功率曲线在发动机万有特性图中的位置，大的传动比使曲线右移；小的传动比使曲线左移，接近万有特性的低油耗区。当驱动桥速比减少时，汽车单位行程内发动机曲轴总转数减少，内部摩擦损失也减少，燃料效率提高。考虑到汽车的高速化和燃料经济性的提高，驱动桥速比倾向选择较小值。减小传动系的传动比有两种途径：其一是减少驱动桥速比，这虽然能改善燃料经济性，但同时使汽车的动力性较原车有所下降；其二是在变速器中增加超速档，既能改善燃料经济性，又能保持原车的动力性，从制造工艺看，实现可能性较大。发动机工作区间的最优化在汽车设计中，发动机与传动系参数的优化匹配，是通过合理地选择传动系参数，使发动机的实际使用工况尽可能地接近最佳经济区。而在汽车使用中，也需要根据不同的汽车运行工况来选择适当的档位和传动系传动比，使发动机处于其最佳经济区工作。由此可见，发动机最佳工作区的定量确定对动力传动系的最优化匹配是十分重要的。数学模型的建立模型的几何描述图5－1约束函数等高线§5-4汽车动力传动系参数的优化传动系优化实质是合理选择汽车驱动桥与变速器的传动比使其与汽车发动机性能达到匹配良好。设计变量选定汽车驱动桥与变速器的传动比作为设计变量，分别为X（I，1），X（I，2），X（I，3），X（I，4），X（I，5）…X（I，N）。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档及次高档等速行驶的百公里油耗作为目标函数。可根据汽车等速燃料消耗量与我工况燃料消耗量的模拟计算方法编写目标函数。约束条件的建立传动系优化的约束条件应保证汽车的动力性要求。即优化是为实现保证动力性前提下实现经济性的最优。目前，可把排放约束也加入到传动系速比的优化过程。确定直接档动力因数汽车燃料经性的提高，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，有足够的的上坡能力。评价指标用直接档或最高档的最大动力因数（表示汽车直接档或最高档时爬能力和加速能力）。确定原则可见最高档最大动力因数是最高档总传动比X（I，N）的函数，提高最高档的动力因数，可以增大上坡加速能力，但最高车速降低，最高档总传动比X（I，N）提高，发动机负荷率降低，汽车经济性变差。若X（I，5）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，对于中型和大型客车要求直接档最大动力因数在0.04~0.06之间。最大传动比X（I，1）就普通汽车而言，传动系最大传动比就变速器头档传动比与驱动桥主减速比的乘积。确定传动系最大传动比也就是确定变速器头档传动比。汽车的动力性要求其最大传动比应满足汽车最大爬坡度要求。确定中间各档传动比变速器档与档之间传动比的比值主要影响变速器的使用性能，比值过大会造成换档困难，一般认为不宜大于1.7~1.8。同时考虑在换档过程中，由于外部阻力的影响，车速常有所下降，而且换档时车速越高，换档过程中的速度下降越多。所以随着档位的提高，相邻两档传动比应逐渐降低。根据上述模型编制优化程序即可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。其它约束条件前面所讲的综合评价指标如驱动功率损失率、有效效率利用率、汽车能量利用率等也可作为约束条件加入优化过程，这样使优化的动力传动系更加合理。优化算法汽车动力传动系匹配优化算法有很多，具体编程时可以参考相关书藉。目前做此类问题应尽量借用成熟的优化软件，如MATLAB等。MATLAB的OptimzationToolbox专用于优化问题的解决，具有使用方便及自动化的特点。吉林大学开发的AutoDyn功能操作系统平台采用Windows系统，应用程序采用C／S（客户／服务器）结构，这样使系统能充分应用现有软件，解决了系统开发中人员少而工作量大的矛盾，可把主要精力放在汽车动力性与燃料经济性计算的计算机实现上，而不必拘泥于数学算法等一些支节问题。客户程序选择VC＋＋作为开发平台，服务器主要完成数学计算与分析，主要包括燃料经济性计算，动力性计算，发动机性能的数学模型拟合及传动系优化等。这部分是系统的内核，它要求计算精度高与可信度好，故选择了MATLAB作为开发平台，MATLAB自身也提供了面向C／C＋＋语言的作为自动化服务器的接口——MATLAB计算引擎。这为我们在C／C＋＋程序中调用MATLAB功能提供了极大的方便。AutoDyn主界面7吨车的计算值与试验值对比

图5.2次高档（5档）等速油耗

图5.3次高档（6档）等速油耗轻型车计算与试验对比XX1046LXX6440项目试验值计算值试验值计算值总重38202265最高车速(km/h)/档位115.5/五114.6/五129.1/四128.7/四起步0～80km/h时间s34.632.818.117.9次高档30～80km/h时间s36.3436.726.8最高档40～80km/h时间s46.0344.629.015工况燃料消耗量L/100km10.6810.637.927.56直接档全油门加速油耗25.3620.2119.84等速次高档3040506070808.899.5910.5011.612.8814.329.6410.5610.4611.6312.8514.056.747.047.548.238.9310.127.568.268.409.3510.2412.73油耗最高档40506070809.109.9510.9011.9313.048.859.7210.1911.1212.466.356.947.748.439.627.197.988.499.3910.56第五章计算实例分析计算实例（一）对某系列轻型汽车进行了动力性与经济性分析并对其传动系进行了优化，由于技术保密，这里只对结果进行说明。发动机参数491Q（4Y）汽油机的性参数如下：额定功率－转速68KW-4200~4600r/min最大扭甜转速－转速180N.m－2500~3000r/min最低燃油消耗率285g/kw.h原车动力性与经济性分析存在问题但该车最大动力因数为0.254，对应爬坡度为13.93°，最高档最大动力因数为0.025，对应爬坡度仅0.67°，二者均偏小，可见该车的传动系与发动机性能匹配时，经济性良好，但动力性不足。另外，该车变速器1档与2档之间的传动比值达1.96偏大，而最高档与次高档传动比比值为1.26偏小，这可以从其性能曲线上看出，这些都将影响汽车的使用性能。优化后汽车性能曲线优化结果分析可见优化后的传动比在没有明显增加汽车多工况百公里油耗的情况下，使汽车的动力性有了较大的改善。而且最高档和次高档的等速燃料经济性曲线也变得更平缓一些，从而使汽车以中高速行驶时的燃料经济性有所改善。计算实例（二）某轻型卡车动力传动系匹配。根据技术保密协议，这里对整车数据及车型略去，只对优化结果进行说明。发动机特性原车动力性经济性a.等速百公里油耗挡位行驶车速（km/h）油耗(L/100km)单位质量油耗(L/100km.t)V505.931.792V606.692.021V707.62.296b.多工况百公里油耗：6.78135L/100kmc.单位质量多工况百公里油耗：2.049L/100km.t原车传动系存在问题原车传动系由于考虑农用运输和超载需要而选了较大的主减速比，该主减速比与理想值偏离较大，导致整车经济性不好，而且即使这样，整车在装载质量为2000kg时，动力性也很不理想。由于原车主减速比过大，使整车最高速度受发动机转速限制而显得过低，特别是从空载到满载时，汽车的最高车速相同均为84km/h，这限制了汽车的“快跑”能力。就该车所配发动机功率来说，在载质量2000kg时，动力性很差，如果以这个装载量为常用质量来设计汽车动力传动系，将使该车综合性能大大折扣，虽达到使该车能“多拉”的目的，但该车却不能“快跑”，动输效率低，而且高速时的等速油耗较大，因此使整车动力性与经济性均较差。主减速比选优由于主减速器可选的速比较少，同类车可选的系列为：5.375，5.143，5.125，4.875。对应汽车最佳动力性与最佳经济性的速比是不同的，因此对应汽车最低油耗的主减速比，并不能满足汽车直接挡动力性的要求。故为兼顾汽车的动力性与经济性要求，该车型应选择4.875的主减速比。优化后传动系分析为了主要部件的通用化，尽量采用原车变速器，这里对速比为4.875的主减速器与原车变速器的匹配进行分析。载质量2000kg经济性挡位行驶车速（km/h）油耗(L/100km)单位质量的油耗(L/100km.t)V505.751.737V606.381.928V707.212.178多工况油耗6.94L/100km单位质量多工况油耗：2.097L/100km.t等速百公里油耗载质量1500kg经济性3燃料经济性计算(1)等速百公里油耗挡位行驶车速（km/h）油耗(L/100km)单位质量油耗(L/100km.t)V505.341.90V606.012.138V706.842.434(2)六工况油耗六工况油耗：6.07L/100km单位质量多工况油耗：2.16L/100km.t三种传动系方案对比方案I是指对变速器与主减速器均按最优方案选型与设计。方案II是指保持原车变速器不比，只改变主减速器速比。经济性对比单位质量燃料经济性对比结果分析方案I对该车整个传动系进行了优化匹配，从对比结果可以看出，装载量为1500kg以下时该方案的经济性非常好而且动力性也满足要求。我国已颁布了乘用车的燃料消耗量限值标准。不久也将制定并颁布商用车的燃料消耗量限值的强制性国标。因此保证该车具有较好的经济性是至关重要的。为了使该车传动系做尽量少的改动，对速比为4.875的主减速器与原车变速器的匹配性能进行了分析。从经济性上来说，方案II较方案I有所变坏，但动力性指标有所改善。综合考虑各因素，方案II所确定的传动系也是可以接受的。这样就不必再为该车开发新的变速器，节省了改进设计的成本。第六章

排放约束下动力传动系匹配汽车排放性能的评价欧洲排放标准是我国借鉴的汽车排放标准，我国的排放法规体系就是在全面等效采用欧洲ECE技术内容和部分采用EEC的基础上形成的。目前国产新车都会标明发动机废气排放达到的欧洲标准。考虑排放的综合评价指标目前的汽车动力传动系评价指标局限于整车的动力性和燃料经济性，而忽略了动力传动系匹配与发动机有害气体排放的关系。实践证明，动力传动系统匹配与发动机废气排放有着密切的关系。鉴于国家对汽车尾气排放的限制日益严格，提出一个排放约束指标来匹配汽车动力传动系显得尤重要。基于对排放性能的考虑，本文提出包含汽车排放性在内的汽车动力传动系匹配的综合评价指标，采用多因子加权法评价。所谓多因子加权法就是将汽车驱动功率使用率、高档常用车速比油耗因子以及多工况循环试验排放因子进行加权处理，得到一个综合评价指标的方法。汽车动力传动系合理匹配加权评价指标评价指标分析 评价指标之所以选择驱动功率利用率、常用车速比油耗因子和多工况循环试验排放因子这七个参数，是因为他们能够很好的反映动力传动系匹配后汽车的动力性、燃油经济性和排放特性。

驱动功率利用率反映了汽车动力性的发挥程度，此值越大，表明汽车实际行驶时的驱动功率越接近于理想驱动功率，功率损失越小，动力性匹配性能愈佳。 汽车在行驶过程中，高档使用率占很大比例，因此选择高档常用车速下的比油耗因子能很好的反映汽车的经济性能。汽车有害物的排放受多种因素的影响，在起步过程中各种排放物的排放占很大比例，常用档位与常用车速下的排放特性并不能完全反映汽车在整个行驶过程中的排放特性。为了更全面地反映汽车在整个行驶过程中的排放特性，在此选用汽车多工况循环试验过程中的总排放量作为衡量排放的标准。权系数先取原则根据不同的车型、不同的发动机类型，权系数的选择也不相同。驱动功率权系数应较其它两个评价指标大，因为它决定着车辆的平均行驶速度，决定着高档利用率，代表着传动系匹配的好坏，在很大程度上也影响着燃油经济性和排放性能。排放因子中各排放物权系数的选择由发动机的类型决定。对于汽油发动机，排放法规中对颗粒物的排放标准没有定量的规定，因此，在汽油机模型中确定=0。同时汽油机排放物主要成分为HC、CO和NOx，且其中CO占很大比例。因此它们的权系数应视排放量比例而定，这样也能更好的体现发动机的排放状态。柴油机相对于汽油及来说，有着较低的HC和CO排放量，其主要排放物为NOx和固体颗粒物，所以对于柴油机，权系数中不可小视。排放因子的确立主减速比对燃油经济性和排放性的影响分析主减速比的大小对汽车动力性、燃油经济性和有害物的排放都有不同程度的影响，主减速比选择的恰当与否将对汽车的性能产生很大影响。主减速比与百公里油耗关系主减速比与HC排放关系主减速比与HC排放物之间的关系。从图中可以看出，整体上来说HC的排放随着主减速比的减小而增大，但这种增大幅度并不是很明显，说明主减速比对HC的排放影响并不大，它在很大程度上受汽车行驶状况的影响。主减速比与CO排放物关系主减速器速比的大小对CO的排放影响也不是很大，但是变化规律却与对HC的影响相反。CO的排放随着主减速比的减小而略有降低，在汽车行驶平均车速较大时这种趋势趋于明显。主减速比与NOx排放物关系NOx随主减速比变化的规律相对比较复杂，从整体的趋势来看，NOx的排放先随着主减速比的减小而降低至一最低值，然后再随着主减速比的减小而上升，排放曲线呈现出一种两头高中间低的效果。这说明过高或者过低的主减速比都会使行驶过程中的NOx排放恶化。红旗CA7220E装有不同变速器时综合性能评价Ⅰ～Ⅴ传动比（倒档速比）3.6，2.125，1.458，1.07，0.857（3.5）主减速比4.4444.1113.89各档理想驱动功率（kw）746263.514746314.118746279.58各档实际驱动功率（kw）470901.394472120.306472214.302驱动功率利用率

（%）63.163.2663.28Ⅴ档140km/h时燃油消耗率（g/kwh）304.34300.17298.88最低燃油消耗率(g/kwh)285高档常速比油耗因子（%）93.21494.67795.13轿车行驶工况CO排放量(g/km)2.4522.2082.155CO排放因子（%）88.54599.636102.045轿车行驶工况NOx+HC排放量0.8640.8420.836NOx+HC排放因子（%）27.231.632.8加权综合评价值

（%）69.3271.772.28注：

欧洲排放标准CONOx+HC(g/km)欧Ⅰ

形式认证/一致性认证2.72/3.160.97/1.13欧Ⅱ2.20.5结果分析利用提出的综合评价指标对动力性、燃油经济性和排放性进行综合评价后，装有主减速比3.89的传动系的加权评价值最高。另外，从表6-4中也可以看出3.89的传动系无论在驱动功率利用率还是在燃油经济性和排放方面都有明显优越性。这也证明了所提评价指标的合理性。因此，在红旗轿车CA7220E上装配主减速比为3.89的FMS016WAAZ变速器能使其得到更好的综合性能。第七章汽车传动新技术主要内容自动变速器技术电控机械式自动变速器（AMT）双离合器自动变速器（DCT）驱动控制技术自动传动管理系统（ADM）限滑差速器（LSD）电动轮驱动系统（IWD）自动变速器技术电控机械式自动变速器（AMT）英文AutomatedMechanicalTransmission，简称AMT是在通常的手动固定轴式机械变速器和普通干式离合器上加装电控系统，以实现自动变速的目的。AMT实际上是由一个控制系统来完成离合器操作和选、换挡动作，其核心技术是电控系统，电子技术及质量将直接决定AMT的性能与运行质量。自动变速器技术1986年首次出现（F1赛车的法拉利车队）1989年首次被应用在货车上（IVECO轻型卡车）1992年首次被应用在轿车上（AlfaRomeo156）1997年小批量生产（法拉利F355）1999年大批量生产（AlfaRomeo156）目前各级别汽车上应用很普遍主要组成工作原理典型结构双离合器式自动变速器双离合器自动变速器（DCT）DCT有别于一般的自动变速器系统，它基于手动变速器而又不是自动变速器，除了拥有手动变速器的灵活性及自动变速器的舒适性外，还能提供无间断的动力输出。而传统的手动变速器使用一台离合器，当换挡时，驾驶员须踩下离合器踏板，使不同挡的齿轮做出啮合动作，而动力就