車輛動力傳動系統(tǒng)匹配及優(yōu)化

1、車輛動力傳動系統(tǒng)匹配及優(yōu)化宋豐源 李紅蕾 劉紅領(lǐng)（奇瑞汽車股份有限公司，汽車工程研究院CAE部，241009）摘 要：應(yīng)用Cruise軟件對奇瑞某款乘用車進(jìn)行了動力傳動系統(tǒng)的合理匹配，獲得了良好動力性和燃油經(jīng)濟性，在此基礎(chǔ)上運用序列二次規(guī)劃算法優(yōu)化傳動系參數(shù)，進(jìn)一步降低了整車的NEDC百公里油耗。該優(yōu)化方法可為汽車設(shè)計和性能提升提供重要參考依據(jù)。 關(guān)鍵詞：動力傳動系統(tǒng)；優(yōu)化；動力性；燃油經(jīng)濟性主要軟件：AVL CRUISEMatching optimization of vehicle powertrainSong Fengyuan, Li Honglei, Liu Hongling（Cher

2、y Automobile Co. LTD, AERI CAE department, 241009）Abstract: A type of Chery vehicle powertrain system is reasonably matched by using Cruise software. Both good traction performance and fuel economy are achieved. Moreover, the transmission system parameters are optimized by using the SQP (Sequential

3、Quadratic Programming) method. A lower NEDC consumption is achieved. This optimization method can greatly help vehicle design and performance improvement.Key words: powertrain; optimization; tractive performance; fuel economyMain software: AVL CRUISE1.前言車輛的動力性和燃油經(jīng)濟性是衡量汽車性能的一項重要指標(biāo)，車輛動力傳動系統(tǒng)的匹配是否合理對車輛動

4、力性、燃油經(jīng)濟性有直接的影響。動力傳動系統(tǒng)的優(yōu)化就是根據(jù)車輛的行駛條件及要求，將發(fā)動機的運行特性、傳動系的速比和車輪半徑等系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行合理匹配及優(yōu)化，使發(fā)動機經(jīng)常運行的工作區(qū)與理想工作區(qū)相接近，以獲得最佳的動力性及燃油經(jīng)濟性。 在傳統(tǒng)的車輛前期開發(fā)中，工程師通常只能憑借以往經(jīng)驗對整車質(zhì)量、發(fā)動機最大功率和變速器速比等參數(shù)進(jìn)行粗略的估算，或者通過試驗對整車的動力性、經(jīng)濟性做綜合評價。這種匹配方法不僅延長了整車開發(fā)周期，增加了開發(fā)費用，也不能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題。由于匹配方案較多，計算量較大，因而較難實現(xiàn)動力傳動系統(tǒng)的最優(yōu)匹配1,2。以奇瑞某乘用車為研究對象，應(yīng)用Cruise軟件作為仿真平臺，

5、通過對發(fā)動機、變速箱、主減速器等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，并且對所選速比做進(jìn)一步的速比優(yōu)化，完成動力傳動系統(tǒng)的 國家“863”高科技項目（2007AA04Z183）資助。2008 AVL先進(jìn)模擬技術(shù)中國用戶大會論文最優(yōu)匹配。2.動力傳動系統(tǒng)模型及匹配流程典型的動力傳動系統(tǒng)一般由發(fā)動機、離合器、變速器、差速器、車輪等部件組成，采用模塊化的方法在Cruise軟件中建立駕駛員汽車道路環(huán)境系統(tǒng)相互作用的汽車動力傳動系統(tǒng)模型。輸入的參數(shù)主要包括整車質(zhì)量、迎風(fēng)面積、風(fēng)阻系數(shù)、車輪半徑、行駛阻力、傳動效率、變速器速比、發(fā)動機特性、循環(huán)工況和環(huán)境數(shù)據(jù)等；輸出參數(shù)主要包括最高車速、加速時間、最大爬坡度、循環(huán)工況油耗、各

6、檔等速行駛油耗等車輛動力性和燃油經(jīng)濟性評價指標(biāo)。圖1為一款配有五檔手動變速器、前置前驅(qū)的車輛動力傳動系統(tǒng)示意圖。圖1 車輛動力傳動系統(tǒng)示意圖以良好的燃油經(jīng)濟性為匹配目標(biāo),通過合理選擇發(fā)動機、變速器、主減速器等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行傳動系統(tǒng)匹配，使整車動力性和燃油經(jīng)濟性符合相關(guān)法規(guī)的要求,并對傳動系參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步改善整車的燃油經(jīng)濟性。圖2為車輛動力傳動系統(tǒng)匹配及優(yōu)化流程圖。圖2 車輛動力傳動系統(tǒng)匹配及優(yōu)化流程圖2008 AVL先進(jìn)模擬技術(shù)中國用戶大會論文3.最優(yōu)匹配方案的確定3.1車輛性能指標(biāo)要求汽車的動力性主要由三方面指標(biāo)來評定，即：汽車的最高車速、汽車的加速時間和最大爬坡度。燃油經(jīng)濟性常用循

7、環(huán)工況（城市、郊區(qū)和綜合三種工況）百公里燃油消耗量和等速行駛百公里燃油消耗量來評價。奇瑞某乘用車開發(fā)階段的整車技術(shù)參數(shù)及部分性能指標(biāo)要求如表1。（注：出于保密原因，文中的相關(guān)數(shù)據(jù)已進(jìn)行了修正處理，僅供參考）。表1 奇瑞某款乘用車開發(fā)階段的整車技術(shù)參數(shù)及部分性能指標(biāo)要求整車技術(shù)參數(shù)長×寬×高(mm) 整 車整備質(zhì)量（kg） 滿載質(zhì)量(kg) 迎風(fēng)面積(m2) 風(fēng)阻系數(shù)型號 滾動半徑（mm）4937×1835×1875 2.3 215/60 R15性能指標(biāo)要求 最高車速(km/h) 最大爬坡度 (%) 綜合工況NEDC（L/100km）/100km/h加速時

8、間(s）19712 45 8.8/ /車輪3.2動力傳動裝置參數(shù)的選擇在實際的車輛開發(fā)過程中，工程師往往選擇市場上已存在的發(fā)動機、變速器、主減速器等進(jìn)行動力傳動系統(tǒng)的匹配。依據(jù)整車的動力性和燃油經(jīng)濟性的要求，動力傳動裝置參數(shù)大致參照以下條件進(jìn)行選擇3。發(fā)動機功率應(yīng)大體等于，但不小于以最高車速行駛時行駛阻力功率之和，即Pe=汽車比功率：P=CDA31Gfuuamax+amax76140T3600 （3）1000PeCDAfg=uamax+u3amax（4）由于變速器各檔利用率差別很大，汽車主要是用較高檔位行駛，所以較高檔位相鄰兩擋間的傳動比的間隔應(yīng)小些，各檔傳動比常按下面的關(guān)系分布，即ig1ig

9、2ig2ig3Lign1ign（5）此外，變速器I檔的傳動比應(yīng)符合以下條件：ig1G(fcosmax+sinmax)rTtqmaxi0T（6）在初步給定發(fā)動機最大功率及其相應(yīng)轉(zhuǎn)速的情況下，所選擇的主減速器主減速比應(yīng)盡量保證汽車有盡可能高的最高速度。2008 AVL先進(jìn)模擬技術(shù)中國用戶大會論文i0=0.377R×npumax×i （7）以上等式中：Ttq發(fā)動機轉(zhuǎn)速；G汽車總重量；f滾動阻力系數(shù)；CD風(fēng)阻系數(shù)； A迎風(fēng)面積；T汽車傳動系的傳動效率；R車輪的滾動半徑；io主減速器各檔速比；uamax汽車的設(shè)計最高速度；np發(fā)動機最大功率時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速；i變速器最高檔速比。在發(fā)動機、

10、變速器、主減速器的數(shù)據(jù)庫中，分別選擇與上面計算值相接近的若干款型號的發(fā)動機、變速器及主減速器進(jìn)行多種動力傳動裝置的匹配。3.3 匹配方案的優(yōu)選對動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)選，以汽車動力性和燃油經(jīng)濟性的評價指標(biāo)作為響應(yīng)，根據(jù)實際需要，選擇0100km/h加速時間作為動力性評價指標(biāo)，綜合循環(huán)工況下的百公里油耗作為燃油經(jīng)濟性評價指標(biāo)，把發(fā)動機、變速器、主減速器作為試驗設(shè)計因子，應(yīng)用全因子DOE技術(shù)對動力傳動系統(tǒng)做多種方案組合，根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，選擇最佳的匹配方案。匹配方案及計算結(jié)果如表2所示。表2 乘用車動力傳動系統(tǒng)匹配方案和計算結(jié)果(節(jié)選部分，其他略)Varition_3#1 2 11 12 13

11、 14 20 27變速器型號主減速器 型號發(fā)動機型號NEDC(l/100km)T0100(s)13.27Vmax(km/h)205.91 203.4imax(%)50.84 48.06I Ia aA B9.22 8.2II aB 8.26 8.7611.3203.47 200.0948.06 55.44II IIb bA B9.69 8.6914.13201.83 57.44 54.22IIIaB8.71200.257.33III c C 10.09 11.73 167.82 100在表2所列方案中，滿足綜合工況NEDC（L/100km）8.8的匹配方案包括2、11、12、14、 20，在這五

12、種匹配方案的動力性計算結(jié)果中，只有方案12可以同時兼顧整車動力性和燃油經(jīng)濟性的要求。同樣，也可以借助燃油經(jīng)濟性加速時間曲線從多套滿足經(jīng)濟性要求的方案中選取最佳的匹配方案。如圖3所示，橫坐標(biāo)為NEDC綜合工況油耗值（L/100km）,縱坐標(biāo)為百公里加速時間（s），左下方陰影區(qū)域為同時滿足動力性、經(jīng)濟性要求的區(qū)域。從圖中可以看出，只有發(fā)動機C+變速器II+主減速器a的計算結(jié)果處在陰影區(qū)域，即方案12可以同時獲得較好的動力性、經(jīng)濟性，能夠滿足開發(fā)階段所設(shè)定的性能指標(biāo)要求4。2008 AVL先進(jìn)模擬技術(shù)中國用戶大會論文圖3 燃油經(jīng)濟性加速時間曲線3.4傳動系速比的優(yōu)化設(shè)計在保持動力性基本不變的前提下，

13、為進(jìn)一步降低油耗，采用了序列二次規(guī)劃算法（Sequential Quadratic Programming,SQP）對傳動系速比（變速器各檔速比、主減速比）進(jìn)行了優(yōu)化，SQP方法在具有整體收斂性的同時保持局部超一次收斂性。優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型可建立如下57：Find：X=ig1,ig2,ig3,ig4,ig5，i0Min：QNEDCS.t . Tig1ig2ig2ig3ig3ig4ig4ig5>1T0100km/h12(s)Vmax197(km/h)imax45(%) （8）其中，QNEDC綜合工況油耗；ig0主減速比； igk（k=1,5）變速器一至五檔速比，各檔速比變化范圍如表3；T0

14、100km/h0100km/h加速時間；Vmax最高車速；imax最大爬坡度。表3 設(shè)計變量變化范圍 變量一檔速比二檔速比三檔速比四檔速比2008 AVL先進(jìn)模擬技術(shù)中國用戶大會論文初始值 變化范圍 3.71 2.45 1.7 1.3 3.44.0 2.22.7 1.51.9 1.21.5 5五檔速比主減速比 1.1 3.93 0.91.2 3.74.1從優(yōu)化前后結(jié)果(如表4)對比中可以看到，優(yōu)化后車輛的動力性基本保持不變，NEDC綜合工況油耗值比初始值降低了0.34L/100km,經(jīng)濟性有所改善。CAE分析人員還需要將優(yōu)化后的速比提供給變速箱部門，工程師根據(jù)工程技術(shù)經(jīng)驗和制造的工藝要求進(jìn)行配

15、齒，配齒后計算結(jié)果與優(yōu)化后計算結(jié)果差異較小，整車試驗結(jié)果表明該速比優(yōu)化方案具有可實施性。表4 優(yōu)化結(jié)果與初始值對比項 目一檔速比二檔速比三檔速比四檔速比五檔速比主減速比NEDC（L/100km）百公里加速時間（s）最高車速（km/h）最高檔80120 km/h加速時間（s）初始值 優(yōu)化后計算結(jié)果 配齒后計算 優(yōu)化后整車試驗結(jié)果 結(jié)果 3.71 3.88 3.85 3.85 2.45 2.39 2.4 2.4 1.70 1.72 1.67 1.67 1.30 1.24 1.22 1.22 1.10 1.04 1.00 1.00 3.93 3.84 3.86 3.86 8.76 8.42 8.6

16、8.45 11.30 11.37 11.34 11.56 200.09 205.10 204.3 201.40 12.41 12.47 12.49 12.9011. 結(jié)語(1) 利用CAE計算能夠方便快捷地實現(xiàn)車輛動力傳動系統(tǒng)的最優(yōu)匹配，在車型開發(fā)初期預(yù)測整車性能，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)費用。(2) 運用序列二次規(guī)劃算法優(yōu)化各檔速比，優(yōu)化后的計算結(jié)果表明在保證獲得良好動力性的前提下，通過速比優(yōu)化能夠達(dá)到改善汽車燃油經(jīng)濟性的目的。(3) 以上優(yōu)化方法只針對機械式手動變速器，對于裝有自動變速器的動力傳動系統(tǒng)還需要對其換檔控制策略做進(jìn)一步的優(yōu)化。參考文獻(xiàn)1 何仁,劉星榮,何澤民.汽車動力傳動系統(tǒng)最優(yōu)匹配的研究和發(fā)展 J . 江蘇理工大學(xué)學(xué)報,1997,01:37-41.2 李高友,雷雨成.發(fā)動機和傳動系的優(yōu)化匹配研究 J . 汽車研究與開發(fā), 2002,06:23-26.3 余志生.