汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化匹配方法

1、機(jī)械傳動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化通常包括發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的優(yōu)選，機(jī)械變速器傳動(dòng)比的優(yōu)化和驅(qū)動(dòng)橋速比的優(yōu)化，以下分別闡述。7.1汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的優(yōu)選方法在汽車設(shè)計(jì)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的初選通常有兩種方法： 一種是從保持預(yù)期的最高車速初步選擇發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)有功率來(lái)選擇的，發(fā)動(dòng)機(jī)功率應(yīng)大體上等于且不小于以最高車速行駛時(shí)行駛阻力功率之和；一種是根據(jù)現(xiàn)有的汽車統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)初步估計(jì)汽車比功率來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)有的功率。在初步選定發(fā)動(dòng)機(jī)功率之后，還需要進(jìn)一步分析計(jì)算汽車動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性，最終確定發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)（如發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速等）。 通常在給定汽車底盤參數(shù)、整車性能要求（如最大爬坡度imax，最高車速Vmax

2、，正常行駛車速下百公里油耗Q，原地起步加速時(shí)間t等），以及車輛經(jīng)常運(yùn)行工況條件下，就可以選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Temax，及其轉(zhuǎn)矩nM，最大功率Pemax及其轉(zhuǎn)速nP，發(fā)動(dòng)機(jī)最低油耗率gemin和發(fā)動(dòng)機(jī)排量Vh。在優(yōu)選發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)常常遇到兩種情況：一種情況是有幾個(gè)類型的發(fā)動(dòng)機(jī)可供選擇，在整車底盤參數(shù)和車輛經(jīng)常行駛工況條件確定時(shí)，這屬于車輛動(dòng)力傳動(dòng)系合理匹配問(wèn)題，可用汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)最優(yōu)匹配評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)處理。第二種情況是根據(jù)整車性能要求和汽車經(jīng)常行駛工況條件來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能提出要求，作為發(fā)動(dòng)機(jī)選型或設(shè)計(jì)的依據(jù)，而這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能是未知的。對(duì)于計(jì)劃研制或未知性能特性指標(biāo)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能可看作為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行

3、參數(shù)的函數(shù)，此時(shí)，外特性和單位小時(shí)燃油消耗率可利用表示發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)化模型。優(yōu)選汽車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的方法:（1） 目標(biāo)函數(shù)F（x）目標(biāo)函數(shù)為汽車行駛的能量效率最高。（2） 設(shè)計(jì)變量XX Tem,Pemax,np,nM,Vh（3） 約束條件1） 發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的要求發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性要求：1.1Tem/TP1.3轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)也可參考同級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)值選取。 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速適應(yīng)性要求： 1.4np/nM2.0 如果nM取值過(guò)高，使np/nM<1.4，則可能使直接檔穩(wěn)定車速偏高，汽車低速行駛穩(wěn)定性變差，換檔次數(shù)增多。2） 汽車動(dòng)力性要求最大爬坡度要求：TeMGrk(fcosmax+sinmax) ig1i0

4、t最高車速要求：Vamax/Vp=1.01.1，即Vamaxi0i高檔1.01.1 0.377nprk直接檔動(dòng)力性要求：Temi0tCDAVa2-Domax rkG21.15G汽車加速性能的要求：原地起步連續(xù)換檔加速時(shí)間不得大于要求值t0 tt03） 汽車燃料經(jīng)濟(jì)性要求：直接檔在常用車速下行駛的百公里油耗不得超過(guò)其限制值Q0 QsQ0 發(fā)動(dòng)機(jī)排量的要求：P1<Pemax/VhPh式中,Ph、P1分別為發(fā)動(dòng)機(jī)升功率的統(tǒng)計(jì)上、下限值，kW/L。根據(jù)上述建立的優(yōu)化模型，即可優(yōu)選出最優(yōu)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，并選擇發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)。 發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化模型發(fā)動(dòng)機(jī)性能特性可看作是發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)和運(yùn)行參數(shù)的函數(shù)，此時(shí)，外特性

5、可表示為：Te=Tm-Tm-Tp(np-nm)2(nm-ne)2式中，Tm發(fā)動(dòng)機(jī)最大有效轉(zhuǎn)矩，N·m；Tp發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，N·m； nm發(fā)動(dòng)機(jī)最大有效轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，r/minnp發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，r/min。發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間的油耗量可以表示為：Gt=ne(Gox+roTe)Vh式中，Gt發(fā)動(dòng)機(jī)每分鐘消耗的燃油量，g/min；Gox發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)單位排量每轉(zhuǎn)燃油消耗量，g/(r·L)； N·m ·r·L)； ro發(fā)動(dòng)機(jī)單位排量單位轉(zhuǎn)矩每轉(zhuǎn)燃油消耗量提高系數(shù)g/( Vh發(fā)動(dòng)機(jī)的排量，L。 根據(jù)研究，汽油機(jī)和柴油機(jī)的的Gox

6、和ro值范圍如下表所示。汽油機(jī)和柴油機(jī)的的Gox和ro值7.2汽車變速器速比的優(yōu)化方法汽車傳動(dòng)系參數(shù)優(yōu)化是以汽車動(dòng)力性與燃料經(jīng)濟(jì)性模擬計(jì)算為基礎(chǔ)，以汽車動(dòng)力性要求為約束條件，多工況燃料經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。汽車變速器速比優(yōu)化最終目的是使汽車在滿足動(dòng)力性要求前提下，在常用行駛工況下燃料經(jīng)濟(jì)性最佳。設(shè)計(jì)變量取變速器各檔速比，表示為x（i），i=1，kn（kn為前進(jìn)檔位數(shù)）。目標(biāo)函數(shù)一般為汽車多工況循環(huán)模式的燃油消耗量Qs。約束條件主要包括：汽車的動(dòng)力性要求和變速器各檔速比間隔的要求。 在選擇傳動(dòng)系參數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮汽車具有足夠的動(dòng)力性能，即應(yīng)有足夠的直接檔動(dòng)力因數(shù)Domax和I檔最大動(dòng)力因數(shù)Dim

7、ax，同時(shí)需校核I檔最大驅(qū)動(dòng)力時(shí)附著條件。TemI0tCDA0.377nemrk2-()rk21.15I0=G 式中, Tem發(fā)動(dòng)機(jī)最大有D0max效轉(zhuǎn)矩，N.mt傳動(dòng)系效率 rk車輪滾動(dòng)半徑，m CD汽車空氣阻力系數(shù) A汽車前迎風(fēng)面積,m2 nem發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，rpm; G汽車總重力，N。 則直接檔最大動(dòng)力因數(shù)的約束條件應(yīng)為 Dol<Domax<=Doh式中，Dol,Doh分別為不同車型汽車直接檔最大動(dòng)力因數(shù)要求的上下限。 I檔最大動(dòng)力因數(shù)反映了汽車最大爬坡能力，其計(jì)算式如下：TemI0I1tCDA0.377nemrk- rk21.15 I0I1=gM2DImax

8、同上，I檔最大動(dòng)力因數(shù)的約束條件為D1L<D1max<D1h式中 D1L，D1h 分別為不同車型汽車I檔最大動(dòng)力因數(shù)要求的上下限值。在確定I檔動(dòng)力因數(shù)后還應(yīng)該按以下條件校核附著條件，即最大牽引力必須小于或等于汽車在地面上的附著力：TemI0I1tZ Rk式中 道路附著系數(shù)；Z驅(qū)動(dòng)輪上的法向反作用力，N。同樣也可以汽車最大爬坡度要求代替動(dòng)力因數(shù)作為約束條件。變速器相鄰檔位的速比比值影響著變速器的使用性能，比值過(guò)大會(huì)造成換檔困難。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般在1.41.8之間。考慮到換檔過(guò)程，外界道路阻力總是造成車速下降，換檔時(shí)車速越高，換檔過(guò)程的速度下降就越多，所以隨著檔位的提高，相鄰兩檔的速比比

9、值應(yīng)逐漸降低。據(jù)此對(duì)相鄰檔位的速比比值要求如下： Il<i(X+L)<Ih i(X)X(i+1)X(i)< X(i+2)X(i+1)式中,Il,Ih分別為相鄰速比間隔的下限和上限值。此外，汽車最高車速，汽車原地起步連續(xù)換檔加速時(shí)間限制也作為約束條件。以上構(gòu)成了汽車變速器速比的一般優(yōu)化模型。7.3汽車主傳動(dòng)比優(yōu)化方法汽車主傳動(dòng)比對(duì)汽車動(dòng)力性燃料經(jīng)濟(jì)性影響很大。主減速比增大，可以增加汽車的后備功率，提高汽車加速性能，但也會(huì)使汽車燃料經(jīng)濟(jì)性下降。因此，主傳動(dòng)比的選擇，應(yīng)保證汽車的動(dòng)力夠用，又有最佳的燃料經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于某一特定的車輛，當(dāng)汽車總重、重量分配和發(fā)動(dòng)機(jī)等已確定后，如何合理的選

10、擇傳動(dòng)系參數(shù)，按傳統(tǒng)的做法，需要進(jìn)行大量的汽車動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性計(jì)算和實(shí)驗(yàn)工作，而且由于各種條件限制，往往不能獲得最理想的結(jié)果。汽車主傳動(dòng)比的優(yōu)化最終目的是使汽車在滿足動(dòng)力性要求下，在常用行駛工況燃料經(jīng)濟(jì)性最佳。在選擇傳動(dòng)系參數(shù)要求時(shí)，應(yīng)考慮汽車具有足夠的動(dòng)力性能，即應(yīng)有足夠的直接檔動(dòng)力因數(shù)D0max 。直接檔動(dòng)力因數(shù)表示汽車在正常情況下行駛所具有的上坡和加速能力。 TeMiotCDA0.377neMrk-()221.15I0 D0max=rk G汽車最高設(shè)計(jì)車速，原地起步連續(xù)換檔加速時(shí)間和最大爬坡度要求也作為約束條件。7.4汽車傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的區(qū)間優(yōu)化方法如前所述，傳動(dòng)系參數(shù)中齒輪齒數(shù)和模數(shù)為

11、離散變量，而采用以上優(yōu)化方法獲得的速比值是一個(gè)確定的最優(yōu)值，不一定滿足生產(chǎn)廠家的實(shí)際生產(chǎn)需要，存在著變速器齒輪配齒的問(wèn)題。為此我們提出了汽車傳動(dòng)系參數(shù)的區(qū)間優(yōu)化模型。在這一模型里，不追求變量的確定優(yōu)化值，只是在保證一定的優(yōu)化效果的前提下，求設(shè)計(jì)變量的最大可行區(qū)間，這樣就可以擴(kuò)大傳動(dòng)系參數(shù)的選擇范圍，并可以解決變速器齒輪配齒問(wèn)題。用區(qū)間數(shù)表示需要共享的實(shí)際變量，則確定汽車傳動(dòng)系參數(shù)最大可行區(qū)間的問(wèn)題可以表述為擴(kuò)大設(shè)計(jì)變量區(qū)間數(shù)的寬度問(wèn)題。令Xi為共享設(shè)計(jì)變量，則求最大共享區(qū)間問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，即是求最大可行區(qū)間問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，即是求最大可行區(qū)間寬度的優(yōu)化問(wèn)題。在一定的約束條件下，其數(shù)學(xué)模型為：ma

12、x=ii(Xi)i=1l滿足約束條件F(X1，X2， ，Xl)c2， ，l XiXi'i=1，其中，F(xiàn)( )為約束區(qū)間函數(shù)，c為約束區(qū)間函數(shù)的限制值，i為權(quán)系數(shù)，l為區(qū)間變量總數(shù)，i(Xi)為第i個(gè)區(qū)間數(shù)的區(qū)間寬度，Xi'可行區(qū)間變量Xi的約束區(qū)間數(shù)，Xi'=Xi',Xi'。上述模型描述的是區(qū)間擴(kuò)張的逆問(wèn)題，及規(guī)定函數(shù)的值域區(qū)間求定義域區(qū)間的問(wèn)題，在約束函數(shù)為凸函數(shù)時(shí)，有確定的解。求解上述模型得到的可行區(qū)間寬度有時(shí)較窄，為了改善效果，引入“條件預(yù)優(yōu)概念及方法”，也就是把影響實(shí)值函數(shù)F(x1,x2, ,xl,xl+1, ,xn)的變量及參數(shù)分為兩類，其中x

13、1,x2, ,xl為一類，叫做關(guān)鍵變量，我們關(guān)心這些變量的可行變化區(qū)間Xi,Xi，而不關(guān)心它們?nèi)∈裁创_定值；此外，我們把影響目標(biāo)函數(shù)值的其他變量及參數(shù)在一定的范圍內(nèi)變動(dòng)，這些擴(kuò)大的變量稱作為條件變量。我們采用對(duì)條件變量?jī)?yōu)選的方法，即求xl+1,xl+2, ,xn使minF(x1,x2, ,xl,xl+1, ,xn) 求解模型時(shí)，對(duì)應(yīng)于每一組z=x1,x2, ,xlT時(shí)，有一組對(duì)應(yīng)的最優(yōu)變量*Ty*=xl*+1,xl*+2, ,xn，我們把y*稱為預(yù)優(yōu)條件變量，把這一類運(yùn)算成為“條件預(yù)優(yōu)運(yùn)算”。通過(guò)條件預(yù)優(yōu)運(yùn)算，能明顯地提高與改善優(yōu)化效果，即*F(x1,x2, ,xl,xl*+1, ,xn)F(x1,x2, ,xl,xl+1, ,xn)若我們把上述預(yù)優(yōu)概念引入模型 ，那末就可以擴(kuò)大關(guān)鍵變量允許選取的范圍，改善最大可行區(qū)間的求解效果。也就是說(shuō)，在滿足性能要求的前提下，擴(kuò)大關(guān)鍵變量的區(qū)域。這樣可導(dǎo)出改進(jìn)的模型如下：求z=x1,x2, ,xlT使max=ii(Xi)i=1l*T求y*=xl*+1,xl*+2, ,xn使minF(x1,x2, ,xl,xl+1, ,xn)c2， ，l xiXi'i=1，n XjX