1、畢 業(yè) 論 文設(shè)計題目 學(xué)生姓名 學(xué) 號專業(yè)班級指導(dǎo)教師院系名稱2014 年 6月 7日 目 錄中文摘要 . 2英文摘要 . 31 緒論 . 41.1課題研究的目的和意義 . .41.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 61.3本文的主要研究內(nèi)容 . 82 汽車動力性及燃油經(jīng)濟性綜合評價 . 92.1汽車動力性的評價指標 . 102.2汽車燃油經(jīng)濟性評價指標 . 102.3汽車動力傳動系統(tǒng)優(yōu)化匹配的方法 . 113 汽車動力性和燃油經(jīng)濟性的模擬計算 . 123.1 發(fā)動機數(shù)學(xué)模型建立 . 123.2 最小二乘法曲面擬合 . 123.3 變速器換擋規(guī)律模型 . 133.3.1 汽車換擋規(guī)律處理 . 133.3

2、.2 最佳動力規(guī)律處理 . 143.3.3 最佳經(jīng)濟性換擋規(guī)律 . 144 汽車傳動系參數(shù)計算 . 144.1 汽車動力性參數(shù)計算 . 154.1.1 汽車動力性模擬計算 . 154.1.2 各檔最大爬坡度計算 . 164.1.3 最高車速計算 . 164.1.4 汽車加速性能的計算 . 164.2 汽車燃油消耗量計算 . 174.2.1 等速行駛工況燃油消耗量計算 . 174.2.2等加速行駛工況燃油消耗量的計算 . 184.2.3 等減速行駛工況燃油消耗量的計算 . 184.2.4 怠速停車時的燃油消耗量 . 194.2.5 整個循環(huán)工況的百公里燃油消耗量 . 194.3 汽車傳動系匹配的

3、數(shù)學(xué)模型 . 205 汽車動力傳動系參數(shù)優(yōu)化設(shè)計模型 . 205.1 設(shè)計變量確定 . 255.2 目標函數(shù)的建立 . 255.2.1 動力性目標函數(shù) . 255.2.2 經(jīng)濟性目標函數(shù) . 265.2.3 雙目標函數(shù)轉(zhuǎn)成單一目標函數(shù) . 265.3 約束條件的建立 . 265.4 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立 . 296 傳動系參數(shù)優(yōu)化設(shè)計實例計算 . 296.1 發(fā)動機建模結(jié)果 . 306.2 傳動系參數(shù)優(yōu)化結(jié)果 . 32結(jié)論 . 35致謝 . 36參考文獻 . 36附錄 . 37汽車傳動系參數(shù)優(yōu)化設(shè)計摘要：本文利用優(yōu)化設(shè)計思想，對貨車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，并編寫了傳動系參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的mat

4、lab 程序。首先從汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性入手，介紹了發(fā)動機外特性數(shù)學(xué)模型，總結(jié)出汽車動力性和燃油經(jīng)濟性的各項評價指標的計算方法。在此基礎(chǔ)之上，基于優(yōu)化設(shè)計的理論，將汽車動力性分目標函數(shù)和燃油經(jīng)濟性分目標函數(shù)統(tǒng)一成一個目標函數(shù)，采用加權(quán)組合法將多目標優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單目標優(yōu)化，以汽車整車基本性能要求和變速器速要求為約束條件，應(yīng)用matlab 軟件進行計算，在滿足汽車各性能指標的前提下，找出最佳的傳動系參數(shù)，達到燃油消耗量最小和動力性優(yōu)化的目的?；谝陨侠碚?，利用 Matlab軟件為開發(fā)工具，編制出了汽車傳動系參數(shù)優(yōu)化程序。最后以某貨車為實例，對傳動系參數(shù)進行了優(yōu)化，根據(jù)程序的實用性和可靠性進行了檢

5、驗，結(jié)果到達預(yù)定效果。關(guān)鍵詞： 優(yōu)化，動力性，燃油經(jīng)濟性，傳動系參數(shù)Automobile Power-train Parameter OptimizationAbstract : In this thesis, optimization design theory was used to optimize the design ofthe power-train parameters of automobile; and the program of power-train parameters optimization design was exploited. Firstly, begin

6、ning with the power performance and fuel economy of automobile, the thesis introduced the mathematic model of engines and transmission etc, and summarized the calculating methods of power performance and fuel economy . Based on this, using optimization design theory, it united the power performance

7、and fuel economy of automobile into an aim function. Referring to the comprehensive vehicle performances 、speed ratio of transmission , it put forward the optimization design method of automobile power-train parameters, and solved it with Matlab algorithm. Based on the theory, Matlab was used as a t

8、ool to work out the program of power-train parameters optimization, Besides the power-train parameters optimization function, automobile performance can also be calculated by the program. Finally, a car of gasoline engine was taken as an example. The power-train parameter was optimized, and a satisf

9、ying result has been got after the test on practicability and reliability of this program.Keywords: Optimum Design ， Power performance ，F(xiàn)uel economy ，Power-trainparameters1 緒論1.1 課題研究的目的和意義隨著汽車保有量的增加，車用燃油消耗量占總?cè)加拖牧康谋壤鹉暝黾?，?dǎo)致中國對進口原油的依賴程度越來越大。2009年中國原油對外依存度超過了50%，然而中國汽車油耗水平與國外相比仍存在較大差距；2008年歐洲乘用車百公里平均

10、油耗6.6升，日本5.9升。汽車尾氣污染已經(jīng)成為我國大中城市主要污染源之一。雖然在中國汽車行業(yè)已全面實施了國三排放標準，但是大量在用的汽車仍只能滿足國二排放的標準。 因此汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性的匹配至關(guān)重要。近些年來，由于世界石油危機潛在威脅和環(huán)境保護的壓力，人們開始探索除石油外的汽車代用燃料。綜合各種因數(shù)分析的結(jié)果是：代用燃料是汽車燃料的長遠發(fā)展方向，但是在相當長的時間里還無法與石油燃料競爭，石油仍是21世紀我國的主要能源。我國石油消耗占總能源消耗的20%。19901996年，中國石油表觀消耗量(生產(chǎn)量十進口量一出口量 年均增長率為5.12%，而石油生產(chǎn)年均增長率僅為1.46%, 1997

11、2000年石油生產(chǎn)年均增長也僅為1%。我國石油的產(chǎn)量和進口量相對需求量而言，總量短缺的矛盾在未來相當長時間內(nèi)不會改變。汽車是人們生活中最重要的交通工具, 最近幾年, 我國汽車的產(chǎn)量飛速增長, 尤其是轎車正迅速普及市場，隨著人們對汽車消費越來越理性, 對汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性的關(guān)注度越來越高, 即要求汽車具有良好的動力性、舒適性等, 同時又希望其油耗低。這給汽車設(shè)計者帶來的任務(wù)就是如何在提高和保證汽車動力性的前提下又使汽車具有最佳的經(jīng)濟性能, 一方面努力提高發(fā)動機的性能是目前的一個重要研究方向, 另一方面, 對汽車發(fā)動機、底盤傳動系、道路行駛狀況的合理匹配研究以提高汽車經(jīng)濟性能, 目前國內(nèi)在這

12、方面的研究還遠落后于美國等發(fā)達國家。因此汽車動力性和燃油經(jīng)濟性的研究至關(guān)重要，如何提高動力性的前提下又進一步改善燃油經(jīng)濟性，讓汽車發(fā)揮出更好的性能，本文主要的內(nèi)容就是針對汽車動力性和燃油經(jīng)濟性的優(yōu)化進行設(shè)計，通過調(diào)節(jié)傳動比及主減速器比來調(diào)節(jié)動力性和燃油經(jīng)濟性。表1.1 改善汽車性能的研究 汽車整車性能的好壞不僅僅取決于發(fā)動機和傳動系各自單獨的性能，而且在很大程度上取決于二者匹配得如何。在評價汽車的整車性能時，往往要用到一些特定的指標，如衡量汽車動力性的主要指標是其最高車速、爬坡性能和加速性能等，衡量燃油經(jīng)濟性的主要指標是汽車的等速燃油經(jīng)濟性和多工況燃油經(jīng)濟性。這些指標除了反映發(fā)動機本身的動力性

13、、燃油經(jīng)濟性外，還體現(xiàn)了整車驅(qū)動系統(tǒng)(包括發(fā)動機、變速器、主減速器以及驅(qū)動輪等 的相互配合及優(yōu)化程度。即使一臺發(fā)動機具有良好的性能，如果沒有一個與之合理匹配的傳動系統(tǒng)，也不能充分發(fā)揮其性能。能與發(fā)動機合理匹配的傳動系統(tǒng)可以使發(fā)動機經(jīng)常在其理想工作區(qū)附近工作。這樣不僅可以減少燃油消耗，減輕發(fā)動機磨損，提高發(fā)動機的使用壽命，而且可以取得良好的排放效果。因此，通過合理匹配汽車動力傳動系統(tǒng)來提高汽車的動力性，降低燃油經(jīng)濟性具有較大的潛力，是一個可以進一步研究的課題。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀汽車動力傳動系統(tǒng)的合理匹配，一直是汽車行業(yè)所關(guān)心的問題，是提高汽車傳動效率，提高汽車動力性和提高汽車燃油經(jīng)濟性的重要

14、措施之一，國內(nèi)外很多專家學(xué)者都對此做了大量的研究工作。一般對汽車的動力性和燃料經(jīng)濟性研究，是通過進行實車道路試驗之后給予最后評價的。這種研究方法周期長，成本高，同時在產(chǎn)品設(shè)計階段對整車及各總成方案的確定、結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇、傳動系參數(shù)與發(fā)動機的匹配等，就有一定的盲目性。為研究傳動系的匹配，傳統(tǒng)的做法首先根據(jù)設(shè)計者的經(jīng)驗和汽車在某些極限行駛狀況下的動力性要求來選擇幾種方案進行設(shè)計、試制、試驗，然后通過試驗結(jié)果的對比，修改設(shè)計方案，再試制、試驗，如此反復(fù)，才能得到一種較好的設(shè)計方案。這種設(shè)計方法耗資大、周期長。因此，設(shè)計者因受時間和經(jīng)費所限，往往簡單地采用參照法決定了動力與傳動系的匹配，其結(jié)果雖然能滿

15、足基本性能要求，但是發(fā)動機與傳動系的匹配卻不盡合理，沒有充分發(fā)揮其性能指標，還增加了燃料消耗，加速了發(fā)動機磨損，降低了發(fā)動機使用壽命，惡化了發(fā)動機廢氣排放標準。因此，為了提高設(shè)計程度，減少研發(fā)周期，在設(shè)計階段就需要根據(jù)有關(guān)參數(shù)，對汽車動力性和燃料經(jīng)濟性進行一定的預(yù)測，隨著計算機的廣泛應(yīng)用和現(xiàn)代計算方法的發(fā)展，計算機模擬計算方法為汽車動力性和燃料經(jīng)濟性預(yù)測提供了有效而準確的工具。計算機模擬與一般的性能計算方法相比，有著許多優(yōu)點：(1）它可以考察出汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)是如何影響汽車動力性、燃油經(jīng)濟性和排放性能，特別是這些參數(shù)微小的變化時，實際車輛試驗往往測量不出對動力性、燃油經(jīng)濟性和排放性能的影響，而計算

16、機模擬計算則可算出其微小的影響。(2）它可以求解較復(fù)雜而精確的數(shù)學(xué)模型，過去無法求解的或需大量時間才能求解的線性和非線性系統(tǒng)的微分方程組，采用電子計算機和現(xiàn)代數(shù)值計算方法以后，就可以很快地求出其數(shù)值解。所以，在計算機模擬的情況下可以采用能精確描述所研究運動的較復(fù)雜模型，這就使計算結(jié)果更接近實際。(3）它能按預(yù)定的程序模擬各種行駛工況，包括瞬變的非穩(wěn)定工況，因而能全面地預(yù)測汽車在各種工況下的動力性、燃油經(jīng)濟性和排放性能。(4）它能在很短時間內(nèi)對大量的設(shè)計方案進行運算，查明這些方案和參數(shù)對汽車性能的影響，有助于設(shè)計人員很快地找到比較有利的設(shè)計方案和參數(shù)匹配。由此可見，計算機模擬計算方法是汽車總布置

17、設(shè)計的有利工具，它不僅能分析和預(yù)測汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性和排放性能，而且能運用于設(shè)計的綜合，即根據(jù)預(yù)定的性能指標和技術(shù)要求找出最佳的設(shè)計參數(shù)。中國作為一個汽車大國，但并非是汽車強國，在汽車的開發(fā)研究和試驗測試方面跟國外汽車公司相比有一定的差距。國外公司在開發(fā)投放新車型之前，都要針對目前汽車市場、競爭對手的車型、購車者的消費心理做一些分析研究，從而確定所開發(fā)車型的主要尺寸、技術(shù)參數(shù)、性能參數(shù)、成本、價格及利潤等。技術(shù)部門的設(shè)計任務(wù)是實現(xiàn)汽車的性能，動力性和燃油經(jīng)濟性是其中最基本、最重要的性能。傳統(tǒng)汽車開發(fā)階段，這些性能主要是通過實車道路試驗來測定。但隨著社會經(jīng)濟、汽車技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，汽

18、車的這些性能必須在汽車概念開發(fā)階段就確定，因此合理的汽車性能計算機仿真成為汽車工業(yè)發(fā)展的需要。這樣不僅可以節(jié)省大量的試驗費用，縮短設(shè)計開發(fā)周期，而且使得廠家對自己所設(shè)計車型的性能有準確的預(yù)先估計。完善的汽車性能計算機仿真，不僅能夠模擬汽車在任何行駛工況下的瞬時油耗、累積油耗、行駛時間和距離等，而且可以計算分析汽車設(shè)計參數(shù)如車重、空氣阻力系數(shù)、變速器速比等對汽車性能的影響。早在上世紀七十年代，美國最大汽車公司通用汽車就開發(fā)了汽車動力性和燃油經(jīng)濟性的性能預(yù)測程序GPSIM ，隨后國際各大汽車公司都在這方面做了大量的研究工作，如福特汽車公司開發(fā)了TOEFP ，康明斯公司的VMS ，美國交通部的VEE

19、SIM ，日本日產(chǎn)汽車公司的CSVFEP ，德國奔弛汽車公司的TRASCO ，奧地利AVL 李斯特公司開發(fā)的CRUISE 車輛仿真分析軟件，美國可再生能源實驗室NREL 的ADVISOR 等。這些計算機模擬程序與試驗相結(jié)合，使得設(shè)計人員能夠在汽車開發(fā)階段就可以準確地預(yù)測汽車的動力性和燃料經(jīng)濟性，并且可以快速有效地比較不同發(fā)動機與傳動系匹配時汽車的性能，從而找到最佳的匹配方案。同時設(shè)計人員也可以利用該程序，進一步優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)，完善汽車性能指標。通過計算機模擬不僅可以避免設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計階段對整車總成布置、動力與傳動系統(tǒng)選擇的盲目性，防止遺漏最優(yōu)方案的可能性，而且還大大縮短了設(shè)計周期，節(jié)省了

20、大量的試驗費用。我國在汽車性能計算機模擬仿真方面的研究起步較晚，進入80年代后，國內(nèi)汽車界如長春汽車研究所、吉林大學(xué)、江蘇大學(xué)等單位做了一些這方面的研究工作，主要工作內(nèi)容有:(l汽車動力傳動系數(shù)學(xué)模型的研究；(2給定工況模擬研究;(3實際道路條件隨機模擬的研究;(4模擬程序的應(yīng)用研究。并取得了一些成果。但是由于起步比較晚，跟國外大公司開發(fā)的模擬程序相比還存在如下主要問題:(l數(shù)學(xué)模型不完善;(2沒有形成通用計算程序和方法。這些問題導(dǎo)致我國汽車工程界在設(shè)計中無法運用有效的工具較為準確地預(yù)測和優(yōu)化汽車的性能，阻礙了開發(fā)水平的提高和自主研發(fā)能力的進步。1.3 本文主要研究內(nèi)容本論文在研究汽車動力傳動

21、系數(shù)學(xué)模型、動力性和燃油經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，分析汽車動力傳動系優(yōu)化匹配技術(shù)。本文的主要任務(wù)有：（1）系統(tǒng)地分析了汽車動力性和燃油經(jīng)濟性的評價體系。研究理想動力傳動系和實際動力傳動系的差別。從發(fā)動機與傳動系合理匹配的角度出發(fā)，提出動力性和經(jīng)濟性的評價指標。（2 以原地起步連續(xù)換檔加速時間和多工況循環(huán)使用油耗作為評價動力性和經(jīng)濟性的兩個分目標函數(shù)，使用線性加權(quán)組合的方法將其轉(zhuǎn)換成單一目標函數(shù)，建立汽車傳動系參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。（3）建立包括怠速、起步、加速減速、勻速和換檔在內(nèi)的汽車不同行駛模式的仿真分析模型，以及最高車速、最大動力因數(shù)等數(shù)學(xué)模型。（4）利用這個系統(tǒng)對本文的貨車進行動力性和燃油經(jīng)濟性進行模

22、擬計算，并且對傳動系的參數(shù)進行優(yōu)化，主要包括變速箱和主減速器傳動比的優(yōu)化，然后通過優(yōu)化前后整車性能對比得出結(jié)論。2 汽車動力性及燃油經(jīng)濟性綜合評價汽車動力傳動系最優(yōu)匹配研究的關(guān)鍵問題是確定汽車動力傳動系統(tǒng)匹配的評價指標。汽車的動力性就是指汽車在良好的路面上進行直線行駛的過程，可以由縱向的外力來進行決定相應(yīng)的行駛性能，是能夠達到平均行駛速度的要求。我們從這個定義當中就可以看出，對于道路來說，必須要是良好的路面，水平或是坡路都可以，運動方式可以采取直線行駛的過程，對于外力因素來說，可以由縱向的外力來決定運動的基礎(chǔ)，使其能夠達到一定的能力。對于運動能力來說，主要有三個方面的指標，比如汽車的最高車速，

23、加速時間，以及最大爬坡度。在良好的水平路面上進行行駛的車輛，如果能夠達到最高的行駛速度，我們就叫最高車速。對于加速時間來說，通常是在原地起步的加速時間，以及超車加速的時間，這個時間表明了汽車的加速能力。世界上評論汽車燃油經(jīng)濟性一般用耗油量或油行程來表示。耗油量是指汽車滿載時單位行駛里程所需燃油體積。我國和歐洲都用行駛百公里消耗的燃油數(shù)(L來表示，即L/ 100 km；油行程是指汽車滿載時，單位體積燃油所能行駛的里程，美國就是用每加侖燃油能行駛的里程數(shù)來表示，即mile /gal (英里/加侖 。前一種表示法，數(shù)值越小，燃油經(jīng)濟性越好；后一種表示法，數(shù)值越大，燃油經(jīng)濟性越好。汽油的燃油經(jīng)濟性指標

24、與發(fā)動機的特性和汽車的自重、車速及各種運動阻力如空氣阻力、滾動阻力和爬坡阻力等大小、傳動系的效率及減速比等都有關(guān)系，因而在數(shù)值上往往與實際情況有差別。2.1 汽車動力性的評價指標汽車的動力性是指汽車在良好路面上直線行駛時由汽車受到的縱向外力決定的所能達到的平均行駛速度。動力性是汽車各種性能中最基本、最重要的性能。從獲得盡可能的平均行駛速度的觀點出發(fā)，汽車的動力性能主要由三方面指標評定最高車速、加速性能和爬坡性能。最高車速是指在水平良好的路面上汽車能達到的最高行駛速度。它僅僅反映汽車本身具有的極限能力，并不反映汽車實際行駛中的平均速度。加速性能對汽車平均行駛速度有著很大的影響，它的評價指標很多，

25、但通用和統(tǒng)一的評價準則還沒有。當今汽車界通常用原地起步加速時間與超車加速時間來表示汽車的加速性能。原地起步的加速時間指用一擋或二擋起步，按最佳動力換擋時間逐次換至高擋，油門開度保持全開，加速至某一預(yù)定的距離或車速所需要的時間。汽車爬坡性能是用滿載汽車在良好路面上的最大爬坡度i max 表示的。顯然，最大爬坡度是指一擋最大爬坡度。有的國家規(guī)定在常遇到的坡度上，以汽車必須保證的車速來表明它的爬坡能力?？刂七@個指標可以保證各種車輛的動力性相差不至太懸殊，以維持路面上各種車輛暢通行駛?，F(xiàn)有的汽車動力性的評價指標只是反映了汽車本身具有的極限能力，在一定程度上反映了汽車動力性的好壞，但由于未與復(fù)雜的實際使

26、用工況統(tǒng)一考慮，因而往往與汽車實際使用效果相差很大。例如國內(nèi)目前的城市公共汽車，盡管其最高車速設(shè)計在70km/h左右，而實際汽車運行平均車速只有2030km/h。2.2 汽車燃油經(jīng)濟性的評價指標汽車燃油經(jīng)濟性常用一定運輸工況下汽車行駛百公里的耗油量或一定燃油量能使汽車行駛的里程來衡量。目前，一般采用等速燃油經(jīng)濟性和多工況燃油經(jīng)濟性來評價汽車燃油經(jīng)濟性。(1等速燃油經(jīng)濟性汽車等速燃油經(jīng)濟性是常用的一種評價指標，它指汽車在額定載荷下，以最高擋在水平良好路面上等速行駛100km 的燃油消耗量。常測出每隔10km/h或20km/h速度間隔的等速百公里燃油消耗量，然后在圖上連成曲線，稱為等速百公里燃油消

27、耗量曲線，以它來評價汽車的燃油經(jīng)濟性。但是，這種評價方法沒有反映出汽車實際行駛中受工況經(jīng)常變化的影響，特別是市區(qū)行駛中頻繁出現(xiàn)的加速、減速、怠速停車等行駛工況。(2循環(huán)行駛工況燃油經(jīng)濟性汽車多工況循環(huán)模式，是在大量進行汽車實際行駛工況調(diào)研和統(tǒng)計的基礎(chǔ)上獲得的，因而采用多工況循環(huán)試驗規(guī)范獲得的汽車燃油經(jīng)濟性更接近實際行駛狀態(tài)。自20世紀70年代起，各國為了能正確地模擬汽車行駛工況，在測定汽車典型使用工況的基礎(chǔ)上，制定了各種試驗規(guī)范，如聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會頒布的ECE-R 15循環(huán)工況，美國環(huán)境保護局EPA 制定的城市循環(huán)工況UDDS 及公路循環(huán)工況HWFET ，美國汽車工程師學(xué)會SAE 制定的燃

28、油經(jīng)濟性測量道路試驗程序J1082b, 日本的十工況和十一工況試驗循環(huán)，中國載貨汽車六工況試驗循環(huán)JB3352、城市客車四工況試驗循環(huán)JB3972等，并以這些試驗循環(huán)的百公里燃油消耗量來評定相應(yīng)行駛工況的燃油經(jīng)濟性。本次討論燃油經(jīng)濟性主要使用六工況法進行試驗，六工況實驗法的主要參數(shù)表格如下：表2.1 六工況實驗參數(shù) 注：a. 實驗車在第六工況的終速度的偏差為±3km/h。b. 對于最高檔的最小穩(wěn)定車速大于25km/h的車，使用檔位允許從最高檔降低一檔進行，當車輛進行等速行駛路段和減速段時再換入最高檔進行實驗。c. 汽車在進行六工況實驗時，加速、勻速和用車輛的制動器減速時，每個實驗工況

29、除單獨規(guī)定外，允許車速偏差±2km/h。在工況改變過程中允許車速的偏差大于規(guī)定值，但在任何條件下超過車速偏差的時間不大于1s ，即時間偏差為±1s 。2.3 汽車動力傳動系統(tǒng)優(yōu)化匹配的方法汽車動力傳動系參數(shù)的優(yōu)化匹配就是根據(jù)汽車使用條件和要求，通過優(yōu)選適當?shù)膭恿鲃酉敌褪胶蛥?shù)（如發(fā)動機型式及排量，機械變速器的型式，速比范圍、擋位數(shù)、速比間隔，驅(qū)動橋的型式及速比，輪胎類型及尺寸）使發(fā)動機經(jīng)常工作區(qū)盡量與理想經(jīng)濟工作區(qū)相接近，以獲得最佳的整車動力性與燃油經(jīng)濟性以及良好的排放性能。目標函數(shù)：取多工況燃油經(jīng)濟性，也有選取汽車原地起步連續(xù)換擋加速時間與多工況燃油經(jīng)濟性的加權(quán)值。設(shè)計

30、變量：選變速器各擋傳動比、驅(qū)動橋主減速器傳動比。約束條件：一般選擇整車動力性要求，變速器速比分配規(guī)律為約束條件。3 汽車動力性和燃油經(jīng)濟性的模擬計算3.1 發(fā)動機數(shù)學(xué)模型的建立汽車動力性燃油經(jīng)濟性模擬計算是以發(fā)動機數(shù)學(xué)模型為重要依據(jù)的。發(fā)動機數(shù)學(xué)模型的描述，包括汽車發(fā)動機外特性(使用外特性，對于柴油機來說，是功率特性 和發(fā)動機萬有特性。描述發(fā)動機性能的方法有表格法、差值法和數(shù)學(xué)模型法三種，前兩種精度較高，但占用內(nèi)存較多、運算速度較慢，故目前都采用數(shù)學(xué)模型法對于已知試驗數(shù)據(jù)的發(fā)動機，其使用外特性可以看作是發(fā)動機轉(zhuǎn)速的一元函數(shù)，用最小二乘法獲得。限于發(fā)動機測試技術(shù)，目前還主要是利用穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動機

31、特性試驗數(shù)據(jù)獲得的模型近似的代替非穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動機瞬時特性。考慮到發(fā)動機加速工況時，其轉(zhuǎn)矩較穩(wěn)定工況有所下降，燃料消耗率有所上升，一般認為其轉(zhuǎn)矩下降量與曲軸角加速度成線性關(guān)系，可以采用修正系數(shù)方法來考慮這種影響，借以減少穩(wěn)態(tài)工況代理瞬態(tài)工況帶來的誤差。3.2 最小二乘法曲面擬合采用曲面擬合的方法求取模型的參數(shù)，實際上是個線性回歸問題。即認為平面上的各測點Z 是其坐標(X,Y的函數(shù)，從而建立回歸模式為：b 11T tq 1 b 2 1T tq 2 = 1 b 1T tqN N n 1n 2n N 2T tq 12T tq 2T tq 1n 1T tq 2n 2T tqN n N n 122n 2

32、2n N 2T tqN s T tq 1s T tq 2 s T tqN s 1T tq n 1s a 0e 11n 1 s 1s T tq 2n 2 n 2 a 1 e 2 + （3-1） s s T tqN n N n N a k 1e N 式中：a 0, a 1, a k -1模型中待定系數(shù)；e 1, e 2, e N 隨機誤差；N試驗數(shù)據(jù)點數(shù)；S擬合階數(shù)；k 待定系數(shù)個數(shù)，與多項式的擬合階數(shù)s 存在如下關(guān)系：(s +1(s +2 k = （ 3-2） 2擬合階數(shù)高時擬合值更接近于實際試驗數(shù)據(jù)，但此時在上下限區(qū)域內(nèi)通常會產(chǎn)生畸變，嚴重影響汽車燃油經(jīng)濟性的模擬計算，因此本文擬合階數(shù)取3。回

33、歸模型寫成矩陣形式：Z =G A +E （3-3） 其中G 為N ×k 階矩陣，Z 和E 均為N 1列向量。假設(shè)J =（3-4） e i 2=E T E按照極值理論應(yīng)有i =1N J =0 （3-5）|A =A A易得：A =(G T G 1G T Z （3-6）Z 擬合值與觀測值Z t 擬合程度，可以用擬合度C 來評價，同時也確定最佳s 值。N C =1(Z l -Z l /(Z l -l 2t =1l =1N 2 （3-7）1式中 =N Z l =1N l 為總體的均值。3.3 變速器換擋規(guī)律模型3.3.1 汽車換擋規(guī)律的處理機械變速器是否需要換擋，取決于駕駛員對汽車行駛條件以及

34、對發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷的判斷。在行駛中，首先駕駛員應(yīng)嚴格遵守道路環(huán)境對速度的限制；其次在未達到對速度的限制時，可以充分發(fā)揮汽車的動力性；在滿足上述兩條件時，應(yīng)考慮汽車的燃油經(jīng)濟性，盡量利用高擋行駛。一般來說，確定換擋規(guī)律時應(yīng)滿足兩個條件：（1）選擇最佳的擋位及換擋時機，使汽車具有良好的動力性和燃油經(jīng)濟性。（2）在一般道路條件下，要盡量減少換擋次數(shù)，使換擋穩(wěn)定可靠，并盡量減少在某些道路條件下相鄰兩擋間不斷循環(huán)換擋的現(xiàn)象。3.3.2 最佳動力性換擋規(guī)律最佳動力性換擋規(guī)律應(yīng)用于動力性模擬計算中，它認為汽車盡可能在較低擋位行駛。現(xiàn)在關(guān)鍵問題是是換擋點的選擇，目前有兩種判斷法：一種是以同一車速下各擋加速度的

35、大小作為換擋依據(jù)；另一種是以同一車速下各擋動力的大小作為換擋依據(jù)。在模擬計算中，對駕駛員換擋規(guī)律規(guī)定：(1當發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于其最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，由高擋換入低擋。(2當發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于其最大轉(zhuǎn)速時，由低擋換入高擋。(3當發(fā)動機轉(zhuǎn)速介于其最大和最小轉(zhuǎn)速之間時，若高擋加速度大于低擋加速度時，應(yīng)由低擋換入高擋。3.3.3 最佳經(jīng)濟性換擋規(guī)律最佳經(jīng)濟性的換擋規(guī)律應(yīng)用于燃油經(jīng)濟性模擬計算中。目前也有兩種判斷法，一種是在汽車加速度大于零情況下，盡可能采用高擋行駛；另一種是以發(fā)動機燃油消耗率作為換擋依據(jù)，保證汽車總是以使發(fā)動機的燃油消耗率最小的擋位行駛。在模擬計算中，對駕駛員換擋規(guī)律規(guī)定：(1當發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于其最小

36、穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，由高擋換入低擋。(2當發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于其最大轉(zhuǎn)速時，由低擋換入高擋。(3當發(fā)動機轉(zhuǎn)速介于其最大和最小轉(zhuǎn)速之間時，若高擋加速度大于零時，應(yīng)由低擋換入高擋。(4當行駛阻力大于驅(qū)動力時，若發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時，則不換擋，反之應(yīng)換入低擋。4 汽車傳動系參數(shù)的匹配4.1 動力性參數(shù)計算整車的性能計算是最終確定汽車動力傳動系匹配評價體系的基礎(chǔ)，由于我們在第二章中詳細討論了發(fā)動機數(shù)學(xué)模型的建立方法，以此本節(jié)的重點放在動力性及經(jīng)濟性的仿真計算。4.1.1 汽車動力性模擬計算設(shè)變速器置于第k 擋；1. 首先計算變速器置k 檔時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速n e ；n v e i 0i ke =0

37、. 377r2. 根據(jù)發(fā)動機使用外特性模型，計算發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩M e ；M i n ie =A (eii =03. 計算汽車空氣阻力F w ；2F C D Av aw =21. 154. 計算汽車驅(qū)動力F t ；F M e i 0i k Tt =r5. 則第k 擋、速度v a 時，則最大動力因數(shù)為：D max(F t -F w max (k =mg4.1.2 各檔最大爬坡度的計算設(shè)各檔的最大爬坡角為a max (k ，則有： a D max (k -f -D 2max (k +f 2max (k =arcsin 1+f 2然后再根據(jù)i max (k =tg max (k 換算成最大爬坡度。式中

38、：f 滾動阻力系數(shù)。4-1） 4-2） 4-3）4-4）4-5）4-6） （ （ （ （ （D max (k 各檔最大動力因數(shù)。4.1.3 最高車速的計算汽車最高車速是指在良好水平路面上汽車所能達到的最高速度，根據(jù)汽車驅(qū)動力行駛阻力平衡圖，發(fā)動機驅(qū)動力(直接檔或最高檔 與汽車行駛阻力曲線相交點處的車速，便是汽車最高車速。若無交點，則發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的車速則為最高車速。變速箱置于k 檔。設(shè)發(fā)動機最大功率點n p 對應(yīng)的車速v p (k 為初選最高車速，并計算發(fā)動機最高車速n e max 對應(yīng)的最高車速v B 。n R v p (k =0. 37p （4-7） I 0v B =0. 377計算此

39、時汽車的行駛阻力 n e max R （4-8） I 0F f =m g f （4-9） F w =C D Av 2p (k 21. 15 (4-10）其中C D 為空氣阻力系數(shù)；A 為迎風(fēng)面積；v p (k 為車速計算此時驅(qū)動力F t =T tq i 0i k Tr (4-11其中i g 為變速器傳動比；i 0為主減速器傳動比；r 為車輪半徑；T 為傳動效率計算此時驅(qū)動力與行駛阻力的差值D ：D =F t -F w -F f (4-12如果D 小于預(yù)先給定的值，則可認為此時車速為最高車速，而如果D 的絕對值大于，則需要根據(jù)正負號對v 進行一定的步長的加減進行循環(huán)計算，并最終取得滿意的結(jié)果，值

40、得注意的是最終結(jié)果v max 需要與v B 進行比較，若v B v max ，則最高車速應(yīng)為v B 。4.1.4汽車加速性能的計算汽車的加速性能可用它在水平良好路面上行駛時能產(chǎn)生的加速度來評價。由汽車的行駛可以得到：du F i -(F f +F w = (4-13 dt m而由運動學(xué)可知，汽車從v 1加速到v 2時所需的時間為：1t 21t =dt =du (4-14 0t 1a此時加速時間可通過計算機用圖解計分法求出。式中：是旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。4.2汽車燃油消耗計算4.2.1 等速行駛工況燃油消耗量計算根據(jù)等速行駛車速u a 及阻力率P ，在萬有特性圖上可確定相應(yīng)的燃油消耗率b ，從而計算

41、出以該車速等速行駛時單位時間內(nèi)的燃油消耗量(mL/s為Q t =Pb (4-15 367. 1g式中，b 為燃油消耗率 g/(kw·h；g 為重力加速度，汽油的g 可取為6.96-7.15N/L,柴油的g 可取為7.94-8.13N/L。整個等速過程行經(jīng)s （m ）行程的燃油消耗量（mL ）為：Q =Pbs (4-16 102u a g折合成等速百公里燃油消耗量（L/100km）為：Q s =Pb (4-17 1. 02u a g4.2.2 等加速行駛工況燃油消耗量的計算在汽車加速行駛時，發(fā)動機還要提供為克服加速阻力所消耗的功率若加速度du 為(m /s 2 則發(fā)動機提供的功率P(k

42、W應(yīng)為 dt3mu a du 1Gfu a C D Au a P =(+ (4-18 T 3600761403600dt下面計算由u a 1以等加速度加速行駛至u a 2的燃油消耗量，把加速過程分離成若干區(qū)間，例如按加速度每增加1km/h為一個小區(qū)間，每個區(qū)間的消耗量可根據(jù)其平均的單位時間燃油消耗量與行駛時間之積來求得。各區(qū)間起始或終了車速所對應(yīng)時刻的單位時間燃油消耗量Q t ，可根據(jù)相應(yīng)的發(fā)動機發(fā)出的功率與燃油消耗率求得Q t =Pb (4-19 367. 1g而汽車行駛速度每增加1km/h所需時間(s為dt t = (4-20 3. 6du從行駛初速u a 1加速至u a 1+1km /h

43、 所需燃油量（ml ）為1Q 1=(Q t 0+Q t 1 t (4-21 2式中，Q t 0為行駛初速u a 1時，即t 0時刻的單位時間燃油消耗量（mL/s）；Q t 1為車速為u a 1+1km /h 時，即t 1時刻的單位時間燃油消耗量（mL/s）。由車速u a 1+1km /h 再增加1km/h所需的燃油量（mL ）為Q 2=1(Q t 1+Q t 2 t 2(4-22式中，Q t 2為車速為u a 1+2km /h 時，即t 2時刻的單位時間燃油消耗量（mL/s）。 依次，每個區(qū)間的燃油消耗量為 Q 3=Q n =1(Q t 2+Q t 3 t (4-23 21(Q t (n -1

44、 +Q t （n -2） t (4-24 2整個加速過程的燃油消耗量為Q a =Q i (4-25n 1或為： Q a =(Q t 0+Q tn t +Q ti t (4-26 2i =1n i =1加速區(qū)間內(nèi)汽車行駛的距離（m ）為22u a 2-u a 1s a = (4-27 du 25. 92dt4.2.3 等減速行駛工況燃油消耗量的計算減速行駛時，油門松開并進行輕微制動，發(fā)動機處于強制怠速狀態(tài)，其油耗量為正常怠速油耗。所以，減速工況燃油消耗量等于減速行駛時間與怠速油耗的乘積減速時間(s為 t =u a 2-u a 3 (4-28 3. 6dt d式中：u a 2，u a 3為起始及減

45、速終了的車速；du 為減速度； dt則減速過程燃油消耗量（mL ）為Q d =tQ i (4-29式中：Q i 為怠速燃油消耗率（mL/s）。4.2.4 怠速停車時的燃油消耗量若怠速停車時間t s (s ，則燃油消耗量（mL ）為：Q id =Q i t s (4-304.2.5 整個循環(huán)工況的百公里燃油消耗量對于由等速，等加速，等減速，怠速停車的行駛工況組成的循環(huán)，如我國貨車六工況法，其整個試驗循環(huán)的百公里燃油消耗量(L100km 為Q sQ =100 (4-31 s 圖4.1 燃油經(jīng)濟性指標計算程序流程圖 圖4.2 傳動系參數(shù)匹配程序流程圖4.3 貨車傳動系匹配的數(shù)學(xué)模型快速匹配的目的是找

46、出最佳匹配，首先要根據(jù)國家標準和地方行業(yè)標準對功率和比功率的要求，確定符合強度要求的變速箱和后橋以及符合國家標準規(guī)格的車輪。然后再進行匹配分析。匹配過程首先需要確定匹配指標以及整車設(shè)計的動力性和經(jīng)濟性指標，然后根據(jù)各種傳動系的組合計算并得到綜合匹配指標比較好，而且要求符合整車設(shè)計要求的傳動系組合，供設(shè)計人員根據(jù)實際情況做出具體的選擇。確定傳動系匹配指標f =1Q s +2T s (4-32式中：T s -貨車30-80km/h的最高檔或直接檔加速時間。Q s -基于實際運行工況的綜合油耗。1，2-汽車動力性燃油經(jīng)濟性的加權(quán)系數(shù)。本章討論貨車傳動系參數(shù)快速匹配的原理和方法，首先我們詳細的分析了汽

47、車動力性和燃油經(jīng)濟性指標的計算方法，以及如何在計算中進行模擬仿真計算，然后提出了基于實際運行工況的貨車傳動系匹配的綜合指標以及傳動系匹配的數(shù)學(xué)模型，完成了程序流程圖的開發(fā)。通過以上內(nèi)容，設(shè)計人員就可以在汽車的總體設(shè)計中，快速而且準確的找出符合整車性能設(shè)計要求的傳動系組合，提高了工作效率。5 貨車動力傳動系參數(shù)優(yōu)化設(shè)計汽車動力傳動系統(tǒng)與汽車使用工況匹配的好壞直接關(guān)系到汽車動力性能的發(fā)揮和燃油經(jīng)濟性的好壞。汽車燃油經(jīng)濟性是汽車最重要的性能之一，要想使汽車燃油經(jīng)濟性最好，首先要求發(fā)動機燃油消耗量最小，同時還要求在實際行駛時，汽車發(fā)動機總是處于在燃油消耗率較小的經(jīng)濟區(qū)域內(nèi)工作。要做到這一點，主要是依靠

48、發(fā)動機與傳動系的合理匹配。目前，在實際應(yīng)用中求解優(yōu)化問題的算法很多，下面簡單介紹幾類。（1）單純形法單純形法是利用比較簡單幾何圖形各頂點的目標函數(shù)值，在連續(xù)改變幾何圖形的過程中，逐步以目標函數(shù)值較小的頂點取代目標函數(shù)值最大的頂點，而求優(yōu)點的方法，屬于直接法。（2）罰函數(shù)法罰函數(shù)法對應(yīng)于在拉格朗日法中取乘子 1 =p g (x （5-1） 2待優(yōu)化的函數(shù)為 1g g (x （5-2） f p (x =f (x +p g 2x它只取決于優(yōu)化函數(shù)x ，而不再與有關(guān)。通過變分即得極小值的必要條件 g f f p = +p g x =0 （5-3） x x由于x 為獨立變分，因而（3）拉格朗日法這是處理

49、帶有約束條件的優(yōu)化方法最常用的方法之一。對于帶有不等式約束的優(yōu)化問題min f (x （5-5） s . t . g (x 0f p x =f g +p g =0 （5-4） x x可引用如下的拉格朗日函數(shù)：f L (x , =f (x +g (x （5-6）將帶約束的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成無約束的優(yōu)化問題min f L (x , （5-7） x , 優(yōu)化變量變?yōu)閤 ，。確定極小值點的必要條件為 f g f L =(+ x +g =0 （5-8） x x由于上式對任意的獨立變量x 和都成立，因而f L (x , f (x g (x =+=0 x x xf L (x , =g (x =0 （5-9） 為

50、了求解上面的非線性方程組式（3-17），時常需要對此線性化。然而由于g =0, 在數(shù)值計算中存在不便之處。在式（3-15）中的優(yōu)化函數(shù)里添加一個附加項 f PL (x , =f L (x , -12PL （5-10） 就成為攝動的拉格朗日法，以提高數(shù)值計算的效率。對于新的優(yōu)化函數(shù)，其極小值點的必要條件變?yōu)?f PL =(即 f PL f g =+=0 （5-12） x x x f g 1 + x +(g - =0 （5-11）x x PL1f PL 1=g -=0 (5-13 PL 由于擾動項PL 存在，起作用的約束條件g (x =0不再嚴格成立。增加參數(shù)PL ，則起作用的約束條件能更好地滿足

51、。減小參數(shù)PL 則導(dǎo)致約束條件不能很好地滿足。然而如果參數(shù)PL 過大，那么再優(yōu)化函數(shù)中添加附加項所期望的影響效果甚微。在極端的情況下PL ，攝動的拉格朗日法等同于拉格朗日法。（4）擬牛頓法擬牛頓法是求解無約束優(yōu)化問題常用的一種算法，此方法的實質(zhì)是每一次迭代時建立其曲率信息，并以此來解決如下形式的二次模型優(yōu)化問題： 1T T m in f (x =m in x Hx +b x +c （5-14） x R n x R n 2其中，H 為正定對稱矩陣（Hessian ），b 為常數(shù)向量，c 為常數(shù)。此問題的最優(yōu)解在對x 的偏導(dǎo)數(shù)為零的點處，即f (x * =Hx *+b =0 （5-15）*-1從而，最優(yōu)解可以寫為：x =-H b牛頓法與擬牛頓法相對，它直接計算矩陣H ，并使用線性搜索法沿著下降方向搜索，經(jīng)過一定的迭代次數(shù)后確定最小值。而擬牛頓法則通過觀測f (x 和f (x 的行為計算曲率信息，然后經(jīng)過恰當?shù)霓D(zhuǎn)