某轿车动力传动系统参数匹配优化设计

戚景卫，吕彩琴(中北大学机械与动力工程学院，山西太原 030051)

某轿车动力传动系统参数匹配优化设计

戚景卫，吕彩琴
(中北大学机械与动力工程学院，山西太原 030051)

为研究发动机和传动系统的合理匹配关系，提出在发动机已经选定的情况下，通过选择不同的传动系参数来使发动机的工作处于更加接近理想的工作区域。首先用 AVL CRUISE 软件对某轿车建模与仿真，得出动力性和经济性相关参数值，其后对主减速器和变速器参数进行优化，得到新的传动系参数。将优化后的整车动力性和经济性仿真结果与原车型相比，结果显示，该轿车的动力性变化不大，经济性有所改善。

动力传动系统；参数匹配；动力性；经济性

0 引言

随着汽车技术的不断发展，人们对轿车各方面的性能的期望和要求也越来越高，如何提高整车性能已经成为当今研究的一个重要课题。汽车整车性能的提高不仅取决于发动机和传动系性能的提高，而且在很大程度上取决于发动机与传动系统二者之间的匹配是否合理。现代计算机仿真技术的快速发展使得汽车性能的模拟计算已经成为了现实，通过模拟计算能够更好地选择汽车动力传动系统之间的匹配方案，从而大大缩减了汽车产品的开发周期，降低了成本，有效地提高了设计质量，而且能够为整车的技术评价和分析提供理论依据。

1 轿车整车仿真模型建立

1.1 AVL CRUISE仿真软件介绍

AVL CRUISE是奥地利AVL LIST公司开发的一款专门为汽车动力传动系统匹配而设计的整车高级仿真分析软件，可以轻松实现对复杂车辆动力传动系统的仿真分析。通过其便捷通用的模型元件，直观易懂的数据管理系统以及基于工程应用开发设计的建模流程和软件接口，用户可以便捷地搭建不同布置结构的车辆模型，对任意结构形式的汽车动力传动系统进行建模和仿真，具体建模流程如下：

(1)从元件库窗口中拖出所需的元件，建立整车各个部件物理模型。

(2)建立信号传递的物理和信号连接。按各元件间信号或能量传递的输入和输出关系进行数据总线连接。

(3)输入整车的各性能参数及结构参数，并核实模型的正确性。

(4)设定所要执行的计算任务，并对计算任务中不同的参数变量进行设置。

(5)模拟计算与仿真优化。

根据微型轿车动力传动能量传输路线建立的整车仿真模型如图1所示。

1.2 参数输入

模型建立后，还需要输入整车的基本参数，如表1所示。发动机的外特性曲线及万有特性曲线如图2、图3所示。

表1 整车的基本参数

1.3 任务的制定

在分析该轿车的动力性和经济性的基础上，对其传动系统参数进行优化， 并对优化前后的两组结果进行比较，最终得到一种新的优化匹配方案。因此在定制任务时，主要包括以下几种任务：定制 Full Load Acceleration、climbing 得到动力性相关数据和定制 Cycle Run 任务得到经济性相关数据。

2 仿真计算

2.1 动力性计算

根据上面的建模方法，应用AVL CRUISE软件建立整车模型，输入参数，设定计算任务后，运行得到的所需要的整车动力性及经济性评价指标参数值。

在Maximum Velocity任务中可以查看各挡最高速度的仿真计算结果，如表2所示。

表2 各挡最高车速

仿真得到该轿车各挡爬坡度曲线如图4所示，可知轿车的最大爬坡度为36.96%，满足最大爬坡度不小于30%的要求。

仿真得到该轿车的最大加速度为2.11 m/s2，0～100 km/h的原地起步加速时间为19.29 s。以4挡由40 km/h加速到100 km/h所需的加速时间为22.42 s。

2.2 燃油经济性计算

多工况循环试验是不同强度的等速、加速、减速三种行驶工况和怠速工况连续循环的组合，其燃料经济性模拟计算就是这四种工况油耗计算的综合。应用AVL Cruise模拟UDC循环工况，可以得出该轿车的燃油消耗特性图如图5所示。图中颜色的深浅代表着该发动机在该工况点工作次数的多少，颜色越深代表在该工况点工作的频率越高。由图5可以得出，在整个模拟工况中，发动机工作点在低转速下工作，偏离了最佳经济区，导致燃油消耗率偏高。整个UDC循环工况的百公里燃油消耗量为6.58 L。

3 动力传动系统参数匹配优化

当整车及发动机的参数确定后，动力传动系统参数的选择直接决定了整车的性能。汽车动力传动系统主要参数有：主减速器传动比、变速器挡位数、变速器各挡传动比。主减速器的传动比越大，汽车的后备功率会随着增加，那么汽车的加速性能和爬坡能力就越强。由于汽车的动力性和燃油经济性是相互矛盾的，当汽车动力性增强时，其燃油经济性就相对变得比较差。就汽车的动力性而言，挡位数越多，增加了发动机在最大功率附近工作的机会，提高了汽车的加速性能和爬坡能力。就汽车的燃油经济性而言，挡位数越多，增加了发动机在低燃油消耗区工作的可能性，降低了燃油消耗量。如何确定传动系的速比则是汽车动力匹配的核心问题。

3.1 优化模型的建立

优化模型主要包括设计变量、目标函数及约束条件三部分。该优化模型的设计变量是五挡手动变速器的传动比及主减速器传动比，即：

X=[x1,x2,x3,x4,x5,x0]T=[ig1,ig2,ig3,ig4,ig5,i0]T

式中:igj为变速器第j挡传动比；i0为主减速器传动比。

分别以轿车的原地起步加速时间和十五循环工况燃油消耗量作为最佳动力性和燃油经济性分目标进行匹配优化，并考虑这两个分目标在综合评价指标中相对重要程度方面的差异，采用加权方法将多目标函数优化问题转化为单目标函数优化问题。

综上所述，优化模型为：

minF(X)=λ1f(X1)+λ2f(X2),X∈{gi(X)≤0,i=1,2,3,…，n}

式中：λ1为动力性加权因子，λ2为经济性加权因子，λ1+λ2=1;f(X1)为动力性分目标；f(X2)为经济性分目标；gi(X)为约束条标。

约束条件主要包括：最高车速、最大爬坡度、加速时间、一挡最大动力因数、地面附着条件、相邻挡位传动比、等速百公里油耗、主要污染物排放量等。

3.2 优化结果对比分析

采用MATLAB编程优化程序，运行程序，得到优化结果，优化前后各挡传动比如表3所示。

表3 优化前后各挡传动比

优化前后整车的动力性及经济性对比分析分别如表4，5所示，可知优化后的某些指标动力性有所下降，但变化不大，仍满足设计要求。优化后的各挡等速百公里油耗都有所提高，多工况百公里油耗也由原来6.58 L降低到6.32 L。

表4 整车的动力性对比

表5 整车的经济性对比分析

4 结论

(1)汽车动力传动系统各部件之间的匹配程度直接关系到整车的性能，在发动机已经确定的情况下，通过优化主减速器、变速器等参数可以提高动力传动系统的合理匹配程度，进而保证整车的动力性和经济性都得到最大程度的发挥。

(2)利用AVL Cruise软件可以有效方便地建立轿车的整车模型，并通过修改动力传动系统各部件参数和模拟试验得到优化后的轿车的动力性和经济性，有助于设计者在初期阶段预测整车的性能，大大缩短了开发周期，减小或避免了错误匹配。

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Optimal Design on Power Transmission System Parameters Matching of a Car

QI Jingwei,LV Caiqin
(School of Mechanical and Power Engineering,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China)

To study the rational matching relations between the engine and transmission system,different transmission parameters were chosen to make the selected engine work area in closer to the ideal work area.By modeling and simulation of a car using AVL CRUISE software,the power performance and fuel economy of the relevant parameters were obtained.By optimizing the main reducer and transmission parameters,the new drivetrain parameter was got.The simulation results of vehicle performance and fuel economy of the optimal model were compared with that of the original model.The results show that the power performance of the car changes little and the economy is improved.

Power transmission system;Parameter match;Power performance;Fuel economy

2013-11-11

戚景卫(1988—)，男，硕士研究生，研究方向为整车性能分析，动力传动系统参数匹配优化。E-mail:qjw880828@126.com。