基于GT－DRIVE软件的汽车传动系参数对经济性和排放性的影响

刘 宾， 孙跃东

（上海理工大学 机械工程学院，上海 200093）

能源危机、环境污染和全球气候变暖促使人们对汽车提出了更高的要求，不仅要有好的动力性，还应有优异的经济性和排放性.参数优选的传动系统有利于发动机的性能充分发挥，使汽车不仅具有良好的动力性和经济性，还可以改善排放效果［1］.目前，有关汽车动力传动系匹配对汽车动力性和经济性影响的研究已非常详尽，而排放性影响方面的研究资料却很少.由于汽车的经济性和排放性之间具有非常紧密的联系，特别是CO2的排放量几乎与油耗量成正比关系［1－2］，因此，应将两者一起进行研究.

本文利用整车性能仿真软件GT－DRIVE，基于对NEDC循环工况的模拟计算研究，分析传动系参数对汽车经济性和排放性的影响规律，以期在保证汽车动力性的前提下，能够更合理地匹配汽车动力传动系统.

1 仿真模型的建立

以某款配有五挡手动变速器的中级乘用车型为研究对象，其发动机和传动系统的主要参数如表1所示.

本文所使用的工具GT－DRIVE 是一款高性能仿真软件，它采用部件模块化建模方式，因而可以通过设置各模块的参数实现对不同车型进行快速灵活建模.在输入车身、发动机、离合器、变速器、传动轴、差速器、驱动桥及车轮等各模块的参数完成对它们的定义后，利用传感器和执行器将各模块进行连接（包括两类：部件间的物理连结和部件间的状态信息传递），当检查无误后，便可设置仿真计算模式、结束条件以及结果输出形式，这样就完成了整个仿真模型的建立.

表1 原车型主要参数Tab.1 Parameters of the vehicle

图1是所建立的整车NEDC 循环仿真模型.需要说明的是，由于本文意在研究传动系参数对汽车相关性能的直接影响，模型中没有考虑排气后处理部分.另外，本文中有关CO2的排放数据都是由碳守恒计算获得的结果.

图1 整车NEDC循环仿真模型Fig.1 Simulation model of NEDC

2 传动系参数对经济性和排放性影响的分析

2.1 变速器挡位数

通过对目前主流的五速和六速变速器的研究，分析具有不同挡位数的变速器对汽车经济性和排放性的影响.将原车型的发动机匹配市面上一款典型的六速变速器（各挡位速比为3.892，2.338，1.496，1.132，0.904，0.713），并将其经济性和排放性仿真结果与原车型进行对比.

图2为分别匹配五速和六速变速器的发动机工况点在油耗万有特性图中的分布p 为压强，n为转速.由图2可知，当匹配五速变速器时，发动机趋于工作在3 000r／min转速附近，而当匹配六速变速器时发动机趋于工作在燃油消耗率相对较低的2 500r／min附近.从图3中可以看出，两款变速器确实影响发动机工况点在NOx排放万有特性图中的分布，但对各等排放区的工况点分布数目统计结果表明，变速器的挡位数对NOx排放的影响并不明显.从图4和图5（见下页）中可以明显地看出，当匹配六速变速器时，发动机可以有效地避开工作在3 000r／min这一HC和CO高排放率区域，从而改善了发动机的相关排放性能.

图2 发动机工况点在油耗万有特性图中的分布Fig.2 Distribution of engine operation points on the fuel consumption map

图3 发动机工况点在NOx排放万有特性图中的分布Fig.3 Distribution of engine operation points on the NOxemission map

图4 发动机工况点在HC排放万有特性图中的分布Fig.4 Distribution of engine operation points on the HC emission map

图5 发动机工况点在CO 排放万有特性图中的分布Fig.5 Distribution of engine operation points on the CO emission map

通过对匹配不同挡位数变速器的发动机工况点分布的对比，可以直观地认知到变速器的挡位数对汽车经济性和排放特性的影响.表2给出了匹配两种变速器的汽车经济性和排放性的仿真结果.从表2中可以看出，匹配六速变速器的汽车在经济性和排放性方面均优于匹配五挡变速器的汽车，这是因为挡位数多的变速器具有更紧密的变速比和更宽泛的变速范围，可以使发动机更趋于工作在理想的工作区间，有利于提升经济性，并减少有害气体和二氧化碳的排放［1－3］.

表2 匹配不同挡位变速器的仿真结果对比Tab.2 Comparison of simulation results

2.2 传动系参数影响显著性分析

由于传动系参数较多，且各参数对汽车经济性和排放性影响的显著性以及参数之间的影响是否完全独立并不确定，因此，应先找出那些对汽车经济性和排放性影响较为显著的参数.首先利用拉丁超立方抽样法（LHS）［4］将传动系参数进行DOE 试验设计［5］.根据DOE 试验统计所得的数据用回归分析法建立百公里燃油消耗和平均有害气体排放率关于传动系参数的回归方程，拟合方程为

方程（1）包括了：a.主影响因子x1，x2，…，xk；b.主影响因子间的交互项.主影响因子的平方项.检验表明，4个回归方程的拟合优度分别为0.999 8，0.995 3，0.993和0.997 9，说明拟合精度非常高.

表3为回归分析的因子显著性结果.由表3可知，对汽车经济性和排放性影响最为显著的3个因子分别为主减速比、二挡速比和五挡速比，另外，三挡速比的影响也较明显.现将通过仿真分析，详细研究主减速比、二挡速比和五挡速比这3个参数对经济性和排放性的影响规律.

表3 对经济性和排放性影响显著的因子Tab.3 Factors that have significant effect on the economy and emissions

2.3 主减速比

以原车型为研究对象，固定传动系中其它参数不变，通过改变主减速比的大小仿真分析主减速比的变化对汽车经济性和排放特性的影响.本文主减速比的变化范围为2.2～4.1，步长为0.1，共获得20个组合，仿真结果如图6所示.

由图6（a）可知，随着主减速比的增大，汽车的经济性变化曲线呈开口向上的抛物线，在主减速比等于2.4处出现最小值点，此时汽车具有最佳的经济性.由6（b）和6（c）可知，汽车的NOx的排放率随主减速比的增加大幅度降低，而HC的排放率逐渐变大，且变化率也逐渐增大.由6（d）可知，汽车的CO 排放率变化曲线与经济性的变化曲线相似，且在主减速比等于2.6处达到最小值.

图6 主减速比对经济性和排放性的影响Fig.6 Effect of final drive ratio on economy and emissions

2.4 二挡速比

保持传动系中的其它参数不变，设置二挡速比的变化范围为1.6～2.8，步长为0.2，可获得7个组合，仿真结果如图7所示.总的来说，随着二挡速比的增加，汽车经济性、HC 和CO 的排放性的变化幅度虽然不同，但趋势基本一致.而NOx的排放率与其它3个研究对象的变化趋势相反.值得注意的是，当二挡速比在大于2.4的范围内变化时，对NOx排放率的影响较小.

图7 二挡速比对经济性和排放性的影响Fig.7 Effect of Gear 2on economy and emissions

2.5 五挡速比

同样设置五挡速比的变化范围为0.6～0.9，步长为0.1，共获得4个组合，仿真结果如图8所示.由图8可知，五挡速比的变化对汽车经济性和排放性的影响与二挡速比的影响类似，但其对NOx排放性的影响比二挡速比的显著.

图8 五挡速比对经济性和排放性的影响Fig.8 Effect of Gear 5on economy and emissions

3 传动系参数优化

3.1 优化模型的建立

选择主减速比、二挡速比、五挡速比和三挡速比作为设计变量进行优化设计.采用将DOE 试验设计与遗传算法［6］相结合的策略，因为其可以用较少的计算获得较为精确和实用的优化结果.基于上文建立的回归方程做响应面，利用遗传算法进行寻优，在保证动力性的前提下，以燃油消耗和有害物排放综合最优为目标，获得最佳的传动系参数组合.现给出优化模型表达式.

设计变量

目标函数

约束条件

式中，i0为主减速比；i2，i3，i5分别为二挡、三挡和五挡的速比；F（X）为NEDC 循环百公里燃油消耗；N（X）为NEDC 循环NOx平均排放率；H（X）为NEDC循环HC 平均排放率；C（X）为NEDC 循环CO 平均 排 放 率；a，β，γ，η 分 别 为 对 应 的 权 系 数；ua，max为最高 车 速；imax为 最 大 爬 坡 度；t0～100km／h为 汽车原地起步加速到100km／h用时.

这里以ua，max，imax和t0～100km／h为约束条件来保证汽车的动力性.本文采用加权因子法［7］将多目标优化问题简化为单目标优化问题.由于F（X）不仅代表了汽车的燃油经济性，还间接地说明了汽车的CO2排放性 能［1－2］，因 此，本 文 中 其 权 系 数α 取 为0.4，而权系数β，γ，η的值均为0.2.

图9是遗传算法的参数寻优过程，其中，遗传算法优化模型中的相关参数设置包括：初始种群N＝50，交叉概率Pc＝0.6，变异概率Pm＝0.01，终止代数T＝100.

3.2 优化结果分析

设计变量的优化结果如表4所示.需要说明的是，这里优化得到的结果是基于将优化变量作为连续变量的假设，而工程上它们是离散的，因此，还需要将优化结果提供给传动系供应商，由供应商根据工程技术经验和可能实现的制造工艺进行配齿分析［8］.

图9 遗传算法参数寻优过程Fig.9 Flow chart of parameters－optimized process using genetic algorithm

表4 汽车传动系参数优化前后对比Tab.4 Comparison of powertrain parameters before and after optimization

表5是优化后的汽车经济性和排放性结果与优化前的仿真结果的对比，可以看出，优化后虽然NOx的排放率稍微变大，但百公里燃油消耗、HC 和CO 的排放率都有明显的改善.这一优化结果与上文的分析是吻合的，传动系参数对燃油经济性、HC和CO 排放率影响的规律基本相同，但对NOx排放率的影响却与其它3个研究对象相反.由于优化后主减速比、二挡速比都有所增加，根据图6和图7可知，这将使得NOx的排放量增大.

表5 汽车经济性和排放性优化前后对比Tab.5 Comparison of vehicle fuel economy and emissions before and after optimization

4 结 论

利用GT－DRIVE软件建立了某车型的NEDC循环仿真模型，通过研究传动系参数对汽车经济性和排放性的影响规律，得出以下结论：

a.通过回归分析找出了对汽车经济性和排放性影响较为显著的传动系参数：主减速比、二挡速比和五挡速比.分析结果表明，这3个参数对汽车经济性和排放性的影响大体相同，随着3个参数的增大，燃油消耗和HC，CO 排放率逐渐变大（除了主减速比对CO 排放率的影响呈抛物线规律变化），而NOx的排放率却逐渐减小.但3个参数的影响显著性并不相同，它们对汽车经济性和排放性的影响显著性如表3所示.

b.优化结果表明，汽车的经济性和排放性之间存在一定的矛盾，很难获得同时各方面都最优的综合性能，这主要表现在随着速比参数的变化，NOx排放率与燃油消耗和HC，CO 排放率具有相反的变化规律，因此，在优化时应该稍微牺牲一点NOx排放性能以获得更好的其它汽车性能，并且在排放后处理中加强对其的催化转变来降低排放量.

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