汽车传动系参数的优化匹配

汽车传动系参数的优化匹配

陈海燕吉武俊

陈海燕吉武俊（河南职业技术学院）

摘要：汽车的传动系对整车的动力性和燃油经济性有很大的影响，故传动系参数的确定成为汽车设计中一个重要的组成部分。本论文主要研究的是如何将优化理论引入到汽车传动系参数设计当中，以实现汽车发动机与传动系的最佳匹配，达到充分发挥汽车整车性能的目的。本论文利用最小二乘法和线性回归原理建立了发动机的使用外特性，并建立了传动系的数学模型，提出评价汽车动力性的优化指标体系。

关键词：汽车传动系参数优化匹配优化指标

1传动系统匹配研究的目的和意义

汽车整车性能的好坏不仅仅取决于发动机和传动系各自单独的性能，而是在很大程度上取决于二者匹配得如何。在评价汽车的整车性能时，往往要用到一些特定的指标，如衡量汽车动力性的主要指标是其最高车速、爬坡性能和加速性能等，衡量燃油经济性和排放特性的主要指标是汽车在标准试验循环下的百公里油耗和每公里排放量。这些指标除了反映发动机本身的动力性、燃油经济性和排放特性外，还体现了整车驱动系统(包括发动机、变速器、主减速器以及驱动轮等)的相互配合及优化程度。一台发动机即使具有良好的性能，如果没有与之合理匹配的传动系，也不可能充分发挥其最佳性能。

2汽车动力性评价指标的确定

2.1汽车动力性评价指标汽车的动力性主要由以下几方面的指标来评定:①最高车速。②爬坡性能。③加速性能。

2.2汽车动力性优化指标装有理想变速器的汽车和四档变速器汽车驱动力特性曲线如图1所示。可以看出，发动机匹配了四档变速器后，传动系的驱动特性有了较大变化，在一定程度上接近了理想传动系。阴影部分的面积越小，就越接近理想的传动系。若变速器的传动比可以无级变化，则阴影部分可以完全消除。但对于机械变速器而言，变速器只有几个挡位，所以，阴影区不可能完全消除，但可以通过选择适当的传动比，使阴影部分的面积最小，这就是动力传动系的优化问题。

反映不同速度下发动机传到汽车驱动轮上的极限功率。驱动功率极限发挥率Pdlim反映了发动机输出的最大功率Pemax在驱动轮上得到发挥的极限程度，其定义如式所示。优化时取Pdlim的最大值。

①上式右边分母所代表的面积表示各种车速下发动机的最大功率Pemax全部传到了驱动轮上的理想状况，而分子则代表驱动功率实际的可能极限。

②用va表示车速，vmin为Ⅰ挡时，发动机最大转矩点所对应发动机转速下的车速(km/h)；vmax为汽车的最高车速(km/h)；

③Ai为图2中各挡对应阴影部分的面积。

④wi为第i挡的利用率系数。考虑了汽车各挡利用率ui的不同。

⑤w为所有的均值，即:

驱动功率极限发挥率考虑了各挡使用率的不同，从而能够反映不同实际使用条件对速比的要求。所以本次对汽车动力传动系优化匹配的优化指标选择为驱动功率极限发挥率Pdlim。

3汽车动力传动系数学建模

3.1发动机的数学模型

发动机性能的基本假设：汽车在行驶过程中，发动机经常在非稳定状态下工作。因此，为了和实际情况一致，在发动机性能的台架试验中，应该测得非稳定工况的性能。但是，到目前为止，发动机非稳定工况下的性能测试还有较大困难。所以，在汽车动力性、燃油经济性计算中，一直采用稳定工况下的发动机性能试验数据。这种处理方法对于燃油经济性来说，计算和测试结果的差异并不显著。

发动机数学模型的描述包括发动机外特性和发动机万有特性。

本文采用数学模型法描述。对于已知试验数据的发动机，其使用外特性可以看作发动机转速的一元函数，由最小二乘法拟合获得。

3.2发动机使用外特性数学模型发动机使用外特性下发动机转矩Me可以看成是发动机转速ne的函数，用以下多项式表示:

式中：ne——发动机转速ne/10(r/min)；Ci——多项式中系数；k——多项式中阶数。

用最小二乘法拟合获得发动机外特性拟合曲线。

3.3传动系效率的数学模型发动机的净功率输出，主要用于克服离合器起步过程、动力传递的能量损失和行驶阻力，均匀行驶时各种损失，因此在大多情况下，可以采用经验公式进行估算:ηT=ηksηibηmu

式中:k，i，m——分别为圆柱齿轮、圆锥齿轮和万向节数量；

ηs，ηb，ηu——分别为圆柱齿轮、圆锥齿轮和万向节的传动效率。

3.4汽车行驶方程式

汽车的行驶方程式为：Ft=Ff+Fw+Fi+Fj

4汽车动力传动系参数优化匹配

4.1设计变量的确定传动系主要设计参数就是各挡传动比，对传动系而言，在其他条件相同的情况下，最终影响汽车动力性及燃油经济性的参数是传动系的总传动比，即变速器各挡的传动比与主减速器传动比的乘积。

4.2目标函数的建立

4.2.1汽车动力系统匹配程度评价指标优化的目标函数采用驱动功率极限发挥率Pdlim，它反映了发动机输出的最大功率Pemax在驱动轮上得到发挥的极限程度。

4.2.2约束条件

4.2.2.1变速器速比约束条件

①反映相邻挡位间速比大小关系的约束条件：igj+1-igj<0（j=1，2，…n-1）

②防止动力传递中断的约束条件：（nT/igj+1）-（nemax/igj）≤0（j=1，2…n-1）

4.2.2.2汽车动力性约束条件

①直接档最大动力因数D0max的要求：

②最高车速vmax的要求

对于前进挡数为n的汽车，且n为最高挡时，应满足：Ft≥Ff+Fw

③最大爬坡度imax（D1max）的要求：Ftmax≥Ff+Fimax

④附着条件的要求：Ftmax≤Fψ

5最优参数的求解

目前对约束最优化问题的解法很多，本文采用复合形法来解决汽车动力装置的最优化匹配的问题。

本优化过程的目标函数和约束条件较为复杂，不适合求导和大量的求解过程。采用复合形法不必计算目标函数的梯度及二阶导数矩阵，也不用一维最优化搜索，需要的只是大量的数值计算，这在程序上是比较简单的，适用性也强，容易掌握。Matlab具有强大的数值计算功能，因此采用复合形法进行求解，并取得了比较满意的结果。

6总结

随着对汽车动力传动系匹配理论研究的不断深入和计算机性能的逐步提高，模拟计算的结果将会更加精确，在整车的开发研制中将会变得更有实用价值。

参考文献：

[1]陈正江.《汽车动力传动系优化设计研究》.武汉理工大学.

[2]何仁，刘星荣.《汽车动力传动系统最优匹配的研究和发展》.江苏理工大学学报.

[3]何仁，商高高.《汽车动力传动系参数的优化方法》.江苏理工大学学报.