重型载货汽车动力传动系统参数优化匹配

重型载货汽车动力传动系统参数优化匹配

王铁;武玉维;李萍锋;郑利锋;王晓

【摘 要】针对某重型载货汽车油耗过高问题,利用仿真软件AVL-Crusie建立了整车性能仿真模型,采用MATLAB软件建立了数学分析方程,并集成到优化平台ISIGHT软件中,对汽车动力传动系统的速比参数进行了优化设计和匹配.结果表明,经优化设计后,在满足汽车动力性各项设计指标的前提下,该车辆驱动功率损失率降低了0.28%,6工况循环油耗降低了3.7%.

【期刊名称】《汽车技术》

【年(卷),期】2010(000)009

【总页数】5页(P33-37)

【关键词】重型载货汽车;传动系参数;优化

【作 者】王铁;武玉维;李萍锋;郑利锋;王晓

【作者单位】太原理工大学;太原理工大学;太原理工大学;太原长安重型汽车有限公司;太原长安重型汽车有限公司

【正文语种】中 文

【中图分类】U463.2

1 前言

汽车行驶时动力的产生、传递过程可以视为发动机与传动系统协同工作的综合系统，并兼顾该系统与外部负载、道路条件、周围环境所反映的行驶要求之间的相互关系。整车的动力性和燃油经济性是评价整车性能的重要指标，其优劣主要取决于发动机的性能和传动系传动型式及参数的选择，即取决于整车动力传动系统的匹配程度。整车匹配程度是否合理将直接影响后期的技术决策。整车性能匹配通常是先确定发动机，然后合理匹配传动系统参数以实现整车综合性能的设计目标，这是典型的优化设计过程，必须通过专业的汽车性能仿真软件和专业的优化软件相结合来完成。本文以某型号重型载货汽车的底盘与其装备的动力传动系统匹配为主线，应用整车性能仿真平台AVL—Crusie软件和仿真平台软件ISIGHT9.0软件，完成了整车动力传动系统参数优化匹配。

2 技术方案

某型号载货汽车的动力性在低挡区存在动力分配过大现象，在进行6工况循环油耗仿真时，发动机工作区间偏离最佳燃油经济区，整车燃油经济性较差。虽然整车轻量化是降低汽车燃料消耗的重要举措，但在不采用新型轻质材料和综合考虑车身的强度、刚度以及被动安全等方面特性的前提下，降低整车整备质量，对提高整车的燃料经济性的效果非常有限，但付出的改进代价（修改车身零部件的模具）却非常昂贵。因此，解决该问题的主要技术方案定为对传动系统速比（变速器速比、主减速器速比）等参数进行优化设计，希望通过调整变速器各挡速比和主减速器速比，使发动机尽可能地在经济油耗区运转，从而降低整车的燃料消耗量，同时保持汽车原来的动力性。

3 传动系参数对汽车性能的影响

汽车的传动系参数主要包括：变速器传动比、主减速器传动比和挡位数。当载货汽车的整车参数和发动机参数确定以后，传动系参数对载货汽车的动力性和燃油经济性影响很大。

3.1 变速器传动比的影响

从经济性考虑，希望变速器的最大传动比尽量小，这样既可保证在相同的道路条件与车辆行驶速度下，发动机的后备功率较小，提高负荷率，降低燃油消耗率，又可以在挡位数一定的条件下，减少换挡时间，增加发动机在低油耗区工作的可能性，降低车辆的燃油消耗率。这就要求在保证汽车性能的前提下，优选变速器速比。因此，为了满足车辆的最大爬坡度要求，车辆的最大驱动力为：

式中，M emx为发动机的最大扭矩；i gl为1挡传动比；i o为主减速器传动比；ηT为传动效率；r为轮胎滚动半径；f为车辆滚动阻力系数；α为道路坡度角度；G为载货汽车有效装载质量。

同时还应满足汽车最大驱动力小于或等于其所在地面的附着力：

式中，Fφ为驱动轮法向反作用力；φ为道路附着系数。

3.2 主减速器传动比的影响

一般来说，主减速器传动比越大，车辆的加速性能和爬坡能力越强，而燃油经济性比较差。若主减速器传动比过大，则不能够充分发挥发动机的功率而达到应有的汽车行驶速度。在一定范围内，主减速器传动比越小，整车的最高车速越高，燃油经济性较好，但加速性能和爬坡能力较差。对于柴油机型的车辆来说，采用较小主减速器速比，一方面可以利用柴油机低速扭矩大的特点，获得较好的加速性能，另外又可以弥补柴油机转速不高的缺点，从而获得较高的车速。因此，在进行动力传动系参数优化时，应该在满足汽车性能要求的条件下，减小主减速器速比。

3.3 变速器挡位数的影响

变速器的挡位数是由载货汽车的使用条件、性能要求及最高挡和最低挡的速比范围大小决定的。随着载货汽车吨位的增大，挡位数也增多，变速器挡位数越多，发动机的功率利用率就越高，发动机在额定功率附近工作的时间越长，这样既提高了整车的动力性，同时也增加了发动机在低油耗区工作的可能性，降低了燃油消耗量。相邻挡位之间的比值不能太大，一般不超过1.7～1.8，主要是因为比值太大造成换挡困难，所以如果增大最大传动比与最小传动比值，则挡位数也应增多。

由于载货汽车在空载时和重载时的负荷相差很大，所以确定该变速器的档位数为12挡，以适应不同的要求。

4 载货汽车传动系参数优化设计

4.1 设计变量的选取

由技术方案可知，优化目的是通过调整传动系统速比使得整车油耗尽可降低，同时保证一定的动力性，因此选择载货汽车的变速器和主减速器速比作为设计变量，即：

4.2 优化设计的目标函数

本文以整车的动力性和燃油经济性作为双目标函数，采用线性加权组合的方法将其转化成单一的目标函数，通过在动力性评价指标和燃油经济性评价指标中引入加权因子，以考虑这两个分目标在综合评价指标中的重要程度。

4.2.1 动力性分目标函数

采用能综合评价汽车动力性能的驱动功率损失率作为动力性分目标函数，其表达式为：

式中，Ft（u）为理想驱动力；Ft j（u）为第 j挡时驱动力。

4.2.2 经济性分目标函数

采用能够全面反映汽车油耗情况的载货汽车6工况循环使用油耗作为整车燃油经济性的分目标函数，其整个试验循环的百公里燃油消耗量Q多为：

式中，ΣQ为所有过程油耗量之和；S为整个循环的行驶距离。

4.2.3 双目标函数转化成单一的综合目标函数 转化后有：

式中，f（X1）为整车动力性分目标函数，驱动功率损失率 f（X1）=ηF； f（X2）为整车经济性分目标函数，6工况循环使用油耗f（X2）=Q多；ω1为整车动力性加权因子；ω2为整车燃油经济性加权因子；ω1+ω2=1。

加权因子主要用于处理汽车动力性和燃油经济性计算结果数量级差异问题，同时也起加权的作用。动力性目标权值越大，对变速器各挡发动机的后备功率要求就越高，优化得到的传动系统传动比数值越高，整车的燃油经济性相对变差；反之，燃油经济性目标权值增大，汽车燃油经济性变好，变速器对应各挡位时发动机的后备功率减小，优化后的传动比数值减小，整车动力性相对变差。

目标函数、优化变量确定以后，可以根据需要施加各种约束，如变速器挡间比值约束、最大爬坡能力约束等。

5 整车仿真模型的建立

5.1 牵引车仿真模型的建立

根据某型号牵引车的实际结构及车型特点建立了整车模型（图1），由驾驶室模块、发动机模块、机械式摩擦离合器模块、机械式手动变速器模块、单级减速器模块、车轮模块和制动器模块等组成。

图1 牵引车模型

5.2 仿真结果与试验结果对比分析

整车动力性与经济性仿真分析结果与试验结果对比如表1所列。从表1中可以看出，该车型整车性能符合初速度50 km/h滑行距离、最高车速和直接挡最低稳定车速、最大爬坡度的技术要求；最高车速仿真结果与试验结果相近，误差较小；除30 km/h时的百公里油耗值误差较大外，其余各点的百公里油耗值误差都相对较小。以此为基础建立了列车仿真模型（图 2）。 6 优化流程分析

在AVL-Cruise软件中建立可靠的载货汽车整车性能计算模型，采用MATLAB软件进行数学分析方程建立，利用ISIGHT软件进行确定性优化，同时利用ISIGHT软件作为一个基础平台，将AVLCruise软件和MATLAB软件集成到ISIGHT软件环境下运行。由于ISIGHT软件能够在计算运行中自动调用AVL-Cruise软件和MATLAB软件，并可以将AVL-Cruise软件和MATLAB软件输入文件中的自变量按照优化得到的数值自动进行修改，同时也可读取AVL-Cruise软件和MATLAB软件输出文件中的计算结果数据，因此保证了整个优化流程的自动运行，集成图如3所示。

图2 列车仿真模型

图3 ISIGHT集成优化模型

表1 整车性能仿真分析结果与试验结果对比?

6.1 优化策略的确定

由于本文所涉及的设计空间是非线性的，并且很难了解设计空间的形状，因此采用ISIGHT软件提供的试验设计（DOE）加组合优化策略的方法。通过对设计变量进行DOE分析，对目标函数采用响应面（RSM）方法近似建模，然后利用自适应模拟退火算法（ASA）对构造的问题进行全局搜索，最后采用NLPQL迭代的局部搜索，找到最后的最优解。本组合优化策略采用的是启发式算法寻找潜在的最优解，然后在潜在最优解存在的区域采用局部梯度搜索法进行搜索，寻求最优解。

具体的优化步骤如下：

a. 使用DOE方法构造样本数据分布，搜索整个设计空间，最后筛选出对目标函数影响最大的变量作为优化问题的设计变量。

b. 利用ASA对构造的优化问题进行全局搜索。

c.利用RSM从历史数据中构造设计变量和响应近似模型。 d. 使用二次规划 （NLPQL）优化方法对RSM模型进行局部搜索，获得局部近似最优点。然后计算该点所对应的真实目标函数值，如果不满足收敛条件，用该AVL-Cruise软件和MATLAB软件计算的结果重新更新RSM模型，再次计算RSM模型中的各个系数，直到最后收敛，获得全局的最优点。

6.2 优化结果及分析

在约束条件下对综合目标函数进行迭代寻优，优化前、后的传动比参数值见表2所列，图4显示了动力性目标函数迭代寻优的历程。

表2 优化前、后的传动系参数值?

图4 驱动功率损失率寻优历程

上述的优化结果是将优化变量作为连续的变量来考虑的，而实际工程上这些变量是离散的，因此需要根据可能实现的制造工艺和工程技术经验进行配齿分析。根据优化结果，并且在全面考虑变速器的结构、强度、可靠性、NVH的表现和换挡品质等各方面因素以后，才能够提出一个可行的工程化实施方案。

优化前、后整车动力性和燃油经济性结果对比见表3所列。

表3 优化前、后汽车动力性和经济性结果对比?

从表3可知，各项指标均满足设计要求，驱动功率损失率降低了0.28%，6工况循环油耗降低了3.7%；但是最大爬坡度降低了5.51%，最大加速度降低了3.15%，这主要是进行汽车动力性能和燃油经济性能优化时，加权系数更偏重于燃油经济性能所致。分析原车的最大爬坡度可知，整车的动力性能存在浪费的现象，因此适当的降低汽车的动力性，从而提高整车的燃油经济性是合理的。

7 结束语

a. 通过牵引车动力性和燃油经济性仿真并与试验结果对比可知，仿真结果与试验结果基本吻合，验证了采用AVL-Cruise软件建立单车模型的可信度，并以此为基础建立列车模型并进行了仿真。