載貨汽車動力傳動系統的優化設計

鮑遠通，范振勇

（1. 承德石油高等專科學校，承德 067000；2. 濰柴動力股份有限公司，濰坊 261000）

0 引言

載貨汽車的動力性與燃油經濟性的好壞，在很大程度上取決于發動機的性能和傳動系型式及參數的選擇，即取決于載貨汽車動力傳動系統合理匹配的程度[1]。即使一臺發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，也不能充分發揮其性能。能與發動機合理匹配的傳動系可以使發動機經常在其理想工作區附近工作，但由于問題的復雜性以及載貨汽車動力性、燃油經濟性之間的相互矛盾和制約，使載貨汽車動力傳動系統的設計改進成為十分復雜的多變量的優化問題[2]。

一載貨汽車裝配原傳動系時動力性與燃油經濟性如表1所示。

表1 載貨汽車裝配原傳動系時的整車性能

經過類比分析，發現該載貨汽車存在如下問題：

1）該車的動力性指標之一的最高車速偏低，為了提高運輸效率，多數車輛選擇在高速公路上行駛，因此必須相應地提高；

2）如果汽車經常處于需要加速超車的工況下，原車的原地起步加速時間和超車加速時間過長，超車時汽車與被超車輛并行時間過長，很容易發生事故，使超車行駛過程十分危險；

3）原車在多循環行駛時的百公里燃油消耗量較高，為了降低燃油消耗量，需要對傳動系的相關參數進行優化。

1 汽車傳動系統的優化匹配

GT-DRIVE軟件自帶的DOE分析，是一個很好的優化分析功能模塊，DOE功能模塊可以一起設多個變量值，給出各個變量的變化區間及間隔，便可以對多變量自行排列組合，運算速度很快，而且可以對任何性能值，如加速時間，百公里油耗等都可以得到DOE分析結果。

1.1 DOE分析優化設計變量的確定

在發動機給定和其他條件相同的情況下，最終影響汽車動力性、燃油經濟性的參數是變速器各擋傳動比以及主減速器傳動比。傳動系參數的選擇不僅應滿足汽車行駛動力性要求，而且應使多數常用工況都處于發動機特性曲線的最低燃油消耗區[3]。可通過優選變速器傳動比和主減速器傳動比達到動力傳動系統的最佳匹配。因此對于n擋變速器，優化設計變量為：

式中igk——變速器各擋傳動比，(k =1, 2, , n)；

i0——主減速器傳動比。

1.2 DOE分析約束條件的確定

1.2.1 汽車的動力性要求

1）最大爬坡度要求： 汽車的最大爬坡度imax實際上就是一擋最大爬坡度，它反映汽車最大爬坡能力，約束條件為：

式中il為不同車型汽車最大爬坡度要求的下限值(%)。

2）超車加速時間要求: 超車加速時間tcmax表示汽車在正常狀況下行駛所具有的加速能力。則超車加速時間的約束條件為：

式中th為不同車型汽車超車加速時間要求的上限值(s)。

3）最高車速要求：最高車速uamax表示汽車在水平良好路面上能夠達到的最高行駛車速，約束條件為：

式中ual為不同車型汽車最高車速要求的下限值(km/h)。

1.2.2 變速器各擋的速比比值要求

變速器相鄰擋位的速比比值影響著變速器的使用性能，比值過大會造成換擋困難，相鄰擋位的速比比值要求如下：

式中ql—相鄰速比間隔的下限值；

qh—相鄰速比間隔的上限值，且有：

1.2.3 汽車的燃油經濟性要求

1）等速百公里燃油消耗量要求約束條件為：

式中Qth為不同車型汽車要求的等速百公里油耗量上限值(L/100km)。

2）多工況百公里燃油消耗量要求 約束條件為：

式中Qdh為不同車型汽車要求的多工況百公里油耗量上限值(L/100km)。

1.3 分析目標函數的確定

1.3.1 動力性目標函數

汽車動力性主要可用三個方面的指標來評定，即：汽車的最高車速、汽車的加速時間和汽車的最大爬坡度，這三方面的評價指標的側重點各有不同，在本文中，以汽車由原地起步連續換擋加速到80km/h的時間為動力性目標函數，而其他兩方面在約束條件中得到體現。

式中u1—加速時間計算的初始速度(m/s2)；

u2—加速時間計算的結束速度(m/s2)。

1.3.2 燃油經濟性目標函數

等速行駛百公里燃油消耗量是常用的一種評價指標，在本文中，以六工況試驗的燃油消耗量Qd作為經濟性性評價指標。

式中 Q—整個行駛過程燃油消耗量之和(L)；

s—整個循環的行駛距離(km)。

下面分別以整車動力性目標函數、燃油經濟性目標函數以及權衡整車動力性和燃油經濟性目標函數，優化出三種傳動系參數選擇方案，以滿足對整車性能的不同需要。

2 優化設計

2.1 以動力性目標函數為主的方案一

2.1.1 約束條件

1）汽車最大爬坡度大于等于35%；

2）1.7≥i1≥i2≥i3≥i3/i4≥ ≥i8≥i9≥1.3

3）汽車的最大車速大于90km/h；

4）汽車的原地起步連續換擋(0～80km/h)加速時間不大于76s；

5）最高擋40km/h的等速百公里油耗量小于27L；

6）汽車的多工況百公里燃油消耗量不大于37L。

動力性優化后的傳動系參數如表2所示。

2.1.2 整車性能模擬計算結果

通過對該優化方案的動力傳動系統進行GTDRIVE模擬計算得出動力性能，整車的動力性主要從爬坡性能、最大車速及加速性能來評定，如表3和表4所示。

由于各擋的速比增加，汽車的最大爬坡度相應地增加。雖然主減速比的增大，但由于設有超速擋，汽車的最高車速從96.5km/h增加為98.2km/h。

表2 按動力性優化后的傳動系參數

表3 優化前后各擋最大爬坡度及最高車速對照表

表4 優化前后汽車加速時間對照表

從表4得知，優化后，汽車的加速能力有了顯著改觀，其中原地起步連續換擋（0 80km/h）的加速時間降低了2.46s，降低了3.2%；直接擋（30 80km/h）超車加速時間降低了9.19s，降低了13.7%。所以由以上的模擬計算可知，汽車的動力性有了很大改善。

優化前后汽車的等速百公里燃油消耗量和多工況燃油消耗量如表5所示。

表5 優化前后汽車燃油經濟性對照表

2.1.3 分析與評價

通過對比優化前后汽車的經濟性計算結果，由于以動力性匹配為主，優化后，主減速比增加，使各擋的等速百公里油耗都有所增大，但改變率不大，都不超過5%；汽車的多工況燃油消耗量為36.66L/100km，比優化前增加了5.25%。

以動力性為主進行優化時，并不是代表僅僅考慮汽車的動力性去優化，而是應該在保證汽車燃油經濟性并不惡化的基礎上來進行的。本方案在保證原車一定燃油經濟性的前提下，盡可能地增強了動力性，模擬仿真結果表明，優化效果明顯。

2.2 以燃油經濟性目標函數為主的方案二

2.2.1 約束條件

1）汽車最大爬坡度大于等于30%；

2）1.7≥i1/i2≥i2≥i3≥i3/i4≥ ≥i8/i9≥1.3

3）汽車的最大車速大于96.5km/h；

4）汽車的原地起步連續換擋(0～80km/h)加速時間不大于85s；

5）汽車的直接擋(30～80km/h)加速時間不大于87s；

6）最高擋40km/h的等速百公里油耗量小于22L。

動力性優化后的傳動系參數如表6所示。

表6 按燃油經濟性優化后的傳動系參數

2.2.2 整車性能模擬計算結果

通過對該優化方案的動力傳動系統進行GTDRIVE模擬計算得出動力性能，如表7和表8所示，優化前后汽車的等速百公里燃油消耗量和多工況燃油消耗量如表9所示。

表7 優化前后各擋最大爬坡度及最大車速對照表

表8 優化前后汽車加速時間對照表

表9 優化前后汽車燃油經濟性對照表

2.2.3 分析與評價

經過GT-DRIVE整車性能仿真軟件的模擬計算，得出優化前后的整車主要性能指標的對比如下：

1）優化后，最高擋的40km/h的等速百公里油耗由原來的25.74L下降為21.20L，改變率達到17.64%；

2）多工況百公里燃油消耗量由優化前的34.83L下降為31.05L，改變率為10.85%；

3）汽車的最大車速優化前為96.5km/h，優化后為105km/h，有一定程度地增大；

4）優化后原地起步連續換擋(0～80km/h)時間為84.78s，優化前為76.72s，增加10.5%；

5）直接擋(30～80km/h)超車加速時間由優化前的81.42s增加為優化后的86.47s，增加6.2%；

6）汽車一擋的最大爬坡度由優化前的30.8%下降為30.2%，基本上能滿足重型載貨汽車的要求。

2.3 權衡動力性目標函數和燃油經濟性目標函數的方案三

2.3.1 約束條件

1）汽車最大爬坡度大于等于30%；

2）汽車的最高車速不小于96.5km/h；

3）汽車的原地起步連續換擋(0～80km/h)加速時間不大于78s；

4）汽車的直接擋(30～80km/h)加速時間不大于85s；

5）1.7≥i1/i2≥i2/i3≥i3/i4≥ ≥i8/i9≥1.3；

6）最高擋40km/h的等速百公里油耗量小于24L；

7）汽車的多工況百公里燃油消耗量小于33L。

權衡動力性目標函數和燃油經濟性目標函數的傳動系參數如表10所示。

表10 按權衡動力性和燃油經濟性優化后的傳動系參數

2.3.2 整車性能模擬計算結果

通過對該優化方案的動力傳動系統進行GTDRIVE模擬計算得出動力性能，如表11和表12所示。優化前后汽車的等速百公里燃油消耗量和多工況燃油消耗量如表13所示。

表11 優化前后各擋最大爬坡度及最大車速對照表

2.3.3 分析與評價

經過GT-DRIVE整車性能仿真軟件的模擬計算，得出優化前后的整車主要性能指標的對比如下：

1）優化后，最高擋的40km/h的百公里油耗由原來的25.74L下降為23.26L，改變率達到9.63%；

2）多工況百公里燃油消耗量由優化前的34.83L下降為32.35L，改變率為7.12%；

表12 優化前后汽車加速時間對照表

表13 優化前后汽車燃油經濟性對照表

3）汽車的最大車速優化前為96.5km/h，優化后為102km/h，增加較大；

4）優化后原地起步連續換擋(0～80km/h)時間為77.79s，增加1.4%；

5）直接擋(30～80km/h)超車加速時間由優化前的81.42s增加為優化后的84.51s，增加3.8%；

6）汽車一擋的最大爬坡度由優化前的30.8%下降為30.0%，基本上能滿足重型載貨汽車的要求。

本次優化是在保證動力性基本不變的基礎上，盡量減少汽車的行駛油耗，尋找一種權衡動力性燃油經濟性的優化方案。經過模擬仿真結果可知：優化方案可以達到預期的優化效果，在保證汽車良好的動力性的基礎上，最大限度地減少了汽車的行駛油耗，改善了汽車的燃油經濟性。

3 三種優化匹配方案的對比與分析

由圖1，圖2，圖3，圖4可以得知，汽車整車的三種優化方案有明顯的優化效果。

1）以動力性為目標優化時，在保證汽車燃油經濟性并不惡化的基礎上，汽車的原地起步連續換擋(0～80km/h)加速時間降低3.2%，直接擋(0～80km/h)超車加速時間減少降低13.7%，爬坡性能也有顯著的提高，整車的動力性得到很大的提升；

2）以燃油經濟性為目標進行優化時，在保證汽車的動力性并不惡化的基礎下，汽車的最高車速提高到105km/h，最高擋的40km/h的等速百公里油耗減少17.64%，多工況百公里的油耗減少10.85%，整車的燃油經濟性有明顯的改善；

3）權衡動力性和燃油經濟性優化時，在保證良好的整車動力性的基礎上，盡可能地改善了整車的燃油經濟性。優化后，整車動力性略有下降，原地起步連續換擋(0～80km/h)時間增加1.4%，直接擋(30～80km/h)超車加速時間增加3.8%；而整車各擋的等速百公里油耗均有不同程度的下降，其中最高擋的40km/h的等速百公里油耗降低9.63%，整車的多工況百公里燃油消耗量降低7.12%，整車的燃油經濟性明顯提升。

圖1 優化前后各擋最大爬坡度對比圖

圖2 優化前后各擋最大速度對比圖

圖3 優化前后汽車的加速性能對比圖

4 結論

通過對比分析，對于現階段對重型載貨汽車的高速化和提高燃油經濟性的要求，以燃油經濟性目標函數為主進行優化的匹配方案更加符合市場的需求。

[1] 余志生. 汽車理論[M]. 機械工業出版社, 2000:1-70.

[2] 何仁, 劉星榮, 何澤. 汽車動力傳動系統最優匹配的研究和發展[J]. 江蘇理工大學學報, 1998,12(5): 12-16.

[3] 戈平, 劉惟信. 汽車發動機于傳動系的匹配分析與優化設計[J]. 汽車技術, 1983, 8: 1-6.