重型载货汽车动力传动系统参数优化匹配

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。
觹基金项目：国际合作项目-重型载重汽车环境指标控制研究： 2008081017 2010 年 第 9 期
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·设计·计算·研究·
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
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：
乙 ∑ 乙 un+1
n
Ft（u）du-
uj+1
Ft j（u）du
ηF= u1
j = 1 uj
乙un+1 Ft（u）du
（4）
u1
式 中 ，Ft（u）为 理 想 驱 动 力 ；Ft j（u）为 第 j 挡 时 驱 动
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）。
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：
Memxig1i0ηT r
≤Fφφ
（2）
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
·设计·计算·研究·
重型载货汽车动力传动系统参数优化匹配 *
王 铁 1 武玉维 1 李萍锋 1 郑利锋 2 王 晓 2
（1.太原理工大学；2.太原长安重型汽车有限公司）
【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%。
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：
转化后有：
F（x）=ω1f（X1）+ω2f（X2）
（6）
汽车技术
·设计·计算·研究· 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。
Key words： Heavy-duty truck, Powertrain parameters, Optimization
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
17 轮胎
图 2 列车仿真模型
19 轮胎
18 轮胎
36 制动器
2
37 制动器
20 轮胎
21 轮胎
24 轮胎
22 轮胎
38 制动器
挂车
40 制动器
26 轮胎
28 轮胎
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：
Q
多=
∑Q×100 S
（5）
式中，∑Q 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
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。
7 轮胎
18 制动器
2
发动机
20 制动器
8 轮胎
牵引车
14 轮胎
18 轮胎
3
4
9 轮胎
17 制动器
6
23
15 轮胎
21 制动器
离合器 26
变速器
主减速器 24 轴间差速器
轮间差速器 6 主减速器
25 轮间差速器
驾驶室
27 显示器
19 制动器
22 制动器
10 轮胎
11 轮胎
13 轮胎
12 轮胎
图 1 牵引车模型
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
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
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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。
主题词：重型载货汽车 传动系参数 优化 中图分类号：U463.2 文献标识码：A 文章编号：1000－3703（2010）09－0033－05
The Parameter Optimized Matching of Powertrain for Heavy Duty Truck
Wang Tie1, Wu Yuwei1, Li Pingfeng1, Zheng Lifeng2, Wang Xiao2 （1. Taiyuan University of Technology; 2. Taiyuan Changan Heavy-Duty Truck Co., Ltd） 【Abstract】To solve the problem of high fuel consumption of a heavy duty truck, a vehicle performance simulation model is established with software AVL-Crusie, and a mathematic analysis equation is established with MATLAB, which is integrated to a optimized platform ISIGHT software, and optimization and matching are made to the speed ratio of powertrain. The results indicate that, after optimization design, driving power loss of the vehicle decreases by 0.28%, and fuel consumption in 6-cycle decreases by 3.7%, while satisfying the design criteria of vehicle dynamic property.
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·设计·计算·研究·
8 轮胎
30 制动器
5 变速器
12 轮胎
4பைடு நூலகம் 轴间差速器
9 6
主减速器
轮胎
32 制动器
14 轮胎
13 轮胎
33 制动器
3 4
发动机
离合器
31 制动器
10 轮胎
45 驾驶室
42
7 轮间差速器
主减速器
34 制动器
46 11
轮胎
显示器
16 轮胎
43
轮间差速器
35 制动器
15 轮胎
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：
Memxig1ioηT r
≥Gf
cosα+G
sinα
（1）
式中，Memx 为发动机的最大扭矩；igl 为 1 挡传动 比；io 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；
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
2010 年 第 9 期
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 AVL Cruise 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
X=[x1,x2,……，x12,x13]T=[ig1，ig2，……，ig12，io]T （3） 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。