工程牽引車傳動系統參數優(yōu)化仿真分析

張曉亮，于 英，王金偉

(江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

車輛動力傳動系統匹配的好壞與整車動力性、燃油經濟性息息相關，也是人們普遍關心和研究的重要問題之一。在車輛開發(fā)過程初期，一般基于目標設計要求和已有發(fā)動機類型參數等選擇傳動系參數。當目標車輛的整車質量、質量分配和輪胎等為已知時，傳統的合理選擇發(fā)動機與傳動系統的做法是進行大量的試驗和動力計算。由于受計算誤差、模型精確度以及細節(jié)參數簡化等條件的限制，結果往往不盡如人意。但計算機通過模擬計算可以較好地解決這個難題。建立整車模型及接近真實的行駛工況條件，可以較好地優(yōu)化計算傳動系統的主要部件，并且得到良好的優(yōu)化效果。一般可以對發(fā)動機、各個擋位速比和主減速比進行優(yōu)化計算。

1 工程牽引車傳動系的建模

圖1為工程牽引車傳動系統簡圖。工程牽引車的傳動方式為機械液力傳動，變速器采用了動力換擋變速系統。動力經傳動軸傳給液力變矩器，液力變矩器再將動力經由變速器傳遞給驅動橋，由主減速器和輪邊減速器完成減速增扭之后將動力傳遞給驅動輪。

應用AVL CRUISE提供的模塊庫，根據整車傳動系統簡圖(圖1)，依次從各個子模塊庫中的相關模塊拖入建模工作界面，然后進行物理連接和信號連接。圖2為搭建的整車系統模型［1］。

圖1 工程牽引車傳動系統簡圖

圖2 整車系統模型

2 傳動系參數優(yōu)化方法

近幾年計算科學和網絡的進步使許多工程領域都引入了優(yōu)化設計思想，應用最廣泛的優(yōu)化方法有3種:傳統優(yōu)化設計方法、模糊優(yōu)化設計方法、區(qū)間優(yōu)化設計方法［2］。

任何方法都具有兩面性，只有合理匹配模型與優(yōu)化方法之間的關系才能使優(yōu)化結果達到最佳［3-4］。根據以上分析，本文建立了動力性和燃油經濟性雙目標函數，并利用加權組合法將雙目標化為單目標，搭建單一目標函數的優(yōu)化模型［5］。

2.1 選定設計變量

當整車動力傳動系統其他組成部分既定或者已知時，傳動系統的總傳動比是決定車輛動力性與燃油經濟性的最后參數。因此，本文選定的設計變量為整車動力傳動系的總傳動比，即各擋位傳動比與驅動橋傳動比的乘積值，本優(yōu)化模型的設計變量為

式(1)中:igj為第j擋速比;i0為驅動橋傳動比。

2.2 建立目標函數

最優(yōu)化設計是在規(guī)定的各種設計限制條件下優(yōu)選設計參數，使某項或者幾項設計指標獲得最優(yōu)值。根據特定問題所追求的目標，倘若可以針對該目標建立函數關系，則應用設計變量搭建所需的數學函數關系式，此即為目標函數。對于多變量的最優(yōu)化問題，目標函數為

本文建立了動力性分目標函數和經濟性分目標函數，并將兩個分目標通過線性加權組合轉換成單一的目標函數，建立傳動系統參數優(yōu)化的數學模型［6］。

1)動力性分目標函數。本文評價車輛動力性能時采用熱啟動起步連續(xù)換擋加速時間，并基于此建立分目標函數，如式(3)所示。

2)經濟性分目標函數。車輛燃油經濟性采用多工況循環(huán)行駛百公里燃油消耗量進行綜合評價。本文目標車輛的行駛工作循環(huán)工況包含了等速、加速、減速和怠速工況的百公里燃油消耗量(L/100 km)?；诖说慕洕苑帜繕撕瘮禐?/p>

式(4)中:s為行駛距離(m);Q1，Q2，Q3，Q4分別為等速、加速、減速、怠速停車過程的燃油消耗量(mL)。

3)綜合目標函數。通過上文的分目標函數線性加權組合得到綜合目標函數

式(5)中:r1，r2分別為動力性、經濟性加權因子。

本文優(yōu)化分析研究建立在滿足項目對整車動力性提高要求的基礎上，因此應盡量提高其燃油經濟性，減小百公里油耗，故優(yōu)化加權因子r1=0，r2=1。

2.3 確定約束條件

工程牽引車在日常使用中對燃油經濟性與排放性能的要求建立在滿足一定的動力性能要求的基礎上。因此，本文對影響動力性的要素(最大車速、爬坡能力、加速能力和速比分配規(guī)律)進行討論，對綜合目標函數設立約束條件。

1)最大車速約束。根據車輛的最大車速和發(fā)動機最大轉速確定總傳動比的上限:

式(6)中:igi為最大車速下的擋位數;i0為驅動橋傳動比;vmax為最大車速(km/h);nmax為最大轉速(r/min)。

根據車輛最大車速下的行駛阻力和發(fā)動機最高轉速下的輸出轉矩確定速比的下限:

式(7)中:Fumax為最大車速下的行駛阻力(N);Tumax為最大轉速下的輸出轉矩(N·m)。

2)最大爬坡度約束。傳動比的下限根據車輛在最大爬坡度行駛時發(fā)動機的最大輸出扭矩和行駛阻力確定:

式(8)和(9)中:Fimax為行駛阻力(N);Tmax為最大轉矩(N·m);Ui為車速(N)。

3)動力因數約束。為了滿足最高擋動力性要求，則需要滿足:

式(10)和(11)中:va為當汽車處于最高擋時對應于nT時的車速。

4)速比分配規(guī)律約束。一般工程牽引車變速器相鄰兩擋比值為1.4～2.0左右，且

3 應用實例

應用Matlab優(yōu)化工具箱中的優(yōu)化函數，基于本文的設計變量、綜合目標函數和約束條件編制執(zhí)行程序、目標函數M文件和約束條件M文件，從而優(yōu)化傳動系傳動比。優(yōu)化前后各擋傳動比及驅動橋傳動比如表1所示。

將優(yōu)化后的傳動比參數代入所建立的整車動力傳動系統仿真模型中，仿真計算整車動力性和經濟性在優(yōu)化前后的變化，驗證優(yōu)化的合理性和正確性。

3.1 最高車速仿真

優(yōu)化后，在最高擋6擋時最高車速為71.75 km/h，優(yōu)化前后相差2.92%，優(yōu)化后有一定的增加。優(yōu)化前后各擋最高車速對比如表2所示。

3.2 最大爬坡度仿真

優(yōu)化后牽引車各擋爬坡度仿真結果輸出數據對比如圖3所示。優(yōu)化后1擋的最大爬坡度為66.10%，此時的車速為3.30 km/h，與原車相比各擋位的最大爬坡度大多有所降低。車輛在3、4擋行駛時，最大爬坡度較原車有微小的變化，說明優(yōu)化后車輛在中高速行駛時的坡度適應性較好。

表1 各擋位傳動比

表2 優(yōu)化前后各擋最高車速

圖3 優(yōu)化前后各擋位爬坡度仿真結果對比

3.3 加速性能仿真

圖4為優(yōu)化前后車輛各擋位加速度對比曲線。由圖4可知，優(yōu)化前后車輛各擋的加速度都有一定的下降，說明整車的加速性能有一定的降低。圖5為優(yōu)化前后各擋最大加速度仿真計算輸出數據。

圖6為優(yōu)化前后原地起步連續(xù)換擋加速曲線。圖6中各曲線分別為加速度曲線、車速曲線和行駛距離曲線;紅色表示優(yōu)化前的曲線，藍色表示優(yōu)化后的曲線。圖6中:［1］為車輛加速度曲線;［2］車輛車速曲線;［3］為隨時間的行駛距離曲線。車輛優(yōu)化后，車輛的加速時間和行駛距離增加，整車的動力性稍有降低。

圖4 各擋位加速度曲線對比

圖5 優(yōu)化前后各擋位最大加速度對比

圖6 原地起步連續(xù)換擋加速曲線對比

圖7為優(yōu)化前后從30 km/h加速到60 km/h的加速過程曲線，圖中各曲線分別為加速度曲線、車速曲線、擋位和行駛距離曲線。［1］表示優(yōu)化前的曲線，［2］表示優(yōu)化后的曲線。由圖7可知:車輛優(yōu)化后，車輛在5擋行駛過程中的平均加速度增大，所以車輛在中高速階段的動力性較優(yōu)化前有一定的增強。

圖7 30～60 km/h加速過程曲線

3.4 循環(huán)工況仿真

圖8為優(yōu)化前后UDC循環(huán)工況中瞬時燃油消耗對比曲線。圖9為工程牽引車在UDC循環(huán)工況下車輛怠速、加速、減速、穩(wěn)態(tài)行駛下燃油消耗量優(yōu)化前后的對比曲線，其中:［1］為優(yōu)化前;［2］為優(yōu)化后。

圖8 循環(huán)工況瞬時燃油消耗對比

圖9 不同工況燃油消耗量對比

從優(yōu)化前后仿真結果輸出文件可得:優(yōu)化后的循環(huán)工況油耗為23.40 L/100 km，降低了1.02 L/100 km，改善了牽引車的經濟性能。

3.5 穩(wěn)態(tài)行駛工況仿真

穩(wěn)態(tài)行駛工況下不同擋位和車速的燃油消耗量優(yōu)化前后的對比如表3所示。從表3可以看出:優(yōu)化后最高擋位穩(wěn)態(tài)行駛的燃油消耗量都較優(yōu)化前有所降低，車輛總體的燃油經濟性得到了提高。

表3 最高擋等速百公里燃油消耗量對比L/100 km

3.6 優(yōu)化前后整車性能對比

表4為優(yōu)化前后整車性能對照表。由表4可知:在動力性方面，優(yōu)化后最高車速提高了2.92%，最大爬坡度下降了3.15%，加速時間延長了，動力性有少量下降。這是因為本文的優(yōu)化建立在滿足動力性要求的基礎上，傾向于經濟性優(yōu)化的要求;在經濟性方面，車輛循環(huán)工況的油耗降低了4.17%，達到了優(yōu)化的目的，優(yōu)化效果良好。由此可見，利用所建立的模型對原車動力傳動系統進行優(yōu)化設計取得了較顯著的效果。

表4 整車性能對比

4 結束語

本文搭建了基于CRUISE平臺的整車傳動模型，對一般傳動系參數優(yōu)化方法進行了說明，并確定優(yōu)化的設計變量、目標函數和約束條件。對傳動比進行優(yōu)化，并將優(yōu)化后的傳動比代入搭建的整車傳動模型對傳動系進行仿真分析。分析結果表明車輛在滿足動力性要求的同時，經濟性得到了提高。

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