某城市公交車動(dòng)力傳動(dòng)系速比優(yōu)化研究

陳 佼，時(shí) 巖，李桂銀

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

0 引言

隨著我國城市化的迅猛發(fā)展和城市人口的急劇膨脹，人們越來越重視城市公共交通［1］。公共交通被一致認(rèn)為是效率最高的交通方式，“公交優(yōu)先”原則已經(jīng)成為各個(gè)大中城市的共識(shí)［2］。本文的研究對象城市面臨著嚴(yán)重的交通擁堵狀況，車輛時(shí)走時(shí)停且車速緩慢，使得發(fā)動(dòng)機(jī)始終運(yùn)行于低效率高排放的工況下，加之車輛的動(dòng)力傳動(dòng)系匹配不佳，導(dǎo)致燃油消耗大、排放水平差［3］。因此，通過建立正確的客車模型，找出合理的傳動(dòng)系速比組合來提高客車動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性能是一個(gè)亟待解決的問題。

1 整車模型建立

建立傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型是車輛設(shè)計(jì)、匹配及性能研究的基礎(chǔ)［4］。采用CRUISE軟件進(jìn)行建模及仿真研究不僅可以簡化建模過程，而且能夠很好地預(yù)測整車的各種性能，靈活地調(diào)整設(shè)計(jì)方案，合理地優(yōu)化參數(shù)［5，6］。CRUISE提供了模塊化建模方式，根據(jù)原車的實(shí)際情況，建模主要所需模塊如下：整車（Vehicle）、駕駛室（Cockpit）、發(fā)動(dòng)機(jī)（Engine）、液力變矩器（Torque Converter）、齒輪箱（Gear Box）、主級減速器（Single Ratio）、差速器（Differential）、車輪（Wheel）和機(jī)械制動(dòng)器（Brake）等。在CRUISE中建立的整車模型如圖1所示，各模塊具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2 仿真模型驗(yàn)證

根據(jù)本文研究的要求，選擇和編輯相應(yīng)的任務(wù)及工況，設(shè)置合適的步長和精度進(jìn)行仿真計(jì)算。為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確程度，需要將仿真計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行對比，從而了解本模型的有效程度。圖2為連續(xù)換檔加速仿真曲線與試驗(yàn)曲線的對比，圖3為四檔超車仿真曲線與試驗(yàn)曲線的對比。對比的具體結(jié)果如表2所示，其中UDC為歐洲城市路況循環(huán)，CCBC為中國城市典型路況循環(huán)。

圖1 在CRUISE中建立的整車模型

通過對比仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出基于仿真模型計(jì)算得到的結(jié)果基本與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，能夠證明在CRUISE中建立的城市公交車模型的正確性和有效性。

3 基于ISIGHT－CRUISE聯(lián)合優(yōu)化

ISIGHT軟件可以與各領(lǐng)域的主流軟件進(jìn)行集成運(yùn)算，一般的集成運(yùn)算流程為：首先進(jìn)行軟件集成，其次進(jìn)行問題定義，然后設(shè)置運(yùn)行方案，最后進(jìn)行運(yùn)算監(jiān)控和結(jié)果分析。本文的傳動(dòng)系速比優(yōu)化研究將使用ISIGHT－CRUISE聯(lián)合優(yōu)化的方法進(jìn)行，優(yōu)化流程如圖4所示。

3.1 動(dòng)力傳動(dòng)系優(yōu)化模型建立與求解

本文的研究是在該公交車的外形特點(diǎn)、行駛條件、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、輪胎參數(shù)等選定以后，通過優(yōu)化動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的方式來達(dá)到提高車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的目的。所以本文選擇變速箱的各檔速比和主減速比共5個(gè)設(shè)計(jì)變量：

表1 各模塊具體參數(shù)

圖2 連續(xù)換檔加速曲線對比

圖3 四檔超車車速曲線對比

表2 仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

本文利用權(quán)系數(shù)法將動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)統(tǒng)一為一個(gè)單一的評價(jià)得分目標(biāo)函數(shù)，不同的優(yōu)化期望可以通過不同的權(quán)系數(shù)取值來實(shí)現(xiàn)，以有效地兼顧動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面。

對于動(dòng)力性能來說，由于該車是在平原城市中運(yùn)行，基本沒有太大的坡度，故最大爬坡度項(xiàng)權(quán)重因子賦值0.1；該車在繁華的市區(qū)時(shí)開時(shí)停，出于安全因素的考慮實(shí)際車速也不能過大，故最高車速項(xiàng)權(quán)重因子賦值0.2；該車起步較慢，滿載的時(shí)候更為明顯，在市區(qū)道路又需要盡快提速匯入車流，故起步加速時(shí)間項(xiàng)權(quán)重因子賦值0.4；該車頻繁在最高檔運(yùn)行，存在大量在車速下降了以后盡快加速的情況，故最高檔加速時(shí)間項(xiàng)權(quán)重因子賦值0.3。由此得到動(dòng)力性目標(biāo)函數(shù)如下：

其中：下標(biāo)為0的參數(shù)來自原車仿真結(jié)果。

圖4 ISIGHT－CRUISE聯(lián)合優(yōu)化流程圖

對于經(jīng)濟(jì)性能來說，等速油耗只能表征出車輛的穩(wěn)態(tài)性能，在實(shí)際狀況下基本不會(huì)出現(xiàn)，只能作為參考，故等速油耗項(xiàng)權(quán)重因子取值0.2。由于本文并沒有采集該公交車實(shí)際運(yùn)行的路面情況，故使用UDC和CCBC這兩個(gè)較為接近的循環(huán)工況作為參考，故這兩項(xiàng)的權(quán)重因子賦值都是0.4。經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)如下：

對加權(quán)因子的分配主要依據(jù)是該城市公交的實(shí)際用途，根據(jù)實(shí)車試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該車的動(dòng)力性能基本達(dá)到要求，但是油耗過高，所以在類權(quán)重因子中，動(dòng)力性能賦值1/3，經(jīng)濟(jì)性能賦值2/3。綜合目標(biāo)函數(shù)為：

本文使用的約束條件主要有如下7個(gè)：最大爬坡度要求、最高車速要求、最高檔動(dòng)力因素要求、驅(qū)動(dòng)輪附著條件要求以及速比間隔的3個(gè)限制條件。由于篇幅限制，就不一一列舉。

本文的傳動(dòng)系優(yōu)化問題可以用以下的數(shù)學(xué)語言描述出來：

根據(jù)ISIGHT－CRUISE聯(lián)合優(yōu)化流程，在ISIGHT軟件中建立聯(lián)合優(yōu)化模型，如圖5所示。

圖5 ISIGHT－CRUISE聯(lián)合優(yōu)化模型

在進(jìn)行正確的設(shè)置后，本文所選擇的求解算法是ISIGHT提供的Pointers優(yōu)化器，它會(huì)自動(dòng)捕捉設(shè)計(jì)空間的信息，保存尋找優(yōu)化結(jié)果的規(guī)則，自動(dòng)組合4種優(yōu)化算法（線性單純形法、序列二次規(guī)劃法、最速下降法、遺傳算法），形成一個(gè)最優(yōu)的優(yōu)化策略。目標(biāo)函數(shù)F（X）尋優(yōu)歷程如圖6所示。

圖6 目標(biāo)函數(shù)F（X）尋優(yōu)歷程

在滿足約束條件的情況下，綜合目標(biāo)函數(shù)F（X）最大值為17.424，此時(shí)的動(dòng)力傳動(dòng)系各速比優(yōu)化結(jié)果如表3所示。

表3 動(dòng)力傳動(dòng)系速比優(yōu)化結(jié)果

3.2 優(yōu)化方案與原方案對比

由于將速比當(dāng)作連續(xù)量處理，所以在完成了優(yōu)化模型的計(jì)算之后，應(yīng)該根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配齒分析。由于大量的工程經(jīng)驗(yàn)表明，配齒后的速比與優(yōu)化結(jié)果的速比相差很小，這種微小的差異基本不影響車輛動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)，故本文未進(jìn)行配齒分析，而直接將優(yōu)化的速比結(jié)果代入原CRUISE模型，計(jì)算優(yōu)化后方案的性能，并與原方案進(jìn)行對比。整車性能優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比如表4所示。

由表4可知，本文所得的優(yōu)化方案，除了最高車速下降了之外，其余的指標(biāo)都有了明顯的進(jìn)步。可以看出，加速時(shí)間t1，t2分別縮短了7.47%和6.23%，百公里燃油消耗量Q1，Q2，Q3分別減少了0.4%，3.58%和4.01%。并且這種進(jìn)步并不是以犧牲某一性能為代價(jià)的，而是通過傳動(dòng)系的速比優(yōu)化，充分發(fā)揮出發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳功效達(dá)到的效果。這說明使用綜合目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化模型，可以全面地優(yōu)化車輛的動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性能。

表4 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

4 總結(jié)

（1）使用CRUISE對某城市公交車進(jìn)行了建模與仿真分析，并且通過對比仿真結(jié)果與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了模型的正確性。

（2）使用ISIGHT－CRUISE聯(lián)合優(yōu)化進(jìn)行傳動(dòng)系速比優(yōu)化研究，得出的速比優(yōu)化方案全面地提高了車輛的動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性能。同時(shí)也說明使用ISIGHT－CRUISE聯(lián)合優(yōu)化的方法可以獲得有效的優(yōu)化效果。

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