发动机和传动系的优化匹配研究

发动机和传动系的优化匹配研究

同济大学汽车工程系　李高友　雷雨成

　　[摘要]本文以客车的发动机和传动系的优化匹配为例,给出了一种通过数理统计和优化计算,借助计算机的强大数据处理功能,进行汽车动力系统快速选型和匹配优化的方法。

关键词:　发动机　传动系　匹配　优化

1　前言

汽车的动力性和燃料经济性与发动机和传动系的参数选择匹配密切相关。如何获得最优的参数匹配是各整车生产厂家极为关心的课题。理论上各参数可以连续任意变化,以获得最优的匹配效果。但在实际应用过程中,整车生产厂家在匹配时往往只能选择市场上已存在的发动机、变速器、主减速器等,这样各参数就不再是连续任意变化,而是离散化了。因此,如何选择市场上存在的发动机和传动系中各零部件的型号,并获得最佳的匹配,是汽车设计过程中一项非常重要的任务。计算机技术的飞速发展使得设计人员可以借助计算机的强大计算功能进行研究和预测,以便更合理地选择发动机和传动系的有关参数,找到最佳的匹配。

对汽车的动力性和燃料经济性影响最大的是发动

机的特性,以及变速器各档速比和主减速器速比。本文将以客车发动机和传动系的选型、匹配为实例给出一种发动机、变速器、主减速器的选型以及匹配优化的方法。

2　基本思想及选型匹配流程图

基本思想:针对实际工作中各参数离散化的特点,不便进行连续函数的优化;而一种行之有效的方法是,借助数据库和计算机强大的计算功能,通过数理统计方法和知识挖掘技术,参考同类车型的技术参数,从首先满足动力性要求的角度,选择符合设计条件的发动机、变速器和主减速器,并组成基本符合动力性要求的多套匹配方案。再进行经济性计算,绘制燃油经济性—加速时间图,并选出最优的匹配方案。

流程图如下:

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　设计与计算

3　发动机的选择

汽车设计的一个首要任务是设计或选定合适的发动机,根据不同的使用条件,一种汽车可以匹备两三种不同的发动机供用户选择。发动机的性能主要表现在额定功率、额定扭矩、与之相应的转速、燃料消耗特性、振动、噪声等等。选择发动机时通常首先计算或估算出发动机的最大功率Pmax,再根据发动机的扭矩性能以及相应的转速、燃料消耗性等选择合适的发动机。发动机的最大功率Pmax可以按以下两种方法进行。

¹理论计算法:即根据设计最高车速Vmax来确定发动机的最大功率Pmax

1M×g×f×VmaxCD×A×Vmax

Pmax=(+)

GT360076140式中:M——汽车总质量;

g——重力加速度;f——滚动阻力系数;Vmax——汽车最高速度;CD——风阻系数;

A——汽车迎风面积;T——汽车传动系的传动效率。G

º经验推理方法:即参考同类型汽车的比功率和总质量,求得发动机的最大功率Pmax。

经验推理方法在实际生产中被广泛应用,但是设计人员往往仅凭自己的经验或有限的数据对比功率和整车总重作粗略估算。这种传统的经验估算法,其结果因人而异,可继承性差;同时也造成了数据资源的巨大浪费。本文作者尝试采用知识挖掘技术和统计、优化方法给出了一套利用已有同类车型技术数据来推算设计车型的总质量和发动机比功率的方法。3.1　整车质量估算

在汽车的设计过程中,整车的质量估算是非常重要的一环。在一辆新车设计出来以前整车总质量是无法直接获得的,然而在动力系统的选型、匹配、轴荷分配的计算,以及燃油消耗的计算时又都离不开汽车的整车质量这一参数。这就要求设计人员在新车设计完成之前就要对其进行估算,而且要尽量估算准确,以减少后面设计的反复。汽车的质量参数包括整车整备质量、装载质量和整车总质量。

图2是国内某24种车长在8800～9200mm之间的客车的整车整备质量和总质量的统计,横坐标为车・24・3

长、纵坐标为质量。上部较离散的点族描述的是总质量,下部分布较紧凑的点族描述的是整车整备质量。从图中可以清楚地看到客车的整车整备质量比总质量的分布态性好,有更高的统计价值。进一步分析可知,不同客车由于其运行目的不同,对乘坐舒适度要求不同,使得座位的安排、乘员的数量差别较大,从而造成了装载质量的差别,并最终使图2中总质量点族的分布离散化。

图2

通过以上分析可知:客车的整车总质量参数可以分两步估算得到:首先利用优化算法统计得到整车整备质量;然后根据设计座位数(城市公交车还包括额定站立人数)计算出装载质量,再加上驾驶员质量、行李的质量以及其他的特殊装备质量就可得到整车总质量。下面给出整车总质量M的估算方法。3.1.1　整车整备质量M0的估算

为了得到尽可能准确的新车型估算质量,采取了以下的数据处理措施。

1)设权重,优化计算。在实际数据处理时,为了扩大样本空间需要考虑总长相近的车型的参考价值。为此我们可以将数据划分成区间,设立权重进行优化计算。2)对等分布,减少误差。一般而言,长度较长的客车的整车整备质量也较大,长度较短的客车的整车整备质量也较小,为此将比设计车型总长偏大或者偏小程度相同的两组客车数据放到同一个区间进行统计,以使其本身抵消误差。

控制算法:

设整车的设计车长为L0,在数据库中查到的整车

汽车研究与开发

　设计与计算

车长为L1,设有3个有效的统计区间,门限值分别为c1、c2、c3,另有3个计数器N1、N2、N3(初始值设为0)。若:

L1

-1≤c1L0

计数器N1加1,同时记录下数据库中对应的整车整备质量Pi(i为计数器N1中的记录数)。若:

c1≤

L1

-1≤c2L0

采取同样的统计优化方法来估算汽车的比功率,这里不再赘述。

汽车的比功率乘以整车总质量得到发动机的最大功率。发动机功率估算得到后,就可以再考虑发动机的扭矩特性、相应的转速、发动机运转的经济区域、成本等因素选择发动机。选定的发动机的额定功率应在发动机估算功率附近或者稍大,可以选择多台不同型号的发动机,以和主减速器、变速器形成多套匹配,以便最终得到最优方案。

计数器N2加1,同时记录下数据库中对应的整车整备质量Qi(i为计数器N2中的记录数)。若:

L1

c2≤L0-1≤c3

计数器N3加1,同时记录下数据库中对应的整车整备质量Ri(i为计数器N3中的记录数)。

设3组数据的权值分别为A1、A2、A3,3个计数器的最终数值为n1、n2、n3,则整车整备质量的优化估算公式为:

A1A2A31MO=1(Pi+Oi+Ri)

A+A2+A3N16N26N3i6i=1i=1=13.1.2　整车总质量M的估算

设乘员的统计平均体重为M1,每人携带的平均行李质量为M2。在我国,乘员的统计平均体重可以按每人65km计算,长途客车的人均行李质量为10～15kg,城乡客车为5～10kg,对于城市公交车不计行李质量。则对于长途客车和城乡客车:

M=M0+(M1+M2)×设计座位数对于城市公交车:

M=M0+M1×(设计座位数+设计站立人数)3.2　发动机功率的估算

发动机的功率越大,汽车的动力性越好,但功率过大会使发动机功率利用率降低,燃料经济性下降,动力传动系的质量也要加大。因此要合理选择发动机功率。发动机功率可以通过整车总质量M乘以汽车比功率K来估算。

汽车比功率K(发动机功率除以整车总质量)是一项汽车动力性的综合评价指标,它能综合地反映汽车的速度性能、加速性能和爬坡能力。由于比功率消除了整车总质量带来的影响,具有很高的统计价值。我们可以

2002年第6期n1

n2

n3

4　主减速器的选择

对于具有较大功率储备的客车来讲,在给定发动机最大功率P及其相应的转速np的情况下,所选择的主

减速器减速比i0应尽量能保证汽车有尽可能高的最高速度Vmax。这时i0由下式来确定

R×np

i0=0.377Vmax×i

式中:R——车轮的滚动半径,m;

np——发动机最大功率时对应的转速;

Vmax——汽车的设计最高速度;i——变速器的最高档速比,通常为1。

在主减速器数据库中选择多个减速比与计算出的i0相近的主减速器,以便在后面的步骤中选择最优匹配方案。

5　变速器的选择

变速器传动比的选择涉及到最低档传动比、最高档传动比和中间各档传动比的分配。

变速器的最低档传动比的选择要综合考虑汽车的最大爬坡度(确定最低档传动比igI的最小值)和驱动车轮与地面的最大附着力(确定最低档传动比igI的最大值)。即最低档传动比igI的理论取值范围为:

G25Rmg7maxR≤igI≥

Temaxi0GTTemaxi0GT

式中:m——汽车总质量;

g——重力加速度;

7max——道路最大阻力系数;R——驱动轮的滚动半径;Temax——发动机最大扭矩;

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　设计与计算

　　　i0——主减速器传动比;　　　GT——汽车传动系的传动效率;

　　　G2——汽车满载静止于水平路面时的驱动桥给

地面的荷载;

　　　5——路面附着系数,计算时可取为0.5～0.6。

变速器的最高档传动比通常为1,有超速档的则为0.7～0.8。

在确定了变速器的最高档传动比和最低档传动比之后,中间各档的传动比一般按等比级数分配。

由以上的设计理论分析可知:变速器的最高档传动比通常为1,或者带有超速档的为0.7～0.8,但变化不大;最低档的传动比由汽车设计时参数(最大爬坡度)和地面与驱动轮的附着条件来确定;中间档的传动比由最高档和最低档的传动比的等比级数确定。因此,在选择变速器时,可以根据计算的最低档传动比范围在变速器数据库中初步选择符合条件的变速器,可选择多个变速器,再进行动力性—燃油经济性分析,寻找最优匹配。

域Ⅱ中的匹配兼顾了燃油经济性和动力性,使经济性和动力性都较好。设计人员可以根据此图,方便地从多套发动机—传动系匹配中选出最优的匹配方案。

6　最优动力匹配的确定

对发动机和传动系中各部件优化匹配的目的是使得汽车的动力性和燃油经济性相互兼顾,并达到最优,即既有较好的动力性,又有较好的燃油经济性。在本文前面的分析计算中,实际上作者首先满足了汽车设计的动力性要求。选出了基本满足动力性要求的多套匹配方案(图3),接下来就可以借助计算机计算出每一套方案的原地起步加速时间和某种工况下的燃油消耗,在原地起步加速时间—燃油经济性图上画出各套发动机和传动系匹配所对应的点,并选择最优匹配。

燃料经济性计算可以按照JB3352-83标准六工况的道路循环试验程序进行计算,对于城市公交车可按城市四工况道路循环试验程序进行计算。原地起步加速时间和燃油经济性的计算,在汽车类的专业理论书中都有涉及,这里不再赘述。

图4为多套发动机—传动系匹配之后绘出的燃油经济性—加速时间图。纵坐标为车速从0到96.6km/h的连续换档加速时间(s);横坐标为按照JB3352—83标准六工况的道路循环试验程序进行计算得出的燃油经济性(km/L)。图中区域Ⅰ中的匹配经济性较好,而动力性较差;区域Ⅲ中的匹配动力性较好,而经济性较差;区・26・图3

图4

7　应用

上述方法已经在CBuilder和Oracle环境下编

写成系统软件,并被国内某大型客车底盘生产厂家使用。软件使用效果良好,使得发动机、传动系各部件的选型和匹配简便、准确,减轻了设计人员的工作强度,带来了一定的经济效益。

汽车研究与开发

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