汽車發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的最優(yōu)化匹配

1、汽車發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的最優(yōu)化匹配裴普成 李金敬 黃海燕清華大學汽車工程系 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室摘要為滿足國內(nèi)整車廠匹配動力系統(tǒng)的需要，開發(fā)了發(fā)動機與傳動系最優(yōu)化匹配軟件。以最高車速、最大爬坡度、最短加速時間和最少百公里油耗為目標，建立了多目標最優(yōu)化數(shù)學模型。借助MATLAB強大的數(shù)學計算功能，靈活應用多種最優(yōu)化方法，對該數(shù)學模型進行最優(yōu)化求解。該軟件能夠實現(xiàn)三種功能：1）給定發(fā)動機參數(shù)，優(yōu)化匹配傳動系統(tǒng)參數(shù)；2）給定傳動系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化或調整發(fā)動機性能參數(shù)；3）反復迭代優(yōu)化發(fā)動機參數(shù)和動力系統(tǒng)參數(shù)。而且設計了圖形用戶操作界面，操作簡單，容易掌握。該軟件可作為一種“傻瓜型”發(fā)動機-整車最優(yōu)

2、化匹配的計算工具。關鍵詞：發(fā)動機 傳動系 優(yōu)化匹配 軟件設計引言不少單位引進了整車生產(chǎn)技術，當將發(fā)動機更換為其它國產(chǎn)高性能發(fā)動機時，甚至該發(fā)動機比原裝發(fā)動機的性能指標還要好，結果往往是整車性能明顯下降。原因是發(fā)動機與整車傳動系統(tǒng)不匹配。A是優(yōu)，B是優(yōu)，和在一起未必是優(yōu)。多年前，發(fā)動機與整車傳動系統(tǒng)的匹配，一般是通過經(jīng)驗和試驗對比的方法進行。工作量大，效率低，成本高，效果差。隨著計算機技術的發(fā)展，最優(yōu)化方法得到了迅速發(fā)展并在工程中得以廣泛應用。1972年美國通用汽車公司首先開發(fā)了汽車動力性和燃油經(jīng)濟性的預測程序GPSIM，此后，國外許多汽車公司相繼開發(fā)了各自的優(yōu)化軟件，如康明斯公司的VMS、美國

3、交通部的VEHSIM、日產(chǎn)汽車公司的CSVFEP、奔馳汽車公司的TRASCO等，軟件中通常都含有自己產(chǎn)品的數(shù)據(jù)庫，因此一般僅供內(nèi)部使用。近年來，也出現(xiàn)了一些通用的最優(yōu)化軟件，如GT-Frontier、LMS-optimization等，而這些軟件用于汽車發(fā)動機與傳動系統(tǒng)的匹配又顯得不夠專用，需要用戶自己建立數(shù)學模型，只有專業(yè)人員才能掌握使用方法。為滿足整車單位的需求，本文以目前較為普及的MATLAB為平臺，建立了發(fā)動機與整車傳動系統(tǒng)匹配的最優(yōu)化數(shù)學模型，采用多種最優(yōu)化方法聯(lián)合求解技術，開發(fā)了一個擁有友好操作界面的專用軟件，可作為發(fā)動機-整車匹配的一個計算工具，操作簡單，掌握容易。使用該軟件，可

4、以快速實現(xiàn)發(fā)動機與整車傳動系統(tǒng)的最優(yōu)化匹配，而且在樣車制造前就能準確地預測汽車動力性、燃油經(jīng)濟性等方面的性能。1. 最優(yōu)化模型汽車的性能優(yōu)化目標通常是最高車速、最大爬坡度、最少燃油消耗和最短加速時間，往往約束條件也較為復雜。對于這樣的多目標最優(yōu)化問題，通常采用權重系數(shù)法處理多目標的關系。1.1 優(yōu)化傳動系統(tǒng)在發(fā)動機參數(shù)一定情況下，要確定傳動系統(tǒng)的參數(shù)，包括主傳動比和變速箱各檔傳動比。最優(yōu)化數(shù)學模型為：式中Vh、T1、T2和Q分別是車速、爬坡度、0-100km/h加速時間、40-80km/h加速時間、百公里油耗，k1和k2是兩個加速時間的權重系數(shù)。在最優(yōu)化模型中，m是變速箱檔數(shù)，G是整車質量，f

5、是汽車滾動阻力系數(shù)，T是變速箱效率，r是車輪半徑。此模型以主傳動比i0和變速箱1檔、2檔、3檔等的傳動比（i1、i2、 i3等）為設計變量，等式約束條件包括發(fā)動機外特性的轉矩曲線和負荷特性的比油耗曲線，轉矩Me是發(fā)動機轉速n的函數(shù)，比油耗ge是發(fā)動機轉速n和平均有效壓力pe的函數(shù)。不等式約束條件包括爬坡防滑條件和變速箱速比關系條件等。優(yōu)化得到的主傳動比和各檔傳動比參數(shù)，還要通過對應齒輪的齒數(shù)化整后再做調整。1.2 優(yōu)選或調整發(fā)動機在傳動系統(tǒng)的參數(shù)一定情況下，要確定發(fā)動機參數(shù)，包括最大功率及其對應轉速、最大轉矩及其對應轉速等，從而優(yōu)選或調整發(fā)動機參數(shù)。最優(yōu)化數(shù)學模型為：式中Memax和nM分別是

6、發(fā)動機外特性最大轉矩及其對應轉速，Nemax和nN分別是發(fā)動機最大功率及其對應轉速，gemin和ng分別是發(fā)動機外特性最低比油耗及其對應轉速，D0max是汽車最高檔動力因數(shù)的下限值，Cd是汽車的空氣阻力系數(shù)，A是汽車的迎風面積，va是汽車行駛速度。約束條件包括給定的傳動系統(tǒng)參數(shù)和汽車驅動力基本要求條件，還有常用工況經(jīng)濟負荷要求、常用工況經(jīng)濟車速等約束條件。2. 軟件及操作界面2.1 軟件以MATLAB為平臺，編制了計算軟件和操作界面。軟件程序中最優(yōu)化路線如圖1，尋優(yōu)過程是一個逐步逼近的迭代過程，優(yōu)先選用懲罰函數(shù)法的最優(yōu)化方法，當出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象時改用復合型法，而且結合最速下降法和共軛梯度法以提高求

7、解速度。圖2是主程序流程，能夠實現(xiàn)“輸入保存參數(shù)”、“計算傳動比”、“優(yōu)選發(fā)動機”、“計算整車性能”四種功能。這四種功能既可以獨立運行，即進行完每一種功能的運算以后再返回本界面，又可以自動串聯(lián)運行，從而達到以下目的：1）給定發(fā)動機參數(shù)，優(yōu)化匹配傳動系統(tǒng)參數(shù)；2）給定傳動系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化或調整發(fā)動機性能參數(shù)；3）反復迭代優(yōu)化發(fā)動機參數(shù)和傳動系統(tǒng)參數(shù)。 圖1 最優(yōu)化路線 圖2 主程序流程2.2 操作界面在MATLAB中打開主界面對話框，如圖3所示。在此對話框中，點擊“計算模擬”按鈕，即可以進入圖4參數(shù)輸入界面，點擊退出按鈕則結束對話框。 圖3 動力系統(tǒng)最優(yōu)化匹配主界面 圖4 參數(shù)輸入界面 圖5 優(yōu)選

8、發(fā)動機界面 圖6 整車性能最優(yōu)化界面圖7 動力性和車速匹配效果在參數(shù)輸入界面，可以把發(fā)動機性能參數(shù)或傳動系統(tǒng)參數(shù)輸入進去，同時可以選擇已有的整車基本參數(shù)或添加整車基本參數(shù)，并要求給定多目標最優(yōu)化的權重系數(shù)。點擊“擬合曲線”按鈕可以查看擬合后的轉速-轉矩的外特性曲線和轉速-燃油消耗率曲線。點擊“計算傳動比”按鈕，則進入計算傳動比界面。點擊“優(yōu)選發(fā)動機”按鈕，則進入圖5所示的優(yōu)選發(fā)動機界面。點擊“整車性能”按鈕，則進入圖6所示的整車性能最優(yōu)化界面。此外，還可以給出較為直觀的整車動力性和車速情況匹配圖，如圖7所示。計算過程在后臺進行，而所有操作都在直觀的界面上進行，計算結果也顯示在界面上。3. 應用

9、實例某單位要為“小王子”車型選換發(fā)動機，并且目標發(fā)動機為1.3L汽油發(fā)動機，計劃針對該發(fā)動機匹配傳動系統(tǒng)。整車參數(shù)和發(fā)動機參數(shù)如表1所示。表1：整車參數(shù)及發(fā)動機參數(shù)項目參數(shù)型號小王子（EQ7130BP）乘員數(shù) （人）5（含駕駛員）裝載質量 （kg）總質量 （kg）3701115最大爬坡度 / %30輪胎165/65R13子午線輪胎，r=0.027m外形尺寸(長×寬×高) / mm3880×1550×1385最高車速 （km/h)150最大爬坡度 (%)30發(fā)動機型號G4AA缸徑×行程 / mm71×83.6額定功率 / kw/ (r/

10、min)53 / (5200)最大扭矩 / N·M/ (r/min)106 / (3000) 首先客戶給出了一個傳動系統(tǒng)的初步參數(shù)方案，隨后我們利用最優(yōu)化軟件進行計算，得出了優(yōu)化方案，如表2所示；利用此優(yōu)化軟件，計算了原車方案、客戶方案以及優(yōu)化后方案的整車性能，如表3所示。優(yōu)化后，與原車性能對比，整車最高車速和最大爬坡度明顯提高，同時加速時間大大縮短，40-80km/h加速時間比原車改善21.08。其動力性匹配效果示于圖7，最高車速可達到175km/h。表2：三種匹配方案檔位原車傳動比客戶方案傳動比優(yōu)化結果新方案檔3.4543.4173.947檔1.9441.8952.563檔1.2

11、751.281.664檔0.8610.9141.081檔0.6920.7570.8578倒檔3.5833.2733.273主減速比3.7773.5243.524表3： 三種方案匹配結果比較原車方案客戶方案優(yōu)化方案 優(yōu)化后與原車方案對比最高車速Vh（km/h）169.9203170.8639175.4502提高3.25%最大爬坡度0.43780.39680.4746提高8.41%0-100km/h加速時間T116.655017.176716.0653縮短3.5440-80km/h加速時間T216.202216.434212.7873縮短21.084. 結束語為滿足國內(nèi)整車單位需求，用MATLAB語言編制了一套發(fā)動機與整車傳動系統(tǒng)最優(yōu)化匹配的專用軟件。隨著這套軟件的應用，其車型數(shù)據(jù)庫將不斷擴大，從而優(yōu)化匹配的整車性能預測結果必定能越來越準確。該軟件克服了其它通用型最優(yōu)化商業(yè)軟件的弊端，不需要用戶編制數(shù)學模型，可作為一種“傻瓜型”發(fā)動機-整車最優(yōu)化匹配的計算工具。參考文獻1余志生.汽車理論.機械工業(yè)出版