汽車動(dòng)力匹配綜述

1、汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配的研究與綜述王祥（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車學(xué)院，遼寧 錦州 121001）摘要：現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展使汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性都達(dá)到了前所未有的高水準(zhǔn),但是二者之間存在一個(gè)合理匹配問題。本文綜述了汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配研究意義，國(guó)內(nèi)外對(duì)動(dòng)力匹配研究的現(xiàn)狀和主要內(nèi)容，以及得出飛結(jié)論和展望。關(guān)鍵字：動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng) 優(yōu)化匹配 模擬Research and Summary of Matching Optimization of Automobile PowertrainWangxiang(liaoning university of technology Automotive coll

2、ege, liaoning jinzhou 121001)Abstract: The development of modern automobile technology enables the automobile power performance and fuel economy has reached a high level of hitherto unknown, there is a reasonable match between the two. This paper reviews the matching optimization of automobile power

3、train research significance, domestic and foreign to the power matching research present situation and main content, and conclusion and Prospect of the fly.1、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配的意義現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展使汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性都達(dá)到了前所未有的高水準(zhǔn),但是二者之間存在一個(gè)合理匹配問題。要想使汽車的動(dòng)力性好,就應(yīng)該使汽車能有足夠高車速及較強(qiáng)的牽引力,而要想使汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性好,除了讓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率最小,還要求在實(shí)際行駛工況時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)總

4、是處于燃油消耗率最小的經(jīng)濟(jì)區(qū)域內(nèi)"對(duì)于某一特定的車輛,當(dāng)汽車總重、重量分配、輪胎等己確定的情況下要做到這一點(diǎn),主要依靠發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系的合理匹配,即合理選擇發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)各參數(shù)使之發(fā)揮最佳動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。國(guó)內(nèi)外汽車界在這方面做了大量的工作,匹配模擬計(jì)算的模型日趨合理完善，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,計(jì)算機(jī)模擬在動(dòng)力傳動(dòng)系匹配計(jì)算中的作用越來越突出，這些因素為動(dòng)力傳動(dòng)系匹配模擬計(jì)算應(yīng)用于整車性能優(yōu)化提供了更加便利的條件 。2、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外在這方面研究的比較早，也比較成熟，大量的使用了計(jì)算機(jī)模擬方法。早在1972年美國(guó)通用公司開發(fā)了汽車動(dòng)力性和燃

5、油經(jīng)濟(jì)性的通用預(yù)測(cè)程序GP-SIM，之后還有福特公司的TOFEP，康明斯公司的VMS，日產(chǎn)公司的CSVFEP等等。如今市場(chǎng)上比較成熟的商業(yè)軟件，如奧地利公司開發(fā)的AVL-Cruise軟件，主要是用于研究汽車的行駛特性、燃油消耗與廢氣排放，由于采用了模塊化的方法，可以自由的建立任何一種配置的汽車模型，它的精密完善算法保證了較快的運(yùn)算速度。美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）在MATLAB和Simulink軟件環(huán)境下開發(fā)了電動(dòng)汽車仿真軟件ADVISOR。美國(guó)Gamma Technology公司開發(fā)了GT-DRIVE其內(nèi)包含豐富的車輛系統(tǒng)模塊，應(yīng)用范圍主要包括：整車動(dòng)態(tài)性能（如加速性的測(cè)試），傳動(dòng)系統(tǒng)和

6、發(fā)動(dòng)機(jī)的性能匹配，循環(huán)工況模擬（燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性），發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)仿真，發(fā)動(dòng)機(jī)-變速箱-車輛動(dòng)力性能，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的部件設(shè)計(jì)和配置，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的扭振、駕駛性能、拖車、剎車，HEV混合動(dòng)力的控制策略仿真。GT-DRIVE還集成了優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件包，利用這些程序或軟件，在樣車制造前可對(duì)汽車動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行預(yù)測(cè)，并可根據(jù)部分參數(shù)的變化對(duì)整車性能的影響繪制目標(biāo)函數(shù)的“C曲線”，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。國(guó)外也有專門的優(yōu)化軟件和這些模擬軟件進(jìn)行耦合，如意大利ESTECO公司開發(fā)的MODEFRONITER多目標(biāo)穩(wěn)健設(shè)計(jì)優(yōu)化包，美國(guó)SGI公司的ISIGHT多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化集成平臺(tái)等【1】。2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀在

7、國(guó)內(nèi)，我國(guó)對(duì)汽車性能的匹配研究相對(duì)較晚，起始于80年代以后。目前一些汽車生產(chǎn)廠家如中國(guó)重汽集團(tuán)、陜西重汽、上汽研究院分別采用AVL-Cruise和GT-DRIVE應(yīng)用到整車開發(fā)中，取得良好效果。部分高校如吉林大學(xué)、上海交通大學(xué)等也在整車動(dòng)力匹配上有一定的研究?，F(xiàn)在汽車動(dòng)力匹配的方法很多，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量工作，提出了很多反映汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)合理匹配的評(píng)價(jià)指標(biāo)。王薇、鞏正陽以“驅(qū)動(dòng)功率損失率”作為動(dòng)力性發(fā)揮程度評(píng)價(jià)指標(biāo)、以“有效利用率”作為經(jīng)濟(jì)性發(fā)揮程度評(píng)價(jià)指標(biāo)，并用“能量利用率指標(biāo)”來統(tǒng)一汽車動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。這些研究在一定程度上為解決汽車動(dòng)力傳動(dòng)參數(shù)匹配提供了理論依據(jù)【2】【3】。 李

8、偉華用實(shí)際驅(qū)動(dòng)特性與理想驅(qū)動(dòng)特性能量利用的充分程度作為動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)，用實(shí)際行駛工況發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率平均值與發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)域有效效率之比作為燃料經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，用權(quán)重法進(jìn)行修正，用價(jià)值評(píng)價(jià)方法來評(píng)價(jià)【4】。魯統(tǒng)利以動(dòng)力性指標(biāo)和燃料經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的加權(quán)值為綜合目標(biāo)，以此評(píng)價(jià)動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配程度【5】。在探討傳動(dòng)參數(shù)優(yōu)化方法方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也提出了很多有效方法。例如：鞏正陽、He Ren、Asanga Ratnaweera將模糊理論引入到汽車傳動(dòng)系參數(shù)設(shè)計(jì)中, 選用水平截集法來模糊優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，用粒子群法求解數(shù)學(xué)模型，得到整個(gè)模型的優(yōu)化結(jié)果 【7】【8】。劉磊、N. Suresh基于車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論

9、和曲線曲面擬合插值理論建立了輕型貨車動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并使用MATLAB編制模擬計(jì)算程序，選用混合懲罰函數(shù)法進(jìn)行求解【9】。常綠、Franz Xavier Tanner采用具有全局優(yōu)化能力的遺傳算法作為優(yōu)化器，分別對(duì)傳動(dòng)參數(shù)、柴油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,獲得了優(yōu)于原方案的優(yōu)化結(jié)果【10】【11】。 總的來說,目前在解決傳動(dòng)系參數(shù)優(yōu)化模型時(shí)，所用方法可以歸結(jié)為以下五種：模糊優(yōu)化法、區(qū)間優(yōu)化法、罰函數(shù)法、遺傳算法、鍵和圖法。這些汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)合理匹配的評(píng)價(jià)指標(biāo)和優(yōu)化方法，在一定程度上為解決傳動(dòng)參數(shù)匹配問題提供理論基礎(chǔ)。3、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配的研究?jī)?nèi)容3.1汽車動(dòng)力傳動(dòng)系最優(yōu)匹配評(píng)價(jià)指標(biāo)的

10、研究汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)最優(yōu)匹配研究的關(guān)鍵是確定汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配的評(píng)價(jià)指標(biāo)。目前,在進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配時(shí),一般應(yīng)用多工況燃料經(jīng)濟(jì)性圖或用汽車原地起步連續(xù)換檔加速時(shí)間與多工況燃料經(jīng)濟(jì)性的加權(quán)值 作為目標(biāo)函數(shù),而這些指標(biāo)實(shí)際上是汽車基本性能指標(biāo)的綜合,并不能定量反映汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配程度,也不能提示動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)改善的潛力和途徑。近年來圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系的匹配評(píng)價(jià),國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了探討.文獻(xiàn)【12】提出的評(píng)價(jià)方法是以發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作區(qū)與發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)的相對(duì)位置做定性評(píng)價(jià),即將發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作區(qū)畫在發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性圖上,通過它與經(jīng)濟(jì)區(qū)距離的遠(yuǎn)近來確定發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系匹配的好壞,這種評(píng)價(jià)方法直觀,但使用不

11、便,無法在優(yōu)化計(jì)算中應(yīng)用.也有學(xué)者困提出經(jīng)濟(jì)區(qū)接近系數(shù)概念,并以此作為評(píng)價(jià)傳動(dòng)系與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配好壞的指標(biāo).所謂經(jīng)濟(jì)區(qū)接近系數(shù)是指發(fā)動(dòng)機(jī)常用工作區(qū)內(nèi)各點(diǎn)燃料消耗率與理想工作區(qū)燃料消耗率的比值,按各工作點(diǎn)使用概率加權(quán)后求得的均值.這種評(píng)價(jià)方法,只是從燃料經(jīng)濟(jì)性方面考慮,在一定程度上反映發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系匹配的好壞,但并不能揭示動(dòng)力傳動(dòng)系改善的潛力和途徑.3.2汽車動(dòng)力傳動(dòng)系參數(shù)優(yōu)化匹配方法的研究汽車動(dòng)力傳動(dòng)系參數(shù)的優(yōu)化匹配就是根據(jù)汽車使用條件和要求,通過優(yōu)選適當(dāng)?shù)膭?dòng)力傳動(dòng)系型式和參數(shù)(如發(fā)動(dòng)機(jī)型式及排量,機(jī)械變速器的型式,速比范圍、檔位數(shù)、速比間隔,驅(qū)動(dòng)橋的型式及速比,輪胎類型及尺寸)使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作區(qū)

12、盡量與其理想工作區(qū)相接近,以獲得最佳的整車動(dòng)力性與燃料經(jīng)濟(jì)性.國(guó)內(nèi)研究汽車動(dòng)力傳動(dòng)系參數(shù)優(yōu)化匹配方法,主要集中在傳動(dòng)系參數(shù)的優(yōu)化,近年來也有人開始優(yōu)選發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的研究。如圖1，動(dòng)力傳動(dòng)系匹配研究基本模式。圖1 動(dòng)力傳動(dòng)系匹配研究基本模式3.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)給定,優(yōu)選傳動(dòng)系參數(shù)這方面發(fā)表的論文很多,涉及到輕中型貨車、客車及農(nóng)用運(yùn)輸車的變速器和驅(qū)動(dòng)橋速比的優(yōu)化.目前,普遍采用的優(yōu)化模型如下:目標(biāo)函數(shù).多數(shù)是取多工況燃料經(jīng)濟(jì)性,也有選取汽車原地起步連續(xù)檔加速時(shí)間與多工況燃料經(jīng)濟(jì)性的加權(quán)值.設(shè)計(jì)變量.選變速器各檔速比、驅(qū)動(dòng)橋速比.約束條件一般選擇整車動(dòng)力性要求,變速器速比分配規(guī)律及道路附著條件作為約束

13、條件. 文獻(xiàn)【13】提出了一種用于優(yōu)選傳動(dòng)系參數(shù)的動(dòng)力性與燃料經(jīng)濟(jì)性模糊最優(yōu)化方法.其基本思想是:首先求出各目標(biāo)的約束最優(yōu)解;再將各單目標(biāo)最優(yōu)解模糊化,即用模糊集合表示,建立動(dòng)力性與燃料經(jīng)濟(jì)性的隸屬函數(shù);使各單目標(biāo)模糊最優(yōu)解的交集的隸屬數(shù)取得最大值的解,便是多目標(biāo)問題的最優(yōu)化,據(jù)此確定傳動(dòng)系參數(shù).3.2.2給定傳動(dòng)系參數(shù),優(yōu)選發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)當(dāng)傳動(dòng)系參數(shù)和整車參數(shù)給定時(shí),如何根據(jù)汽車實(shí)際行駛條件來優(yōu)選發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)(性能指標(biāo)),這類研究并不多見.在這方面研究的關(guān)鍵是如何正確地建立發(fā)動(dòng)機(jī)性能特性和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)間的定量關(guān)系.文獻(xiàn)【14】提出了一種優(yōu)選發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的優(yōu)化方法.其中建立的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性數(shù)

14、學(xué)模型。文獻(xiàn)【15】也提出了一種優(yōu)選發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的方法,除建立發(fā)動(dòng)機(jī)外特性數(shù)學(xué)模型外,還建立了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率模型, 采用上述優(yōu)化方法獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù),可為汽車設(shè)計(jì)或改進(jìn)設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)選型和調(diào)整提供依據(jù).4、結(jié)論與展望在今后研究中,應(yīng)重視以下幾點(diǎn):(l)研究發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放與動(dòng)力傳動(dòng)系匹配間定量關(guān)系,建立考慮動(dòng)力性燃料經(jīng)濟(jì)性和廢氣排放的汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)最優(yōu)匹配評(píng)價(jià)指標(biāo)。(2)重視各類車型在典型道路上行駛工況的統(tǒng)計(jì)測(cè)定工作,制定出能夠充分反映汽車實(shí)際行駛工況特點(diǎn)的多工況循環(huán)模式。(3)研究考慮發(fā)動(dòng)機(jī)排放約束條件下汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配方法。(4)重視發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù),運(yùn)行參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)性能特性間關(guān)系的研

15、究,建立發(fā)動(dòng)機(jī)性能特性的統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型。(5)重視汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配方法的實(shí)用化研究,建立動(dòng)力傳動(dòng)系最優(yōu)匹配的專家系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)1 陳浩城市公交動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配D碩士學(xué)位論文長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，20082 王薇汽車動(dòng)力傳動(dòng)系計(jì)算仿真及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)D碩士學(xué)位論文長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，20063 鞏正陽汽車傳動(dòng)系的模糊優(yōu)化研究及軟件開發(fā)D碩士學(xué)位論文武漢：武漢理工大學(xué)，20084 李偉華汽車行駛特性仿真與動(dòng)力總成匹配優(yōu)化D博士學(xué)位論文上海：上海交通大學(xué)，20005 魯統(tǒng)利大客車動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)匹配技術(shù)研究D博士后士學(xué)位論文上海：上海交通大學(xué)，20007 He Ren，Gao Zong Ying. Fu

16、zzy Optimum of the Automobile Transmission Parameters J.SAE paper, 9329228 Asanga Ratnaweera,Saman K. Halgamuge. Enhanced ICSI Engine Performance With Particle Swarm OptimizationJ.SAE,2004-28-00759 N. Suresh ,S. Shankar, N. Manohar. Optimum Design of Engine and Body Mounts At Total System Level Usin

17、g Unconstrained MinimizationJ.SAE paper,95058410 Franz Xavier Tanner,Seshasai Srnivasan. Optimization of an Asynchronous Fuel Injection System in Diesel Engines by Means of a Micro-Genetic Algorithm and an Adaptive Gradien MethodJ.SAE, 2008-01-092511 Hai-Wen Ge,Yu Shi,Golf Reitz etc. Heavy-Duty Diesel Combustion