重型牽引車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配

王 棟，葉文廷，何耀華，朱向洪

(1.武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢430070;2.湖北三環(huán)專(zhuān)用汽車(chē)有限公司 技術(shù)中心，湖北 十堰442012)

經(jīng)過(guò)100 多年的發(fā)展，車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)近乎完美、性能優(yōu)異，但由于汽車(chē)的運(yùn)行工況復(fù)雜且不同用途的汽車(chē)其運(yùn)行工況存在巨大差異，加上車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變化范圍小，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足多變的使用環(huán)境，為此需要配置復(fù)雜的變速傳動(dòng)系統(tǒng)。實(shí)踐表明，同一輛汽車(chē)在不同地區(qū)、不同道路、不同交通使用環(huán)境、賦予其不同的用途，其整車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放都會(huì)有明顯的不同。開(kāi)發(fā)各項(xiàng)使用性能更優(yōu)的汽車(chē)產(chǎn)品，需要針對(duì)不同用途車(chē)輛在使用過(guò)程中經(jīng)常遇到的運(yùn)行工況，對(duì)動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

汽車(chē)動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化最先進(jìn)且最有效的方法是計(jì)算機(jī)仿真分析和工況試驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化研究的指標(biāo)主要有動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放［1-4］，其主要方法有罰函數(shù)法、遺傳算法、模糊優(yōu)化法和區(qū)間優(yōu)化法［5-7］。筆者采用AVL Cruise 與Matlab 聯(lián)合仿真和更符合重型牽引車(chē)實(shí)際使用要求的商用車(chē)工況，完成動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化匹配。

1 動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)模型的建立

1.1 重型牽引車(chē)的基本技術(shù)參數(shù)

某重型牽引車(chē)的基本技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 重型牽引車(chē)基本技術(shù)參數(shù)

1.2 動(dòng)力系統(tǒng)模型

1.2.1 牽引車(chē)功率平衡

設(shè)定最高車(chē)速，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)大于等于該車(chē)速行駛時(shí)行駛阻力功率之和，由式(1)計(jì)算：

式中：ηT=0.9;m=48 800 kg(牽引車(chē)質(zhì)量為8 800 kg，牽引總質(zhì)量為 40 000 kg);g=9.81 m/s2;CD=0.8;A=7.2 m2。

將上述參數(shù)代入式(1)可計(jì)算出所需功率隨車(chē)速的變化曲線(xiàn)，如圖1 所示。該牽引車(chē)設(shè)計(jì)最高車(chē)速為120 km/h，對(duì)應(yīng)所需發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率Pemax=271.83 kW。

1.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性數(shù)學(xué)模型

牽引車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性表達(dá)的是發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、有效轉(zhuǎn)矩和有效功率變化的規(guī)律，其直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配性能。計(jì)算需要將其二維圖通過(guò)插值擬合將其轉(zhuǎn)化為三維圖。筆者選用型號(hào)為276 kW/1900 r/min的玉柴發(fā)動(dòng)機(jī)為例，繪制其萬(wàn)有特性圖，如圖2 所示。

圖1 牽引車(chē)車(chē)速與所需最大功率圖

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性圖

1.3 傳動(dòng)系統(tǒng)模型

傳動(dòng)系統(tǒng)最大傳動(dòng)比為一擋速比與主減速比的乘積，確定最大傳動(dòng)比時(shí)，要考慮3 個(gè)方面的因素：最大爬坡度、附著率和汽車(chē)最低穩(wěn)定車(chē)速。汽車(chē)最大傳動(dòng)比應(yīng)滿(mǎn)足式(2)：

對(duì)于載貨汽車(chē)，最大爬坡度通常設(shè)計(jì)為30%，因此itmin×i0=47.74。

傳動(dòng)系最小傳動(dòng)比為變速器最高擋速比與主減速比的乘積。確定最小傳動(dòng)比時(shí)，主要考慮兩方面：最高車(chē)速和后備功率。汽車(chē)最小傳動(dòng)比應(yīng)滿(mǎn)足式(3)：

可算得itmax×i0=3.11。

變速器速比應(yīng)盡量成等比數(shù)列，由式(2)和式(3)可得最大與最小傳動(dòng)比之比為15.35。假設(shè)變速器擋位數(shù)為k，等比數(shù)列每擋速比為ij，j=1，2，…，k，且現(xiàn)有變速器一般有一個(gè)超速擋。則有：

根據(jù)式(2)～式(4)可得變速器各擋速比分別為11.97、9.34、7.29、5.69、4.44、3.46、2.70、2.11、1.64、1.28、1.00 和0.78，傳動(dòng)系統(tǒng)主減速比i0為3.99。

2 整車(chē)性能分析

2.1 動(dòng)力性指標(biāo)

最高車(chē)速是指汽車(chē)在良好平直路面能達(dá)到的最高行駛車(chē)速，此時(shí)牽引車(chē)的加速阻力與坡度阻力均為0。

最大爬坡度是指牽引車(chē)在滿(mǎn)載良好路面所能爬過(guò)的最大坡度。

原地起步加速時(shí)間是指牽引車(chē)從靜止?fàn)顟B(tài)，由一擋起步，并以最大的加速度(包括選擇最恰當(dāng)?shù)膿Q擋時(shí)機(jī))逐步換至高擋后，到80 km/h 所需的時(shí)間。

2.2 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

2.2.1 牽引車(chē)工況建立

牽引車(chē)工況以世界統(tǒng)一的重型商用車(chē)輛瞬態(tài)車(chē)輛循環(huán)(world transient vehicle cycle，WTVC)為基礎(chǔ)，調(diào)整加速度和減速度形成的駕駛循環(huán)，即C-WTVC循環(huán)工況。它由市區(qū)、公路和高速工況3 個(gè)部分組成，如圖3 所示［8］。

圖3 重型商用車(chē)C-WTVC 循環(huán)

不同用途的車(chē)輛，由于運(yùn)行工況各不相同，因此其燃料消耗量存在較大差異。筆者研究的牽引車(chē)質(zhì)量為40 t，屬于GCM ＞25 000 kg 半掛汽車(chē)系列，在不同路面上的里程分配分別為10%的一般公路和90%的高速公路。

2.2.2 燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)與排放

汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性是指燃燒一定數(shù)量的燃油完成運(yùn)輸工作量的能力，我國(guó)用百公里的燃油消耗油量來(lái)表示，計(jì)算公式如下：

式中：Q(t)為任意t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的燃油消耗量;P(t)為任意t時(shí)刻的輸出功率;b(t)為任意t時(shí)刻的燃油消耗率;Q循環(huán)為常用工況下，一個(gè)循環(huán)的燃油消耗量;S循環(huán)為循環(huán)工況所走的路程;ua(t)為任意t時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的速度;Q為百公里燃油消耗量。

2.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式(7)及C -WTVC 循環(huán)工況可計(jì)算出重型牽引車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放等指標(biāo)，如表2、圖4 和圖5 所示。

表2 牽引車(chē)性能參數(shù)

圖4 牽引車(chē)功率平衡圖

圖5 牽引車(chē)燃油消耗百分比圖

3 動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配

目前國(guó)內(nèi)同級(jí)別的牽引車(chē)主要有豪沃A7、東風(fēng)天龍和解放J6 等重型牽引車(chē)，其主要性能參數(shù)為：最大爬坡度大于30%、最高車(chē)速100 ～110 km/h、百公里燃油消耗為36 ～39 L，排放為國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn);國(guó)外同類(lèi)牽引車(chē)如奔馳、沃爾沃等，其主要性能參數(shù)分別為：最大爬坡度大于30%、最高車(chē)速110 ～120 km/h、百公里油耗約為32 L(某些車(chē)輛甚至低于30 L)、排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)。為了縮小與國(guó)外重型牽引車(chē)的差距，有必要對(duì)動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 遺傳算法與聯(lián)合優(yōu)化

遺傳算法(genetic algorithms，GA)是一種基于自然選擇原理和自然遺傳機(jī)制的搜索算法，模擬自然界中的生命進(jìn)化機(jī)制，在人工系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)的優(yōu)化。遺傳算法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)群體搜索技術(shù)，根據(jù)適者生存的原則逐代進(jìn)化，最終得到最優(yōu)解或準(zhǔn)最優(yōu)解。筆者采用遺傳算法與Cruise進(jìn)行聯(lián)合仿真。遺傳算法需確定可行解域及編碼方法，用數(shù)值串或字符串表示可行解域的每個(gè)解。根據(jù)汽車(chē)行駛的可行性，設(shè)計(jì)變量為主減速器速比i0和變速器各擋位速比ij。由速比構(gòu)成遺傳算法的“染色體”I=［i0，i1，…，i12］，由于汽車(chē)變速器和主減速器制造限制，各速比受到約束，各點(diǎn)的約束范圍決定“染色體”I的選擇范圍。

遺傳算法對(duì)每個(gè)解應(yīng)有一個(gè)度量好壞的依據(jù)，用函數(shù)表示，叫做適應(yīng)度函數(shù)，為非負(fù)函數(shù)。根據(jù)變速器、主減速器和動(dòng)力系統(tǒng)匹配的要求，可確定將動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放的優(yōu)化設(shè)計(jì)為目標(biāo)函數(shù)，即最大爬坡度α、最高車(chē)速u(mài)a、百公里油耗Q和排放。設(shè)計(jì)最大爬坡度大于0.3，則當(dāng)爬坡度大于30%時(shí)，認(rèn)為是最優(yōu)解，否則按f1計(jì)算。同理得到最高車(chē)速的計(jì)算公式，考慮變化率的一致性，將每個(gè)函數(shù)乘以相應(yīng)的變化率系數(shù)［9-10］。

將以上各單目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)采用線(xiàn)性組合，整合成如下綜合目標(biāo)，即為算法的適應(yīng)度函數(shù)。

式中，ωi∈(0，1)，反映了各指標(biāo)對(duì)動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)匹配的重要程度。Cruise 與Matlab 遺傳算法聯(lián)合仿真流程如圖6 所示。

圖6 仿真流程圖

3.2 仿真結(jié)果分析

由于汽車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放都非常重要，因此認(rèn)為其權(quán)重一樣即加權(quán)系數(shù)ω1=ω2=ω3=1/6，ω4=ω5=1/3。設(shè)Imax和Imin分別為“染色體”的上限和下限，其變化范圍為：Imax=［6. 00，16.00，11.00，8.50，6.50，5.00，3.80，3.00，2.40，1.80，1. 40，1. 00，0.90］，Imin=［2. 00，12. 00，8.60，6.60，5.10，3.90，3.05，2. 45，1. 85，1. 45，1.10，1.00，0.60］。

取染色體交叉率Pc=1，變異率Pm=0.05。經(jīng)過(guò)Cruise 與Matlab 聯(lián)合仿真，遺傳算法運(yùn)算得到一組優(yōu)化結(jié)果：Iop=［3.91，12.10，9.37，7.33，5.62，4.30，3.37，2.63，2.01，1. 58，1. 23，1. 00，0.74］。在該傳動(dòng)比下，適應(yīng)度函數(shù)達(dá)到最優(yōu)，結(jié)果如表3、圖7 和圖8 所示。

表3 初始與優(yōu)化性能對(duì)比

圖7 優(yōu)化后的功率平衡圖

圖8 優(yōu)化后燃油消耗百分比圖

由圖8 可知，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的主要工作區(qū)域在1 330 r/min 附近。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)車(chē)試驗(yàn)得到的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性結(jié)果如表4 所示。

表4 實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)牽引車(chē)實(shí)車(chē)試驗(yàn)，其各指標(biāo)相差均在5%以?xún)?nèi)，證明模擬計(jì)算可靠，可節(jié)省大量前期研發(fā)時(shí)間和成本。目前車(chē)輛性能?chē)?guó)內(nèi)與國(guó)際品牌仍有一定的差距，一方面應(yīng)大力提升包括發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的汽車(chē)總成部件的技術(shù)水平和質(zhì)量;另一方面應(yīng)通過(guò)動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化匹配，使汽車(chē)各總成部件的性能得以充分發(fā)揮。

［1］ 余志生. 汽車(chē)?yán)碚摚跰］.5 版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：25 -27.

［2］ 劉盛強(qiáng)，王善坡，宋進(jìn)金.國(guó)際重型汽車(chē)技術(shù)綜述與中國(guó)企業(yè)對(duì)策［J］.汽車(chē)工藝與材料，2010(1)：13-23.

［3］ MARIA I.Fuel optimal power train control for heavy trucks utilizing look ahead［R］.Sweden：Link Opings Universities，2009.

［4］ 武玉維. TY4250 載貨汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化匹配［D］.太原：太原理工大學(xué)圖書(shū)館，2010.

［5］ 劉強(qiáng).中型高級(jí)旅游客車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配研究［D］.上海：上海交通大學(xué)圖書(shū)館，2005.

［6］ 吳碧磊.重型汽車(chē)動(dòng)力學(xué)性能仿真研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)圖書(shū)館，2008.

［7］ 李純菊.歐洲四款重型牽引車(chē)對(duì)比試驗(yàn)［J］.重型汽車(chē)，2003(3)：31 -32.

［8］ 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫局.GB/T27840 -2011 重型商用車(chē)輛燃料消耗量測(cè)量方法［S］.

［9］ GE H W，SHI Y，GOLF R，et al. Heavy -duty diesel combustion optimization using multi-objective genetic algorithm and multi-dimensional modeling［J］. SAE，2009 -01 -0716.

［10］ 劉茜.理想點(diǎn)法在優(yōu)化汽車(chē)傳動(dòng)系參數(shù)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2003(2)：73 -74.