汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化選擇

殷文芬

（德州學院汽車工程學院，山東德州　253023）

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汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化選擇

殷文芬

（德州學院汽車工程學院，山東德州253023）

摘要：汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)是決定汽車動力性和經(jīng)濟性好壞的關(guān)鍵因素，通過對汽車動力性和燃油經(jīng)濟性分析，總結(jié)出汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化方向，并在此基礎(chǔ)上通過求解約束問題極小值的復合形法進行傳動系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化實驗。

關(guān)鍵詞：汽車傳動系統(tǒng)；優(yōu)化；指標

在開發(fā)一款新的車型和對已有車型進行改進，汽車的動力性和經(jīng)濟性始終是研究人員最為重視的一個方面。目前，國內(nèi)外對于汽車傳動系統(tǒng)的優(yōu)化措施主要包括以下3個方面。

（1）汽車傳動系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)該與汽車舒適性、操縱穩(wěn)定性、噪聲震動等方面相適應(yīng)，為汽車整體的優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

（2）充分考慮汽車在運行過程中，空載和滿載等不同工況的特征，考慮到汽車所行駛條件對汽車動力性和經(jīng)濟性的影響。

（3）充分利用科學技術(shù)的發(fā)展成果，建設(shè)開發(fā)出更加迅速強大，計算能力更強的設(shè)計軟件和系統(tǒng)。

1　汽車傳動系統(tǒng)的概念

圖1　汽車傳動系統(tǒng)總成

汽車發(fā)動機與驅(qū)動輪之間的動力傳遞裝置稱為汽車的傳動系。傳動系統(tǒng)作為汽車重要的組成部分之一，是將發(fā)動機產(chǎn)生的力矩通過離合器、變速器、傳動軸、萬向節(jié)、差速器和半軸傳遞給驅(qū)動輪，使車輛運動。在汽車行駛過程中，通過控制離合器的分離和結(jié)合，以切斷和傳遞發(fā)動機力矩，向車輪輸入動力。如圖1所示。

2　影響傳動系統(tǒng)參數(shù)的指標

目前，我國針對汽車傳動系統(tǒng)的優(yōu)化措施是在汽車總質(zhì)量，質(zhì)量的軸荷分配，滾動阻力和空氣阻力等量已確定的情況下，進行合理的設(shè)計和選擇傳動系參數(shù)，從而大幅優(yōu)化汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性。

一般的，對于傳動系統(tǒng)參數(shù)的選擇方法是通過汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計評價指標的研究來進行優(yōu)化設(shè)計的。對于汽車傳動系參數(shù)的評價指標，一般是用汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性的加權(quán)值作為評價指標。汽車動力性的好壞，是汽車傳動系統(tǒng)優(yōu)劣的重要體現(xiàn)之一。同樣的，汽車燃油經(jīng)濟性的高低，也可以通過傳動系統(tǒng)體現(xiàn)出來。

（1）動力性的評價指標。根據(jù)汽車理論知識，汽車動力性評價指標有最高車速、加速時間和最大爬坡度。汽車驅(qū)動力的大小能夠體現(xiàn)汽車動力性的好壞。驅(qū)動力越大，克服汽車行駛阻力的能力越強，動力性越好。汽車最高車速是表征汽車動力性的評定指標之一，汽車最高車速的增大，能夠確定發(fā)動機輸出功率的變化，根據(jù)公式：

式中：Pe為發(fā)動機功率；ηT為機械效率；Pf為滾動阻力功率；Pw為空氣阻力功率；Pi為坡度阻力功率；Pj為加速阻力功率。

根據(jù)汽車速度公式可以知道，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速一定，車輪半徑不變的情況下，汽車傳動系傳動比，即igi0的變化，直接影響到汽車的最高車速。而通過汽車發(fā)動機功率公式可以得到汽車車速的增加能夠提高汽車發(fā)動機功率，體現(xiàn)出汽車動力性的增加。因此，通過討論汽車動力性的好壞，可以得到：汽車傳動系統(tǒng)的優(yōu)化，是以改變汽車傳動系傳動比來實現(xiàn)的。

（2）燃油經(jīng)濟性的評價指標。目前，汽車的燃油經(jīng)濟性的評定指標主要是等速百公里燃油消耗量和一定燃油量所能行駛的里程。根據(jù)汽車燃油消耗量公式：

式中：Ua為汽車車速，n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r為車輪半徑，ig為變速器傳動比，i0為主減速器傳動比。

可以得到：汽車燃油消耗量的大小也和汽車發(fā)動機功率以及汽車車速有關(guān)。從汽車結(jié)構(gòu)方面，提高燃油經(jīng)濟性的途徑可以增加汽車傳動系統(tǒng)的檔位數(shù)，增加汽車傳動系的檔位數(shù)，也是增加了選用合適檔位使發(fā)動機處于經(jīng)濟工作狀況的機會，從而有利于提高汽車的燃油經(jīng)濟性。而檔數(shù)無限的無級變速器，可以在任何條件下提供使發(fā)動機在最經(jīng)濟工況下工作的可能。因此，通過討論燃油經(jīng)濟性，可以得到：傳動系的優(yōu)化通過改變傳動系統(tǒng)的檔位數(shù)和采用無級變速的方式實現(xiàn)。

3　汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

針對上述汽車動力性和燃油經(jīng)濟性的討論，結(jié)合動力性和燃油經(jīng)濟性模擬計算程序，從而開發(fā)出一款汽車傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)。通過求解約束問題極小值的復合形法，可以方便的得出汽車傳動系參數(shù)的優(yōu)化解。

（1）選取優(yōu)化設(shè)計變量。根據(jù)之前的分析，傳動系的主要優(yōu)化參數(shù)就是各檔位的傳動比ig和主減速器傳動比i0，因此，優(yōu)化模型的設(shè)計變量應(yīng)該選為：

式中：igi為變速器第i擋傳動比，i0為主減速器傳動比。

（2）動力性目標函數(shù)的建立。選取汽車原地起步時連續(xù)換擋的加速時間作為目標函數(shù)，在優(yōu)化中要求加速時間盡量小。因此:

式中：Vmin為最小穩(wěn)定車速；δ0為非穩(wěn)定工況時發(fā)動機特性變化及慣性影響回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；Ga為汽車總質(zhì)量。

（3）經(jīng)濟性目標函數(shù)的建立。在機動車經(jīng)濟性中，要按照多種工況循環(huán)使用油耗作為評價指標建立汽車經(jīng)濟性的目標函數(shù)，包括加速、等速、減速和怠速等工況。因此，多工況循環(huán)耗油量只和為：

式中：α、β、γ、σ分別為等速段、加速段、減速段和怠速段總數(shù)；Q1、Q2、Q3、Q4分別為等速、加速、減速和怠速的油耗；γ為燃油的重度；ge為燃油消耗率；s1，s2，s3為等速、加速、減速段行程；u0，ut為加速起始、終了的車速；u01，ut1為減速起始、終了的車速；td為怠速時間；s為整個多工況循環(huán)行程。

（4）雙目標函數(shù)優(yōu)化成單一目標函數(shù)

f（X）=ω1f（X1）+ω2f（X2）

式中：ω1，ω2分別為動力性、經(jīng)濟性加權(quán)因子；f（X1）為動力性目標函數(shù)；f（X2）為經(jīng)濟性目標函數(shù)。

（5）變速器速比的約束條件。將五檔變速器機動車進行優(yōu)化，變速器各檔傳動比之間的公比為:

當q值確定后，則有：

（6）整車基本性能要求約束條件

（7）優(yōu)化數(shù)學模型。根據(jù)前文分析，可得到優(yōu)化問題模型為：

由于優(yōu)化過程的目標函數(shù)和約束條件較為復雜，需要大量的數(shù)值計算，因此我們采用matlab編程，選擇求解約束問題極小值的復合形法進行求解。

利用復合形法程序框圖輸出目標函數(shù)最小的點作為汽車傳動系的最優(yōu)點。利用該系統(tǒng)對實驗樣車的汽車傳動系統(tǒng)進行優(yōu)化。已知條件：汽車總重W=26460N，軸距L=2059m，輪距B=1.41m，迎風面積A=20846m2，風阻系數(shù)CD=0.45。該車發(fā)動機功率Pe=52.3kW，最大扭矩Me=172. 5N，輪胎半徑r=0.317m。

機械式五檔變速器變速比如表1所示，不同加權(quán)因子條件下的傳動比優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表1　實驗樣車變速比

從表2中可以看出，傳動系參數(shù)經(jīng)過優(yōu)化后，功率損失有了下降，同時降低了六工況實驗條件下的累計使用油耗。優(yōu)化后的六工況使用油耗比不優(yōu)化的六工況使用油耗降低了2.72%。從表中可以得到優(yōu)化后的動力性和燃油經(jīng)濟性均有明顯改善。

表2　不同加權(quán)因子條件下傳動比優(yōu)化結(jié)果

4　結(jié)語

對于較為普遍的五檔變速器乘用車，運用線性加權(quán)將動力性和燃油經(jīng)濟性這兩個目標函數(shù)轉(zhuǎn)化為單一目標函數(shù)，根據(jù)汽車在不同運用情況下選取不同的加權(quán)因子，使乘用車傳動參數(shù)能夠得到最優(yōu)化的結(jié)果，從而提高汽車的整體性能。

參考文獻

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［5］劉惟信.機械最優(yōu)化設(shè)計［M］.北京：清華大學出版社，2000.

Optimization and Selection of Parameters of Automobile Transmission System

YIN Wen-fen
（Collegeof Automotive Engineering，Dezhou College，Dezhou，Shandong 253023，China）

Abstract:Parameter of automobile transmission system is a key factor which decides the power performance and the economy of the automobile，through analysis of power and fuel economy of automobiles，this paper sums up the optimizing direction of automobile transmission system parameters，and on this basis，implements optimization experiment of automobile transmission system parameters by complex method.

Key words:Automobile transmission system；Optimization；Index

作者簡介：殷文芬（1994-），女，大學本科，主要研究方向：交通運輸。

收稿日期：2016-01-07

中圖分類號：U463.2

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）02-0032-03