基于實際工況和運行載荷的城市公交傳動參數(shù)優(yōu)化研究

嚴英　陳雙喜

摘 要： 針對實際運行工況與傳動比參數(shù)不匹配導致公交車燃油經濟性變差的問題，采集超過10萬km的實車運行數(shù)據(jù)，從中提出了10個反映線路運行特點的特征參數(shù)，基于運動學片段構建了公交特征工況，與實際路況統(tǒng)計特征參數(shù)相對偏差在3%以內。采用拉丁超立方抽樣的試驗設計方法，以發(fā)動機工況點在萬有特性MAP經濟區(qū)域分布比例最大為優(yōu)化目標，建立基于工況和載荷狀態(tài)的GT整車性能仿真模型，以動力性設計指標為約束條件，確定最佳的傳動比參數(shù)。結果表明，基于運行工況和實際載荷優(yōu)化公交車傳動比參數(shù)，實現(xiàn)車輛燃油經濟性改善是可行的，油耗比原車降低了2.76%。

關鍵詞： 行駛工況； 載荷狀態(tài)； 傳動比； 拉丁超立方抽樣； 燃油經濟性

中圖分類號： TN911?34； U469.72 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）06?0045?04

Abstract：In view of the issue that the mismatching between driving condition and powertrain gear ratio parameters affects vehicles fuel economy， the actual running data of city buses running over 100 000 km was collected. According to the data， 10 feature parameters reflecting the bus route running characteristics are put forward， and the bus driving conditions are created on the basis of kinematics. The deviation is within 3% relative to the real road condition statistical characteristic parameters. The testing design method of Latin hypercube sampling （LHS） was adopted to optimize the powertrain gear ratio parameters， and build a GT?SUITE vehicle performance simulation model considering the driving conditions and vehicle average load state to confirm the best transmission ratio parameter taking the dynamic property design index as the constraint condition. Result shows it is feasible to realize the improvement of bus fuel economy on the basis of the driving conditions and bus transmission ratio parameters relying on real load optimization. The fuel consumption was decreased by 2.76% compared with that of the bus with original configuration.

Keywords： driving condition； load state； gear ratio； Latin hypercube sampling； fuel economy

0 引 言

城市公交實際運行交通情況對車輛油耗有重要影響。我國多基于國標GB/T19754?2005的中國典型城市公交循環(huán)工況來設計和評價城市公交的燃油經濟性。這與公交車實際運行工況相差較大，進而導致公交車實際油耗偏高。選擇與工況相匹配的發(fā)動機功率和整車傳動系配置，實現(xiàn)車?路適配，是降低油耗的有效手段。研究表明，基于平均車速等特征參數(shù)建立的典型工況可反映實際路況[1?6]。在評價傳動系統(tǒng)的性能時，行駛工況的選擇對油耗有著重要的影響[7?8]。

在構建典型工況優(yōu)化車輛油耗的研究中，車輛運行載荷對燃油經濟性也有很大影響[9?10]。為此，本文研究基于特征參數(shù)構建了公交工況，并引入公交運行載荷作為系統(tǒng)輸入，對傳動比參數(shù)進行油耗經濟性仿真優(yōu)化，并對優(yōu)化后的參數(shù)進行了動力性指標檢驗。

1 研究對象

研究對象為天津市濱海公交503路柴油公交客車。車輛型號為宇通ZK6902HGA。該公交線路跨郊區(qū)?城郊?市區(qū)三種典型路況，全程70.4 km，途經64個站點，如圖1所示。

2 公交車行駛工況

2.1 特征參數(shù)定義

公交車遵循“怠速停車?出站行駛?進站停車”的駕駛模式。因此，可將車輛從一個怠速開始到下一個怠速開始的過程定義為運動學片段。本文提取運動學片段時限為怠速時長大于1 s。為了定量地研究該公交行駛工況的特征，定義怠速比例、平均速度、速度標準差等參數(shù)，采用統(tǒng)計學方法研究其工況特征，參數(shù)的具體定義如表1所示。

2.2 行駛工況構建

研究對象行駛路線覆蓋了郊區(qū)?城郊?市區(qū)三種差異很大的典型路況，有必要分區(qū)統(tǒng)計特征參數(shù)和劃分運動學片段，然后按照各個典型路況的平均運行時間按比例組合。以郊區(qū)工況構建為例，具體流程如圖2所示。

依據(jù)平均速度和運行里程劃分，三種典型工況的時間比例為37.83%，22.31%，39.86%。按照圖2流程構建的三種工況時間分別為492.7 s和737.6 s，時間比例為35.73%，25.74%，38.53%，構建的工況曲線如圖3所示，試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征與構建的公交工況特征參數(shù)見表2。

由表2可知，工況指標偏差小于3%，構建的工況能夠反映該線路車輛的實際行駛特征，滿足研究的需要。

2.3 平均載荷狀態(tài)統(tǒng)計

依據(jù)車輛行駛動力方程，由車速、發(fā)動機扭矩信息，采用最小二乘曲線擬合進行載荷估計，得到沿途64個站點間最大概率載荷，平均載荷10 150 kg，如圖4所示。這將作為動力系統(tǒng)匹配的車輛模型輸入參數(shù)之一。

3 動力系統(tǒng)參數(shù)仿真優(yōu)化

基于車輛縱向動力學知識，車輛行駛時傳動比影響發(fā)動機工況點分布，從而影響百公里油耗。優(yōu)化傳動系參數(shù)的目標，就是讓發(fā)動機工況點盡可能處于萬有特性曲線低油耗區(qū)。根據(jù)發(fā)動機及整車配置參數(shù)，利用GT?SUITE軟件搭建柴油公交客車動力學仿真模型。

3.1 試驗設計方法

本研究選擇拉丁超立方抽樣法設計仿真Case案例。根據(jù)原車配置的QJ805系列變速箱速比，各檔傳動比的設定范圍如表3所示，設計了40組仿真Case。

表3 各檔傳動比設定范圍

3.2 燃油經濟性目標優(yōu)化與分析

按照表3中設計的仿真Case及原車配置的車速比參數(shù)進行性能仿真，仿真油耗如圖5所示。

以燃油經濟性最優(yōu)的優(yōu)化目標，根據(jù)圖5中的仿真油耗，優(yōu)先選擇百公里油耗為28.2 L/100 km的Case2和Case31，確定最佳的傳動比參數(shù)。原機配置（Case0）、Case2和Case31的傳動比參數(shù)如表4所示。

實車檔位利用率分布如圖6所示，其中G1表示處于空檔和最低檔的時間比例，4檔和5檔的總利用率高達55%，其傳動比對油耗有決定性的影響。在實際傳動比選擇時，較高擋位相鄰兩擋間的傳動比的間隔應小些，特別是最高擋與次高擋之間更應小些[6]。因此優(yōu)先選擇Case 2對應的傳動比參數(shù)。

道路工況下優(yōu)化傳動比參數(shù)，就是優(yōu)化發(fā)動機工況點在萬有特性MAP上的分布。Case0和燃油經濟性最好Case2的仿真工況點分布如圖7所示。

發(fā)動機工況點各個區(qū)域的分布比例如表5、表6所示。對比原機配置Case0和優(yōu)化配置Case2的發(fā)動機工況點分布比例，發(fā)動機在中等轉速、中等負荷區(qū)域（1 200～1 600 r/min，185～450 N·m）分布增加，中低速、中大負荷區(qū)域（600～1 200 r/min，315～750 N·m）分布降低。

參數(shù)優(yōu)化后發(fā)動機工作點更集中，且分布在經濟區(qū)域的工況點更多，公交循環(huán)工況油耗降低了2.76%。

3.3 動力性指標檢驗

根據(jù)天津市實際路況，傳動比優(yōu)化的約束條件為：最大爬坡度不低于30%；最高車速不低于85 km/h。

經計算，Case2的傳動比參數(shù)滿足上述約束。這表明，在保證動力性設計指標的前提下，可通過優(yōu)化車輛傳動比提高運行經濟性。

4 結 論

本文提出了10個反映公交線路運行特點的特征參數(shù)，使用運動學片段組合的方法構建了公交工況，經有效性驗證，與實際路況統(tǒng)計特征參數(shù)相對偏差在3%以內，可用于傳動系統(tǒng)參數(shù)仿真研究。采用拉丁超立方抽樣的試驗設計方法，基于公交工況和平均載荷狀態(tài)進行最佳燃油經濟性的傳動比參數(shù)優(yōu)化。結果表明，在保證動力性設計指標的前提下，公交循環(huán)工況燃油經濟性比原車配置提高了2.76%。

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