重型半掛牽引車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化匹配

薛玉強(qiáng)　蔣榮超　鄭旭光

文章編號(hào)：10069798（2022）02007407;DOI：10.13306/j.10069798.2022.02.012

摘要：為改善某重型半掛牽引車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，本文利用整車及動(dòng)力總成仿真分析軟件CRUISE，建立了某重型半掛牽引車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型。針對(duì)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和主減速器的匹配，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)分析方法，對(duì)整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化匹配，確定了發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、主減速器的最優(yōu)匹配組合。研究結(jié)果表明，優(yōu)化匹配后的重型半掛牽引車傳動(dòng)系統(tǒng)，除最高車速略有下降外，最高擋超車加速時(shí)間及最大爬坡度均有所提升，且在CHTC-TT循環(huán)工況下的百公里耗油量降低了9.29%，整車的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性得到有效改善。該研究對(duì)提升汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：重型汽車;動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng);動(dòng)力性;燃油經(jīng)濟(jì)性;正交試驗(yàn)設(shè)計(jì);匹配優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U469.5+3;U462.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著中國(guó)汽車市場(chǎng)的迅速發(fā)展，能源消耗和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻[13]，因此，在保證汽車動(dòng)力性的基礎(chǔ)上，降低燃油消耗已成為汽車行業(yè)重要研究問(wèn)題。汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是整車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的重要部分，合理的汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)可有效提升汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性[47]。近年來(lái)，許多學(xué)者針對(duì)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配優(yōu)化進(jìn)行了大量研究。楊翔宇等人[8]從能量流的角度分析車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的能量需求，驗(yàn)證了傳動(dòng)系匹配方法的合理性;劉道東等人[9]通過(guò)底盤(pán)測(cè)功機(jī)試驗(yàn)及數(shù)值仿真模型，匹配動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)，降低了整車燃油經(jīng)濟(jì)性;劉慶[10]基于遺傳優(yōu)化算法優(yōu)化某轎車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，提升了整車綜合性能;陶小松等人[11]利用AMESim軟件建立汽車仿真模型，對(duì)整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化;牛秦玉等人[12]利用非線性權(quán)重粒子群算法優(yōu)化速比參數(shù)，降低了整車燃油經(jīng)濟(jì)性;王飛[13]利用Matlab/Simulink軟件建立純電動(dòng)物流車模型，設(shè)計(jì)最優(yōu)換擋策略，提升了整車綜合性能。國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的頒布對(duì)車輛的排放要求更加嚴(yán)格[1416]，重型車輛作為物流界的關(guān)鍵車型，降低其燃油消耗量和提高整車動(dòng)力性意義重大?；诖?，本文以某款重型半掛牽引車為研究對(duì)象，結(jié)合正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)和熵權(quán)灰色關(guān)聯(lián)分析方法，選取發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱及主減速器為試驗(yàn)因素，對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行匹配優(yōu)化，最后選用中國(guó)重型商用車輛CHTC-TT的行駛工況進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)可使整車的動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性得到有效改善，具有一定的應(yīng)用前景。

1重型半掛牽引車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)建模及動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性

1.1重型半掛牽引車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)建模

本文以某公司生產(chǎn)的重型半掛牽引車為研究對(duì)象，該車為6×2雙前橋、單后橋驅(qū)動(dòng)輪系布置型式，主要?jiǎng)恿偝砂ㄖ绷?缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、12擋手動(dòng)變速箱和主減速比為4.111的主減速器。重型半掛牽引車基本參數(shù)如表1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表2所示。

利用整車及動(dòng)力總成仿真分析軟件CRUISE進(jìn)行整車建模，CRUISE軟件是由奧地利AVL公司開(kāi)發(fā)的動(dòng)力學(xué)仿真軟件，它可將各個(gè)部件進(jìn)行模塊化[1719]。本文根據(jù)重型半掛牽引車所需主要模塊建立整車模型，重型半掛牽引車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型如圖1所示。傳動(dòng)系統(tǒng)模型主要包括整車模塊（Vehicle）、駕駛室模塊（Cock-pit）、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊（Engine）、離合器模塊（Clutch）、變速箱模塊（GearBox）和主減速器模塊（SingleRatioTransmission）。在模型中設(shè)置各個(gè)模塊的參數(shù)，按照各個(gè)部件之間的信號(hào)傳遞關(guān)系進(jìn)行物理連接和信號(hào)連接。

1.2動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真分析

在中國(guó)半掛牽引車行駛工況（CHTC-TT）下，對(duì)整車進(jìn)行動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性仿真分析[20]，利用CRUISE軟件，計(jì)算最高車速為147km/h，對(duì)加速性能進(jìn)行仿真分析，分別計(jì)算0～100km/h加速時(shí)間和超車加速時(shí)間，根據(jù)重型半掛牽引車超車實(shí)際行駛工況，只計(jì)算XI擋和XII擋在速度為60～100km/h內(nèi)的超車加速時(shí)間。起步加速時(shí)間曲線如圖2所示;XI擋超車加速時(shí)間曲線如圖3所示;XII擋超車加速時(shí)間曲線如圖4所示。由圖2可以看出，牽引車在速度為0～100km/h內(nèi)的加速時(shí)間為35.88s;由圖3和圖4可以看出，XI擋和XII擋在60～100km/h加速時(shí)間分別為27.4s和39.17s，加速性能較低，因此整車的加速性能有待提高。

對(duì)整車爬坡性能進(jìn)行仿真計(jì)算，各擋爬坡性能曲線如圖5所示。由圖5可以看出，I擋的最大爬坡度為47.59%，大于30%，爬坡性能適中，但重型商用車行駛工況復(fù)雜，對(duì)爬坡性能要求較高，需要加以改進(jìn)。

通過(guò)仿真計(jì)算，得到每個(gè)擋位對(duì)應(yīng)的等速百公里燃油消耗量，由于重型半掛牽引車常行駛于高速路況，因此重點(diǎn)關(guān)注60～100km/h的高擋位等速百公里燃油消耗量[21]，高擋位等速百公里燃油消耗量如表3所示。由表3可以看出，在擋位相同時(shí)，隨著車速的提高，燃油油耗量快速增加;在等速行駛時(shí)，擋位越高，燃油消耗量越低。擋位和車速的合理匹配對(duì)降低燃油消耗量非常關(guān)鍵。根據(jù)中國(guó)半掛牽引車行駛工況定義，CHTC-TT循環(huán)工況曲線如圖6所示，可計(jì)算得到重型半掛牽引車在該循環(huán)工況下，百公里燃油消耗量為17.65L/100km。

2重型半掛牽引車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化匹配

2.1動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配

發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和主減速器與整車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)。變速箱選取I擋速比時(shí)，應(yīng)盡可能

選取較小的傳動(dòng)比，同時(shí)要避免傳動(dòng)比過(guò)小引起發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)。主減速器的作用是降低傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，增大轉(zhuǎn)矩[22]。一般情況下主減速比越小，燃油經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)，但動(dòng)力性會(huì)有所下降。因此在選取主減速器時(shí)，應(yīng)在保證動(dòng)力性的前提下選取較小的主減速比。

本文分別選取3種不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和主減速器，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表4所示，變速箱各擋位速比如表5所示。3種主減速器的傳動(dòng)比分別選取4.11，3.71和3.58。

2.2動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化匹配

合理匹配整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)與整車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)[23]，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法研究發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、變速箱參數(shù)和主減速器參數(shù)對(duì)整車性能的影響。整車性能需要考慮動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)性能指標(biāo)，所以重型牽引車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，動(dòng)力性采用最高車速和最大爬坡度2個(gè)指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，經(jīng)濟(jì)性采用CHTCTT工況下的百公里油耗作為優(yōu)化目標(biāo)。

本文選取發(fā)動(dòng)機(jī)（因素A）、變速箱（因素B）、主減速器（因素C）作為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的3個(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)計(jì)3個(gè)水平，根據(jù)因素?cái)?shù)和水平數(shù)，選取L9（33）正交表對(duì)重型半掛牽引車進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配，各評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表6所示。由表6可以看出，不同的傳動(dòng)系統(tǒng)匹配方案，其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有較大差異。

由于動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性相互矛盾，為了綜合分析整車匹配的優(yōu)劣性，本文采用基于熵權(quán)法的灰色關(guān)聯(lián)分析法，將動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)換成單目標(biāo)優(yōu)化。熵權(quán)法是用熵值判斷某個(gè)指標(biāo)的離散程度，熵值越小，表示指標(biāo)離散程度越大，對(duì)應(yīng)的權(quán)重就越大?；疑P(guān)聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)理論的重要分支，是多因素統(tǒng)計(jì)分析的方法[2425]，采用灰色關(guān)聯(lián)分析可以將多性能評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡阅茉u(píng)價(jià)指標(biāo)。-基于熵權(quán)法的灰色關(guān)聯(lián)分析計(jì)算得到3個(gè)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)與權(quán)重，最后計(jì)算出灰色關(guān)聯(lián)度，灰色關(guān)聯(lián)度越高，表示綜合性能越好。灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)如表7所示，正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果如表8所示。根據(jù)正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果列出的極差分析表，極差分析表如表9所示。

根據(jù)表9中各因素均值與極差大小，確定各因素主次順序?yàn)橹鳒p速器、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱。極差分析根據(jù)極差大小即可求得最優(yōu)因素水平，但最優(yōu)因素對(duì)試驗(yàn)的影響是否顯著并不明確，需要進(jìn)行方差分析。主減速器均方和與誤差均方和比值FS>F（2，2）0.25=3.0，主減速器在0.25顯著水平上表現(xiàn)為顯著，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱在0.25的水平上均不顯著。由表7～表8的計(jì)算結(jié)果，確定最優(yōu)方案為發(fā)動(dòng)機(jī)I、變速箱II和主減速器I。-

根據(jù)極差分析結(jié)果列出方差分析表，方差分析表如表10所示。將優(yōu)化后的方案與原車方案的整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，優(yōu)化方案與原車方案性能對(duì)比結(jié)果如表11所示，由表11可以看出，優(yōu)化后的牽引車最高車速較初始值降低了1.13%，但速度大于130km/h，一擋最大爬坡度提高了7.88%。最高擋超車加速時(shí)間縮短了30.10%，加速性能顯著提升。整車在動(dòng)力性方面明顯提升。經(jīng)濟(jì)性方面，在中國(guó)半掛牽引車行駛工況（CHTC-TT）下百公里油耗量由17.65L下降到16.01L，降低了9.29%，經(jīng)濟(jì)性能得到提高。

3結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)某重型半掛牽引車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，并對(duì)整車動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和熵權(quán)法的灰色關(guān)聯(lián)分析方法，對(duì)整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化匹配，得到了最優(yōu)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配方案。結(jié)果表明，優(yōu)化后除最高車速略微下降外，最大爬坡度及百公里加速時(shí)間均有所提升，且燃油消耗量減少了9.29%，整車的動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性得到有效改善。該研究對(duì)重型半掛牽引車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配方法提供了參考依據(jù)。但由于時(shí)間限制，本文對(duì)重型半掛牽引車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配結(jié)果沒(méi)有進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，需要以后進(jìn)一步完善。-參考文獻(xiàn)：

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Multi-ObjectiveMatchingOptimizationofPowerTransmissionSystemofHeavySemi-TrailerTractor

XUEYuqiang1，JIANGRongchao1，ZHENGXuguang2

（1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，QingdaoUniversity，Qingdao266071，China;

2.ZhonghuanSatelliteNavigationandCommunicationCo.，Ltd，Qingdao266041，China）

Abstract：Inordertoimprovethepowerperformanceandfueleconomyofaheavysemi-trailertractor，thesimulationmodelofthepowertransmissionsystemofaheavysemi-trailertractorisestablishedbyusingthevehicleandpowertrainsimulationanalysissoftwareCRUISE.Inviewofthematchingofdifferentengines，gearboxesandmainreducers，theorthogonalexperimentaldesignandtheentropyweightgreycorrelationanalysismethodareusedtocarryoutthemulti-objectiveoptimizationmatchingofvehiclepowerandeconomy，andtheoptimalmatchingcombinationofengines，gearboxesandmainreducersisdetermined.Theresultsshowthatthetransmissionsystemoftheoptimizedmatchingheavysemi-trailertractorhasimprovedtheaccelerationtimeandmaximumclimbingdegreeofthemaximumstopoverandovertakingvehicle，andthefuelconsumptionof100kmunderCHTC-TTcycleconditionisreducedby9.29%.Thedynamicperformanceandfueleconomyofthevehicleareeffectivelyimproved.Thisstudyhascertainreferencevalueforimprovingvehiclepowerperformanceandfueleconomy.

Keywords：heavyvehicles;powertransmissionsystem;dynamicperformance;fueleconomy;orthogonalexperimentaldesign;matchingoptimization

收稿日期：20211126;修回日期：20220110

作者簡(jiǎn)介：薛玉強(qiáng)（1995），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檎噭?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配優(yōu)化。

通信作者：蔣榮超（1985），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師.主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制。Email：rcjiang@qdu.edu.cn