汽車發(fā)動機和傳動系的匹配分析和設(shè)計

王廣逸 龔清陽

摘 要：隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，能源矛盾問題日益突出，要保證汽車動力性提高燃料利用率。車輛動力性能是汽車的根本性能，車輛發(fā)動機參數(shù)確定下合理匹配動力傳動系可提高燃油經(jīng)濟性。發(fā)動機與傳動系匹配計算是車輛開發(fā)設(shè)計的前提，汽車傳動系優(yōu)化匹配目的使發(fā)動機運行在理想工作區(qū)，提高發(fā)動機使用壽命，對緩解汽車保有量增長帶來燃油供應量不足矛盾具有重要意義。分析汽車發(fā)動機傳動系優(yōu)化模型，進行汽車發(fā)動機傳動系模擬計算，提出發(fā)動機與傳動系匹配設(shè)計。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機 傳動系 匹配分析設(shè)計

Abstract：With the development of China's economy， the problem of energy contradiction is becoming increasingly prominent， and it is necessary to ensure the power of automobiles and improve fuel utilization. Vehicle dynamic performance is the fundamental performance of automobiles， and reasonable matching of the power train under the determination of vehicle engine parameters can improve fuel economy. Engine and drive train matching calculation is the premise of vehicle development and design， and the purpose of automobile drive train optimization matching is to make the engine run in the ideal working area， improve the service life of the engine， and alleviate the contradiction of insufficient fuel supply caused by the growth of automobile ownership. The optimization model of automobile engine drive train is analyzed， the simulation calculation of automobile engine drive train is carried out， and the matching design of engine and driving train is proposed.

Key words：automobile engine， driving train， match the analysis design

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，汽車工業(yè)得到快速發(fā)展，當前我國石油對外依存度超過55%，現(xiàn)有汽車保有量達3億輛，汽車尾氣排放一氧化碳等有害物嚴重污染空氣，降低汽車燃油量成為節(jié)能減排亟待解決的問題。汽車傳動系對車輛動力傳動性有很大影響，改善傳統(tǒng)汽車動力裝置是提高汽車經(jīng)濟性的有效途徑，主要措施包括優(yōu)化匹配傳動系統(tǒng)等。匹配優(yōu)化汽車動力系統(tǒng)是傳統(tǒng)汽車節(jié)能技術(shù)，與發(fā)動機合理匹配傳動系統(tǒng)可以提高汽車傳動效率，汽車傳動系統(tǒng)匹配優(yōu)化可以減輕發(fā)動機磨損，有助于控制汽車尾氣排放造成環(huán)境污染，研究汽車發(fā)動機與傳動系統(tǒng)匹配設(shè)計技術(shù)具有重要意義。

1 汽車發(fā)動機傳動系性能分析

當前汽車成為人們出行的重要交通方式，人們追求車輛行駛速度更快同時希望車輛省油，行駛相同距離燃油消耗量小會降低能耗，可以通過不降低汽車動力下提高經(jīng)濟性。汽車動力性是汽車重要的參數(shù)，發(fā)動機性能與傳動系統(tǒng)匹配是影響汽車動力性的關(guān)鍵因素。汽車動力性取決于發(fā)動機選型，與引擎合理匹配的傳動系可以使其在理想工作區(qū)運行，減輕引擎磨損提高使用壽命[1]。大多數(shù)生產(chǎn)廠商采用傳統(tǒng)方法，尋求有效的優(yōu)化法使汽車動力傳動系參數(shù)合理匹配是具有重要意義的課題。

汽車使用性能是發(fā)揮最大工作效率的能力，汽車傳動系影響汽車動力性，發(fā)動機工況以發(fā)出功率Pe與轉(zhuǎn)速n表示，發(fā)動機性能特性包括負荷速度等，汽車動力方針計算需要使用發(fā)動機外特性[2]。汽車應用中大部分情況油門部分開啟，發(fā)動機負荷特性對計算汽車負荷性能具有重要意義。汽車運輸效率取決于動力性，動力性評價指標反映汽車可達到極限行駛能力，汽車最高車速是在良好路面達到最高行駛速度，對汽車各檔最高車速比較得到最大值μmax，最大爬坡度代表汽車極限爬坡能力[3]。由于汽車設(shè)計不合理導致提供動力大于地面附著力，計算最大爬坡度應考慮汽車行駛驅(qū)動條件。汽車理想牽引力與實際牽引特性見圖1。

車輛接入變矩器后輸出特性不同于發(fā)動機輸出特性，車輛傳動系統(tǒng)中將變矩器后形成系統(tǒng)視為動力源，發(fā)動機與液力傳動系優(yōu)化匹配計算要對部件參數(shù)精確計算，對匹配作出評價與優(yōu)化設(shè)計[4]。液力傳動車輛性能與發(fā)動機等性能有關(guān)，發(fā)動機與液力變矩器組合為新動力裝置，二者匹配是進行傳動車輛牽引特性計算基礎(chǔ)，發(fā)動機外特性曲線是研究與液力變矩器匹配的基礎(chǔ)，為提高車輛行駛速度，充分利用發(fā)動機最大有效功率，希望變矩器與發(fā)動機工作范圍處于比燃油消耗量最低處[5]。汽車經(jīng)濟性是為完成運輸產(chǎn)品產(chǎn)量支付最少費用工作性能，燃油經(jīng)濟性反映汽車行駛工況對發(fā)送機使用性能影響。等速行駛百公里燃油消耗量是汽車以最高檔等速行駛百公里油耗量，等速油耗經(jīng)濟性不能全面評價汽車運行燃油經(jīng)濟性，多工況循環(huán)實驗包括等加速行駛等工況，計算方法與燃油經(jīng)濟性仿真相同。

2 汽車發(fā)動機傳動系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學模型

汽車整車性能主要考慮動力性與經(jīng)濟型，發(fā)動機與傳動系參數(shù)匹配確定成為汽車設(shè)計的重要部分。隨著汽車工業(yè)專業(yè)分工細化，傳統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化法存在設(shè)計周期長等不足，整車廠設(shè)計生產(chǎn)存在參數(shù)匹配不合理現(xiàn)象[6]。汽車動力性與燃油經(jīng)濟同發(fā)動機參數(shù)匹配相關(guān)，可以通過優(yōu)化設(shè)計使發(fā)動機與傳動系參數(shù)最佳匹配，合理選擇發(fā)動機與傳動系有關(guān)參數(shù)。汽車動力傳動系優(yōu)化模型設(shè)計需要建立發(fā)動機特性數(shù)學模型，與液力變矩器匹配特性模型。

發(fā)動機性能數(shù)學模型是車輛動力性計算的重要依據(jù)，描述發(fā)動機性能特性方法包括經(jīng)驗公式法，數(shù)學模型描述法。采用三次樣條函數(shù)插值法具有靈活計算處理方便等優(yōu)點，利用穩(wěn)態(tài)工況發(fā)動機特性實驗數(shù)據(jù)代替瞬態(tài)特性數(shù)據(jù)。發(fā)動機特性數(shù)學模型適用外特性描述，外特性區(qū)段凈轉(zhuǎn)矩為Md=Me-Mf-Mg，Me為發(fā)動機發(fā)出轉(zhuǎn)矩N·m，Mg為發(fā)動機輔助機構(gòu)液壓油泵消耗轉(zhuǎn)矩和，Md為發(fā)動機輸出凈轉(zhuǎn)矩，Mf為發(fā)動機攜帶附件消耗轉(zhuǎn)矩和。發(fā)動機輔助機構(gòu)功率損失可由油泵特性數(shù)據(jù)計算求得[7]。發(fā)動機調(diào)速特性區(qū)段凈轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系可描述為直線。發(fā)動機臺架實驗得到轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩實驗數(shù)據(jù)，采用三次樣條函數(shù)插值法擬合函數(shù)描述實驗數(shù)據(jù)，凈轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速采用公式描述關(guān)系，凈輸出功率Pd變化公式Pd=Md×ne/9549。發(fā)動機萬有特性圖如圖2。

汽車液力變矩器特性曲線表示系列不同轉(zhuǎn)速幾何相似變矩器特性，可通過計算獲得液力變矩器外特性。根據(jù)液力變矩器原始特性派生出變矩比K和效率n液力變矩器性能特性可用泵輪變矩系比k=g（i）隨轉(zhuǎn)速比i變化曲線表示。液力變矩器原始特性圖采集數(shù)據(jù)點，擬合精度由節(jié)點個數(shù)決定。發(fā)動機與變矩器工作輸入特性是不同轉(zhuǎn)速比時共同工作轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速變化特性，是研究共同輸入特性的基礎(chǔ)。給定液力變矩器重力加速度g，泵輪有效直徑D為常數(shù)，泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)可確定，液力變矩器與發(fā)動機工作時，對應泵輪轉(zhuǎn)矩拋物線與發(fā)動機使用外特性曲線有交叉點。發(fā)動機與變矩器共同工作點確定是傳動系統(tǒng)匹配計算關(guān)鍵，確定共同工作點是求解發(fā)動機轉(zhuǎn)矩特性曲線與變矩器泵輪負荷拋物線交點。

汽車發(fā)動機與變矩器共同工作輸出特性是輸出功率與渦輪轉(zhuǎn)速關(guān)系，共同工作高效范圍內(nèi)應有較低平均油耗量，發(fā)動機功率一定調(diào)速器形式?jīng)Q定工作輸出特性。由于穿透性不同，輸出特性高效率工作范圍不同。正穿透液力變矩器高效率工作區(qū)最大，增加傳動系統(tǒng)平均效率。負透穿變矩器平均輸出購率低，具有不同有效直徑變矩器影響共同工作輸出特性。牽引特性廣泛用于研究發(fā)動機等工作裝置參數(shù)匹配合理性，液力傳動車輛牽引特性是根據(jù)傳動參數(shù)與變矩共同工作輸出特性參數(shù)。計算理論行駛速度V，比油耗gkp等參數(shù)隨牽引力Pk變化關(guān)系，Nkp=Pkp×V/3.6，gkp=B/Nkp×100。

3 汽車發(fā)動機傳動系統(tǒng)選型匹配分析

汽車動力性與排放性取決于發(fā)動機性能，發(fā)動機匹配合理的傳動系可以減少燃油消耗，隨著我國城市建設(shè)的發(fā)展，我國機動車輛以每年15%的速度遞增，導致城市大氣環(huán)境污染嚴重。為促進汽車燃油經(jīng)濟性提高，控制汽車尾氣排放對環(huán)境的影響，需要將排放性作為評價汽車性能指標，通過對汽車動力性影響因素研究，提高汽車燃油經(jīng)濟性，汽車設(shè)計階段考慮影響因素的作用降低成本縮短設(shè)計周期。

汽車動力性指標計算需要將運行工況轉(zhuǎn)化為行駛工況，計算汽車燃油消耗量。性能分析計算要研究汽車換擋規(guī)律采用不同換擋模式，計算動力性需要保證汽車加速性能最佳。最佳經(jīng)濟性換擋模式是汽車在高檔行駛降低油耗。大多數(shù)企業(yè)根據(jù)使用條件要求選擇適合發(fā)動機，如何選擇發(fā)動機型號成為汽車生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的問題。利用系統(tǒng)可以根據(jù)汽車動力性要求選擇適合的匹配方案，建立汽車動力傳動系統(tǒng)選型匹配系統(tǒng)，對匹配方案評價是對汽車動力性綜合考慮新的指標。利用層次分析法計算各級評價因素基準權(quán)重集，需根據(jù)汽車使用條件確定主要性能參數(shù)，減少計算工作量。

4 基于經(jīng)濟性的汽車傳動參數(shù)優(yōu)化

當前汽車工業(yè)發(fā)展水平成為衡量國家綜合經(jīng)濟實力的標志，近年來全國形成汽車生產(chǎn)基地，對汽車動力性能要求不斷提高，能源需求增加對燃油經(jīng)濟性要求提高。動力性直接影響汽車運輸生產(chǎn)率，要想使汽車燃油經(jīng)濟性好要求發(fā)動機處于燃油消耗率最小經(jīng)濟區(qū)域工作。汽車動力性取決于發(fā)動機性能，發(fā)動機合理匹配傳動系經(jīng)常工作在理想工作區(qū)附近，可以減輕發(fā)動機磨損，通過合理匹配動力系統(tǒng)降低燃料消耗具有較大潛力。如何選擇市場發(fā)動機型號獲得最佳匹配成為汽車設(shè)計的重要任務(wù)。

汽車動力性最好要求燃油消耗率比排放量小，可以通過對發(fā)動機與傳動系統(tǒng)部件選型匹配，對動力傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，汽車傳動系參數(shù)優(yōu)化設(shè)計要建立數(shù)形模型，優(yōu)化模型中有些參數(shù)需要不斷調(diào)整，建立優(yōu)化模型選擇傳動比為設(shè)計變量。傳動系統(tǒng)參數(shù)模型建立后要選擇適合的計算方法求解，研究選用懲罰函數(shù)法求解計算模型，借助懲罰函數(shù)將約束問題轉(zhuǎn)化為無約束問題求解。懲罰項函數(shù)內(nèi)外點法各有優(yōu)缺點，通過對最大爬坡度要求確定一檔傳動比值，根據(jù)優(yōu)化模型對汽車最大爬坡度要求計算確定一檔傳動比，通過研究最高檔傳動比變化燃油經(jīng)濟性改變確定最高檔傳動比。表1為傳動系傳動比。

研究某低速貨車繪制最高車速隨最高檔傳動比變化曲線圖，最高檔比在[0.5，0.83]范圍內(nèi)增大，最高檔比i5取值為0.6左右達到最低值。某客車滿載質(zhì)量17680kg，對整車動力性方針計算，對根據(jù)最高車速百公里油耗與最高檔傳動比變化關(guān)系圖。客車在發(fā)動機不變下最高車速提高7.8%。以燃油經(jīng)濟性為目標對傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，利用軟件對貨車動力性等分析計算，以燃油經(jīng)濟性指標對傳動系數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化汽車達到動力性要求。

5 公共汽車發(fā)動機與傳動系合理匹配

汽車發(fā)動機負荷率影響動力與經(jīng)濟學，合理匹配發(fā)動機與傳動系降低尾氣碳氫排放量是汽車廠家關(guān)注的問題。汽車動力與經(jīng)濟性只能根據(jù)發(fā)動機技術(shù)參數(shù)分析選購，需要研究發(fā)動機與傳動系匹配是否適合城市道路行駛工況，可以用負荷率分析城市公共汽車發(fā)動機與傳動系合理匹配。公共汽車發(fā)動機與傳動系匹配關(guān)系到實際乘客等，不同使用狀況下汽車使用不一定符合要求。

研究收集有關(guān)資料給出某型中客技術(shù)參數(shù)，203路公交車規(guī)定乘客數(shù)不多，車上乘客人數(shù)最多達50人，有時超過中客規(guī)定額定成員數(shù)，導致故障率高增加維修費用，主要原因是發(fā)動機未與傳動系合理匹配。發(fā)動機最大功率小傳動系傳動比大提高汽車負荷率，發(fā)動機在高負荷下運轉(zhuǎn)易出現(xiàn)噪聲振動。某些長途客車改裝為公共汽車后動力性是否適合城市道路行駛工況需要由使用單位分析。根據(jù)外特性計算不同乘客數(shù)負荷率，使用外特性曲線功率較臺架實驗外特性功率比轉(zhuǎn)速為0.5nemax時小5%，通常汽車行駛速度在30km/h，某中客規(guī)定乘客數(shù)22人負荷率為同車速乘客的2倍。

中客用于加速與爬坡功率為同車速車輛的1/2，汽車正常行駛下發(fā)動機功率比外特性曲線最高轉(zhuǎn)速時功率小，汽車等速油耗在中速時最低，高速時隨車速增長。由于道路擴建等原因使平均車速低，發(fā)動機長期處于高負荷下運行造成溫度上升，易引起系列故障。公交車動力經(jīng)濟性提高要在購置前全面分析，建立汽車良好調(diào)度機制。公交公司要做好開發(fā)路線調(diào)研，如對達到乘客量，未來發(fā)展狀況等全面分析，用負荷率分析行駛路線公交車動力經(jīng)濟性，可用多目標規(guī)劃法分析公交車路線行駛道理經(jīng)濟性，保證汽車動力經(jīng)濟性在最佳區(qū)域范圍。

6 結(jié)語

汽車產(chǎn)品大批量生產(chǎn)后，汽車為人類社會進步作出巨大貢獻。21世紀汽車行業(yè)呈現(xiàn)技術(shù)高新化等新特點，我國加入WTO后汽車產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)爆發(fā)性增長，汽車產(chǎn)業(yè)成為國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車占據(jù)汽車生產(chǎn)主導地位，改善燃油經(jīng)濟性可以保護地球環(huán)境。本文對汽車動力傳動系統(tǒng)選型匹配設(shè)計研究，分析汽車動力傳動系統(tǒng)選型匹配方法，研究汽車最佳動力性換擋；對汽車傳動系參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。以汽車燃油經(jīng)濟性為目標函數(shù)，對模型尋優(yōu)計算設(shè)計相應選型匹配優(yōu)化數(shù)學模型；對客貨車動力參數(shù)優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)對軟件系統(tǒng)驗證。

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作者簡介

王廣逸：（1990.07—），男，漢族，江蘇淮安人，學士，中級。研究方向：汽車發(fā)動機技術(shù)、汽車底盤技術(shù)。

龔清陽：（1991.10—）女，漢族，江蘇淮安人，學士，中級。研究方向：汽車發(fā)動機技術(shù)、汽車運用與維修技術(shù)。