5.6 汽车动力传动系统参数优化匹配方法_汽车总体设计（第2版）-QQ阅读男生玄幻网

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5.6 汽车动力传动系统参数优化匹配方法

汽车动力传动系统参数的优化通常包括发动机性能指标的优选、机械变速器传动比的优化和驱动桥速比的优化，下面分别进行阐述。

1.汽车发动机性能指标的优选方法

在汽车设计中，发动机的初选通常有两种方法：

一种是从保持预期的最高车速初步选择发动机应有功率，发动机功率应大体上不小于以最高车速行驶时行驶阻力功率之和；一种是根据现有的汽车统计数据初步估计汽车比功率来确定发动机应有的功率。

在初步选定发动机功率之后，还需要进一步分析计算汽车动力性和燃料经济性，最终确定发动机性能指标（如发动机最大转矩、最大转矩点转速等）。

通常在给定汽车底盘参数、整车性能要求（如最大爬坡度i_max、最高车速v_max、正常行驶车速下百公里油耗Q、起步加速时间t等），以及车辆经常运行工况的条件下，就可以选择发动机的最大转矩T_emax及其转矩n_M，最大功率P_emax及其转速n_p，发动机最低油耗率g_emin和发动机排量V_h。

在优选发动机时常常遇到两种情况：一种情况是有几个类型的发动机可供选择，在整车底盘参数和车辆经常行驶工况条件确定时，这属于车辆动力传动系合理匹配问题，可用汽车动力传动系统最优匹配评价指标来处理。

第二种情况是根据整车性能要求和汽车经常行驶工况条件来对发动机性能提出要求，作为发动机选型或设计的依据，而这时发动机性能是未知的。

对于计划研制或未知性能特性指标的发动机，性能可看作为发动机设计参数和运行参数的函数，此时，外特性和单位小时燃油消耗率可用于表示发动机的简化模型。

优选汽车发动机参数的方法：

（1）目标函数F（x）

目标函数为汽车行驶的能量效率最高。

（2）设计变量X

X=[T_em，P_emax，n_p，n_M，V_h] （5-22）

（3）约束条件

1）发动机性能指标的要求

①发动机转矩适应性要求为

1.1≤T_em/T_p≤1.3 （5-23）

转矩适应性系数也可参考同级发动机试验值选取。

②发动机转速适应性要求为

1.4≤n_p/n_M≤2.0 （5-24）

如果n_M取值过高，使n_p/n_M＜1.4，则可能使直接档稳定车速偏高，汽车低速行驶稳定性变差，换档次数增多。

2）汽车动力性要求

①最大爬坡度要求

②最高车速要求

③直接档动力性要求

④汽车加速性能的要求：原地起步连续换档加速时间不得大于要求值t₀，即

t≤t₀ （5-28）

3）汽车燃料经济性要求

①直接档在常用车速下行驶的百公里油耗不得超过其限制值Q₀

Q_s≤Q₀ （5-29）

②发动机排量的要求

P_L＜P_emax/V_h≤P_h （5-30）

式中，P_h、P_L分别为发动机升功率统计的上、下限值（kW/L）。

根据上述建立的优化模型，即可优选出最优发动机参数，并选择发动机型号。

发动机性能特性可看作是发动机性能指标和运行参数的函数，此时，外特性可表示为

式中，T_m为发动机最大有效转矩；T_p为发动机最大功率对应的转矩；n_m为发动机最大有效转矩对应的转速；n_p为发动机最大功率对应的转速。

发动机单位时间的油耗量可以表示为

G_t=n_e（G_ox+r_oT_e）V_h （5-32）

式中，G_t为发动机每分钟消耗的燃油量（g/min）；G_ox为发动机怠速时单位排量每转燃油消耗量[g/（r·L）]；r_o为发动机单位排量单位转矩每转燃油消耗量提高系数[g/（N·m·r·L）]；V_h为发动机的排量（L）。

汽油机和柴油机的G_ox和r_o的取值范围见表5-9。

表5-9 汽油机和柴油机的G_ox和r_o值

2.汽车变速器速比的优化方法

汽车传动系参数优化是以汽车动力性与燃料经济性模拟计算为基础，以汽车动力性要求为约束条件，多工况燃料经济性为目标函数进行优化的。

汽车变速器速比优化的最终目的是使汽车在满足动力性要求前提下，在常用行驶工况下燃料经济性最佳。

设计变量取变速器各档速比，表示为x（i），i=1，k_n（k_n为前进档位数）。

目标函数一般为汽车多工况循环模式的燃油消耗量Q_s。

约束条件主要包括：汽车的动力性要求和变速器各档速比间隔的要求。

在选择传动系参数时，应考虑汽车具有足够的动力性能，即应有足够的直接档动力因数D_0max和i档最大动力因数D_imax，同时需校核i档最大驱动力时的附着条件。

式中，T_em为发动机最大有效转矩（N·m）；η_t为传动系统效率；r_k为车轮滚动半径（m）；C_D为汽车空气阻力系数；A为汽车前迎风面积（m²）；n_em为发动机最大转矩点所对应的转速（r/min）；G为汽车重力（N）。

则直接档最大动力因数的约束条件应为

D_0L＜D_0max≤D_0h （5-34）

式中，D_0L、D_0h分别为不同车型汽车直接档最大动力因数要求的上、下限。

1档最大动力因数反映了汽车最大爬坡能力，其计算式为

同上，1档最大动力因数的约束条件为

D_1L＜D_1max＜D_1h （5-36）

式中，D_1L、D_1h分别为不同车型汽车1档最大动力因数要求的上、下限值。

在确定1档动力因数后，还应该按以下条件校核附着条件，即最大牵引力必须小于或等于汽车在地面上的附着力

式中，φ为道路附着系数；Z_φ为驱动轮上的法向反作用力（N）。

同样也可以用汽车最大爬坡度要求代替动力因数作为约束条件。

变速器相邻档位的速比比值影响着变速器的使用性能，比值过大会造成换档困难。根据统计，其比值一般在1.4～1.8之间。考虑到换档过程，外界道路阻力总是造成车速下降，换档时车速越高，换档过程中速度下降得就越多，所以随着档位的提高，相邻两档的速比比值应逐渐降低。因此，对相邻档位的速比比值要求如下

式中，I_L、I_h分别为相邻速比间隔的下限值和上限值。

此外，汽车最高车速，汽车原地起步连续换档加速时间限制也作为约束条件。以上构成了汽车变速器速比的一般优化模型。

3.汽车主传动比优化方法

汽车主传动比对汽车动力性燃料经济性影响很大。主减速比增大，可以增加汽车的后备功率，提高汽车加速性能，但也会使汽车燃料经济性下降。因此，主传动比的选择，既应保证汽车的动力够用，又有最佳的燃料经济性。

对于某一特定的车辆，当汽车总重、重量分配和发动机等已确定后，就该合理地选择传动系参数。按传统的做法，需要进行大量的汽车动力性和燃料经济性计算和试验工作，但是由于各种条件的限制，往往不能获得最理想的结果。

汽车主传动比优化的最终目的是使汽车在满足动力性要求的前提下，在常用行驶工况燃料经济性最佳。

在选择传动系参数要求时，应考虑汽车具有足够的动力性能，即应有足够的直接档动力因数D_0max。直接档动力因数表示汽车在正常情况下行驶所具有的上坡和加速能力。

汽车最高设计车速、原地起步连续换档加速时间和最大爬坡度要求也作为约束条件。

4.汽车传动系统参数的区间优化方法

如前所述，传动系参数中齿轮齿数和模数为离散变量，而采用以上优化方法获得的速比值是一个确定的最优值，不一定满足生产厂家的实际生产需要，存在着变速器齿轮配齿的问题。为此我们提出了汽车传动系统参数的区间优化模型。在这一模型里，不追求变量的确定优化值，只是在保证一定的优化效果的前提下，求设计变量的最大可行区间，这样就可以扩大传动系参数的选择范围，并可以解决变速器齿轮配齿问题。

用区间数表示需要共享的实际变量，则确定汽车传动系统参数最大可行区间的问题可以表述为扩大设计变量区间数的宽度问题。令X_i为共享设计变量，则求最大共享区间问题的数学模型，即是求最大可行区间问题的数学模型，求最大可行区间宽度的优化问题。在一定的约束条件下，其数学模型为

满足约束条件：

其中，F（…）为约束区间函数；c为约束区间函数的限制值；α_i为加权系数；l为区间变量总数；ω_i（X_i）为第i个区间数的区间宽度；X′_i为可行区间变量X_i的约束区间数，。

上述模型描述的是区间扩张的逆问题，及规定函数的值域区间求定义域区间的问题，在约束函数为凸函数时，有确定的解。

求解上述模型得到的可行区间宽度有时较窄，为了改善效果，引入“条件预优概念及方法”，也就是把影响实值函数F（x₁，x₂，…，x_l，x_l+1，…，x_n）的变量及参数分为两类：其中x₁，x₂，…，x_l为一类，叫作关键变量，我们关心这些变量的可行变化区间，而不关心它们取什么确定值；此外，影响目标函数值的其他变量及参数在一定的范围内变动，这些扩大的变量称为条件变量。