汽车动力传动系仿真与优化

指汽车由，档起步，并以最大的加速强度（包括选择恰当的 换档时机）逐步换至最高档，达到最高车速的８０％所需要的
时间。超车时间是指用最高档由某一较低车速全力加速到
最高车速的８０％所需的时间。
由汽车行驶方程得（此时爬坡阻力为Ｏ）
Ｊ－．
＇
，，＝２尝面＝５志赢【ｏＥ‘一一＜乃（４乃－凡凡））】Ｊ
（‘葛８，）
有
２动力性数学模型建立
汽车动力性是汽对于新人们来说，一辆装饰着鲜花和彩带的漂亮婚车是结婚过程中 必不可少的，而气派大、空间大的豪华婚车阵容则更能一圆渴望的梦想。 在这个追求个性化的年代，选择什么样的婚车，不仅渠道多，价格差异 也大，就看新人们以怎样的经济实力和巧妙心思来勾画新生活的开始 了。
摘要：为了在汽车设计过程同时兼顾汽车的动力性与燃油经济性，建立了汽车动力性与燃油经济性的一般数学模型，编制程
序计算了常用的动力性参数并绘制多种动力特性曲线。建立了同时考虑汽车动力性和燃油经济性为目标函数的优化模型，
特别引入了加权因子的概念，使得优化结果可以根据不同设计需要有所侧重，最后得出变速器各档速比及主减速比等传动
第２６卷第６期 文章编号：１００６—９３４８（２００９）０６—０３１３—０５
计算机仿真
２００９年６月
汽车动力传动系仿真与优化
唐应时１’２，肖启瑞１”，李雪鹏１’２，姚汉波１’２
（１．湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙４１００８２； ２．湖南大学机械与汽车工程学院，湖南长沙４１００８２）
系主要参数的优化值。结合实例，对某两厢小型轿车进行计算与优化，对优化前后主要动力性参数进行分析比较，验证了仿
真程序的可行性并得出了传动系优化结果。
关键词：汽车；动力传动；加权因子；优化
中图分类号：Ｕ４６２．３
文献标识码：Ａ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ
收稿日期：２００８—０４一１８修回日期：２００８—０５—２８
万方数据
直接得出变速器各梢速比及主减器比等传动系主要传动系 参数的最佳方案。编写仿真与优化程序，首先分别对汽车动 力性与燃油经济性参数进行计算并绘制出多种动力特性曲 线，特别是在建立优化数学模型时引入了加权因子的概念， 同时以汽车动力性与燃油经济性为目标萌数，在计算时调整 不同加权因子即调整动力性与燃油经济性二者在目标函数 中的权重，就可以满足不同设计要求从而达到了可以同时兼 顾动力性与燃油经济性的目的。本文结合实例计算，提供一 种方法，对优化前后主要动力性参数进行分析比较，验证了 该仿真程序的可行性，在新车设计阶段能比较精确地预测出 汽车的性能。
２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｈｕｎａｎ ４１００８２，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｇｉｖｅ ｔｈｅ ｓａｍｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｔｏ ｐｏｗｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｆｕｅｌ ｅｃｏｎｏｍｙ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｓｔａｂｈｓｈｅｓ ａ ｍａｔｈ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｐｏｗｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍ蛐ｃｅ ａｎｄ ｆｕｅｌ ｅｃｏｎｏｍｙ，ｃｏｍｐｕｔｅｓ ｃｏｌｎｎｌｏｎ ｐｏｗｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｍ“ｄ髓 Ｓｅｖｅｒａｌ ｆｉｇｕｒｅｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ，ａｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ａｃｔ ｕｐ，ｉｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｏｈ－ ｊｅｃｔｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｐｏｗｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｆｕｅｌ ｅｃｏｎｏｍｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｏｈｊｅｃｔｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ． Ｓｏ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ａｄｊｕｓｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ｄｅｍａｎｄ．Ａｔ ｌａｓｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｄｒｉｖｅ ｒａｔｉｏ ａ弛ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ａ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｘａｍｐｌｅ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ；Ｐｏｗｅｒｔｍｉｎ；Ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ；Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
ｔ：ｆ出
（９）
＿ｂ
根据我国国标规定，假定低档加速到发动机最高转速时
换入高档，对于普通轿车５档变速器。式（９）应该分段为：
ｔ＝ｒ出＝ｅ｝“＋ｅ ｌ止ｄｕ＋ｅ砉也＋ｅ ｌ＾ｄｕ＋
广．‰ｈｕ
（１０）
ｊ－‘
１ｓ
其中‰不应为０，一般可假定为发动机最低稳定转速Ｊ１０对
应的车速‰。注意到要确定不同档位积分区间的速度值毗， 蚝＋．就必需的确定加速度曲线之间是否有交点。与解析法计
繁琐。为了直观的表达汽车各档位行驶时的受力情况及其 平衡关系，可将汽车行驶方程用图解法表示。即将不同档位
的驱动力连同由滚动阻力与空气阻力叠加形成的行驶阻力 绘制在同一坐标系中。这样，汽车的最高车速便可以直接在
图中直接档驱动力曲线与行驶阻力曲线的交点处得到。 ２．２加速时间
实际中常用加速时间来表明汽车的能力。一般包括原 地起步加速时间与超车加速时间两种。原地起步加速时间
ｌ 引言 在新车的设计开发阶段，汽车的动力性和燃油经济性计
算是必需进行的重要工作之一，在传统的汽车开发过程中一 般是在进行实车路试之后给予评价，这样做时间长、成本高， 目的性不明确，造成不必要的浪费。运用计算机对汽车的动 力性和燃科经济性进行仿真计算，在设计初期能够很好地 预测新车型的动力性与经济性，近年来由于能源紧张对汽车 燃油经济性提出更高的要求。因此，对汽车传动系设计时， 必需同时考虑动力性与燃油经济性以兼顾燃油经济性与动 力性。以计算机仿真为基础进行传动系参数匹配优化，可以
（２）中将行驶方程变为以车速ｕ。为变量的一元高次函数：
卜ａ，（糯）＋．．…。（揣）‘¨可，
＝何＋蒜‰２
（６）
或
【竺ｆ墨Ｌ：！』墨崆！：一
挣＝０
（７）
当发动机转速在怠速与最高转速之间变化时且变速器 处于最高档位时，对式（７）求导即可解出此函数的极值。其
一３１４一
中极大值即为汽车的最高车速。显然，阶数ｋ越高，计算越
杭州租车 90 年代 接新娘流行私家车 流行婚车：桑塔纳、拉达、奥迪 100 上 世纪 80 年代末和 90 年代初，用拉达作婚车已经是很普遍的事情了，而 高档一点的则选择了桑塔纳。而在 90 年代后期，老奥迪等高档私家车 也进入了婚车市场，并受到年轻人的追捧。 社会在变，观念在变， 人们对生活的追求也在变。如今，普通的私家车已经不能满足现代人对 于婚车的要求，除了“流动车展”般的豪门车队和以量取胜的“一水儿车 型”之外，花轿、自行车、公交车卷土重来，成为“婚车”的另一道风景线。
ｒ
’
Ｚ１．１）一
另发动机转速／１，与汽车车速‰之间存在以下关系：
‰＝０．３７７号
（４）
发动机转矩Ｌ与转速ｎ关系常采用多项式描述：
Ｌ＝‰＋ａｌｎ＋ａ２矿＋…＋ａｋ，１．
（５）
式中：系数Ｏ，０，口。，８：，吼由最ｄｘ－乘法确定；拟合阶数ｋ随特 性曲线而异，一般在３、４、５中选取。把式（４）、式（５）代入式
量换算系数；／ｒ／，为汽车质量；譬为加速度。
式（２）表明汽车行驶时驱动力与外界阻力之间的普遍关 系。可以利用此式确定汽车的最高车速、加速能力和爬 坡度。 ２．１最高车速
汽车的最高车速是指在水平良好路面上汽车能达到的
最高行驶车速。此时汽车的加速度警及道路坡度都为ｏ，故
汽车行驶方程变为：
华＝何＋蒜Ｈ。２ ㈤
在加速过程中，车速、发动机的功率和转速也在不断地 变化，因而燃油消耗率也不是定值。可以把每一个加速段等 分成若干个速度区间，每个区间近似为一个等速工况，利用 等速工况下的公式计算每个小区间的油耗Ｑ，累加起来即为
一个加速段的油耗Ｑ。 ３．３减速工况
汽车减速行驶时，发动机处于强制怠速状态，其油耗量
即为正常怠速油耗。所以减速工况燃油消耗量等于减速行
婚车的发展
自行车、拖拉机、大客车、桑塔纳、凯迪拉克……不同时代流行不 同的婚车。 几十年来婚车的变化，折射的是百姓幸福生活的变迁史。
60年代 接新娘得用自行车 流行婚车：自行车 /
时代的车轮迈入了上个世纪 70 年代，婚车的轮子也发生了质的 变化，在马达轰鸣声中，拖拉机成为了无数年轻人的流行婚车。
力、坡度阻力和加速阻力。汽车行驶方程为：
ｔ；乃＋Ｌ＋Ｅ＋‘
（１）
将行驶方程具华体化＝：ｏｆ＊箍Ⅱ２＋优＋鲁鲁（２）
其中：Ｅ、一、凡、ｔ、Ｅ分别为驱动力、滚动阻力、空气阻力、坡 度阻力和加速阻力。Ｌ为发动机输出转矩；ｉ，、如为变速器 传动比、主减速器传动比；田，为传动系机械效率；ｒ为车轮滚 动半径；ｃ为汽车重量∥为滚动阻力系数；ｉ为道路坡度；ｃ口 为空气阻力系数；Ａ为迎风面积；ｕ。为车速；６为汽车旋转质
70 年代 接新娘有了“机动车” 流行婚车：拖拉机、卡车 从自行 车到拖拉机，婚车的轮子在发生变化的同时，也预示着美好的生活在提 速，而这种速度提升得越来越快。 上世纪 70 年代末 80 年代初，随 着改革开放的步伐加快，拖拉机作为婚车已经退出了历史舞台，而大客 和面包则取而代之。
80 年代 接新娘流行大客车 流行婚车：大客车、面包 当时，除 了大客，面包车也开始作为婚车出现，不过，由于比较少，想借一辆面 包车作婚车也是一件比较困难的事情。 上世纪在 80 年代后期，私 家轿车和出租车则代替大客成为了流行婚车。 上世纪在 80 年代末， 轿车进入了中国市场，年轻人结婚时也不约而同瞄准了桑塔纳、拉达等 私家车。