汽车发动机与传动系统的最优化匹配.docx

MACROBUTTONMTEditEquationSection2EquationChapter1Section1SEQMTEqn\r\h\*MERGEFORMATSEQMTSec\r1\h\*MERGEFORMATSEQMTChap\r1\h\*MERGEFORMAT汽车发动机与传动系统的最优化匹配
裴普成李金敬黄海燕
清华大学汽车工程系汽车安全与节能国家重点实验室
[摘要]为满足国内整车厂匹配动力系统的需要，开发了发动机与传动系最优化匹配软件。以最高车速、最大爬坡度、最短加速时间和最少百公里油耗为目标，建立了多目标最优化数学模型。借助MATLAB强大的数学计算功能，灵活应用多种最优化方法，对该数学模型进行最优化求解。该软件能够实现三种功能：1）给定发动机参数，优化匹配传动系统参数；2）给定传动系统参数，优化或调整发动机性能参数；3）反复迭代优化发动机参数和动力系统参数。而且设计了图形用户操作界面，操作简单，容易掌握。该软件可作为一种“傻瓜型”发动机-整车最优化匹配的计算工具。
关键词：发动机传动系优化匹配软件设计

引言
不少单位引进了整车生产技术，当将发动机更换为其它国产高性能发动机时，甚至该发动机比原装发动机的性能指标还要好，结果往往是整车性能明显下降。原因是发动机与整车传动系统不匹配。A是优，B是优，和在一起未必是优。
多年前，发动机与整车传动系统的匹配，一般是通过经验和试验对比的方法进行。工作量大，效率低，成本高，效果差。随着计算机技术的发展，最优化方法得到了迅速发展并在工程中得以广泛应用。1972年美国通用汽车公司首先开发了汽车动力性和燃油经济性的预测程序GPSIM，此后，国外许多汽车公司相继开发了各自的优化软件，如康明斯公司的VMS、美国交通部的VEHSIM、日产汽车公司的CSVFEP、奔驰汽车公司的TRASCO等，软件中通常都含有自己产品的数据库，因此一般仅供内部使用。近年来，也出现了一些通用的最优化软件，如GT-Frontier、LMS-optimization等，而这些软件用于汽车发动机与传动系统的匹配又显得不够专用，需要用户自己建立数学模型，只有专业人员才能掌握使用方法。
为满足整车单位的需求，本文以目前较为普及的MATLAB为平台，建立了发动机与整车传动系统匹配的最优化数学模型，采用多种最优化方法联合求解技术，开发了一个拥有友好操作界面的专用软件，可作为发动机-整车匹配的一个计算工具，操作简单，掌握容易。使用该软件，可以快速实现发动机与整车传动系统的最优化匹配，而且在样车制造前就能准确地预测汽车动力性、燃油经济性等方面的性能。
最优化模型
汽车的性能优化目标通常是最高车速、最大爬坡度、最少燃油消耗和最短加速时间，往往约束条件也较为复杂。对于这样的多目标最优化问题，通常采用权重系数法处理多目标的关系。
1.1优化传动系统
在发动机参数一定情况下，要确定传动系统的参数，包括主传动比和变速箱各档传动比。最优化数学模型为：
MACROBUTTONMTPlaceRef\*MERGEFORMATSEQMTEqn\h\*MERGEFORMAT(SEQMTSec\c\*Arabic\*MERGEFORMAT1.SEQMTEqn\c\*Arabic\*MERGEFORMAT1)
式中Vh、α、T1、T2和Q分别是车速、爬坡度、0-100km/h加速时间、40-80km/h加速时间、百公里油耗，k1和k2是两个加速时间的权重系数。在最优化模型中，m是变速箱档数，G是整车质量，f是汽车滚动阻力系数，ηT是变速箱效率，r是车轮半径。
此模型以主传动比i0和变速箱1档、2档、3档等的传动比（i1、i2、i3等）为设计变量，等式约束条件包括发动机外特性的转矩曲线和负荷特性的比油耗曲线，转矩Me是发动机转速n的函数，比油耗ge是发动机转速n和平均有效压力pe的函数。不等式约束条件包括爬坡防滑条件和变速箱速比关系条件等。
优化得到的主传动比和各档传动比参数，还要通过对应齿轮的齿数化整后再做调整。
1.2优选或调整发动机
在传动系统的参数一定情况下，要确定发动机参数，包括最大功率及其对应转速、最大转矩及其对应转速等，从而优选或调整发动机参数。最优化数学模型为：
MACROBUTTONMTPlaceRef\*MERGEFORMATSEQMTEqn\h\*MERGEFORMAT(SEQMTSec\c\*Arabic\*MERGEFORMAT1.SEQMTEqn\c\*Arabic\*MERGEFORMAT2)
式中Memax和nM分别是发动机外特性最大转矩及其对应转速，Nemax和nN分别是发动机最大功率及其对应转速，gemin和ng分别是发动机外特性最低比油耗及其对应