汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系匹配的優(yōu)化方法介紹
摘要：本文在考慮變速器檔位利用率時(shí)，以驅(qū)動(dòng)功率損失率作為動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)，有效效率利用率作為燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，以兩者的加權(quán)值作為目標(biāo)函數(shù)，以確定的主減速器傳動(dòng)比和變速器的各檔傳動(dòng)比，試圖定量反映汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配程度，使汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性都能得到充分發(fā)揮。 
關(guān)鍵詞：傳動(dòng)比；匹配；優(yōu)化方法 
 
1．問題的提出 
 
在設(shè)計(jì)和汽車改進(jìn)時(shí)，當(dāng)汽車的總質(zhì)量、質(zhì)量分配、空氣陰力及輪胎滾動(dòng)阻力等已經(jīng)確定后，如何進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的合理匹配，對(duì)保證汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性是非常重要的。 
近年來圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系的匹配，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行很多探討。一般采用汽車原起步連續(xù)換檔加速時(shí)間作為動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)，多工況燃油消耗量或?qū)嶋H工作區(qū)與經(jīng)濟(jì)工作區(qū)的接近系數(shù)作為燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，用汽車原起步連續(xù)換檔加速時(shí)間與多工況燃油消耗量或接近系數(shù)的加權(quán)值作為目標(biāo)函數(shù)，而這些指標(biāo)實(shí)際上是汽車基本性能指標(biāo)的綜合。 
作為汽車動(dòng)力系統(tǒng)的*匹配評(píng)價(jià)指標(biāo)和目標(biāo)函數(shù)，應(yīng)該能定量反映汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配程度，能反映汽車動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性的發(fā)揮程度，能夠提出動(dòng)力系統(tǒng)改善的潛力和可能途徑，本文以驅(qū)動(dòng)功率損失率作為動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)，有效效率利用率作為燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，以兩者的加權(quán)值作為目標(biāo)函數(shù)，試圖解決上述問題。 
 
2．汽車的動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo) 
 
2.1 汽車的驅(qū)動(dòng)力 
作用于車輪上的轉(zhuǎn)矩是由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生并經(jīng)傳動(dòng)系傳至驅(qū)動(dòng)輪上的。若Ｔe表示發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩(Nm)，igj表示變速器的傳動(dòng)比，i０表示主減速器傳動(dòng)比，ηtj表示傳動(dòng)系各檔的傳動(dòng)效率，rr表示驅(qū)動(dòng)輪的滾動(dòng)半徑（m），則對(duì)于n檔變速器，第j檔的汽車驅(qū)動(dòng)力Ftj為 
 
2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩 
發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠提供的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性曲線常是試驗(yàn)臺(tái)上未帶空氣濾清器、水泵、風(fēng)扇、清聲器、發(fā)電機(jī)等條件下測(cè)得的。帶上全部附件設(shè)備時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線稱為使用外特性曲線。使用外特性曲線的功率小于外特性的功率。一般汽油發(fā)動(dòng)機(jī)使用外特性的Z大功率比外特性的Z大功率約小15%；貨車柴油機(jī)的使用外特性Z大功率約小5%；轎車與輕型汽車柴油機(jī)約小10%，在加速過程的不穩(wěn)定工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的功率一般要較穩(wěn)定工況時(shí)下降5%-8%。為了便于設(shè)計(jì),常采用多項(xiàng)式來描述由試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩,即 
 
式中,n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩模型中的多項(xiàng)式系數(shù)由a0、a1、…amZ小二乘法來確定，m隨特性而異，一般在3，4，5中選取。 
 
圖1為裝有內(nèi)燃機(jī)和4檔變速器汽車與裝有理想動(dòng)力傳動(dòng)系汽車的驅(qū)動(dòng)特性曲線。雙曲線為理想動(dòng)力傳動(dòng)系汽車的驅(qū)動(dòng)力曲線，曲線上方的區(qū)域因發(fā)動(dòng)機(jī)功率所限為汽車不能達(dá)到的范圍。 
第j檔時(shí)驅(qū)動(dòng)力Ft曲線與橫坐標(biāo)（車速ua）所圍成為的面積為 

           
驅(qū)動(dòng)功率損失率反映實(shí)際汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)特性與理想動(dòng)力傳動(dòng)系的差距,它反映了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能發(fā)揮程度,其值越小,發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系在動(dòng)力性能方面匹配就越好。 
3．汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo) 
3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際燃消耗率 
發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率表示發(fā)動(dòng)機(jī)將燃油化學(xué)能轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)有效功的效率,發(fā)動(dòng)機(jī)的有效效率ηe與燃油ge消耗率之間存大如下關(guān)系: 
 
式中: Hu燃油的低熱值(kJ/kg),汽油43961.4kj/kg,柴油42496KJ/Kg。 
發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率的Z大值出現(xiàn)在萬有特性的理想工作區(qū),也就是在燃油消耗率Z低區(qū).而在實(shí)際行駛條件下,發(fā)動(dòng)機(jī)能否工作在理想工作區(qū)(經(jīng)濟(jì)區(qū))與汽車行駛工況、偉動(dòng)系參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)特性有關(guān)。
假定汽車實(shí)際行駛狀況為車速uai，驅(qū)動(dòng)力Fti,則由下式可推知發(fā)動(dòng)機(jī)的工況為轉(zhuǎn)速ni和轉(zhuǎn)矩Tei。 
 
查萬有特性曲線可得此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際燃消耗率。 
3.2 有效效率利用率 
本文采用發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率利用率作為燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。 
發(fā)動(dòng)機(jī)有效效率利用率ηθ為發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際燃油消耗率ge與發(fā)動(dòng)機(jī)理想工作區(qū)有效燃消耗率ge比值的平均數(shù)，即 
 
發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作狀況受發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)狀況、道路條件、運(yùn)行條件、交通狀況、裝載情況、氣候條件和地理信置的影響，同一汽車在不同的條件下，實(shí)際工作狀況不同。它可以通過工況統(tǒng)計(jì)測(cè)定和隨機(jī)模擬獲得。 
4．驅(qū)動(dòng)功率損失率和有效效率利用率的修正 
考慮到變速器各檔使用率的不同，為了反映不同實(shí)際使用條件對(duì)傳動(dòng)比的要求，我們對(duì)驅(qū)動(dòng)功率損失率和有效效率利用率進(jìn)行修正。 
發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性曲線是在穩(wěn)定工況下測(cè)得的,在不穩(wěn)定工況下,數(shù)值是不同的,而汽車除等速工況處,還有加速、減速、怠速等工況。在加速過程的不穩(wěn)定工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)所提供的功率要較穩(wěn)定工工況下降5-10%。我們采用系數(shù)ζ對(duì)驅(qū)動(dòng)功率損失率進(jìn)行修正,汽油機(jī)的修正系數(shù)ζ=0.9，柴油機(jī)修正系數(shù)ξ=0.95,等速行駛時(shí)ξ=1.0。 
變速器各檔的使用率可用于確定汽車的實(shí)際行駛狀態(tài)，由于怠速情況對(duì)傳動(dòng)系參數(shù)的影響較小，而減速行駛時(shí)油門松開，并進(jìn)行輕微制動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于強(qiáng)制怠速狀態(tài)，其油耗量即為正常怠速油耗。故僅考慮汽車等速、加速兩種情況，因此，為便于計(jì)算和分析，我們認(rèn)為其等速工況所占的比例與該檔的實(shí)際利用率相同，并據(jù)此確定了汽車的工作狀況及發(fā)動(dòng)機(jī)在（Nei,Tei）時(shí)的工作時(shí)間ti，并對(duì)加速工況按修正系數(shù)ζ進(jìn)行修正。 
修正后的有效效率利用率為： 

         
5．目標(biāo)函數(shù) 
 
基于對(duì)汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的不同考慮，目標(biāo)函數(shù)可有三種方式： 
（1）對(duì)于要求高動(dòng)力性能汽車，如越野車、轎車，則宜選用動(dòng)力性Z值的傳動(dòng)比，即 
（2）對(duì)于要求高燃料經(jīng)濟(jì)性的汽車，如城市公共汽車，低排量家用轎車，則選用燃油經(jīng)濟(jì)性Z值的傳動(dòng)比，即λ１＝０，λ２＝1.0 
（3）對(duì)于大多數(shù)汽車而言，即要求有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，又能保證足夠的動(dòng)力性。此時(shí)可對(duì)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性作同等重要的考慮，即λ１＝0.5，λ２＝0.5 
綜合上述各項(xiàng)條件，即可得考慮變速器檔位利用率時(shí)，使汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性都能得到充分發(fā)揮的主減速器傳動(dòng)比和變速器各檔的傳動(dòng)比。