CA7204汽车动力传动系匹配仿真与优化
申爱玲1, 2，伏军2，张衍发2
(1. 中南大学 机电工程学院，湖南 长沙，410083；
2. 邵阳学院 机械与能源工程系，湖南 邵阳，422004)
摘要：根据使用条件和要求，基于CRUISE软件，对CA7204车发动机与传动系之间的原匹配方案进行仿真和优化计算，并从动力性和燃油经济性2方面与原始试验数据进行对比，对整车模型进行标定。通过优化选择适当的传动系参数，可以在保证动力性能的前提下改善车辆的燃油经济性。研究结果表明：优化后各挡等速油耗均有所下降，其中城市行驶常用挡位四挡、五挡的等速60 km/h油耗降幅超过8%，整车新欧洲循环(即NEDC循环)油耗由原来的7.52 L/(100 km)降低到7.01 L/(100 km)，降低了6.78%，而其动力性能下降幅度很小。
关键词：
中图分类号：TH12; U463 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)03-0677-05
Matching simulation for engine and power train system of CA7204 automobile and its optimization
SHEN Ai-ling1, 2, FU Jun2, ZHANG Yan-fa2
(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Department of Mechanical and Energy Engineering, Shaoyang University, Shaoyang 422004, China)
Abstract: Using CRUISE software, the CA7204 saloon car’s original matching project between the engine and power train was simulated and calculated for optimization. By comparing the results with the raw experimental data in both aspects of power performance and fuel economy performance, the vehicle model was demarcated. By selecting proper power train parameters to meet the engine’s working characteristics, the fuel economy performance was improved with the power performance insured. The results show that the fuel consumption of all kinds of gears at constant speed declines to some degree after optimization, and fuel consumptions at constant speed of 60 km/h on 4 and 5 gear, which is common in city, decline by 8%; vehicle fuel consumption in NEDC test declines from 7.52 L/(100 km) to 7.01 L/(100 km). Fuel is saved by 6.78%; while the vehicle power performance is only slightly affected.
Key words: engine; power train; matching; simulation; optimization
汽车发展至今，人们对其各方面的性能要求也越来越严格且期望越来越高，如何提高整车性能已成为汽车行业所面临的极其重要的课题。汽车整车性能的提高不仅取决于发动机和传动系性能的提高，而且在很大程度上取决于二者的匹配[1-2]。随着现代计算机仿真技术的快速发展，对汽车性能的模拟计算已成为现实。通过模拟计算能设计并选择合理的匹配方 案，这样缩短了开发周期，降低成本，提高了设计质量，而且为整车的技术评价、分析及决策提供了理论依据[3]。国外多个大汽车公司和有关机构相继开发的各自的模拟计算软件，例如美国通用汽车公司开发的性能预测程序GPSIM、福特汽车公司开发的TOEFP程序等。国内对汽车传动系的匹配研究也取得了一些进展，如刘惟信等[4]对汽车发动机与传动系统参数的最优匹配进行研究，提出了优选传动系参数与给定发动机参数的匹配和优选的几种方法；何仁等[5]对汽车动力传动系统合理匹配时应用数理统计的方法，综合考虑汽车发动机最佳经济区汽车行驶工况，并采用可行区间优化方法。在此，本文作者基于奥地利AVL公司提供的CRUISE软件试用版本，以CA7204车为例，合理搭建整车模型，对该车发动机与传动系之间的原匹配方案进行仿真，并与试验结果进行对比，对模型加以标定；基于该仿真平台，对该车传动系与发动机的匹配方案及影响规律进行比较分析并优化，以改善其整车动力性和燃油经济性。
1 CA7204MT汽车传动系模型的建立
CA7204MT汽车是前轮驱动式汽车，根据该车型特点，利用AVL-Cruise软件提供的左侧元件库窗口，布置各元件，建立了如图1所示的传动系模型，并进行物理连接以及数据信号总线的连接。
通过在实验室进行的发动机全负荷性能试验和万有特性试验数据，利用MATLAB强大的数据运算处理能力编制相应程序绘制万有特性曲线，并基于MATLAB@DLL与CRUISE接口[6-8]，将其数据导入发动机模块。然后，根据CA7204MT汽车的相关结构及参数，依次输入其车辆模块、变速器模块、主减速器模块、离合器模块、轮胎模块及驾驶员模块等。
2 CA7204MT汽车性能仿真与分析
2.1 CA7204MT汽车性能仿真与模型验证
运用已建立的CA7204MT汽车传动系模型，选择不同的计算任务对整车性能进行仿真计算，得到该车的各项动力性和燃油经济性能模拟计算结果，并与从厂家搜集的原车的各项经济性及动力性参数进行对比，见表1。
从表1可知：整车加速时间以及等速油耗的模拟计算结果与实际试验结果相对误差在3.7%以内，最高车速、最大爬坡度及原地起步连续加速时间模拟计算结果也与试验结果相对误差在3%以内，这表明Cruise建立的传动系模型合理，具有较高的准度，能切实反应整车实际的动力性和燃油经济性。
图1 CA7204MT汽车传动系模型
Fig.1 Vehicle powertrain model of CA7204MT
表1 CA7204MT汽车模拟计算结果与试验结果对比
Table 1 Comparison between results of analog computation and experiments of CA7204MT automobile
对CA7204MT汽车仿真的动力性和燃油经济性进行分析发现：该轿车的动力性能较好，尤其一挡爬坡度达52.85%，接近越野车的最大爬坡度要求60.00%；但该车燃油消耗量较大，新欧洲循环(简称NEDC循环)油耗偏高，其主要原因可能是发动机排量稍过大或传动比过大。因此，在优化时可选用更小排量的发动机或降低主减速比等。
2.2 传动系参数对整车动力经济性的影响规律
2.2.1 主减速比的影响
基于上述标定模型，选用不同主减速比4.875，4.388(原车)，4.200和3.938，模拟计算选用各主减速比时的燃油消耗量、加速时间等动力性及燃油经济性能，所得主减速比对动力性及燃油经济性的影响如图2所示。
从图2可看出：主减速比直接影响其动力性和燃油经济性，主减速比增大，则动力性增强，但油耗增加；主减速比减小，则油耗降低，但动力性也降低。
图2 主减速比对动力性燃油经济性能的影响
Fig.2 Influence of final drive ratio on power performance and fuel economy performance
2.2.2 变速器各挡传动比的影响
结合该车使用特点，汽车一般是以最高挡位即六挡行驶的，故六挡传动比的选定很重要[9]。按设计推荐值初步选定六挡传动比分别为0.74，0.68，0.64和0.60，据模拟计算软件，得到表2、表3所示不同六挡传动比的超车加速性能及六挡等速油耗对比结果。
表2 六挡不同传动比超车加速时间
Table 2 Overtaking acceleration time of six different gear transmission ratios
表3 六挡不同传动比最高挡等速油耗
Table 3 Top gear constant-speed fuel economy of six different gear transmission ratios L/(100 km)
从表2和表3可以看出：六挡超速挡传动比主要影响整车高速行驶时超车性能，对燃油经济性影响不大。所以，设置超速挡时也并不是传动比越小越好，传动比过小反而影响整车的超车性能。
在选择汽车的最大传动比即一挡传动比时，主要考虑汽车的动力性。改变变速器一挡传动比，而主减速比和其余各挡传动比保持不变，计算整车NEDC油耗以及0~100 km/h加速时间，计算结果如表4所示。
通过计算结果可以看出：当变速器一挡传动比从
表4 一挡不同传动比下整车性能对比
Table 4 Vehicle performance comparison at different gear transmission ratios
3.054到3.945变化时，整车NEDC循环油耗只增加0.05 L/(100 km)，相当于总油耗的0.7%，而原地起步连续换挡每100 km加速时间变化0.34 s，也就是改变一挡传动比时，在油耗变化不大的情况下，加速时间可提高3.1%。说明一挡传动比对NEDC循环工况下的整车经济性影响不大，但对整车动力性影响较大。
变速器其余挡位的传动比也直接影响着整车性能。通过调整2, 3, 4和5挡传动比，便可调整整车以这些挡位行驶时万有特性图中发动机工况点的位置，工况点分布越接近最佳经济区，整车经济性越好；若工况点在万有特性图中分布在下方，则整车行驶时后备功率较大，整车动力性好。
3 传动系参数优化
3.1 优化方案
对传动系参数进行优化的途径主要是调整主减速器主减速比和变速器各挡传动比，通过调整这2个参数来调整整车行驶时发动机常用工况点位置，达到优化整车动力性经济性的目的[10-14]。
设计变量取xi(i=0, 1, …, 6)分别为主减速比、1~6挡传动比，将动力性和燃油经济性2个评价指标作为目标函数，两者分别以原地起步连续换挡加速时间t和以NEDC循环燃油消耗Qs来描述：
(1)
(2)
式中：m为汽车质量，kg；Ttq为发动机扭矩，N?m；ηT为传动系机械效率；r为车轮滚动半径，m；G为汽车重力，N；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为汽车迎风面积，m2；δ为汽车旋转质量换算系数；v
为汽车车速，km/h；
为NEDC所有过程燃油消
耗量之和，L/(100 km)；s为整个循环行驶距离，km。
根据各挡传动比的等比分配原理与考虑挡位利用率对挡位传动比的修正、汽车动力因素与附着条件，建立约束条件：
x1/x2≤1.15(x1/x6)1/5
xi+1/xi+2-xi/xi+1≤0; i=1, …, 4
0.9(x1/x6)1/5-x5/x6≤0 (3)
(4)
(5)
(6)
式中：Ttq max为发动机最大扭矩，N?m；va为六挡位发动机最大扭矩时汽车车速，km/h；D6max为六挡动力因数的要求值；
为最大爬坡度，%；
为驱动轮上法向反作用力，N；
为道路附着系数。
式(1)~(6)组成一个多目标优化模型，为简化问题，将2个优化目标线性加权组合[15]，不同的优化要求可取不同权系数，一般对轿车的优化时，可将式(2)权系数取为0.6，式(1)权系数取为0.4，得到单目标优化函数f(x)，利用内点罚函数法迭代求解上述模型，直至x(k)满足约束准则：
≤10-3为止，此时，取x(k)为优化值。迭代求解结果与优化前参数对比结果如表5所示。
表5 优化前后传动系主减比的对比
Table 5 Comparison of powertrain parameters before and after optimizing
3.2 优化后整车性能仿真结果
通过Cruise模拟计算，以优化后传动系参数作为输入参数，得出整车燃油经济性能及加速性能并与优化前模拟计算结果相比较，如表6和表7所示。
表6 优化传动系参数前、后整车燃油经济性对比
Table 6 Comparison of vehicle fuel economy performance before and after optimizing
表7 优化传动系参数前、后整车加速性能对比
Table 7 Comparison of vehicle acceleration performance before and after optimization
对比表6和表7可知：优化后各挡等速油耗均下降，其中城市行驶常用挡位四挡等速60 km/h油耗降幅超过8.99%，整车NEDC循环油耗由原来的7.52 L/(100 km)降低到7.01 L/(100 km)，降低了6.78%。原地起步100 km加速时间仅增加了4.32%，五、六挡超车加速时间增加但不超过4.10%，所以，加速性能只是小幅度降低。
4 结论
(1) 利用AVL-CRUISE软件整车建模，从动力性和燃油经济性指标加以评定模型的合理程度，整车加速时间、最高车速以及等速油耗等模拟计算值与实际试验结果相符合，所建模型可用于动力传动系匹配的优化仿真。
(2) 按优化的方案，优化后整车经济性得到有效改善，各挡等速油耗均较大幅度下降，整车NEDC循环油耗降低6.78%。动力性虽小幅度下降，但其原地起步加速性能及五、六挡超车加速时间性能仍然较好；考虑该轿车主要面向城市及市郊，动力性能小幅度下降后仍然能较好地满足使用要求，所以，得出的优化方案具有实际意义。
参考文献：
[1] 余志生. 汽车理论[M]. 5版. 北京: 机械工业出版社, 2009: 75-87.
YU Zhi-sheng. Automobile theory[M]. 5th ed. Beijing: China Machine Press, 2009: 75-87.
[2] 杨连生. 内燃机性能及其与传动装置的优化匹配[M]. 北京: 学术期刊出版社, 1988: 12-26.
YANG Lian-sheng. The optimal matching between internal- combustion engine performance and transmission[M]. Beijing: Academic Periodical Press, 1988: 12-26.
[3] MUNNS. A computer simulation of power train components with methodologies for generalized system modeling[D]. Madison, USA: University of Wisconsin, 1996: 33-35.
[4] 刘惟信, 戈平, 李伟. 汽车发动机与传动系参数最优匹配的研究[J]. 汽车工程, 1991, 13(2): 65-72.
LIU Wei-xin, GE Ping, LI Wei. Study of optimal matching between automobile engine and transmission parameters[J]. Automotive Engineering, 1991, 13(2): 65-72.
[5] 何仁, 商高高. 汽车动力传动系参数的优化方法[J]. 江苏理工大学学报: 自然科学版, 2000, 21(6): 62-66.
HE Ren, SHANG Gao-gao. Optimum method of automobile transmission parameters[J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology: Natural Science, 2000, 21(6): 62-66.
[6] 刘振军, 赵海峰, 秦大同. 基于CRUISE的动力传动系统建模与仿真分析[J]. 重庆大学学报, 2005, 28(11): 8-11.
LIU Zhen-jun, ZHAO Hai-feng, QIN Da-tong. Simulation and analysis of vehicle powertrain based on CRUISE[J]. Journal of Chongqing University: Natural Science Edition, 2005, 28(11): 8-11.
[7] 张京明, 赵桂范, 姜立标. 发动机特性计算模型在整车性能计算中的应用[J]. 车用发动机, 2000, 27(3): 26-28.
ZHANG Jin-ming, ZHAO Gui-fan, JIANG Li-biao. The application of computing model to engine performance for vehicle performance[J]. Vehicle Engine, 2000, 27(3): 26-28.
[8] Butler K L, Stevens K M, Ehsanim. A versatile computer simulation tool for design and analysis of electric and hybrid drive trains[C]// SAE Paper. Detroit, 1997: 970199.
[9] 周龙保, 刘巽俊, 高宗英. 内燃机学[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005: 254-255.
ZHOU Long-bao, LIU Xun-jun, GAO Zhong-ying. Internal combustion engines[M]. Beijing: China Machine Press, 2005: 254-255.
[10] 江发潮, 曹正清, 肖春泽. 发动机特性仿真研究[J]. 车用发动机, 2003, 48(6): 18-20.
JIANG Fa-chao, CAO Zheng-qing, XIAO Chun-ze. Study on engine characteristics simulation[J]. Vehicle Engine, 2003, 48(6): 18-20.
[11] 肖明伟, 杨靖. 495QME发动机与CDK6710客车传动系的匹配研究[D]. 湖南: 湖南大学机械与汽车工程学院, 2006: 50-55.
XIAO Ming-wei, YANG Jing. Study on the Matching between 495QME engine and CDK6710 carriage transmission system[D]. Hunan: Hunan University. Institute of Machinery and Automotive Engineering, 2006: 50-55.
[12] 刘清泉. 城市车发动机设计匹配[D]. 长春: 吉林大学汽车工程学院, 2004: 35-37.
LIU Qing-quan. Design & matching for city vehicle and engine[D]. Changchun: Jilin University. Institute of Automotive Engineering, 2004: 35-37.
[13] 李峰, 赵杰. 汽车发动机与传动系优化匹配的仿真研究[J]. 计算机仿真, 2007, 24(11): 243-245.
LI Feng, ZHAO Jie. Simulation of the optimization matching between engine and transmission system[J]. Computer Simulation, 2007, 24(11): 243-245.
[14] Zub R W, Colello R G. Effect of vehicle design variables on top speed performance and fuel economy[C]// SAE Paper. Detroit, 1980: 800215.
[15] 孙靖民. 机械优化设计[M]. 3版. 北京: 机械工业出版社, 2003: 124-151.
SUN Jing-min. Optimal design of machine[M]. 3rd ed. Beijing: China Machine Press, 2003: 124-151.
收稿日期：2010-05-11；修回日期：2010-07-25
基金项目：湖南省教育厅科研项目(09C894)
通信作者：申爱玲(1969-)，女，湖南邵阳人，高级工程师，从事动力机械优化设计及应用研究；电话：0739-5305016；E-mail: sal20@126.com
