CA7156UE4轿车动力性和经济性的改进与优化

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随着汽车技术的不断发展，人们对轿车各方面的性能的期望和要求也越来越高，如何提高整车性能已经成为当今研究的-个重要课题。汽车整车性能的提高不仅撒于发动机和传动系性能的提高，而且在很大程度上撒于二者之间的匹配。现代计算机仿真技术的快速发展使得汽车性能的模拟计算已经成为了现实，通过模拟计算能够更好地选择汽车动力传动系统之间的匹配方案，从而大大缩减了汽车产品的开发周期，降低了成本，有效地提高了设计质量，而且能够为整车的技术评价和分析提供理论依据。同时，国内外相继开发出了很多模拟计算软件，对汽车动力传动系统的匹配进行了研究。在此 ，选择某公司开发的 CRUISE软件，并以CA7156UE4 MT轿车为研究对象，建立了该车的整车模型，对原发动机与传动系匹配方案进行仿真分析研究和改进，提出了-种更合适的动力传动系统匹配方案，从而可有效地提高轿车动力性和经济性。

2基于 CRUISE的CA7156UE4 MT轿车动力传动系统仿真模型在汽车传动系统中，手动变速是其他各种结构传动方式的基础，所选CA7156UE4为五档手动变速传动，其传动结构简图，如图 1所示。

- 离合器图 1为手动变速传动结构简图Fig.1 The Structure of Manual Transmission2.1参数输入轿车CA7156UE4为发动机前置前轮驱动，其仿真所需要的原车主要参数，如表 1所示。 。

2.2机械连接基手CRUISE平台，其整车模型机械连接建立，如图2所示。模型主要由以下拈组成：Vehicle、Engines Cluth、GearBox、Single Ratio、Diferential WheelBrake、ASC、Cockpit等.将各拈之间用机械连接和数据总线连接如下：来稿 日期：2012-03-10基金项目：重庆市教委自然科学项目(KJ090408)；重庆市教委项目(0903070)；重庆交通大学研究生教育创新基金项 目(20120108)作者简介：李 军 ，(1964-)，男，教授，主要从事汽车发动机排放与控制研究208 李 军等：CA7156UE4轿车动力性和经济性的改进与优化 第1期表 1 MT轿车基本参数Tab.1 Parameters of MT Car图 2五档 MT轿车模型Fig.2 The Model of Vehicle2.3信号连接MT系统模型主要拈包括：Brake、clutch、Cockpit、Engine、Gear Box、Monitor，在-些需求信号的子拈中蓝色的线必须连接，黑色的线视情况而定。拈的需求信号是通过别的拈传递的，每个拈根据需要可以接受或输出-个或多个信号。

2.4定制任务由于主要任务是在分析该轿车的动力性和经济性的基础上，修改其传动系统参数并提出改进后的新传动方案，建立传动模型，然后加以仿真分析，最后将两组结果分别进行比较，最终得到-种新的优化匹配方案。相关数据在定制任务时，主要包括以下几种任务：定制 Cycle Run任务得到经济性相关数据和定制 FuU LoadAcceleration、climbing得到动力性相关数据。

3仿真与分析对于轿车动力性和经济性的研究 ，传统的做法是在道路试验或者实验室台架进行反复试验，其成本高，周期长。采用建模与仿真，综合考虑汽车的不同运行工况 ，分析研究 CA7156UE4轿车在NEDC循环工况下的动力性和经济性，并将仿真试验结果和原车实验数据作比较，优化该车传动系统，如图3 图5所示。

由图3和图4可知，在试验工况下，将发动机在转速轴上的时间使用密度叠加在的万有特l生图上，发现发动机的实际工作区域都偏离了经济工作区，尤其在市区工况，对原发动机的万有特性图分析可知，其经济工作区处在发动机转速 (1350～3250)min、扭矩(72100)Nm范围，其百公里油耗Q(LqOOkm)作为经济性代表，仿真值为7.9[1/100km]和原车标定实验数据7.5[1，lOOkm]，相对差值5.3%。

三.3J .69.07 t -Speed(1/rain)图3配备 MT的发动机转矩转速特陛曲线Fig.3 Torque＆ Speed Characteristic Curve of Engine0 800 1600 2400 3200 4000 48o0 56oo 64OOSpeed(1/min)图4提取发动机循环工况的分布图Fig.4 The Extraction Distribution of Engine Cycle Mode50 40 I30 几 /20 f 上 、10 f L I I I l 。

0 lI l l I-10 J l I- 20- 30 l L、 J- 40- n1.51.20.90.6 目0.30- 0.3- 0.6- 0.9- 1-2- 1.50 20 40 60 80 10o120140 16o180 200Time(s)图5 v档MT轿车 NEDC运行工况特征图Fig.5 NEDC Operation Condition of V Gear MT Car动力性计算分析：可知，该轿车最大爬坡度 51.3%，动力性很好，对应的-档后备功率很大，爬坡眭能很好。由图5可知其-档最大加速度为 4.17m/s：，由全负荷数据可知汽车(0 100)km/h全负荷加速时间为 12.36s，从各方面的数据来看其动力性基本正常，证明该轿车模型的建立是正确的。

4动力传动系统的改进与优化通过对 MT轿车动力性和经济性的分析 ，发现该车油耗量较大，其主要原因可能是发动机排量过大或传动比过大，考虑到发动机和轮胎总成已经选定的情况下，如何确定传动系的速比则是汽车动力匹配的核心问题。从经济眭角度来讲，可以采用减小传动系统的最小传动比和扩大档位数两种方法进行优化。

4.1主减速比的优化使用以下方法来优化主减速器模型的方法：先假定在不改 5 0 5 O 5 O 5 O 5 O 5 0 5 O 5 0 5 0 5 O 1 9 9 8 8 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 l 1 O O 姗瑚啪枷姗0姗 咖枷姗No.1Jan.201 3 机械 设 计 与制 造 209变汽车变速器的传动比的情况下，针对汽车主减速器的优化设计选择，以主减速 比如为优化目标，模型 i。，在设计中总是希望得到良好的动力性、经济性，然而，汽车的动力性和经济性是相互矛盾的，不可能在同-方案中，使其都达到最优。采用以燃油经济性作为优化的目标，在保证汽车必要的动力性条件下，具有最好的经济性。以循环工况燃油消耗量 为目标函数，要求Q 最小；即：miny( ) 。在经济性已经选为目标函数的基础下，为了满足动力性能的要求，就应该以动力性作为约束条件，以原地起步连续换档加速时间t代表汽车的动力性 ，使时间不大于理论设计要求值t。即约束值，即约束条件： ) -to

基于上述标定模型，选用不同的主减速比：4.12，3.944(原车)，3.528，3.27，通过计算机编程模拟计算选用各主减速比时的燃油消耗量，如表 2所示。

表 2选用不同主减速比时的燃油消耗量Tab.2 The Consumption of Diferent Final Drive由表中结果可知，主减速比越大，动力性越好，但油耗增加，考虑到主减速比取 3.528时，汽车爬坡度为49.2%，变化不大，而NEDC油耗降为 7.5(IJl00km)，经济性得到了提高，故优选出主减速比为 3.528。

4.2变速器的优化4.2.1变速器挡数的优化- 个多挡变速器，若在发动机、主减速器速比iO，车轮半径r等参数都确定的情况下，变速器的挡位数越多越好。假设变速比按等比数列选取，换挡时的发动机中间转速 nck可以表示如下： (4)-1 . -l/n 式中：n 发动机的最高转速，r/min； -变速器的1挡速比。

若另上式中的，r 。。，那么中间转速 -n 。也就是说，随着挡数的无限增加，加速过程中，就可以充分地利用最大功率，增加了经济工况的选档机会，提高了燃油经济性。上述情况实际就是无级变速器。有级式变速器虽不可能实现这种工况，但可以得出，档位数越多，上述优点越明显。所选 MT轿车为5档，在结构复杂所允许的情况下可以增加-个直接档，有助于提高传动效率，故取挡数 n6。

4.2.2变速器I挡和超速挡位速比的确定在选择汽车的I挡传动比也就是最大传动比时主要考虑汽车的动力性，在主减速比不变情况下，改变I挡速比，计算整车的NEDC油耗及(0-l00)kn1/h加速时间，结果如表 3所示。

表 3选用不同 J挡变速器参数汽车性能Tab.3 Diferent Performance Parameters of I Transmission(1挡) 参数传动比 NEDC油耗(U100km) (0-100)km/h加速时间(s)以上表可知，变速器传动比由 3.254增加到 3.945过程中整车NEDC循环油耗只增加了0.07L，相当于总油耗的0.87%，可见- 挡速比的变化对油耗影响不大。而(0～100)km/h加速时间降低了0.9s，相当于加速时间提高了7.5%，说明-挡速比的变化对整车动力性影响较大。通过计算机模拟计算与优化，这里选取-挡速比i 为 3.743。

在变速器 1挡速比i .和挡数 n被确定以后 ，又如何确定中间挡位的速比呢从原则上 ，所选速比应保证发动机在加速过程中始终处于优惠的工作状态，保证最大的加速强度和最短的加速时间〖虑到该车比功率较大且经常行驶于良好路面，这里采用等比级数法来确定：设相邻挡位速比之比等于-个常数，即公比q 如果已知 1挡和末挡速比分别为 i 和 ，那么便可导出中间挡位速比ik：由于 - ： ( ).( )· (5)ik ·q(1-k)将 q代入此式，便可解得第k挡为的等比级数速比表达式：f旦L f-.旦-1· ·、 -. - (6tgkiT1 ) ～ ，式中： ， 超速挡速比，-般 (0.7～0.80)。改进后的六个挡参数和主减速器参数与原来对比，如表4所示。

表 4改进后的主减速器和变速器参数Tab.4 Main Reducer and TransmissionParameters after Improved2lO 机械设计与制造No.1Jan.20135优化后整车动力性和经济性能仿真将改进后的主减速器参数和变速器的参数重新输入到 MT轿车模型中，再次定制任务对整车进行动力性和经济生仿真，如图 8所示。

0 80o 16o0 24oo 320o 4000 480o 5600 6400Speed(I/rain)图 8改进后提取发动机循环工况油耗图Fig.8 Engine Cycle Fuel Consumption after Improved从改进后的整车仿真结果中可以看出：发动机在经济油耗区的工作点分布明显增多，循环百公里综合工况油耗7.45I/lOOkm比优化前的循环百公里综合工况油耗 7.91/100km减少0.451/100km，整车的经济性能明显得到提高。这是因为，优洋的主减速器速比由原来的 3.944减少到3.528，而且变速器的档位数相比原变速器有所增加，使得发动机在工作时负荷率提高，在经济工况下工作的机会变多，以至于燃油经济生变好。

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U 6 l2 l 24 jU 3b 42 48 54 6UTime(s)图9改进后的轿车原地起步连续换挡加速能力曲线Fig.9 Accelerate Curve in Started Continuous Shift after Improved改进后的轿车由原地起步连续换挡加速能力曲线，如图 9所示。由图9可以看出，(0-lO0)km/h加速时间(s)为 12.8s，仅比原来的 12.3s增加了4.07%，而爬坡度变化更小，-挡最大爬坡度为50.1%，与原车相比基本没由变化，说明了采用上述改进方案在提高整车经济性的同时，动力性下降并不明显。

6结束语(1)轿车的动力总成各部件(发动机、主减速器、变速器)之间的匹配直接关系到整车的性能，单纯改进某-个部件并不能改善汽车的动力性或经济性，在发动机已经确定的情况下，通过优化主减速器、变速器等参数可以提高动力传动系统的合理匹配程度，进而保证整车的动力性和经济性都得到最大程度的发挥。

(2)利用Cruise软件可以有效方便的建立轿车的模型，并通过修改动力传动系统各部件参数和模拟试验得到优化后的轿车的动力性和经济性，有助于设计者在初期阶段预测整车的性能，指导轿车的设计或改动，大大缩短了开发周期，减序避免了错误的匹配。

(3)主要对传动系统主减速比和变速器进行优化与改进，在动力性下降很少的情况下，使整车的燃油经济性得到了很大的改善。