CN105782428A - 一种汽车变速器传动比优化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车变速器传动比优化方法及装置，其中所述优化方法包括：确定优化参数；根据汽车传动参数的优化目的建立目标函数；建立约束条件；建立数学优化模型，并对模型求解，得到变速器和主减速器的优化速比；将所述变速器和主减速器的优化速比输入动力性与经济性仿真匹配模型进行计算，判断是否满足动力性和经济性要求，若是，则结束，若否，则修改约束条件或优化模型再次对模型求解，并进行动力性与经济性仿真匹配模型仿真，直至满足动力性和经济性要求。本发明汽车变速器传动比优化方法及装置通过对初选变速器速比进行优化，实现了正向开发，获得最接近动力性与经济性目标的变速器速比。

Description

一种汽车变速器传动比优化方法及装置

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，特别是涉及一种汽车变速器传动比优化方法及装置。

背景技术

汽车的动力由发动机产生，并由变速器输出至驱动桥中的主减速器，再由主减速器输出驱动车轮。汽车动力的发动机和传动系统与汽车使用工况匹配的好坏，直接关系到汽车的动力性能的发挥和燃料经济性的好坏。要想得到较合理的动力性和经济性，主要是依靠发动机与传动系统的合理匹配。在传统的汽车设计中，一般是根据已知条件，对传动系统参数进行选择，需要工程师通过动力计算和大量的试验工作确定传动参数。

由于仿真工具的限制，工程师仅能依据已有的发动机、变速器资源进行多方案匹配和选型工作，完成被动开发，无法找到获得最佳动力性和经济性的变速器速比。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种汽车变速器传动比优化方法，用于解决现有汽车设计过程中，只能根据现有发动机和变速器资源被动的进行选型和测试匹配，不仅工作量大，且无法得到动力性与经济性兼顾的问题。

本发明是这样实现的：

一种汽车变速器传动比优化方法，包括：

确定优化参数，将变速器各档位速比和主减速器速比设定为待优化参数；

根据汽车传动参数的优化目的建立目标函数；

建立约束条件，约束条件包括发动机的峰值输出功率和峰会输出扭矩，变速器档位个数，汽车动力性能参数范围以及燃油消耗参数范围；

根据发动机的动力参数、汽车的车身重量、汽车轮胎参数和所述目标函数建立数学优化模型，并采用在约束条件下多变量函数的寻优方法对模型求解，得到变速器和主减速器的优化速比；

将所述变速器和主减速器的优化速比输入动力性与经济性仿真匹配模型进行计算，判断是否满足动力性和经济性要求，若是，则结束，若否，则修改约束条件或优化模型再次对模型求解，并进行动力性与经济性仿真匹配模型仿真，直至满足动力性和经济性要求。

进一步的，所述汽车传动参数的优化目的包括最佳燃油经济性、最佳动力性或同时获得较佳的燃油经济性和动力性。

进一步的，在建立约束条件时，先根据公式D_0MAX＝((M_emax·X·η/R)-C_D·A·V_a ²/21.15)/G，确定变速器直接档最大动力因数，其中，V_a＝0.377·R·n_e/X，M_emax为发动机最大转矩(N·m)，V_a为最高档时发动机最大转矩时的汽车车速，X为变速器最高档总传动比，η为动力传动系统传动效率，R为车轮滚动半径，C_D为风阻系数，A为迎风面积，n_e发动机转速；

再根据公式X(1)≥G·(f·cosx_max+sinx_max)·R/(M_emax·η)，确定变速器最大传动比X(1)，其中，X(1)为变速器1档总传动比，G为整车满载质量，f为轮胎滚动阻力系数，x_max为最大爬坡度角；

然后再根据公式：

确定变速器各中间档传动比，其中，n表示变速器总档位数，m表示变速器的第几档。

进一步的，变速器各中间档位的传动比的比值小于或等于1.7～1.8。

进一步的，所述约束条件下多变量函数的寻优方法包括等式约束条件下的消元法、拉格朗日乘子法、惩罚函数法、复合形法等。

为解决上述技术问题，本发明提供的另一技术方案为：

一种汽车变速器传动比优化装置，优化参数确定模块、目标函数建立模块、约束条件抓取模块、优化模块和仿真模块；

优化参数确定模块用于确定优化参数，将变速器各档位速比和主减速器速比设定为待优化参数；

目标函数建立模块用于根据汽车传动参数的优化目的建立目标函数；

约束条件抓取模块用于建立约束条件，约束条件包括发动机的峰值输出功率和峰会输出扭矩，变速器档位个数，汽车动力性能参数范围以及燃油消耗参数范围；

优化模块用于根据发动机的动力参数、汽车的车身重量、汽车轮胎参数和所述目标函数建立数学优化模型，并采用在约束条件下多变量函数的寻优方法对模型求解，得到变速器和主减速器的优化速比；

仿真模块用于将所述变速器和主减速器的优化速比输入动力性与经济性仿真匹配模型进行计算，判断是否满足动力性和经济性要求；

若满足动力性和经济性要求，则结束，若不满足动力性和经济性要求，则修改约束条件或优化模型再次对模型求解，并进行动力性与经济性仿真匹配模型仿真，直至满足动力性和经济性要求。

进一步的，所述汽车传动参数的优化目的包括最佳燃油经济性、最佳动力性或同时获得较佳的燃油经济性和动力性。

进一步的，在建立约束条件时，先根据公式D_0MAX＝((M_emax·X·η/R)-C_D·A·V_a ²/21.15)/G，确定变速器直接档最大动力因数，其中，V_a＝0.377·R·n_e/X，M_emax为发动机最大转矩(N·m)，V_a为最高档时发动机最大转矩时的汽车车速，X为变速器最高档总传动比，η为动力传动系统传动效率，R为车轮滚动半径，C_D为风阻系数，A为迎风面积，n_e发动机转速；

再根据公式X(1)≥G·(f·cosx_max+sinx_max)·R/(M_emax·η)，确定变速器最大传动比X(1)，其中，X(1)为变速器1档总传动比，G为整车满载质量，f为轮胎滚动阻力系数，x_max为最大爬坡度角；

然后再根据公式：

确定变速器各中间档传动比，其中，n表示变速器总档位数，m表示变速器的第几档。

进一步的，变速器各中间档位的传动比的比值小于或等于1.7～1.8。

进一步的，所述约束条件下多变量函数的寻优方法包括等式约束条件下的消元法、拉格朗日乘子法、惩罚函数法、复合形法等。

本发明的有益效果为：本发明汽车变速器传动比优化方法及装置通过建立目标函数、约束条件和优化模型，对初选变速器速比进行优化，实现了正向开发，并变速器和主减速器优化后的速比进行仿真验证，获得最接近动力性经济性目标的变速器速比；同时，相对于现有技术，本发明降低了计算匹配工作量，避免了无目的性的多方案实车匹配试验，有效节约研发成本，减少研发周期。

附图说明

图1为本发明实施方式中汽车传动系统匹配总流程图；

图2为本发明实施方式中汽车变速器传动比优化的具体流程图；

图3为本发明实施方式一种汽车变速器传动比优化装置的虚拟模块框图。

标号说明：

10、优化参数确定模块；20、目标函数建立模块；30、约束条件抓取模块；40、优化模块；50、仿真模块。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1，本发明实施方式中汽车传动系统匹配总流程图。在汽车传动系统匹配过程中，先确定已确定的相关参数，如整车的尺寸与重量，以及轮胎的参数等；

再根据这些已确定的参数从资料源库中初选发动机和变速器；

根据所选的发动机和变速器的现有参数计算汽车的动力性和经济性；

判断上述动力性和经济性是否满足预设性能目标，若是，则完成发动机与传动系统的匹配，若否，则对传动系统进行速比优化，直到满足性能要求。

请参数图2，为本发明实施方式中汽车变速器传动比优化的具体流程图。在进行传动比优化时，包括以下步骤：

(1)首先要输入计算参数，即需要进行优化的参数，在本优化过程中，将变速器各档位速比和主减速器速比设定为待优化参数。

(2)建立目标函数，目标函数是根据汽车传动参数的优化目标建立的，可以为包括最佳燃油经济性、最佳动力性或同时获得较佳的燃油经济性和动力性。

(3)接着是输入约束参数，约束条件包括发动机的峰值输出功率和峰会输出扭矩，变速器档位个数，汽车动力性能参数范围以及燃油消耗参数范围。

根据上述步骤建立以变速器和主减速器速比为变量的数学模型，该模型具体包括建立设计变量、建立目标函数、建立约束条件三个部分。

建立设计变量，设定变速器的各个档位速比以及主减速器速比为优化参数，建立优化模型的设计变量为：X＝[x₁,x₂,x₃,x₄,x₅]^T＝[i_g1,i_g2,i_g3,i_g4,i_g5,i₀]^T,其中i_gj为变速器第j档速比；i₀为主减速器传动比，T代表变换为列矩阵。其中，图2中的初始方式即为在优化前输入的一组速比数据，速比是需要最终优化后得到的，但是在优化计算开始时，需要初步输入一套速比，再通过约速条件进行反复优化，从而得到优化后的速比。

建立目标函数，燃油经济性常用循环工况下的百公里燃油消耗量来衡量，用Q表示，在满足动力性要求基础上，建立以获得最佳燃油经济性为目标的目标函数公式:

Qs＝f[X(1),X(2),X(3),X(4),X(5)]，其中，Qs为设定的最佳燃油经济性目标值，X(I)为变速器各档位与主减速器总传动比。

建立约束条件，采用有约束条件下多变量函数的寻优方法对模型求解，得到变速器和主减速器的优化速比。先根据公式D_0MAX＝((M_emax·X·η/R)-C_D·A·V_a ²/21.15)/G，确定变速器直接档最大动力因数，其中，V_a＝0.377·R·n_e/X，M_emax为发动机最大转矩(N·m)，V_a为最高档时发动机最大转矩时的汽车车速，X为变速器最高档总传动比，η为动力传动系统传动效率，R为车轮滚动半径，C_D为风阻系数，A为迎风面积，n_e发动机转速；再根据公式X(1)≥G·(f·cosx_max+sinx_max)·R/(M_emax·η)，确定变速器最大传动比X(1)即最低速档，其中，X(1)为变速器1档总传动比，G为整车满载质量，f为轮胎滚动阻力系数，x_max为最大爬坡度角；然后再根据公式：确定变速器各中间档传动比，其中，n表示变速器总档位数，m表示变速器的第几档，要求

上述所述优化模型中包括的设计变量需满足工程可行性要求，设计约束需满足性能目标要求。上述所述有约条件下多变量函数的寻优方法可以包括等式约束条件下的消元法、拉格朗日乘子法、惩罚函数法、复合形法等。动力性经济性计算，将所述变速器和主减速器的优化速比输入动力性与经济性仿真匹配模型进行计算，判断是否满足动力性和经济性要求，若是，则结束，若否，则修改约束条件或优化模型再次对模型求解，并进行动力性与经济性仿真匹配模型仿真，直至满足动力性和经济性要求。

通过上述方法合理地选择速比，使动力源与变速器动力衔接顺畅，换档快速，提高整车动力效率及换档性能。

以下以某配有五档手动变速器汽车为例进行优化，其中主减速器为单级主减速器。设定五档手动变速器的5个档位速比以及主减速器速比为优化参数，建立优化模型的设计变量为：

X＝[x₁,x₂,x₃,x₄,x₅]^T＝[i_g1,i_g2,i_g3,i_g4,i_g5,i₀]^T,其中i_gj为变速器第j档速比；i₀为主减速器传动比，T代表变换为列矩阵。需要进一步说明的是，上述所述优化参数的变化范围需满足工程可行性。

在满足动力性要求基础上，建立以获得最佳燃油经济性为目标的目标函数公式:

Qs＝f[X(1),X(2),X(3),X(4),X(5)]，其中，Qs为设定的最佳燃油经济性目标值，X(I)为变速器各档位与主减速器总传动比。

以汽车动力性能为约束条件，具体约束条件如下：

确定直接档的最大动力因数直接档即为最高档，汽车燃料经济性的提高，应在保证汽车动力性的前提下，即要求汽车最小传动比时，有足够的上坡加速能力。评价指标用直接档的最大动力因数D_O，表示汽车直接档或最高档时爬坡能力和加速能力。

D_0MAX＝((M_emax·X(5)·η/R)-C_D·A·V_a ²/21.15)/G

V_a＝0.377·R·n_e/X(5)

其中，M_emax为发动机最大转矩(N·m),V_a为最高档时发动机最大转矩时的汽车车速(km/h),X(5)为变速器最高档总传动比，η为动力传动系统传动效率，R为车轮滚动半径(mm)，C_D为风阻系数，A为迎风面积(m²)，n_e发动机转速(rpm)。

确定最大传动比X(1)，就普通汽车而言，传动系最大传动比就是变速器I档传动比ig1与驱动桥主减速器传动比i0的乘积。当i0已知时，确定传动系最大传动比也就是确定变速器1档传动比。汽车的动力性要求其最大传动比应满足汽车最大爬坡度的要求：

X(1)≥G·(f·cosx_max+sinx_max)·R/(M_emax·η)

其中X(1)为变速器1档总传动比，G为整车满载质量(kg)，f为轮胎滚动阻力系数，x_max为最大爬坡度角(°)。确定1档传动比后，还应按下式验算附着条件，即最大驱动力必须小于或等于汽车在地面上的附着力：

M_emax·X(1)·η/R≤Z_ψ·ψ,其中Z_ψ为驱动轮上的法向反作用力(N)，ψ为道路附着系数。

确定中间各位传动比，变速器相邻两档之间传动比比值主要影响变速器的使用性能，比值过大会造成换档困难，一般认为比值不宜大于1.7～1.8。实际上，汽车传动系各档的传动比大体上是按等比级数分配的。

$X\left(m\right)=\sqrt[n-1]{{\[\frac{X\left(1\right)}{X\left(n\right)}\]}^{n-m}}\·X\left(n\right)$

其中，n表示变速器包括的档位数，本例中n＝5；m表示变速器第1、2、3…5档。

以上，在变速器速比优化过程中，通过输入变速器和主减速器速比参数、整车及发动机参数的填写，并设定变速器1～5档、主减速器速比为优化参数。在速比优化过程中的约束条件，可通过对比竞争车型的动力性经济性并设定性能目标，以此做为目标函数的约束条件。通过目标函数建立及求解，建立以满足动力性为基础，获得最佳燃油经济性的目标函数，同时选择合适的优化求解方法进行求解计算。进一步地，通过计算结果显示模块，获取满足目标要求的变速器和主减速器速比。并将得到的的变速器和主减速器速比进行动力性和经济性仿真，如果通过计算无法满足当前设计性能目标要求，则重新选择输入参数并制定优化方案进行求解。

请参阅图3，本发明提供的另一实施方式为一种汽车变速器传动比优化装置，优化参数确定模块10、目标函数建立模块20、约束条件抓取模块30、优化模块40和仿真模块50；

优化参数确定模块10用于确定优化参数，将变速器各档位速比和主减速器速比设定为待优化参数；

目标函数建立模块20用于根据汽车传动参数的优化目的建立目标函数；

约束条件抓取模块30用于建立约束条件，约束条件包括发动机的峰值输出功率和峰会输出扭矩，变速器档位个数，汽车动力性能参数范围以及燃油消耗参数范围；

优化模块40用于根据发动机的动力参数、汽车的车身重量、汽车轮胎参数和所述目标函数建立数学优化模型，并采用在约束条件下多变量函数的寻优方法对模型求解，得到变速器和主减速器的优化速比；

仿真模块50用于将所述变速器和主减速器的优化速比输入动力性与经济性仿真匹配模型进行计算，判断是否满足动力性和经济性要求；

若满足动力性和经济性要求，则结束，若不满足动力性和经济性要求，则修改约束条件或优化模型再次对模型求解，并进行动力性与经济性仿真匹配模型仿真，直至满足动力性和经济性要求。

进一步的，所述汽车传动参数的优化目的包括最佳燃油经济性、最佳动力性或同时获得较佳的燃油经济性和动力性。

进一步的，在建立约束条件时，先根据公式D_0MAX＝((M_emax·X·η/R)-C_D·A·V_a ²/21.15)/G，确定变速器直接档最大动力因数，其中，V_a＝0.377·R·n_e/X，M_emax为发动机最大转矩(N·m)，V_a为最高档时发动机最大转矩时的汽车车速，X为变速器最高档总传动比，η为动力传动系统传动效率，R为车轮滚动半径，C_D为风阻系数，A为迎风面积，n_e发动机转速；

再根据公式X(1)≥G·(f·cosx_max+sinx_max)·R/(M_emax·η)，确定变速器最大传动比X(1)，其中，X(1)为变速器1档总传动比，G为整车满载质量，f为轮胎滚动阻力系数，x_max为最大爬坡度角；

然后再根据公式：

确定变速器各中间档传动比，其中，n表示变速器总档位数，m表示变速器的第几档。

进一步的，变速器各中间档位的传动比的比值小于或等于1.7～1.8。

进一步的，所述约束条件下多变量函数的寻优方法包括等式约束条件下的消元法、拉格朗日乘子法、惩罚函数法、复合形法等。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种汽车变速器传动比优化方法，其特征在于，包括：

确定优化参数，将变速器各档位速比和主减速器速比设定为待优化参数；

根据汽车传动参数的优化目的建立目标函数；

建立约束条件，约束条件包括发动机的峰值输出功率和峰会输出扭矩，变速器档位个数，汽车动力性能参数范围以及燃油消耗参数范围；

根据发动机的动力参数、汽车的车身重量、汽车轮胎参数和所述目标函数建立数学优化模型，并采用在约束条件下多变量函数的寻优方法对模型求解，得到变速器和主减速器的优化速比；

将所述变速器和主减速器的优化速比输入动力性与经济性仿真匹配模型进行计算，判断是否满足动力性和经济性要求，若是，则结束，若否，则修改约束条件或优化模型再次对模型求解，并进行动力性与经济性仿真匹配模型仿真，直至满足动力性和经济性要求。

2.根据权利要求1所述的汽车变速器传动比优化方法，其特征在于，所述汽车传动参数的优化目的包括最佳燃油经济性、最佳动力性或同时获得较佳的燃油经济性和动力性。

3.根据权利要求1所述的汽车变速器传动比优化方法，其特征在于，在建立约束条件时，先根据公式D_0MAX＝((M_emax·X·η/R)-C_D·A·V_a ²/21.15)/G，确定变速器直接档最大动力因数，其中，V_a＝0.377·R·n_e/X，M_emax为发动机最大转矩(N·m)，V_a为最高档时发动机最大转矩时的汽车车速，X为变速器最高档总传动比，η为动力传动系统传动效率，R为车轮滚动半径，C_D为风阻系数，A为迎风面积，n_e发动机转速；

再根据公式X(1)≥G·(f·cosx_max+sinx_max)·R/(M_emax·η)，确定变速器最大传动比X(1)，其中，X(1)为变速器1档总传动比，G为整车满载质量，f为轮胎滚动阻力系数，x_max为最大爬坡度角；

然后再根据公式：

确定变速器各中间档传动比，其中，n表示变速器总档位数，m表示变速器的第几档。

4.根据权利要求3所述的汽车变速器传动比优化方法，其特征在于，变速器各中间档位的传动比的比值小于或等于1.7～1.8。

5.根据权利要求1所述的汽车变速器传动比优化方法，其特征在于，所述约束条件下多变量函数的寻优方法包括等式约束条件下的消元法、拉格朗日乘子法、惩罚函数法、复合形法等。

6.一种汽车变速器传动比优化装置，其特征在于，优化参数确定模块、目标函数建立模块、约束条件抓取模块、优化模块和仿真模块；

优化参数确定模块用于确定优化参数，将变速器各档位速比和主减速器速比设定为待优化参数；

目标函数建立模块用于根据汽车传动参数的优化目的建立目标函数；

约束条件抓取模块用于建立约束条件，约束条件包括发动机的峰值输出功率和峰会输出扭矩，变速器档位个数，汽车动力性能参数范围以及燃油消耗参数范围；

优化模块用于根据发动机的动力参数、汽车的车身重量、汽车轮胎参数和所述目标函数建立数学优化模型，并采用在约束条件下多变量函数的寻优方法对模型求解，得到变速器和主减速器的优化速比；

仿真模块用于将所述变速器和主减速器的优化速比输入动力性与经济性仿真匹配模型进行计算，判断是否满足动力性和经济性要求；

若满足动力性和经济性要求，则结束，若不满足动力性和经济性要求，则修改约束条件或优化模型再次对模型求解，并进行动力性与经济性仿真匹配模型仿真，直至满足动力性和经济性要求。

7.根据权利要求6所述的汽车变速器传动比优化装置，其特征在于，所述汽车传动参数的优化目的包括最佳燃油经济性、最佳动力性或同时获得较佳的燃油经济性和动力性。

8.根据权利要求6所述的汽车变速器传动比优化装置，其特征在于，在建立约束条件时，先根据公式D_0MAX＝((M_emax·X·η/R)-C_D·A·V_a ²/21.15)/G，确定变速器直接档最大动力因数，其中，V_a＝0.377·R·n_e/X，M_emax为发动机最大转矩(N·m)，V_a为最高档时发动机最大转矩时的汽车车速，X为变速器最高档总传动比，η为动力传动系统传动效率，R为车轮滚动半径，C_D为风阻系数，A为迎风面积，n_e发动机转速；

再根据公式X(1)≥G·(f·cosx_max+sinx_max)·R/(M_emax·η)，确定变速器最大传动比X(1)，其中，X(1)为变速器1档总传动比，G为整车满载质量，f为轮胎滚动阻力系数，x_max为最大爬坡度角；

然后再根据公式：

确定变速器各中间档传动比，其中，n表示变速器总档位数，m表示变速器的第几档。

9.根据权利要求8所述的汽车变速器传动比优化装置，其特征在于，变速器各中间档位的传动比的比值小于或等于1.7～1.8。

10.根据权利要求6所述的汽车变速器传动比优化装置，其特征在于，所述约束条件下多变量函数的寻优方法包括等式约束条件下的消元法、拉格朗日乘子法、惩罚函数法、复合形法等。