CN106777761A - 一种液力自动重型车动力传动一体化匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液力自动重型车动力传动一体化匹配方法，考虑车辆最高车速与0～60km/h加速时间这两个汽车动力性评价指标，将这两个评价指标同时作为目标函数，提出了一种基于最高车速和加速性能相结合的多目标优化设计方法，可得到不同性能偏好下的动力传动参数优化结果。本发明在提高优化精度的同时，有效缩短汽车研发时间，以及针对汽车动力传动系统这种不可微、不连续、非线性的复杂问题，采用带精英策略的非梯度算法，消除设计人员经验因素对优化匹配结果的影响。

Description

一种液力自动重型车动力传动一体化匹配方法

技术领域

本发明属于重型商用车动力传动系统技术领域，具体涉及一种液力自动重型车动力传动一体化匹配方法。

背景技术

针对汽车动力传动系统优化匹配的研究中，传统方法有穷举法、试验法等，采用穷举的方式或者正交试验法，对动力系统或者传统系统参数进行优化选择。传统方法的优点在于简单可行，但优化时间很长，效率较低，优化精度不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种液力自动重型车动力传动一体化匹配方法，解决现有方法中存在的优化时间较长，效率较低，优化精度不高的问题。

本发明的技术方案为：。

有益效果：本发明能够在汽车设计初始阶段预测汽车动力性能的优劣及其可优化空间，根据车辆的设计要求及使用环境，选择动力传动系统参数匹配，可快速、高效的提供优化设计方案，缩短汽车研发周期及降低成本，提高车辆性能。在样车试验阶段，根据台架试验数据，结合样车试验状态，通过微调变速器换挡规律和换档品质，如微调变速器换挡转速，获取更佳的车辆动力性和燃油经济性。在提高优化精度的同时，有效缩短汽车研发时间，以及针对汽车动力传动系统这种不可微、不连续、非线性的复杂问题，采用带精英策略的非梯度算法，消除设计人员经验因素对优化匹配结果的影响。

附图说明

图1为本发明的工作流程图；

图2为发动机与液力变矩器共同工作输入特性图；

图3为发动机与液力变矩器共同工作输出特性图；

图4为NSGA-II算法的实现。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提供一种液力自动重型车动力传动一体化匹配方法，考虑车辆最高车速与0～60km/h加速时间这两个汽车动力性评价指标，将这两个评价指标同时作为目标函数，提出了一种基于最高车速和加速性能相结合的多目标优化设计方法，可得到不同性能偏好下的动力传动参数优化结果。具体步骤如下：

步骤1：建立汽车动力性仿真模型，得到整车的最高车速、0～60km/h加速时间以及最大爬坡度。在MATLAB环境下建立动力性仿真模型，程序流程如图1所示。

步骤2：根据发动机与液力变矩器共同工作特性，得出发动机与液力变矩器共同工作数学模型，根据汽车的驱动力与行驶阻力的平衡关系建立汽车行驶方程：发动机与液力变矩器共同工作特性是指发动机与液力变矩器共同工作输入、输出特性的变化规律，确定发动机与液力变矩器共同工作特性就是根据发动机的特性和液力变矩器的原始特性，通过台架测试确定共同工作输入特性、共同工作区间及其共同工作输出特性；发动机与液力变矩器共同工作输入特性见图2，发动机与液力变矩器共同工作输出特性见图3。

根据测试得到的发动机转速参数

发动机转矩T_e与转速n_e的关系常采用多项式描述：

式中：T_e为发动机转矩，单位为N·m；n_e为发动机转速，单位为r/min；a₀、a₁、a₂…a_k为多项式系数，由最小二乘法确定；拟合阶数k随特性曲线而异，一般取3、4、5。发动机转矩和发动机转速从发动机外特性获得。

液力变矩器施加于发动机的负载特性为：

式中：T_p为泵轮转矩，单位为N·m；γ为工作油液重度，单位为N/m³；D为变矩器有效直径，单位为m；n_p为泵轮转速，单位为r/min；λ_p为泵轮转矩系数，单位为min²/(m·r²)，各数据从液力变矩器原始特性获得。

发动机和液力变矩器共同工作的必要条件是

T_e＝T_p；n_e＝n_p

由上述公式可计算出发动机与变矩器共同工作的一组参数点。对该组参数点按以下关系式求解可得发动机与变矩器共同工作的输出特性离散点。

通过使用最小二乘法，发动机与变矩器共同工作的输出特性数学模型为：

式中：T_t为涡轮轴输出转矩，单位为N·m，n_t为涡轮轴转速，单位为r/min，a₀、a₁、a₂…a_k为多项式系数，由最小二乘法确定；拟合阶数k随特性曲线而异，一般取3、4、5。

建立的汽车行驶方程为：

F_t＝F_f+F_w+F_i+F_j

或

式中：F_t，F_f，F_w，F_i，F_j分别为汽车驱动力，滚动阻力，空气阻力，坡度阻力，加速阻力，单位为N；i_g，i_b，i₀分别为变速器速比，分动器速比，主减速器速比；η_T为传动系机械效率；r为车轮滚动半径，单位为m；m为汽车整备质量，单位为kg；f为滚动阻力系数，α为道路坡度，单位为度(°)；C_D为空气阻力系数；A为迎风面积，单位为m²；u_a为车速，单位为km/h；δ为汽车旋转质量换算系数。上述参数均可从整车和部件固有参数中获得。

步骤3：求解步骤2中所得的车辆行驶方程，建立最高车速、0～60km/h加速时间的目标函数，这里分别以车辆最高车速计算值的最大值和0～60km/h加速时间计算值的最小值作为目标值。

最高车速指汽车在水平良好路面上所能达到的最高行驶速度，此时汽车的加速度和道路坡度均为0，其计算公式如下：

加速时间通常用汽车在水平良好路面行驶时的加速时间t来表示，此时道路坡度为0，其计算公式为：

在车辆最高车速计算值中选取最大的值作为第一个优化目标，0～60km/h加速时间的计算值中选取最短时间作为第二个优化目标，建立如下目标函数：

式中：X为优化设计向量，f₁(X)、f₂(X)分别为建立的两个目标函数，u_amax为最高车速，单位为km/h，t_min为0～60km/h最短加速时间，单位为s。

步骤4：选取发动机最大功率P_emax、液力变矩器有效直径D以及主减速器速比i₀作为优化设计变量，以车辆动力性设计指标作为约束，建立一个多目标优化模型：

X＝[P_emax,D,i₀]

约束条件有：u_a≥100km/h，t≤24s，i_max≥60％，u_min≤5km/h。其中，u_a表示最高车速，t表示0～60km/h加速时间，i_max表示最大爬坡度，u_min表示最低稳定车速。

综合步骤2、步骤3所述，建立优化模型如下：

F(X)＝{f₁(X)，f₂(X)}

X＝[P_emax,D,i₀]

u_a≥100km/h

t≤24s

i_max≥60％

u_min≤5km/h

式中：F(X)为目标函数向量。

步骤5：根据步骤4得到的多目标优化模型，采用带精英策略的非支配排序遗传算法NSGA-II进行优化，得出一个pareto前沿面，根据车辆追求的动力性还是追求的经济性不同偏好选取最优妥协解，通过最优妥协解选取优化后的发动机最大功率P_emax、液力变矩器有效直径D以及主减速器速比i₀，指导设计人员选取最佳的发动机、变速器、主减速器型号。

NSGA-II算法的实现步骤如图4所示。

步骤6：通过发动机变速器台架联调试验，分析变速器换挡规律和换档品质，通过微调变速器换挡转速，进一步提升车辆动力性和燃油经济性。

Claims (5)

1.一种液力自动重型车动力传动一体化匹配方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤1：建立汽车动力性仿真模型，得到整车的最高车速、0～60km/h加速时间以及最大爬坡度；

步骤2：根据发动机与液力变矩器共同工作特性，得出发动机与液力变矩器共同工作数学模型，根据汽车的驱动力与行驶阻力的平衡关系建立汽车行驶方程；

步骤3：根据步骤2的车辆行驶方程，建立最高车速、0～60km/h加速时间的目标函数；

步骤4：选取发动机最大功率P_emax、液力变矩器有效直径D以及主减速器速比i₀作为优化设计变量，以车辆动力性设计指标作为约束，建立一个多目标优化模型：

X＝[P_emax,D,i₀]

约束条件有：u_a≥100km/h，t≤24s，i_max≥60％，u_min≤5km/h。其中，u_a表示最高车速，t表示0～60km/h加速时间，i_max表示最大爬坡度，u_min表示最低稳定车速；

步骤5：根据步骤4得到的多目标优化模型，进行优化，得出一个pareto前沿面，根据车辆追求的动力性还是追求的经济性不同偏好选取最优妥协解，通过最优妥协解选取优化后的发动机最大功率P_emax、液力变矩器有效直径D以及主减速器速比i₀；根据上述参数选取最佳的发动机、变速器、主减速器型号；

步骤6：通过发动机变速器台架联调试验，分析变速器换挡规律和换档品质，微调变速器换挡转速。

2.根据权利要求1所述的一种液力自动重型车动力传动一体化匹配方法，其特征在于：发动机与液力变矩器共同工作特性是指发动机与液力变矩器共同工作输入、输出特性的变化规律，确定发动机与液力变矩器共同工作特性就是根据发动机的特性和液力变矩器的原始特性，通过台架测试确定共同工作输入特性、共同工作区间及其共同工作输出特性；发动机与液力变矩器共同工作输入特性见图2，发动机与液力变矩器共同工作输出特性见图3。

根据测试得到的发动机转速参数

发动机转矩T_e与转速n_e的关系常采用多项式描述：

$T_e=a_0+a_1{n}_e+a_2{n}_e^2+...+a_k{n}_e^k$

式中：T_e为发动机转矩，单位为N·m；n_e为发动机转速，单位为r/min；a₀、a₁、a₂…a_k为多项式系数，由最小二乘法确定；拟合阶数k随特性曲线而异，一般取3、4、5。发动机转矩和发动机转速从发动机外特性获得。

液力变矩器施加于发动机的负载特性为：

$T_p={\mathrm{\λ}}_p{\mathrm{\γD}}^5{n}_p^2$

式中：T_p为泵轮转矩，单位为N·m；γ为工作油液重度，单位为N/m³；D为变矩器有效直径，单位为m；n_p为泵轮转速，单位为r/min；λ_p为泵轮转矩系数，单位为min²/(m·r²)，各数据从液力变矩器原始特性获得。

发动机和液力变矩器共同工作的必要条件是

T_e＝T_p；n_e＝n_p

由上述公式可计算出发动机与变矩器共同工作的一组参数点。对该组参数点按以下关系式求解可得发动机与变矩器共同工作的输出特性离散点。

$\left[\begin{array}{c}{T}_{ti}\\ n_{ti}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{K}_i& 0\\ 0& i\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{T}_{pi}\\ n_{pi}\end{array}\right]$

通过使用最小二乘法，发动机与变矩器共同工作的输出特性数学模型为：

$T_t=a_0+a_1{n}_t+a_2{n}_t^2+...+a_k{n}_t^k$

式中：T_t为涡轮轴输出转矩，单位为N·m，n_t为涡轮轴转速，单位为r/min，a₀、a₁、a₂…a_k为多项式系数，由最小二乘法确定；拟合阶数k随特性曲线而异，一般取3、4、5。

建立的汽车行驶方程为：

F_t＝F_f+F_w+F_i+F_j

或

式中：F_t，F_f，F_w，F_i，F_j分别为汽车驱动力，滚动阻力，空气阻力，坡度阻力，加速阻力，单位为N；i_g，i_b，i₀分别为变速器速比，分动器速比，主减速器速比；η_T为传动系机械效率；r为车轮滚动半径，单位为m；m为汽车整备质量，单位为kg；f为滚动阻力系数，α为道路坡度，单位为度(°)；C_D为空气阻力系数；A为迎风面积，单位为m²；u_a为车速，单位为km/h；δ为汽车旋转质量换算系数。上述参数均可从整车和部件固有参数中获得。

3.根据权利要求2所述的一种液力自动重型车动力传动一体化匹配方法，其特征在于：步骤2中，，这里分别以车辆最高车速计算值的最大值和0～60km/h加速时间计算值的最小值作为目标值。

最高车速指汽车在水平良好路面上所能达到的最高行驶速度，此时汽车的加速度和道路坡度均为0，其计算公式如下：

$\[\underset{0}{\overset{k}{\Σ}}{a}_k{\left(\frac{i_g{i}_b{i}_0{u}_{amax}}{0.377r}\right)}^k\]\frac{i_g{i}_b{i}_0{\mathrm{\η}}_T}{r}-mgf-\frac{C_{D}A}{21.15}{u}_{amax}^2=0$

加速时间通常用汽车在水平良好路面行驶时的加速时间t来表示，此时道路坡度为0，其计算公式为：

$t=\frac{1}{3.6}{\∫}_{u_1}^{u_2}\frac{\mathrm{\δ}m}{F_t-F_f-F_w}du$

在车辆最高车速计算值中选取最大的值作为第一个优化目标，0～60km/h加速时间的计算值中选取最短时间作为第二个优化目标，建立如下目标函数：

$\left\{\begin{array}{c}\max f_1\left(X\right)=u_{a\max }\\ \min f_2\left(X\right)=t_{min}\end{array}\right.$

式中：X为优化设计向量，f₁(X)、f₂(X)分别为建立的两个目标函数，u_amax为最高车速，单位为km/h，t_min为0～60km/h最短加速时间，单位为s。

4.根据权利要求3所述的一种液力自动重型车动力传动一体化匹配方法，其特征在于：步骤4中，结合步骤2、步骤3所述，建立优化模型如下：

F(X)＝{f₁(X)，f₂(X)}

X＝[P_emax,D,i₀]

u_a≥100km/h

t≤24s

i_max≥60％

u_min≤5km/h

式中：F(X)为目标函数向量。

5.根据权利要求1～4任一项所述的一种液力自动重型车动力传动一体化匹配方法，其特征在于：步骤5中，采用带精英策略的非支配排序遗传算法进行优化。