汽车动力传动系统优化匹配课件

汽车动力传动系统优化匹配第一章概述研究必要性•传统内燃机汽车仍是主要运输工具，其经济性直接决定我国的能源需求量•从动力传动系匹配方面提高汽车燃料经济性仍有潜力可挖。•动力性与经济性的预测计算是提高汽车动力传动系设计的有效手段•动力传动系的合理匹配对改善汽车排放性也很有帮助。降低汽车燃油消耗措施•提高汽车行驶效率•提高发动机性能•开发新型动力•优化匹配动力传动系统国外研究情况•1972年，美国通用汽车公司首先开发了汽车动力性与燃料经济性的通用预测程序GPSIM，该程序可以模拟汽车在任何行驶工况下的瞬时油耗、累积油耗、行驶时间和距离，预测汽车设计参数如重量、传动系速比、空气阻力系数等的变化对性能的影响。•有福特汽车公司的TOEFP软件，康明斯公司的VMS软件等。•奥地利AVL公司开发的CRUISE软件。可对内燃机汽车、混合动力汽车、电动汽车进行动力性、经济性及排放性计算。•美国能源部开发的ADVISOR软件（主要做混合动力，电动汽车的性能预测计算）国内研究情况•国内此类研究开展的较晚，特别是该类软件开发方面较国外落后很多。•一汽汽研所进行了较深入的研究，开发有汽车动力性经济性模拟计算软件EP。•吉林大学，江苏理工大学等学校也开展这方面的研究。其中吉林大学汽车工程学院目前在开展考虑排放约束的动力传动系匹配方法。开发有模拟计算软件AutoDyn。第二章汽车动力性与经济性评价体系§2－1汽车动力性的评价指标•最高车速：指汽车在水平良好的路面上所能达到的最高行驶速度，它是一种极限能力的评价指标。•加速性能：它的评价指标很多，欧美国家常用的评价指标采用汽车油门全开时的加速距离和时间；也有的国家采用油门全开时加速到最高车速一半的时间和距离。当今汽车界通常用原地起步加速时间与超车加速时间来表示汽车的加速性能。原地起步加速时间系指用一档或二档起步，按最佳换档时机逐次换至高档，油门开度保持全开，加速至某一预定的距离或车速所需的时间。超车加速时间系指用最高档或次高档由某一较低车速在油门全开的情况下，加速至某一高速所需要的时间。•爬坡性能：汽车的爬坡性能是用满载时汽车在良好路面上的最大爬坡度表示的。显然，最大爬坡度是指一档爬坡度。另外有的国家规定在常遇到的坡度上，以汽车必须保证的车速来表明它的爬坡能力。控制这个指标可以保证各种车辆的动力性相差不致太悬殊，以维持路面上各种车辆畅通行驶。§2－2汽车燃料经济性的评价指标•等速燃料经济性：它是一种常用的评价指标，它指汽车在额定载荷下，以最高档在水平良好路面上等速行驶100km的燃油消耗量。但这种评价方法没有反映出汽车实际行驶中受工况经常变化的影响。•多工况燃料经济性：汽车多工况循环模式，是在大量进行汽车实际行驶工况调研和统计的基础上获得的，因而采用多工况循环试验规范获得的汽车燃料经济性更接近实际行驶状况。自70年代起，各国为了能正确地模拟汽车行驶工况，在测定汽车典型使用工况的基础上，制订了各种试验规范，如联合国欧洲经济委员会颁布的ECE15循环工况；美国汽车工程师学会SAE制订的燃料经济性测量道路试验程序J1082b；我国的载货汽车六工况试验循环JB3352、城市客车四工况试验循环JB3972等。目前我国分别新发布了乘用车与商用车辆燃料消耗量试验方法（GB／Tl2545.1-2001、GB／T12545.2-2001）并以这些试验循环的百公里燃油消耗量来评价相应行驶工况的燃料经济性。§2－3汽车动力性和燃料经济性的综合评价•汽车动力性与燃料经济性的综合评价指标，应该能定量反映汽车动力传动系统匹配的程度，能反映出发动机动力性与燃料经济性的发挥程度，能够提示汽车实际行驶工况所对应的发动机工况与其理想工况的差异，能够提示动力传动系统改善的潜力和可能的途径。动力性能发挥程度的评价指标——驱动功率损失率汽车的动力损失图图2－1汽车驱动力损失•图2－1为装有四档变速器的汽车驱动力与车速关系曲线图，曲线上方的区域为因发动机功率所限汽车不能达到工作范围，下方的阴影部分为汽车驱动力损失的工作区。•在汽车前进档数一定的条件下，优选变速器各档的传动比使汽车的实际驱动特性最接近理想特性，即上图阴影面积最小。驱动功率损失率定义•驱动功率损失率反映了实际汽车动力传动系特性与理想的动力传动系的差距，也能反映汽车动力性的大小与汽车动力性能的发挥程度。值越小，发动机与传动系在动力性能方面匹配得越好。理想驱动力曲线下覆盖的面积：F1111111()()()njnnvvttvvjvFtvFvdvFjvdvFvdv111111110.377ln()()0.377ln()nmkkpptjnjkjkpptnMnvvbnnMnvvjn1jn定义驱动功率损失率（2－8）——发动机在第j档时的转速工作范围。vdvnMdvvFnnvvtppvvt1111377.0)(11ln377.0vvnMntpp（2－9）经济性能发挥程度的评价指标——有效效率利用率•汽车发动机在实际使用中，很少是完全沿着速度特性或负荷特性曲线工作的，也就是说，它的工作范围在以转速和负荷（转矩）构成的二维平面的特定区域，其燃油消耗率不仅取决于这个区域的位置、形状、大小，而且取决于在不同区域的持续时间。从经济性考虑，希望内燃机工作在其经济区域内。内燃机有效效率发动机常用工况有效效率利用率汽车动力传动系统匹配的综合指标——汽车能量利用率•汽车的能量利用率是一个新的概念，它统一了两个相互制约的概念，燃料经济性和生产率。从能量的观点看，可为获得最高的生产率和燃料经济性，需要尽可能减少汽车行驶过程中不必要的能量损耗，即以较少的燃油消耗完成一定的运输工作量。•汽车的能量利用率是指燃料的化学能转为汽车有用功的效率。在这里，传统的力学和热力学效率完全不适用，这是因为汽车——司机——道路系统中存着非保守特性和概率特性，如汽车运输过程中的全部机械功终将转化为摩擦热而消耗掉，有用功为零。故不便简单地采用热机效率的概念。汽车行驶的能量能量利用率定义汽车能量利用率计算能量利用率的意义•从能量利用率的推导过程可以看出，这个指标已把发动机和底盘的固有特性与汽车实际行驶条件相结合，既反映了汽车具有的能力，又反映了汽车的实际使用效果，因此用它作为汽车动力传动系统合理匹配综合评价指标，既反映汽车动力传动系统与使用工况匹配程度，又能提示动力传动系统改善的潜力和途径。第三章汽车动力性与经济性的模拟计算方法发动机模拟计算模型•汽车动力性和燃料经济性模拟计算中，首要的问题是发动机数学模型的正确建立。发动机数学模型的描述，包括汽车发动机外特性（使用外特性，对于柴油机来说，是功率特性）和发动机万有特性。•描述发动机性能特性的方法很多，其中有表格法、插值法和模型法。前两种方法精确度较高，但占用内存较多、运算速度慢，故目前大都采用数学模型法。•对于已知实验数据的发动机，其使用外特性可以看作为发动机转速的一元函数，用最小二乘法拟合获得；而万有特性可以看作为发动机转速和发动机转矩的二元函数，用曲面拟合法获得。限于发动机测试技术，目前还主要是利用稳态工况下发动机特性实验数据获得的模型近似代替非稳定工况下发动机瞬态特性。•考虑到发动机在加速工况时，其转矩较稳定工况有所下降，燃油消耗率有所上升，一般认为其转矩下降量与曲轴角加速度成线性关系，可以采用修正系数法来考虑这种影响，借以减少稳态工况代替瞬态工况带来的误差。发动机使用外特性模型的建立某发动机外特性曲线发动机万有特性模型的建立某直列六缸发动机万有特性图发动机飞轮及运动系统的转动惯量•发动机飞轮及运动系统的转动惯量可用经验公式计算（本经验公式是统计了国内外十几种发动机的实际数据得到的，公式简单明了，十分接近实际情况）：•汽油机：I=0.1Volume;（kgM2）…………………3.10•柴油机：I=0.2Volume;（kgM2）…………………3.11•式中：•Volume：排量（L）非稳定工况时发动机性能的修正•汽车发动机大部分时间处于非稳定工况，而非稳定工况下的动态特性和稳定工况特性显然是不相同的。•目前，虽然能够说明发动机非稳定工况的一般规律，但对它的研究还是不够的。试验表明：汽车加速时，发动机转矩的下降与曲轴角加速度成线性关系，并且下降量不超过发动机最大转矩的4％~5％。变速器的数学模型•变速器的数学模型比较简单，是一个可以换档的传动机构，各档位有各自不同的传动效率，典型的5档变速器的传动效率见表3-1。•表3-1典型5档变速器的传动效率档位三轴式变速器轿车双轴式变速器一档0．960．97二档0．9650．975三档0．970．98四档0．99（直接档）0．985五档0．970．98驱动桥效率变化特征分析•驱动桥的传动效率主要与输入扭矩和输入转速这二个参数有关。扭矩越小效率越低；转速越高，效率越低。以下是原因分析：•轴承的预紧力产生的摩擦力矩基本是一个常数，搅油损失产生的阻力矩只与转速有关，与输入扭矩无关。•所以，在小输入扭矩状态下，上述两项阻力矩占整个输入扭矩的比例较大，所以输入扭矩越小，效率越低；反之，在大输入扭矩状态下，上述两项可以忽略，从试验数据中可以看出，在输入扭矩大于20％最大允许输入扭矩时，阻力矩主要来自传动齿轮的摩擦，由于摩擦系数接近常数，所以传动效率基本不变。•图3.4为两种驱动桥的传动效率随载荷的变化曲线，试验温度为80℃，输入速度为260r/min，两种桥的最大允许输入扭矩都约为10000Nm。桥的传动效率随载荷变化曲线•3.4为两种驱动桥的传动效率随载荷的变化曲线，试验温度为80℃，输入速度为260r/min，两种桥的最大允许输入扭矩都约为10000Nm。0.910.9150.920.9250.930.9350.940.9450.950.9550.96010002000300040005000600070008000桥输入载荷（Nm）传动效率东风后桥总成德纳后桥总成输入扭矩小于2000Nm时桥的传动效率随载荷变化曲线0.820.840.860.880.90.920.940.960.9805001000150020002500输入载荷(Nm)传动效率600r/min700r/min800r/min900r/min1000r/min1100r/min1200r/min驱动桥效率模型•单级驱动桥最高传动效率一般在0.96到0.94之间。国内中重型车的一般水平在0.95左右，轻型车一般为0.96，轿车大约在0.96到0.97之间。当输入扭矩大于0.2倍的最大允许输入扭矩时，效率约等于最高传动效率，是一个常数；当输入扭矩小于0.2倍的最大允许输入扭矩时，效率按经验公式3.12计算。•式中：•x=M_in/(Min_max/5)。•M_in：输入扭矩（Nm）。•Min_max：最大允许输入扭矩（Nm）。•：驱动桥最高效率（典型值为0.95～0.96）。19933.12578.66109.75542.44184.1749.096.00105432xxxxxxx驱动桥效率拟合曲线•图3.6是按3.12式计算所得的驱动桥效率拟合曲线。为使计算简便，忽略了转速对传动效率的影响。从图3.6分析，转速对传动效率的影响较小，所以忽略转速对效率的影响不会带来很大的计算误差。0.650.70.750.80.850.90.95100.20.40.60.811.21.41.6与20％最大允许输入扭矩之比传动效率汽车换档规律的处理•机械变速器是否需要换档，取决于驾驶员对汽车行驶条件以及对发动机转速和负荷的判断。行驶中，驾驶员严格遵守道路环境对速度的限制；在未达到对速度的限制时，可以充分发挥汽车的动力性；在满足上述条件时，应考虑汽车的燃料经济性，尽量利用高档行驶。最佳动力性换档规律•在动力性模拟计算中使用了保证最佳动力性的换档规律，即认为与尽可能在较低档位行驶。关键问题是换档点的选择，目前有两种判断方法：一种是以同一车速下各档加速度的大小作为换档依据；另一种是以同一车速下各档