特拉卡2.5L汽車主減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

工程碩士學(xué)位論文碩士研究生:張誼華導(dǎo)師:崔勝民教授申請(qǐng)學(xué)位:工程碩士學(xué)科、專業(yè):車輛工程所在單位:汽車工程學(xué)院答辯日期:2007年4月授予學(xué)位單位:哈爾濱工業(yè)大學(xué)ThesisfortheMaster’sDegreeinEngineeringOPTIMIZATIONDESIGNOFTHETERRACAN2.5L′SMAINGEARBOXCandidate:ZhangYihuaSupervisor:Prof.CuiShengminAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:VehicleEngineeringAutoEngineerofAffiliation:SchoolDateofDefence:April2007Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文摘要目前世界汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的難題是石油資源匱乏和環(huán)境的日益惡化,這個(gè)難題在我國表現(xiàn)得更加突出。如何提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性是目前汽車工業(yè)急需解決的重要課題之一。主減速器作為汽車的重要部分,對(duì)整車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性、通過性都有著很大的影響,所以汽車主減速器參數(shù)的確定成為汽車設(shè)計(jì)中一個(gè)重要組成部分。通常主減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)多是僅從某一角度考慮,單一的改善其某一方面參數(shù)。本文力求改變以往的設(shè)計(jì)方式,提出針對(duì)汽車主減速器整體的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,通過對(duì)汽車主減速器傳動(dòng)比優(yōu)選及主減速器雙曲面齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)汽車主減速器參數(shù)的最佳匹配,達(dá)到充分發(fā)揮汽車整體性能、節(jié)約能耗、降低成本,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率的目的。眾所周知,同時(shí)提高汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性是一個(gè)難解決的問題。關(guān)于這個(gè)問題,本文提出以汽車燃油經(jīng)濟(jì)性作為目標(biāo)函數(shù),汽車動(dòng)力傳動(dòng)系的主減速比作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量,以汽車動(dòng)力性的要求做約束條件,新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。采用仿真過程,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工況車速的要求,對(duì)以燃油經(jīng)濟(jì)性所做目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解,以得到最佳匹配的主減速比。在此基礎(chǔ)上,以齒輪副最小體積和為目標(biāo)函數(shù),以齒數(shù)、模數(shù)、偏距、螺旋角等為設(shè)計(jì)變量,以齒輪的幾何約束和強(qiáng)度要求為約束函數(shù),建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,對(duì)主減速器的雙曲面齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以使汽車通過性能、傳動(dòng)效率及設(shè)計(jì)質(zhì)量提高,成本降低。最后通過設(shè)計(jì)實(shí)例,驗(yàn)證此優(yōu)化方法的效果。關(guān)鍵詞傳動(dòng)比;;優(yōu)化設(shè)計(jì);雙曲面齒輪--I哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文AbstractCurrentlytherearetwoimportantproblemsforthevehicleindustrytodevelopcontinuously.Oneisthelackofoilresources,theotherisenvironmentpollution.Theyaremoreseriousinourcountry.Howtomakefueleconomicalisoneoftheimportanttopictovehicleindustrycurrently.Asthemostimportantpart,themainreduceroftheautomobilehasagreatinfluenceontheperformanceofthepower,thefueleconomyandthepassing.Itisimportanttodeterminetheparametersoftheautomobilemainreducerintheautomobiledesign.Generally,optimizationdesignofthemainreducerdealswithonlytheparametersofonesingleside.Inthisthesis,aoptimizationdesignmethodforthetotalmainreducerisproposed.Bytheoptimizationofthetransmissionratioandthestructuralparametersofthehyperboloidgearsofthereducertheoptimummatchingoftheparametersofthereducerisrealized.Therefore,theaimsforbringingintoplaythewholeperformance,savingenergyconsumption,decreasingcost,andraisingthedesignqualityandefficiencyarereached.It’sknowntoallthatit’sdifficulttoraisetheperformanceofboththepowerandthefueleconomy.Inthisthesis,takingthefueleconomyastheobjectivefunction,themainreductionratiooftheautomobile’spowertransmissiontrainastheoptimumdesign’svariant,therequirementoftheperformanceofpowerasconstraintconditions,thenewoptimizationdesignmethodisputforward..Besides,accordingtotherequirementofthestandardcondition’svelocity,Iadoptingemulationoftherealprocedure,andsolvingtheobjectivefunctiontheoptimummatchingratioofreductionisobtained.Besides,takingtheminimumvolumeofgearpairastheobjectivefunction,thenumberofteeth,modulus,deflectiondistanceandhelixangleasdesign’svariant,thegear’sgeometricconstraintsandstrengthrequirementasconstraintfunction,optimizationmathematicalmodelisobtainedandoptimizationprocedureiscarriedout.Afteroptimization,theperformanceofpassing,transmissionefficiencyandqualityofdesignareallincreased,thecostsarereduced.Atlast,thedesignexamplecandemonstratetheeffectoftheoptimization--II哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文method.KeywordsGearratio,Optimizationdesign,Helicalbevelgear--III哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文目錄摘要..................................................................................................................IAbstract...............................................................................................................II第1章緒論(11.1課題背景及研究的目的和意義(11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀(31.3本課題的主要研究內(nèi)容(6第2章汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性(72.1概述(72.2發(fā)動(dòng)機(jī)性能及數(shù)學(xué)模型的建立(72.3汽車動(dòng)力性及數(shù)學(xué)模型的建立(152.4汽車燃油經(jīng)濟(jì)性數(shù)學(xué)模型的建立(252.5汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的仿真計(jì)算(302.6本章小結(jié)(31第3章汽車主減速器傳動(dòng)比優(yōu)選(323.1汽車主減速結(jié)構(gòu)型式(323.2主減速器傳動(dòng)比的確定(323.3汽車主減速器傳動(dòng)比優(yōu)選模型的建立(343.4優(yōu)選方法(363.5汽車主減速比優(yōu)先前后整車性能比較(373.6本章小結(jié)(37第4章汽車主減速器齒輪參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)(384.1汽車主減速器齒輪的類型(384.2主減速器齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型(404.3優(yōu)化方法(464.4主減速器齒輪設(shè)計(jì)結(jié)果及分析(464.5本章小結(jié)(48結(jié)論(49參考文獻(xiàn)(50哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明(54哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文使用授權(quán)書(54--IV哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位涉密論文管理(54致謝(55個(gè)人簡歷(56--V哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第1章緒論1.1課題背景及研究的目的和意義本課題來源于榮成華泰汽車有限公司。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,中國的汽車工業(yè)也進(jìn)入了一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段。國家發(fā)改委最新數(shù)據(jù)表明,2006年中國汽車產(chǎn)銷雙雙超過720萬輛,同比增長超過25%,取代德國成為世界第三大生產(chǎn)國,超越日本成為僅次于美國的世界第二大汽車銷售市場?！笆晃濉逼陂g,我國汽車產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)保持快速發(fā)展,預(yù)計(jì)2010年我國汽車產(chǎn)量在1000萬輛左右,汽車保有量達(dá)到5500萬輛左右,汽車工業(yè)增加值占GDP比重提高到2.5%,成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。然而,世界石油資源日益匱乏和環(huán)境污染日益加劇,使世界汽車行業(yè)的競爭己從單一的性能競爭轉(zhuǎn)向性能、環(huán)保、節(jié)能等多項(xiàng)綜合競爭。安全、環(huán)保、節(jié)能是汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的共同主題,汽車領(lǐng)域節(jié)能工作的重要性也將不斷增加。在汽車運(yùn)輸成本中,燃油消耗占20%~30%,目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)使用的仍然是以石油燃油為主。隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長和交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展,能源矛盾日益突出。提高汽車的運(yùn)輸生產(chǎn)率,降低汽車的燃油消耗是目前汽車工業(yè)需要解決的重要課題之一[1]。為使汽車的油耗降低、成本減少,國內(nèi)外一些學(xué)者和專家圍繞汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)做了很多的研究工作,提出了許多切實(shí)可行的方法和措施[2~5]:(1提高汽車行駛效率通過改進(jìn)車身造型、改善車身、車輪結(jié)構(gòu)減少行駛阻力;采用新型輕質(zhì)材料使底盤輕量化;采用自動(dòng)或無級(jí)變速系統(tǒng)提高驅(qū)動(dòng)效率等多種途徑提高汽車行駛效率。(2提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能其一是改進(jìn)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī),通過改善燃燒,減少冷卻損失以提高熱效率,采用可變氣門定時(shí)、變排量技術(shù)以及改善部分負(fù)荷性能,通過降低運(yùn)轉(zhuǎn)部件的摩擦損失以提高機(jī)械效率,采用汽油噴射、電噴點(diǎn)火和微機(jī)控制使發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程最佳化;其二是提高能源利用率,利用渦輪增壓及儲(chǔ)能裝置回收能量;提高附屬裝置(空調(diào)、電器裝置等的效率。(3開發(fā)利用新型動(dòng)力利用新一代發(fā)動(dòng)機(jī)如研制高效率循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)、采用混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)車;利用代用燃油如壓縮天然氣、液化石--1哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文油氣等及乙醇、甲醇等合成燃料;利用新能源如研制高效太陽能電池、應(yīng)用氫氣儲(chǔ)存法和氫氣混合燃燒法等。(4優(yōu)化匹配動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)合理匹配發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng),主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)的選型和傳動(dòng)系型式及參數(shù)的選擇。合理匹配的方法有兩種:其一是整車主要參數(shù)和傳動(dòng)系參數(shù)(含輪胎確定后,選擇合適的發(fā)動(dòng)機(jī);其二是整車參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)確定后,選擇能與發(fā)動(dòng)機(jī)相適宜的傳動(dòng)系。汽車性能的優(yōu)劣,在很大程度上取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和傳動(dòng)系型式及參數(shù)的選擇,即取決于汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)合理匹配的程度[6~9]。如果沒有合理的匹配,即使是一流的發(fā)動(dòng)機(jī)加上一流的底盤也不一定成為一流的汽車。由于底盤和發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)分工化,使得多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作在非經(jīng)濟(jì)區(qū)域內(nèi),未能實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的最佳匹配。因此,通過合理匹配汽車傳動(dòng)系統(tǒng)可使發(fā)動(dòng)機(jī)總是處于燃料消耗率最小的理想工作區(qū),這樣不僅可以減少燃料消耗、減輕發(fā)動(dòng)機(jī)磨損,提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命,而且可以取得良好的排放效果[10~12]。發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車整車的匹配主要是靠傳動(dòng)系傳動(dòng)比的變化來實(shí)現(xiàn)的,調(diào)整主減速比是改變傳動(dòng)系速比的最行之有效的手段,且較調(diào)整變速器各檔速比簡便的多。合理匹配主傳動(dòng)比,有助于汽車良好性能的充分發(fā)揮,獲得滿意的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。驅(qū)動(dòng)橋是汽車傳動(dòng)系的最后一個(gè)總成,是汽車動(dòng)力傳動(dòng)的主要組成部分,統(tǒng)計(jì)資料表明,汽車質(zhì)量故障近20%產(chǎn)生于驅(qū)動(dòng)橋[13]。它的性能直接影響汽車的整車性能。汽車主減速器作為驅(qū)動(dòng)橋中重要的傳力部件,是汽車最關(guān)鍵的部件之一。主減速器設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到汽車的動(dòng)力性能、汽車能耗的經(jīng)濟(jì)性、汽車的運(yùn)行平穩(wěn)性、行車的安全性以及噪聲、壽命等諸多方面。如何協(xié)調(diào)好各方關(guān)系、合理匹配設(shè)計(jì)參數(shù),以達(dá)到滿足使用要求的最優(yōu)目標(biāo),是主減速器設(shè)計(jì)中最重要的問題,也是本課題要解決的問題。汽車主減速器設(shè)計(jì)的基本參數(shù)主要包括主減速器傳動(dòng)比和齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)。主減速器傳動(dòng)比的選定,對(duì)整車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性起著舉足輕重的作用。同時(shí),主減速器關(guān)鍵零件雙曲面齒輪的設(shè)計(jì)對(duì)主減速器的性能也有很大影響。齒輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),可以提高主減速器的性能、壽命和可靠性,從而降低成本、提高其經(jīng)濟(jì)性。因此,通過對(duì)汽車主減速器傳動(dòng)比優(yōu)選和主減速器雙曲面齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化來提高汽車性能,降低燃油消耗和制造成本,具有較大的潛力,也是值得我們進(jìn)一步研究的課題。--2哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)中,汽車的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性水平的評(píng)價(jià)是在進(jìn)行實(shí)車道路試驗(yàn)之后給出。傳動(dòng)系參數(shù)的匹配首先要根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和汽車在某些極限行駛狀況下的動(dòng)力性要求來選擇幾種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn),然后通過試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,修改設(shè)計(jì)方案,然后再試制、試驗(yàn),如此反復(fù),最后才能得到一種較好的設(shè)計(jì)方案。這種設(shè)計(jì)方法耗資大、周期長、人力物力浪費(fèi)嚴(yán)重,而且具有一定的盲目性。設(shè)計(jì)者因受時(shí)間和經(jīng)費(fèi)所限,往往簡單地采用參照法來決定動(dòng)力與傳動(dòng)系的匹配,其結(jié)果常常是雖然能滿足基本性要求,但是發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系的匹配卻不盡理想,沒有達(dá)到其最佳性能指標(biāo)。因此,在市場對(duì)產(chǎn)品的性能、價(jià)格的要求更加苛刻,產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度加快,生命周期縮短,生產(chǎn)模式也逐步從大批量、少品種、向小批量、多品種、趣味化、個(gè)性化方向轉(zhuǎn)換的今天,這種設(shè)計(jì)方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需要,以計(jì)算機(jī)模擬為基礎(chǔ)的動(dòng)力傳動(dòng)系參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),在新車設(shè)計(jì)階段就能相當(dāng)精確地預(yù)測出汽車的性能,能在很短時(shí)間內(nèi)對(duì)大量的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行運(yùn)算并看到這些方案和參數(shù)對(duì)汽車性能的影響,有助于設(shè)計(jì)人員很快地找到比較有利的設(shè)計(jì)方案和匹配參數(shù),以使汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性更加優(yōu)良,而且既迅速又經(jīng)濟(jì),是滿足市場現(xiàn)實(shí)需求及挖掘潛在需求,構(gòu)筑競爭優(yōu)勢(shì)的必然趨勢(shì)。所以,國內(nèi)外汽車界學(xué)者、專家都十分重視動(dòng)力傳動(dòng)系合理匹配及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。1.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系的匹配評(píng)價(jià)近年來圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系的匹配評(píng)價(jià),許多汽車界學(xué)者、專家進(jìn)行了探討,提出了諸多評(píng)價(jià)方法[14~15],其中之一是以發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作區(qū)與發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)的相對(duì)位置做定性評(píng)價(jià),即將發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作區(qū)畫在發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性圖上,通過它與經(jīng)濟(jì)區(qū)距離的遠(yuǎn)近來確定發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系匹配的好壞,這種評(píng)價(jià)方法直觀,但使用不便,無法在優(yōu)化計(jì)算中應(yīng)用。另一方法是提出經(jīng)濟(jì)區(qū)接近系數(shù)的概念,并以此作為評(píng)價(jià)傳動(dòng)系與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配好壞的指標(biāo)。所謂經(jīng)濟(jì)區(qū)接近系數(shù)是指發(fā)動(dòng)機(jī)常用工作區(qū)內(nèi)各點(diǎn)燃料消耗率與理想工作區(qū)燃料消耗率的比值,按各工作點(diǎn)使用概率加權(quán)后求得的均值。這種評(píng)價(jià)方法,是從燃料經(jīng)濟(jì)性方面考慮,在一定程度上反映發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系匹配的好壞。--3哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文為一個(gè)問題,以汽車使用比成本、燃料速度指標(biāo)和汽車比生產(chǎn)率作為汽車速度性能和燃油經(jīng)濟(jì)性的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)[16]。這種評(píng)價(jià)方法需要大量汽車運(yùn)輸技術(shù)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),使用起來也不方便。1.2.2汽車動(dòng)力性與燃料經(jīng)濟(jì)性模擬程序在開發(fā)汽車動(dòng)力性燃料與經(jīng)濟(jì)性模擬程序方面,國內(nèi)外都做了大量的工作。美、日及歐洲各國在這方面的研究進(jìn)行得比較早,1972年,美國通用汽車公司首先開發(fā)了汽車動(dòng)力性與燃料經(jīng)濟(jì)性的通用預(yù)測程序GPSIM,該程序可以模擬汽車在任何行駛工況下的瞬時(shí)油耗、累積油耗、行駛時(shí)間和距離,預(yù)測汽車設(shè)計(jì)參數(shù)如重量、傳動(dòng)系速比、空氣阻力系數(shù)等的變化對(duì)性能的影響。電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和測試手段的提高,使通過模擬計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的方法來研究汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配問題成為可能。目前,國外各大汽車公司相繼開發(fā)了各自的模擬程序,如福特汽車公司的TOEFP[17],康明斯公司的VMS,美國交通部的VEHSIM[18],日本日產(chǎn)汽車公司的CSVFEP,德國奔馳汽車公司的TRASCO等。使用這些程序,可以在樣車制造前就能準(zhǔn)確的對(duì)汽車動(dòng)力性、燃料經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行預(yù)測,并可以根據(jù)幾種傳動(dòng)系速比的變化引起整車性能的變化,找到這種變化間的關(guān)系,行成“最佳動(dòng)力性、燃料經(jīng)濟(jì)性曲線”,從而找到能與所選發(fā)動(dòng)機(jī)合理匹配的傳動(dòng)系,這樣就節(jié)省了大量的試驗(yàn)費(fèi)用,縮短設(shè)計(jì)周期[19~20]。國內(nèi)在這方面的研究始于上個(gè)世紀(jì)80年代,長春汽車研究所、吉林大學(xué)、清華大學(xué)等單位開展了研究工作,也取得了一些成果。如長春汽車研究所的《汽車動(dòng)力性燃料經(jīng)濟(jì)性模擬程序及動(dòng)力系統(tǒng)合理匹配的研究》、吉林大學(xué)的《載貨汽車燃料經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算機(jī)模擬》,清華大學(xué)的《動(dòng)力性燃料經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算機(jī)模擬程序》,長安大學(xué)的《汽車動(dòng)力性燃料經(jīng)濟(jì)性模擬與主減速器速比優(yōu)化的研究》等[21]。1.2.3動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配近些年來,在對(duì)汽車動(dòng)力性、燃料經(jīng)濟(jì)性模擬程序研究的基礎(chǔ)上,開始模擬程序的應(yīng)用研究,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系的最優(yōu)匹配進(jìn)行探討,主要內(nèi)容包括兩方面[22~24]:(1發(fā)動(dòng)機(jī)給定,對(duì)傳動(dòng)系速比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);(2傳動(dòng)系給定,優(yōu)選發(fā)動(dòng)機(jī)。國內(nèi)研究汽車動(dòng)力傳動(dòng)系參數(shù)優(yōu)化匹配方法,主要集中在傳動(dòng)系參數(shù)的--4哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文優(yōu)化,近年來也有人開始優(yōu)選發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的研究。運(yùn)用優(yōu)化技術(shù)對(duì)傳動(dòng)系參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配,是伴隨著優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。其優(yōu)化過程基本上是圍繞著汽車的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行的。這就避免了利用模擬程序優(yōu)化的盲目性,使優(yōu)化過程的目的性增強(qiáng)。目前,在進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配,特別是對(duì)汽車主減速器傳動(dòng)比的優(yōu)化,一般是與變速器的傳動(dòng)比優(yōu)化一起進(jìn)行的,多以汽車動(dòng)力性為目標(biāo)函數(shù)[25~26],如天津汽車研究所發(fā)表的“優(yōu)化微型汽車主減速比與發(fā)動(dòng)機(jī)特性匹配的CAD”和河南農(nóng)業(yè)大學(xué)“汽車主減速器傳動(dòng)比的優(yōu)選方法”,只是在具體的目標(biāo)函數(shù)的表征和設(shè)計(jì)變量的選取上有所區(qū)別,而這些指標(biāo)實(shí)際上是汽車基本性能指標(biāo)的綜合,在一定程度上反映出汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配程度,提示了動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)改善的潛力和途徑。也有研究人員提出了模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想[27~28],對(duì)汽車傳動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了全面的模糊優(yōu)化,在提出了最高車速,最高檔最大動(dòng)力因數(shù)和最大爬坡度的設(shè)計(jì)要求后,通過考慮檔位利用率和實(shí)際路面附著系數(shù)對(duì)傳動(dòng)比的影響及汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的權(quán)重,從不同側(cè)面體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖,從而達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的和效果,并得到總體上的優(yōu)化。此外,江蘇理工大學(xué)提出了以能量利用率為設(shè)計(jì)目標(biāo)的汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些思想是目前國內(nèi)在進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)使用的主要指導(dǎo)思想,這些研究和成果使我國在這個(gè)領(lǐng)域的研究水平提高到一個(gè)新的階段,也有力地推動(dòng)了汽車節(jié)能工作。1.2.4主減速器齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化汽車主減速器中的雙曲面齒輪的設(shè)計(jì),是汽車設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一,計(jì)算量大,計(jì)算過程繁瑣、復(fù)雜,不僅難以掌握,而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。70年代初國外己實(shí)現(xiàn)雙曲面齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算的計(jì)算機(jī)化,而國內(nèi)則要相對(duì)落后很多年,直到80年代未,國內(nèi)才有為數(shù)不多的幾家齒輪生產(chǎn)企業(yè)購買了國外的雙曲面齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算軟件,但也只能是按照使用說明書機(jī)械地使用,最終所選定的參數(shù)方案也只能是一種認(rèn)可的方案,而無法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算以得到最優(yōu)方案。近幾年,關(guān)于雙曲面齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的研究非常多,從查閱的文獻(xiàn)來看,主要方法有如下幾種:(1在滿足強(qiáng)度、應(yīng)力等約束條件下,以雙曲面齒輪的體積和最小為--5哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,或雙曲面齒輪的體積和最小及齒輪副的承載能力(主動(dòng)輪上轉(zhuǎn)矩最大進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[29~33]。(2以提高雙曲面齒輪的傳動(dòng)平穩(wěn)性和降低齒輪嚙合噪聲為設(shè)計(jì)目標(biāo)[34],通過對(duì)雙曲面齒輪基本參數(shù)的適當(dāng)選擇,使得齒輪的齒面重疊系數(shù)很精確地達(dá)到預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)值,從而可達(dá)到在加工精度相同的情況下,所設(shè)計(jì)出的齒輪嚙合噪聲最低。(3應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行雙曲面齒輪的設(shè)計(jì)[35~36],如應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、用三次設(shè)計(jì)法(系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)、容差設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì),不僅可以得出優(yōu)化結(jié)果,而且可以得出各設(shè)計(jì)參數(shù)的影響關(guān)系,有利于選擇符合實(shí)際條件的最佳參數(shù)。1.3本課題的主要研究內(nèi)容本課題主要研究的是將優(yōu)化理論應(yīng)用到主減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,以實(shí)現(xiàn)汽車主減速器參數(shù)的最佳匹配,達(dá)到充分發(fā)揮汽車整體性能、節(jié)約能耗、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,降低成本的目的。主要研究內(nèi)容如下:(1建立發(fā)動(dòng)機(jī)外特性模型和萬有特性模型;(2建立汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性模擬計(jì)算模型,以特拉卡2.5L汽車為例,對(duì)汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真計(jì)算;(3建立主減速器傳動(dòng)比的優(yōu)化模型,并以汽車燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù),汽車動(dòng)力性的要求做約束條件,求出最佳主減速器傳動(dòng)比;(4建立主減速器齒輪的優(yōu)化模型,以最小體積和為目標(biāo)函數(shù),對(duì)主減速器齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。--6哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第2章汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性2.1概述汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性是汽車最重要的性能,而動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性二者之間,往往是相互矛盾的,汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性的好壞在很大程度上取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和傳動(dòng)系型式及參數(shù)的選擇,即取決于汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)合理匹配的程度。如何使其動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最佳,是汽車設(shè)計(jì)時(shí)必須解決的問題。2.2發(fā)動(dòng)機(jī)性能及數(shù)學(xué)模型的建立發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的動(dòng)力,發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于汽車的許多性能如汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及制造成本等都有很大影響。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的特性及其與汽車動(dòng)力傳動(dòng)系匹配進(jìn)行研究,不僅可以為其正確地選用提供依據(jù),還可以為整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的模擬計(jì)算及優(yōu)化整個(gè)動(dòng)力裝置性能提供分析依據(jù)。所以首先應(yīng)建立發(fā)動(dòng)機(jī)特性的數(shù)學(xué)模型。作為汽車動(dòng)力性燃油經(jīng)濟(jì)性模擬計(jì)算的重要依據(jù),發(fā)動(dòng)機(jī)特性數(shù)學(xué)模型的真實(shí)程度如何,關(guān)系到汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性模擬可信度。發(fā)動(dòng)機(jī)特性是其性能指標(biāo)隨運(yùn)行工況和調(diào)整情況的變化關(guān)系,發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的描述包括發(fā)動(dòng)機(jī)外特性(使用外特性,對(duì)于柴油機(jī)來說是功率特性和發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性。目前常用的建立發(fā)動(dòng)機(jī)特性數(shù)學(xué)模型的方法有插值法、多項(xiàng)式擬合法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。插值法在計(jì)算機(jī)處理時(shí)速度較快,但占用內(nèi)存較大且選擇插值點(diǎn)的不同會(huì)引起計(jì)算的模型誤差較大。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在非線性系統(tǒng)建模方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),是一種精確建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型的方法,但其計(jì)算過程較為復(fù)雜。多項(xiàng)式曲線擬合法易于計(jì)算和編程,其精度雖然比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法略差,但亦可滿足使用要求。Matlab在數(shù)值計(jì)算方面擁有非常多的庫函數(shù),具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和圖形顯示功能,編程效率高,使用方便[37~38]。因此,本文采用了該軟件進(jìn)行編程。本課題研究的2.5L特拉卡汽車所采用發(fā)動(dòng)機(jī)是沈陽三菱發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的4G64S4MPIM/T型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī),該型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)為四沖程、四缸水冷--7哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文直列單頂置凸輪軸汽油機(jī)。2.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)特性的基本假設(shè)汽車在行駛過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常在非穩(wěn)定狀態(tài)下工作。因此,為了與實(shí)際情況一致,在發(fā)動(dòng)機(jī)性能的試驗(yàn)中,應(yīng)該測得非穩(wěn)定工況下的性能。但至今為止,發(fā)動(dòng)機(jī)非穩(wěn)定工況下的性能測試還有較大困難。所以,在汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算中,一直采用穩(wěn)定工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。這種處理方法雖然對(duì)于排氣污染的計(jì)算值和實(shí)測值相差很大,但對(duì)于燃油經(jīng)濟(jì)性來說,計(jì)算和測試結(jié)果的差異并不顯著。本文討論主要涉及汽車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性問題,所以,仍用發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工況下發(fā)動(dòng)機(jī)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的模型近似的代替非穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)特性。2.2.2發(fā)動(dòng)機(jī)外特性計(jì)算模型發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性和部分負(fù)荷特性統(tǒng)稱發(fā)動(dòng)機(jī)的速度特性。它是指在正常溫度、正常機(jī)油壓力點(diǎn)火提前角(或噴油提前角以及燃料供給系的調(diào)整均在最佳狀態(tài)下,使節(jié)氣門開度(或供油調(diào)節(jié)桿保持在一定位置不變,發(fā)動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩、有效功率以及油耗率隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速而變化的規(guī)律。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)外特性是在節(jié)氣門全開或油量調(diào)節(jié)桿處于最大供油量時(shí)測定的,所以外特性曲線上的每一點(diǎn)表示著發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下所能發(fā)出的最大功率和最大轉(zhuǎn)矩。因此,通過發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性可以得知發(fā)動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的最高性能指標(biāo)以及對(duì)應(yīng)于、和時(shí)的轉(zhuǎn)速,也可以計(jì)算出轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)(或稱轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備系數(shù)。由上所述,發(fā)動(dòng)機(jī)使用外特性下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率、燃油消耗率與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系,可以看作是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的一元函數(shù)maxePmaxeTmaxebeTePeben[39]。對(duì)于己知試驗(yàn)數(shù)據(jù)的發(fā)動(dòng)機(jī),其外特性可采用曲線擬合的方法獲得。即通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn),可以得到一組發(fā)動(dòng)機(jī)不同的轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩、功率、燃油消耗率試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將這組試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)用最小二乘法擬合成數(shù)學(xué)表達(dá)式。假定其擬合后的函數(shù)形式為:mmxaxaxaay++++=L2210(2-1式中x表示,eny表示、、,為擬合多項(xiàng)式的最高階數(shù)。eTePebm--8哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文由最小二乘法原理可得出:0(122210=???????++++??∑=niimimiijyxaxaxaaaL(2-2(,1,2,3in=K0,1,2,3,,jm=K系數(shù),,為一個(gè)0a1a,maL1+m元的線性方程組,其矩陣形式如下式:200002311001220001nnnnmiiiiiiinnnnnmiiiiiiiiiimnnnnnmmmmmiiiiiiiiiinxxxaiiiyxxxxaxayxxxxx====+=====++=====??+??????????????=??????????????????∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑LLMMMMLMMLy??????????????????????(2-3應(yīng)用解線性方程組的列主元高斯消元法求解(2-3,解出系數(shù)的值。這樣就完成了發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性曲線的多項(xiàng)式擬合。,,1,0(mjajL=特拉卡2.5L汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、功率、燃油消耗率試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2-1所示。表2-1發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)速(r/min轉(zhuǎn)矩(N·m功率(kw燃料消耗率[g/(kw·h]--9哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文擬合階數(shù)不同,其擬合曲線光滑程度及擬合精度也不同,得到的擬合多項(xiàng)式的系數(shù)也不一樣。一般擬合階數(shù)為4時(shí),擬合曲線的精度較高,故選取m=4。發(fā)動(dòng)機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速曲線擬合系數(shù)如表2-2所示。表2-2發(fā)動(dòng)機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速曲線擬合時(shí)多項(xiàng)式的系數(shù)多項(xiàng)式中的系數(shù)擬合階數(shù)m0a1a2a3a4a4擬合后發(fā)動(dòng)機(jī)外特性轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速曲線如圖2-1所示。圖2-1發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速曲線發(fā)動(dòng)機(jī)外特性功率和轉(zhuǎn)速曲線擬合系數(shù)如表2-3所示。擬合后曲線如圖2---10哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文2所示。表2-3發(fā)動(dòng)機(jī)外特性功率—轉(zhuǎn)速曲線擬合時(shí)多項(xiàng)式的系數(shù)多項(xiàng)式中的系數(shù)擬合階數(shù)m0a1a2a3a4a4圖2-2發(fā)動(dòng)機(jī)功率—轉(zhuǎn)速曲線發(fā)動(dòng)機(jī)外特性燃油消耗率和轉(zhuǎn)速曲線擬合系數(shù)如表2-4所示。擬合后曲線如圖2-3所示。表2-4發(fā)動(dòng)機(jī)外特性燃油消耗率—轉(zhuǎn)速曲線擬合時(shí)多項(xiàng)式的系數(shù)多項(xiàng)式中的系數(shù)擬合階數(shù)m0a1a2a3a4a4-1403--11哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文圖2-3發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率—轉(zhuǎn)速曲線擬合階數(shù)取4時(shí),得到發(fā)動(dòng)機(jī)外特性圖如圖2-4所示。圖2-4發(fā)動(dòng)機(jī)外特性圖--12哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文2.2.3發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性計(jì)算模型萬有特性是研究汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性進(jìn)行模擬具有十分重要意義。發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性曲線是表征發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率與發(fā)動(dòng)機(jī)功率,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間關(guān)系的一簇曲線。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工況具有面工況的性質(zhì),所以通常把發(fā)動(dòng)機(jī)油耗看作發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的二元函數(shù)[39]。因此,需要用多項(xiàng)式曲面擬合發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性。曲面擬合模型比較復(fù)雜,且隨著多項(xiàng)式次數(shù)的增高,在某些點(diǎn)上有時(shí)會(huì)產(chǎn)生畸變。而單純采用插值法,雖然建模簡單,但占用內(nèi)存又很大。因此,本文中發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性建模采用曲線擬合和線性插值相結(jié)合的方法。這種方法既減少了對(duì)內(nèi)存的需求量,又不至于誤差太大。具體方法如下:(1將試驗(yàn)數(shù)據(jù)或由圖形讀出的數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)形式是發(fā)動(dòng)機(jī)每一轉(zhuǎn)速在不同的功率下的燃油消耗率,注意發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)從最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速,節(jié)氣門應(yīng)從全閉到全開,只有這樣才能保證擬合的精度。(2確定曲線擬合多項(xiàng)式利用曲線擬合方法對(duì)每一轉(zhuǎn)速下的功率和燃油消耗率試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線的多項(xiàng)式擬合,求解出各擬合系數(shù),方法同發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線擬合,從而可以得到某一固定轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率與功率之間的關(guān)系。如下式所示:230123nieiieieieinebAAPAPAPAP=+++++L(2-4式中——發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率;ieben——發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率;eP——待擬合系數(shù)。inA(3用插值的方法計(jì)算燃油消耗率求某一轉(zhuǎn)速和功率下的燃油消耗率時(shí),先判斷該轉(zhuǎn)速在哪個(gè)范圍內(nèi),然后計(jì)算離它最近的兩個(gè)轉(zhuǎn)速、在這個(gè)功率下的燃油消耗率和。ebenePeb1n2n1b2b如下式所示:mmPAPAPAPAAb131321211101+++++=L(2-5(2-6mmPAPAPAPAAb232322221202+++++=L--13哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文然后,再根據(jù)線性插值原理,求出在該轉(zhuǎn)速下的燃油消耗率。eneb(1e12121nnbbbbnn?=+??(2-7應(yīng)用上述辦法,根據(jù)式2-4及2-7即可得到某一轉(zhuǎn)速和功率下的燃油耗率。圖2-5所示為擬合后得到的三菱發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線。圖2-5發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線擬合后得到的三菱發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性三維曲面如圖2-6所示。--14哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文圖2-6發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲面2.3汽車動(dòng)力性及數(shù)學(xué)模型的建立汽車作為運(yùn)輸工具,其運(yùn)輸效率之高低在很大程度上是由汽車的動(dòng)力性決定。汽車的動(dòng)力性是汽車各種性能中最基本、最重要的性能,也是評(píng)價(jià)汽車性能的重要指標(biāo)之一[40]。2.3.1汽車動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)汽車的動(dòng)力性系指汽車在良好路面上直線行駛時(shí),由汽車受到的縱向外力決定的、所能達(dá)到的平均行駛速度。從獲得盡可能高的平均行駛速度的觀點(diǎn)出發(fā),汽車的動(dòng)力性主要由以下三方面的指標(biāo)來評(píng)定[41~42],即:(1最高車速指在無風(fēng)條件下,在水平、良好的瀝青或水泥路面上,汽車所能達(dá)到的最大行駛速度。最大行駛速度值越高,動(dòng)力性能越好。(2加速時(shí)間加速時(shí)間表示汽車的加速能力,它對(duì)平均行駛車速有很大影響。汽車加速能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)很多,還沒有加速時(shí)間統(tǒng)一的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,--15哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文通常用原地起步加速時(shí)間和超車加速時(shí)間來表示。原地起步加速時(shí)間是指汽車由第Ⅰ擋或第Ⅱ檔起步,以最大加速強(qiáng)度連續(xù)換檔至最高檔后,加速到一定距離或車速所需要的時(shí)間。它是真實(shí)反映汽車動(dòng)力性能最重要的參數(shù)。加速時(shí)間越短則動(dòng)力性越好。超車加速時(shí)間是指汽車以最高檔或次高檔的某一較低車速或預(yù)定車速全力加速到一定高速度所需要的時(shí)間。現(xiàn)在多選取原地起步加速時(shí)間參數(shù)作為加速能力的評(píng)價(jià)指標(biāo),這是因?yàn)槠鸩郊铀傩耘c超車加速性的性能是同步的,起步加速性能良好的汽車,超車加速性也一樣良好。(3爬坡能力爬坡能力是指汽車在良好的路面上,以Ⅰ檔行駛所能爬行的最大坡度。一般汽車爬坡能力在16.5°左右,對(duì)越野汽車來說,爬坡能力是一個(gè)相當(dāng)重要的指標(biāo),一般要求能夠爬不小于30°的坡路。綜上所述,汽車動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)的側(cè)重點(diǎn)各有不同,最高車速和最大爬坡度體現(xiàn)了汽車極限行駛性能,而加速時(shí)間則反映了汽車的綜合動(dòng)力性能。2.3.2汽車行駛方程式數(shù)學(xué)模型確定汽車的動(dòng)力性,就是確定汽車沿行駛方向的狀況。為此,首先要根據(jù)作用于汽車的各種外力(驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力的平衡關(guān)系,建立汽車的行駛方程式,以便算出汽車的最高車速、加速度及最大爬坡度。汽車行駛時(shí),所受的驅(qū)動(dòng)力、滾動(dòng)阻力、坡度阻力、空氣阻力和加速度阻力分別為:tFfFiFwFjFeogTtsTiiFrη=(2-8fGFf=(2-9iGFi=(2-10aDwAuCF=(2-11tumFjddδ=(2-12式中——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩(N·m;eT——汽車變速器傳動(dòng)比;gi--16哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文——主減速器傳動(dòng)比;oiTη——傳動(dòng)系效率;——車輪的靜力半徑(m;srG——汽車總重(N;——滾動(dòng)阻力系數(shù);f——道路坡度;i——空氣阻力系數(shù);DCA——迎風(fēng)面積(m2;——汽車行駛速度(km/h;au——汽車質(zhì)量(kg;mu——汽車行駛速度(m/s;δ——旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。根據(jù)作用于汽車的各種外力(驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力的平衡關(guān)系,建立的汽車行駛方程式如下:jwiftFFFFF+++=(2-132.3.3汽車最高車速計(jì)算模型汽車最高車速是指在良好的水平路面上汽車所能達(dá)到的最高速度。所以坡度阻力為零。根據(jù)驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力的關(guān)系,若驅(qū)動(dòng)力大于行駛阻力,即maxutwfFFF>+汽車尚未達(dá)到最高車速,若驅(qū)動(dòng)力小于或等于行駛阻力,即twfFFF≤+汽車達(dá)到最高車速。從汽車驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡圖上看,驅(qū)動(dòng)力曲線與滾動(dòng)阻力和空氣阻力疊加后的行駛阻力曲線的交點(diǎn)就是最高車速,此時(shí),汽車處于相對(duì)平衡狀態(tài)。最高車速可由下式求得:2egoTDasTiiCAufGrη=+(2-14確定最高車速的步驟如下:maxu設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為,最大功率點(diǎn)的轉(zhuǎn)速為,以發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的車速為初始車速,則發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為對(duì)應(yīng)的車速為。maxnpn0umaxn1u--17哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文如下式所示:psognruii=(2-15sognruii=(2-16汽車的行駛阻力功率及發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的有效功率分別為:zuPeP31360076140wfoDzuTTPPGfuCAuPηηo+==+(2-1701(9549mkekPA==∑ekn(2-1800.377goesiiunr=(2-19有效功率與阻力功率的差值為:ePzuPiDiezuD=PP?(2-20判斷的絕對(duì)值是否小于預(yù)先給定的值iDε(可設(shè)為0.001:(1若Dε>,且為正則說明,令Dmax0u>u0duduu=+,為計(jì)算步長,取。若,則dudu1km/h=1ouu≥1ouu=,計(jì)算結(jié)束。否則,轉(zhuǎn)(2步。(2若Dε>,且為負(fù)則說明Dmax0uu<,令dudu/2=,00duuu=+轉(zhuǎn)(2步。(3若Dε<則,計(jì)算結(jié)束。max0u=u汽車最高車速模擬計(jì)算流程如圖2-7所示。--18哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文圖2-7汽車最高車速模擬流程2.3.4加速時(shí)間計(jì)算模型汽車的加速能力可用其在水平良好路面上行駛時(shí)產(chǎn)生的加速度來評(píng)價(jià),由于加速度不宜測量,故采用原地起步連續(xù)換檔加速時(shí)間表示汽車加速的能力。汽車原地起步連續(xù)換檔加速時(shí)間t為:--19哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文((1210000111103.6/du3.6/duuutfwtfwutmFFFmFFFδδ=??+??∫∫(1untnfnwnumFFFδ+++??∫L(2-21式中iδ——為考慮了非穩(wěn)定工況時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)特性變化及慣性影響回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù),變速器傳動(dòng)比在各積分項(xiàng)中不同,導(dǎo)致giiδ不同。iδ近似由下式計(jì)算:22101=′=′δδ。iu——為汽車原地起步連續(xù)換檔時(shí)的換檔車速,換檔點(diǎn)選擇在各檔加速度相等的點(diǎn),。用程序作出加速度倒數(shù)的曲線,根據(jù)曲線的交點(diǎn)確定加速換檔時(shí)間。(1,2,i=Ln加速度按下式計(jì)算:iatwifFFFamδ??=?(2-23汽車原地起步連續(xù)換檔加速時(shí)間模擬計(jì)算流程如圖2-8所示。在計(jì)算該加速時(shí)間時(shí),還應(yīng)注意以下問題:(1汽車的起步階段第一個(gè)積分項(xiàng)中,式中的為汽車的起步牽引力的增長規(guī)律,它主要取決于離合器的接合規(guī)律,由于外界條件、司機(jī)主觀判斷、起步動(dòng)態(tài)過程等因素復(fù)雜多變,通常提出的假設(shè)如“離合器瞬時(shí)接合假設(shè)”及“動(dòng)力中斷假設(shè)”等有不同程度的誤差。因此,建立一種理想的對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)瞬態(tài)模擬的實(shí)際操作模型,將成為精確模擬計(jì)算汽車動(dòng)力性的一個(gè)關(guān)鍵性因素。0tF目前,可行的一種方法是通過實(shí)驗(yàn)找出離合器接合期間發(fā)動(dòng)機(jī)角速度和油門的變化規(guī)律,再與發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線相結(jié)合導(dǎo)出離合器接合階段起步牽引力的增長規(guī)律。(2汽車的換檔階段在實(shí)際的換檔過程中,存在有動(dòng)力中斷,因此不可避免就存在一個(gè)速度降:nnuuun′Δ=?,通常該uΔ為1-2km/h。由于換檔過程中的牽引力的變化規(guī)律較復(fù)雜,且在換檔過程中,該段時(shí)間的差距不大,從適當(dāng)簡化模型的角度出發(fā),可換算出該段所用的時(shí)間。tiF--20哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文圖2-8汽車起步連續(xù)換檔加速時(shí)間模擬流程圖此外,換檔初期分離離合器及變速器摘至空檔亦需要時(shí)間,該段時(shí)間很短,故此過程由兩部分組成:st4.0<Δ(2-24/tua=Δ+Δt(3汽車換檔規(guī)律的確定汽車的換檔規(guī)律包括最佳動(dòng)力性換檔規(guī)律和最佳經(jīng)濟(jì)性換檔規(guī)律。在動(dòng)力性模擬計(jì)算中使用了保證最佳動(dòng)力性的換檔規(guī)--21哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文律,即認(rèn)為汽車盡可能在較低檔位行駛。在最佳動(dòng)力性換檔規(guī)律中,對(duì)換檔點(diǎn)的選擇目前有兩種判斷法,一種是以同一車速下各檔加速度的大小作為換檔依據(jù);另一種是以同一車速下各檔驅(qū)動(dòng)力的大小作為換檔依據(jù)。模擬計(jì)算中,對(duì)駕駛員換檔規(guī)律規(guī)定:a.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于其最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí),由高檔換入低檔;b.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于其最大轉(zhuǎn)速時(shí),由低檔換入高檔;c.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速介于其最大和最小轉(zhuǎn)速之間時(shí),若高檔加速度大于低檔加速度時(shí),應(yīng)由低檔換入高檔。在燃料經(jīng)濟(jì)性模擬計(jì)算中使用了保證最佳經(jīng)濟(jì)性的換檔規(guī)律。目前也有兩種判斷法,其一是在汽車加速度大于零情況下,盡可能采用高檔行駛;其二是以發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗率作為換檔依據(jù),保證汽車總是以使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗率最小的檔位行駛。模擬計(jì)算中,對(duì)駕駛員換檔規(guī)律規(guī)定:a.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于其最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí),由高檔換入低檔;b.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于其最大轉(zhuǎn)速時(shí),由低檔換入高檔;c.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速介于其最大和最小轉(zhuǎn)速之間時(shí),若高檔加速度大于零時(shí),應(yīng)由低檔換入高檔;d.當(dāng)行駛阻力大于牽引力時(shí),若發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速時(shí),則不換檔,反之,應(yīng)換入低檔。2.3.5最大爬坡度計(jì)算模型最大爬坡度是指汽車為Ⅰ檔時(shí),在良好路面上克服滾動(dòng)阻力fF和空氣阻力后的余力全部用來(等速克服坡度阻力所能爬上的坡度。wF求最大爬坡度時(shí),由于等速aj=0,根據(jù)汽車的行駛方程式,Ⅰ檔動(dòng)力因數(shù)為:1maxD2egTDatwsTiiCAuFFrDGGη??==(2-25設(shè)第一檔最大坡度角為maxα,考慮坡度較大,則有:1maxmaxmaxcossinDfαα=+(2-26解之,得最大爬坡角maxα應(yīng)為:--22哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文maxarcsinα=(2-27當(dāng)驅(qū)動(dòng)力及路面附著系數(shù)足夠大時(shí),汽車能爬上的最大爬坡度為:maxi=maxitgmaxα(2-28式中——滾動(dòng)阻力系數(shù)。f滾動(dòng)阻力系數(shù)的影響因素很多,與道路性質(zhì)、輪胎氣壓、車速等有關(guān)。表2-7中給出了在常見路面上滾動(dòng)阻力系數(shù)范圍。f表2-7常見路面上滾動(dòng)阻力系數(shù)的數(shù)值f路面類型滾動(dòng)阻力系數(shù)良好的瀝青或混凝土路面0.010~0.018一般的瀝青或混凝土路面0.018~0.020碎石路面0.020~0.025良好的卵石路面由于汽車經(jīng)常以直接檔在公路行駛,為了防止由于直接檔(一般是最高檔的最大爬坡度過小對(duì)高速車流的阻礙作用,減少汽車在較小坡度上經(jīng)常換檔,也應(yīng)對(duì)給于足夠重視。0maxi0maxi汽車直接檔最大動(dòng)力因數(shù)為:0maxD2emoTDmsTiCAurDGη?=(2-29汽車直接檔時(shí)最大爬坡度為:0maxi0maxtfwFFFiG??=(2-30式中——直接檔時(shí)的最大驅(qū)動(dòng)力;tF——發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的車速(km/h。mu汽車最大爬坡度模擬計(jì)算流程如圖2-9所示。--23哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文`圖2-9汽車最大爬坡度模擬計(jì)算流程--24哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文2.4汽車燃油經(jīng)濟(jì)性數(shù)學(xué)模型的建立汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性是汽車一個(gè)重要的使用性能,尤其是在作為現(xiàn)代工業(yè)和交通運(yùn)輸主要能源的石油資源日趨匱乏情況下,節(jié)約汽車用燃油是汽車制造業(yè)和汽車運(yùn)輸業(yè)中的一個(gè)重要任務(wù)。2.4.1汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)基于以最少燃油消耗完成盡可能多運(yùn)輸量的觀點(diǎn),汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性常用一定運(yùn)行工況下汽車行駛百公里的燃油消耗量(以“升”為計(jì)量單位或一定燃油量能使汽車行駛的里程來衡量。對(duì)于我國將要實(shí)施的燃油稅,汽車的燃油消耗量參數(shù)有著特別的意義。汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性一般采用等速百公里燃油消耗量和多工況循環(huán)行駛?cè)加拖牧縼碓u(píng)價(jià)[43]。(1等速百公里燃油消耗量它是指汽車在額定載荷下,以最高檔在水平良好路面上等速行駛100km的燃油消耗量。在平坦硬實(shí)的路面上,汽車分別以不同車速等速行駛這段路程,往返一次取平均值,記錄下油耗量,即可獲得不同車速下汽車的百公里耗油量。這個(gè)數(shù)值越小汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性越好。將每個(gè)車速段的耗油量用點(diǎn)連起來,即為等速百公里消耗油量曲線,該曲線是一條開口向上的拋物線,最凹點(diǎn)就是耗油量最低的車速段,也就是“經(jīng)濟(jì)車速”。但是,汽車在實(shí)際運(yùn)行中的工作狀態(tài)的變化非常復(fù)雜,這種評(píng)價(jià)方法沒有全面反映出汽車實(shí)際行駛情況,特別是在市區(qū)行駛中頻繁出現(xiàn)的加速、減速、怠速、停車等行駛工況及變化的影響。(2多工況循環(huán)行駛?cè)加拖牧克侵冈谝欢沃付ǖ牡湫吐范蝺?nèi)汽車以等速、加速和減速、起動(dòng)和怠速等多種工況行駛的耗油量,然后折算成百公里耗油量。由于等速行駛工況沒有全面反映汽車的實(shí)際運(yùn)行情況,因而,采用多工況循環(huán)試驗(yàn)規(guī)范來模擬實(shí)際汽車運(yùn)動(dòng)情況。汽車多工況循環(huán)模式,是在大量進(jìn)行汽車實(shí)際行駛工況調(diào)研和統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上獲得的。因此,獲得的汽車燃油經(jīng)濟(jì)性更接近實(shí)際行駛狀況。各國為了能正確的模擬汽車行駛工況,在測定汽車典型行駛工況的基礎(chǔ)上,制定了各種試驗(yàn)規(guī)范,如日本的十工況和十一工況試驗(yàn)循環(huán),中國的載貨汽車六工況試驗(yàn)循環(huán)JB3352[44]等,并以這些試驗(yàn)循環(huán)的百公里油耗來評(píng)定相應(yīng)行駛工況的燃油經(jīng)濟(jì)性,是評(píng)價(jià)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)實(shí)用方法。--25哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文汽車在整個(gè)循環(huán)工況的燃油消耗量等于各行駛工況如等速行駛、加速、減速和怠速停車等行駛工況的燃料消耗量之和。2.4.2等速行駛工況燃油消耗量計(jì)算模型汽車以速度等速行駛在平直的路上,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的功率和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為:auePenTaDTaeAuCfGuPηη7614036003+=(2-3100.377agesuiinr=(2-329549eeePTn=(2-33根據(jù)汽車等速行駛車速及發(fā)動(dòng)機(jī)消耗的功率,在萬有特性圖上利用插值法可確定相應(yīng)的燃油消耗率,從而計(jì)算出以該車速等速行駛時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的燃油消耗量(mL/s為:auePebtQ367.1eetPbQgρ=(2-34整個(gè)過程行經(jīng)(m行程的燃油消耗量1s1sQ(L/km為:11102eesaPbsQuγ=(2-35折算成等速行駛百公里燃油消耗量(L/100km為:1Q1Q=100102eeaPbuγ×1.02eeaPbuγ=(2-36式中——發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率(g/kw·h;eb——汽車等速行駛所走的距離(m;1sρ——燃油密度(kg/L;γ——燃油的重度(N/L。根據(jù)式(2-35,變換ig和ua值,即可計(jì)算出不同檔位下汽車各速度等速百公里油耗。--26哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文2.4.3勻加速行駛工況燃油消耗量計(jì)算模型設(shè)加速度為(m·sa-2,按速度每增加1km/h,把加速過程分隔成若干區(qū)間,取時(shí)間間隔為(s,則:tΔ13.6taΔ=(2-37加速后的速度為:tΔiutauuiiΔ+=?1(2-38此瞬時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)為:ePengaGuAuCfGuPtitiDtieηδηη36007614036003++=(2-3900.377igesuiinr=(2-40根據(jù)和可在萬有特性圖上確定出相應(yīng)的燃油消耗率,從而可以求出第i個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的燃油消耗量(L為:ePeneb2iQ263.610eeipbgtQγΔ=×(2-41式中——重力加速度(m/sg2。如果共有個(gè)時(shí)間間隔,勻加速過程燃油消耗量就是各時(shí)間內(nèi)油耗量的累積,可由下式求得:ntΔ2QtΔ∑==niiQQ122(2-42加速區(qū)段內(nèi)汽車行駛的距離(m為:2s222225.92tuusa?=0(2-43式中,——起始及加速終了的車速(km/h。20u2tu--27哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文2.4.4等減速行駛工況燃油消耗量計(jì)算模型減速行駛時(shí),油門松開(關(guān)至最小位置并進(jìn)行輕微制動(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)處于強(qiáng)制怠速狀態(tài)。單位時(shí)間內(nèi)燃油消耗量為常數(shù)。tΔ時(shí)間內(nèi)燃油消耗量按下式計(jì)算:033600QtQΔ=(2-44式中——發(fā)動(dòng)機(jī)怠速燃油消耗量(L/h。0Q2.4.5怠速停車時(shí)燃油消耗量計(jì)算模型如怠速停車時(shí)間為t(s,則燃油消耗量(L為:4Q40QQt=(2-452.4.6整個(gè)循環(huán)工況百公里燃油消耗量計(jì)算模型整個(gè)循環(huán)工況百公里燃油消耗量sQ:123sQQQQQ4=+++(2-46將上述等速、加速、減速三式在六工況實(shí)驗(yàn)曲線(參照國內(nèi)載貨汽車六工況試驗(yàn)循環(huán)JB3352圖上積分就得到進(jìn)行六工況實(shí)驗(yàn)的油耗總量。特拉卡2.5L汽車六工況循環(huán)參數(shù)見下表2-8,汽車連續(xù)換檔加速油耗模擬計(jì)算流程如圖2-10所示。表2-8特拉卡2.5L汽車六工況循環(huán)參數(shù)工況序號(hào)車速(km/h行程(m累計(jì)行程(m時(shí)間(s加速度(m/s2檔位12550507.20最高檔225~4015020016.70.25最高檔34025045022.50最高檔440~5017562514.00.2最高檔55025087518.00最高檔650~25200107519.3-0.30最高檔--28哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文圖2-10連續(xù)換檔加速油耗模擬計(jì)算流程圖--29哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文2.5汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的仿真計(jì)算特拉卡2.5L汽車車身基本參數(shù)及發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)分別如表2-9及表2-10所示。依據(jù)前面所建數(shù)學(xué)模型及模擬計(jì)算流程,應(yīng)用Matlab軟件編寫程序進(jìn)行仿真計(jì)算?？傊?kg空氣阻力系數(shù)迎風(fēng)面積(m2輪胎半徑(m主減速器傳動(dòng)比最大功率(kw最大扭矩(N·m怠速油耗(kg/h燃油密度(kg/L最小轉(zhuǎn)速(r/min最大轉(zhuǎn)速(r/min90/5500200.4/25006.680.714750±5055002.5.1動(dòng)力性仿真計(jì)算汽車動(dòng)力性仿真計(jì)算包括:最高車速、連續(xù)換檔加速時(shí)間、直接檔加速時(shí)間、Ⅰ檔最大動(dòng)力因數(shù)、直接檔最大動(dòng)力因數(shù)、最大爬坡度。各項(xiàng)模擬結(jié)果如表2-11所示。最高車速(km/h0-120km/h連續(xù)換檔加速度時(shí)間(s直接檔加速時(shí)間30-120km/h(sⅠ檔最大動(dòng)力因數(shù)直接檔最大動(dòng)力因數(shù)最大爬坡度(%16035.3447.220.33720.0579燃油經(jīng)濟(jì)性仿真計(jì)算汽車燃油經(jīng)濟(jì)性仿真包括:最高檔等速百公里燃油消耗量和六工況百公里燃油消耗量,模擬結(jié)果如表2-12所示。車速(km/h405060708090100等速百公里油耗(L/100km--30哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文2.6本章小結(jié)本章首先根據(jù)三菱發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù),用曲線擬合和插值的方法建立了發(fā)動(dòng)機(jī)外特性和萬有特性模型。在對(duì)現(xiàn)有汽車動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行論述和分析的基礎(chǔ)上,確定動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算模型。然后根據(jù)所建模型對(duì)特拉卡2.5L汽車進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性模擬仿真計(jì)算。為下面進(jìn)行的汽車主減速器傳動(dòng)比優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。--31哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第3章汽車主減速器傳動(dòng)比優(yōu)選3.1汽車主減速結(jié)構(gòu)型式汽車主減速器主要是由一對(duì)錐齒輪副和主減速器殼體組成。其作用是將萬向傳動(dòng)裝置傳出的動(dòng)力,通過差速器有效而經(jīng)濟(jì)地傳到驅(qū)動(dòng)輪,推動(dòng)汽車行駛。其功能是降速增扭,改變轉(zhuǎn)矩傳遞方向,適應(yīng)汽車行駛要求。主減速器按減速齒輪副數(shù)目,可分為單級(jí)式和雙級(jí)式主減速器;按其減速型式,可分為單速式和雙速式主減速器;按齒輪副結(jié)構(gòu),可分為螺旋錐齒輪式和雙曲面齒輪式主減速器[40]。主減速器型式的選擇與汽車的類型及使用條件有關(guān),但它主要取決于由動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等整車性能所要求的主減速比大小及驅(qū)動(dòng)橋下的離地間隙等。特別是主減速器傳動(dòng)比,對(duì)主減速器的結(jié)構(gòu)型式、輪廓尺寸、質(zhì)量大小以及汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性都與直接影響。因此,確定主減速器傳動(dòng)比時(shí),要綜合考慮其影響,使其與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及動(dòng)力系參數(shù)合理匹配,以使汽車獲得最佳的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。汽車傳動(dòng)系的總傳動(dòng)比是主變速器、變速器及主減速器傳動(dòng)比的乘積即:ticogtiiii=(3-1式中g(shù)i——變速器傳動(dòng)比;——主減速器傳動(dòng)比;oi——副變速器傳動(dòng)比。ci普通汽車沒有副變速器,大多數(shù)時(shí)間是以汽車的最高檔行駛。通常,汽車的最高檔為直接檔,也就是說,變速器傳動(dòng)比ig=1。這時(shí),汽車的最小傳動(dòng)比就是主減速器傳動(dòng)比。因此,減速器傳動(dòng)比是汽車在行駛中使用最頻繁的檔位,主減速器傳動(dòng)比的選定是非常重要的。oi主減速器傳動(dòng)比的選擇,首先應(yīng)保證發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的充分發(fā)揮,即使最大輸出功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)車速正好等于汽車最高行駛車速。其次,主減速器傳動(dòng)比的選擇還應(yīng)考慮保證有足夠的后備功率儲(chǔ)備。以--32哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文保證汽車上坡及加速超車,避免因換檔使用而增加油耗。主減速器傳動(dòng)比數(shù)值不同,同一車速下其后備功率則不同。當(dāng)主減速器傳動(dòng)比數(shù)值較小時(shí),其后備功率較小,影響汽車的動(dòng)力性能。發(fā)動(dòng)機(jī)在重負(fù)荷下工作,加速性能不好,并出現(xiàn)噪聲與振動(dòng),影響發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命,而且其后備功率小,為滿足動(dòng)力性要求,在必要時(shí)就要換入低一檔應(yīng)用,這樣減少了主減速器傳動(dòng)比的應(yīng)用機(jī)會(huì)。既增加了機(jī)器使用負(fù)荷率,又增加了油耗。如果選擇主減速器傳動(dòng)比過大,負(fù)荷率雖有較大提高,汽車的動(dòng)力性能增強(qiáng),但使用經(jīng)濟(jì)性差,即輸出功率不能使用在最佳段,造成浪費(fèi)。且要提高車速,發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)高速運(yùn)轉(zhuǎn),噪聲很大。因此,在保證動(dòng)力性能的基礎(chǔ)上,為了提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性,可適當(dāng)減小主減速器傳動(dòng)比,使汽車最高行駛車速稍小于最大輸出功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)車速。此外,選定主減速器傳動(dòng)比時(shí),除了保證汽車有一定動(dòng)力性以外,還應(yīng)考慮有足夠的最高檔動(dòng)力因數(shù)并確定最佳換擋時(shí)機(jī)。主減速比與汽車(0-120km/h原地起步連續(xù)換擋加速時(shí)間的關(guān)系的如圖3-1所示。圖3-1主減速比與連續(xù)換擋加速時(shí)間關(guān)系曲線--33哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文主減速比與循環(huán)工況(六工況燃油消耗的關(guān)系如圖3-2所示。圖3-2主減速比與循環(huán)工況燃油消耗關(guān)系曲線3.3汽車主減速器傳動(dòng)比優(yōu)選模型的建立優(yōu)化設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的一步是建立反映客觀工程實(shí)際的、完善的數(shù)學(xué)模型,因此,建模時(shí)要抓住主要矛盾,適當(dāng)忽略不重要的因素,盡量使問題合理簡化,這樣既可節(jié)省時(shí)間,也會(huì)改善優(yōu)化結(jié)果[45]。3.3.1設(shè)計(jì)變量本章主要研究的是已知汽車整車參數(shù)及性能要求、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性和行駛條件,在不改變變速器的傳動(dòng)比的情況下,針對(duì)汽車主減速器傳動(dòng)比的優(yōu)i化選擇。因此,只以主減速器傳動(dòng)比為優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)變量,即:oXi=(3-2o--34哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文3.3.2目標(biāo)函數(shù)汽車主減速器傳動(dòng)比對(duì)整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性都有很大的影響,設(shè)計(jì)中總是希望得到良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。然而,汽車動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性往往是相互矛盾的,如何保證所要求的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性之間的最好平衡,是汽車設(shè)計(jì)工作者研究的重要課題。隨著石油資源的匱乏,油價(jià)的持續(xù)上漲,能源緊缺已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)快速可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”。降低油耗、減少汽車的運(yùn)營成本和環(huán)境的污染無疑具有非?，F(xiàn)實(shí)和深遠(yuǎn)的意義。因此,本文采用以燃油經(jīng)濟(jì)性作為優(yōu)化的主要目標(biāo),在保證汽車具有必要的動(dòng)力性的條件下,具有最好的經(jīng)濟(jì)性。汽車燃油經(jīng)濟(jì)性一般用等速行駛?cè)加拖牧颗c多工況行駛?cè)加拖牧縼砗饬?。因?yàn)楦鞣N汽車的多工況油耗試驗(yàn)中都包括等速、加速、怠速行駛工況,所以,以循環(huán)工況燃油消耗量sQ為目標(biāo)函數(shù),要求sQ最小。即:min(sfXQ=(3-3式中sQ可按前面建立的六工況燃油消耗量的數(shù)學(xué)模型計(jì)算,即按(2-46式計(jì)算。3.3.3約束條件既然選擇了經(jīng)濟(jì)性作為目標(biāo)函數(shù),那么為了滿足汽車的動(dòng)力性能的要求,就應(yīng)以動(dòng)力性要求作為約束條件。以原地起步連續(xù)換檔加速時(shí)間代表汽車的動(dòng)力性,使時(shí)間不得大于設(shè)計(jì)要求值,即約束條件為:tt0t(0gXtt0=?≤(3-4原地起步連續(xù)換檔加速時(shí)間可根據(jù)前面式(2-21計(jì)算,按汽車定型試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)汽車動(dòng)力性要求:原地起步連續(xù)換檔加速通過400m所需時(shí)間不大于37秒。t0t歸納起來,可得主減速比優(yōu)選的數(shù)學(xué)模型如下:0Xi=min(sfXQ=s.t0(0gXtt=?≤--35哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文3.4優(yōu)選方法根據(jù)前面建立的汽車主減速器傳動(dòng)比的優(yōu)選模型和整車動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性模擬計(jì)算方法,采用黃金分割法作為優(yōu)化方法編制計(jì)算程序,求出最佳的汽車主減速器傳動(dòng)比。汽車主減速器傳動(dòng)比優(yōu)選流程見圖3-4。原車優(yōu)選前主減速器傳動(dòng)比為4.743;優(yōu)選出的主減速器傳動(dòng)比為4.463;從結(jié)構(gòu)上考慮,小齒輪齒數(shù)為9,大齒輪齒數(shù)為41,則優(yōu)選后的主減速器傳動(dòng)比應(yīng)調(diào)整為4.56。圖3-4汽車主減速比優(yōu)選流程--36哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文3.5汽車主減速比優(yōu)先前后整車性能比較求得最佳的優(yōu)選結(jié)果后,可以進(jìn)行優(yōu)選前、后的汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)比,通過對(duì)整車動(dòng)力性能對(duì)比,分析優(yōu)選的結(jié)果。主減速器傳動(dòng)比優(yōu)選前、后的汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見表3-1。表3-1優(yōu)化前后汽車整車性能比較項(xiàng)目優(yōu)化前模擬值優(yōu)化后模擬值變化值變化率最高車速(km/h160162.54+2.54+1.59%連續(xù)換檔加速時(shí)間(s35.3435.6252+0.285+0.81%直接檔加速時(shí)間(s47.2247.7155+0.495+1.05%Ⅰ檔最大動(dòng)力因數(shù)0.33720.3344-0.0028-0.83%直接檔最大動(dòng)力因數(shù)0.05790.0572-0.0007-1.21%最大爬坡度(%35.2034.96-0.24-0.68%六工況循環(huán)油耗(L/100km9.719.27-0.44-4.53%從此表中可以看出,循環(huán)工況使用油耗比原車降低了4.53%,汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性有可觀的提高,且最高車速提高了1.59%,取得了較好的效果。雖然動(dòng)力性指標(biāo)中略有下降。這是由于汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性本是相互矛盾的,如果單從理論的角度考慮,要提高經(jīng)濟(jì)性必然會(huì)損害動(dòng)力性,不可能在同一方案中,使汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性都達(dá)到最優(yōu),所以某些動(dòng)力性能指標(biāo)略有下降屬正?，F(xiàn)象。本文優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是燃油經(jīng)濟(jì)最佳,也就是說可以在動(dòng)力性滿足國內(nèi)同類車的情況下,使經(jīng)濟(jì)性得到最優(yōu)。3.6本章小結(jié)本章在對(duì)汽車主減速器傳動(dòng)比一般選擇方法進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,以代表燃油經(jīng)濟(jì)性的多工況循環(huán)使用油耗作為目標(biāo)函數(shù),代表汽車動(dòng)力性的原地起步連續(xù)換檔加速時(shí)間為約束條件,建立了汽車主減速器傳動(dòng)比優(yōu)選數(shù)學(xué)模型,找出最佳的主減速器傳動(dòng)比。并通過主減速器傳動(dòng)比優(yōu)化前、后的汽車整車性能比較,證明了該優(yōu)選方法是合理的,從優(yōu)化的結(jié)果來看,在保證汽車動(dòng)力性的同時(shí),達(dá)到節(jié)能降耗的目的。--37哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文第4章汽車主減速器齒輪參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)4.1汽車主減速器齒輪的類型齒輪是汽車主減速器的關(guān)鍵零件,齒輪設(shè)計(jì)合理與否直接關(guān)系著主減速器的優(yōu)劣。因此,主減速器齒輪的設(shè)計(jì)時(shí)既要與整車匹配好,又要滿足自身功能和性能要求,既要考慮傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配性,又要考慮自身的強(qiáng)度、剛度和整車的通過性。汽車主減速器上采用最廣泛的齒輪型式為格里森(Gleason制或奧利康(Oenlikon制的螺旋錐齒輪和雙曲面齒輪[46],如圖4-1所示。(a螺旋錐齒輪傳動(dòng)(b雙曲面齒輪傳動(dòng)圖4-1汽車的主減速器的齒輪型式雙曲面齒輪僅從外觀上看同螺旋錐齒輪很相似,但實(shí)際上與螺旋錐齒輪相比,雙曲面齒輪有著諸多自己的特點(diǎn)[47~50]:(1雙曲面主、從動(dòng)齒輪的軸線不相交而成空間交叉,其空間交叉角均為90°,主動(dòng)齒輪軸相對(duì)于從動(dòng)齒輪軸有向上或向下的偏移,稱為上偏置或下偏置,這個(gè)偏置量稱為雙曲面齒輪的偏移距,如圖4-2所示。偏移距的存在,使得雙曲面齒輪可用于傳遞空間兩相錯(cuò)軸之間的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于主從動(dòng)齒輪軸的相對(duì)偏移,給汽車總布置帶來很大方便。當(dāng)采用下偏置的雙曲面齒輪傳動(dòng)時(shí),可以有效的降低汽車傳動(dòng)軸的高度,從而降低了車廂內(nèi)地板的高度,或減小了因設(shè)置傳動(dòng)軸通道而引起的地板凸起的高度,使整車外形高度減小,增加整車運(yùn)行的平順性和穩(wěn)定性。--38哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文(a、(b主動(dòng)齒輪左旋,從動(dòng)齒輪右旋—下偏置(c、(d主動(dòng)齒輪右旋,從動(dòng)齒輪左旋一上偏置圖4-2雙曲面圓錐齒輪的偏移距離與偏移方向(2對(duì)雙曲面齒輪傳動(dòng)來說,由于其主動(dòng)齒采用偏移,使得主動(dòng)齒輪的螺旋角大于從動(dòng)齒輪螺旋角,因此,雙曲面?zhèn)鲃?dòng)齒輪副的法向模數(shù)或法向周節(jié)雖相等。但端面模數(shù)或端面周節(jié)是不等的。主動(dòng)齒輪的端面模數(shù)和周節(jié)大于從動(dòng)齒輪。這一點(diǎn)使得雙曲面?zhèn)鲃?dòng)的主動(dòng)齒輪比相應(yīng)螺旋錐齒輪傳動(dòng)的主動(dòng)齒輪有更大的直徑和更好的強(qiáng)度和剛度。其增大的強(qiáng)度與偏移距的大小有關(guān)。主動(dòng)齒輪的螺旋角增大,也使其進(jìn)入嚙合的平均齒數(shù)增多,工作更加平穩(wěn)、無噪聲。另外,由于雙曲面?zhèn)鲃?dòng)的主動(dòng)齒輪的直徑及螺旋角都較大,其結(jié)果使齒面間的接觸應(yīng)力降低。隨偏移距的不同,雙曲面齒輪與接觸應(yīng)力相當(dāng)?shù)穆菪F