基于GT－DRIVE軟件的汽車傳動系參數(shù)對經(jīng)濟性和排放性的影響

劉 賓， 孫躍東

（上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093）

能源危機、環(huán)境污染和全球氣候變暖促使人們對汽車提出了更高的要求，不僅要有好的動力性，還應(yīng)有優(yōu)異的經(jīng)濟性和排放性.參數(shù)優(yōu)選的傳動系統(tǒng)有利于發(fā)動機的性能充分發(fā)揮，使汽車不僅具有良好的動力性和經(jīng)濟性，還可以改善排放效果［1］.目前，有關(guān)汽車動力傳動系匹配對汽車動力性和經(jīng)濟性影響的研究已非常詳盡，而排放性影響方面的研究資料卻很少.由于汽車的經(jīng)濟性和排放性之間具有非常緊密的聯(lián)系，特別是CO2的排放量幾乎與油耗量成正比關(guān)系［1－2］，因此，應(yīng)將兩者一起進行研究.

本文利用整車性能仿真軟件GT－DRIVE，基于對NEDC循環(huán)工況的模擬計算研究，分析傳動系參數(shù)對汽車經(jīng)濟性和排放性的影響規(guī)律，以期在保證汽車動力性的前提下，能夠更合理地匹配汽車動力傳動系統(tǒng).

1 仿真模型的建立

以某款配有五擋手動變速器的中級乘用車型為研究對象，其發(fā)動機和傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示.

本文所使用的工具GT－DRIVE 是一款高性能仿真軟件，它采用部件模塊化建模方式，因而可以通過設(shè)置各模塊的參數(shù)實現(xiàn)對不同車型進行快速靈活建模.在輸入車身、發(fā)動機、離合器、變速器、傳動軸、差速器、驅(qū)動橋及車輪等各模塊的參數(shù)完成對它們的定義后，利用傳感器和執(zhí)行器將各模塊進行連接（包括兩類：部件間的物理連結(jié)和部件間的狀態(tài)信息傳遞），當(dāng)檢查無誤后，便可設(shè)置仿真計算模式、結(jié)束條件以及結(jié)果輸出形式，這樣就完成了整個仿真模型的建立.

表1 原車型主要參數(shù)Tab.1 Parameters of the vehicle

圖1是所建立的整車NEDC 循環(huán)仿真模型.需要說明的是，由于本文意在研究傳動系參數(shù)對汽車相關(guān)性能的直接影響，模型中沒有考慮排氣后處理部分.另外，本文中有關(guān)CO2的排放數(shù)據(jù)都是由碳守恒計算獲得的結(jié)果.

圖1 整車NEDC循環(huán)仿真模型Fig.1 Simulation model of NEDC

2 傳動系參數(shù)對經(jīng)濟性和排放性影響的分析

2.1 變速器擋位數(shù)

通過對目前主流的五速和六速變速器的研究，分析具有不同擋位數(shù)的變速器對汽車經(jīng)濟性和排放性的影響.將原車型的發(fā)動機匹配市面上一款典型的六速變速器（各擋位速比為3.892，2.338，1.496，1.132，0.904，0.713），并將其經(jīng)濟性和排放性仿真結(jié)果與原車型進行對比.

圖2為分別匹配五速和六速變速器的發(fā)動機工況點在油耗萬有特性圖中的分布p 為壓強，n為轉(zhuǎn)速.由圖2可知，當(dāng)匹配五速變速器時，發(fā)動機趨于工作在3 000r／min轉(zhuǎn)速附近，而當(dāng)匹配六速變速器時發(fā)動機趨于工作在燃油消耗率相對較低的2 500r／min附近.從圖3中可以看出，兩款變速器確實影響發(fā)動機工況點在NOx排放萬有特性圖中的分布，但對各等排放區(qū)的工況點分布數(shù)目統(tǒng)計結(jié)果表明，變速器的擋位數(shù)對NOx排放的影響并不明顯.從圖4和圖5（見下頁）中可以明顯地看出，當(dāng)匹配六速變速器時，發(fā)動機可以有效地避開工作在3 000r／min這一HC和CO高排放率區(qū)域，從而改善了發(fā)動機的相關(guān)排放性能.

圖2 發(fā)動機工況點在油耗萬有特性圖中的分布Fig.2 Distribution of engine operation points on the fuel consumption map

圖3 發(fā)動機工況點在NOx排放萬有特性圖中的分布Fig.3 Distribution of engine operation points on the NOxemission map

圖4 發(fā)動機工況點在HC排放萬有特性圖中的分布Fig.4 Distribution of engine operation points on the HC emission map

圖5 發(fā)動機工況點在CO 排放萬有特性圖中的分布Fig.5 Distribution of engine operation points on the CO emission map

通過對匹配不同擋位數(shù)變速器的發(fā)動機工況點分布的對比，可以直觀地認知到變速器的擋位數(shù)對汽車經(jīng)濟性和排放特性的影響.表2給出了匹配兩種變速器的汽車經(jīng)濟性和排放性的仿真結(jié)果.從表2中可以看出，匹配六速變速器的汽車在經(jīng)濟性和排放性方面均優(yōu)于匹配五擋變速器的汽車，這是因為擋位數(shù)多的變速器具有更緊密的變速比和更寬泛的變速范圍，可以使發(fā)動機更趨于工作在理想的工作區(qū)間，有利于提升經(jīng)濟性，并減少有害氣體和二氧化碳的排放［1－3］.

表2 匹配不同擋位變速器的仿真結(jié)果對比Tab.2 Comparison of simulation results

2.2 傳動系參數(shù)影響顯著性分析

由于傳動系參數(shù)較多，且各參數(shù)對汽車經(jīng)濟性和排放性影響的顯著性以及參數(shù)之間的影響是否完全獨立并不確定，因此，應(yīng)先找出那些對汽車經(jīng)濟性和排放性影響較為顯著的參數(shù).首先利用拉丁超立方抽樣法（LHS）［4］將傳動系參數(shù)進行DOE 試驗設(shè)計［5］.根據(jù)DOE 試驗統(tǒng)計所得的數(shù)據(jù)用回歸分析法建立百公里燃油消耗和平均有害氣體排放率關(guān)于傳動系參數(shù)的回歸方程，擬合方程為

方程（1）包括了：a.主影響因子x1，x2，…，xk；b.主影響因子間的交互項.主影響因子的平方項.檢驗表明，4個回歸方程的擬合優(yōu)度分別為0.999 8，0.995 3，0.993和0.997 9，說明擬合精度非常高.

表3為回歸分析的因子顯著性結(jié)果.由表3可知，對汽車經(jīng)濟性和排放性影響最為顯著的3個因子分別為主減速比、二擋速比和五擋速比，另外，三擋速比的影響也較明顯.現(xiàn)將通過仿真分析，詳細研究主減速比、二擋速比和五擋速比這3個參數(shù)對經(jīng)濟性和排放性的影響規(guī)律.

表3 對經(jīng)濟性和排放性影響顯著的因子Tab.3 Factors that have significant effect on the economy and emissions

2.3 主減速比

以原車型為研究對象，固定傳動系中其它參數(shù)不變，通過改變主減速比的大小仿真分析主減速比的變化對汽車經(jīng)濟性和排放特性的影響.本文主減速比的變化范圍為2.2～4.1，步長為0.1，共獲得20個組合，仿真結(jié)果如圖6所示.

由圖6（a）可知，隨著主減速比的增大，汽車的經(jīng)濟性變化曲線呈開口向上的拋物線，在主減速比等于2.4處出現(xiàn)最小值點，此時汽車具有最佳的經(jīng)濟性.由6（b）和6（c）可知，汽車的NOx的排放率隨主減速比的增加大幅度降低，而HC的排放率逐漸變大，且變化率也逐漸增大.由6（d）可知，汽車的CO 排放率變化曲線與經(jīng)濟性的變化曲線相似，且在主減速比等于2.6處達到最小值.

圖6 主減速比對經(jīng)濟性和排放性的影響Fig.6 Effect of final drive ratio on economy and emissions

2.4 二擋速比

保持傳動系中的其它參數(shù)不變，設(shè)置二擋速比的變化范圍為1.6～2.8，步長為0.2，可獲得7個組合，仿真結(jié)果如圖7所示.總的來說，隨著二擋速比的增加，汽車經(jīng)濟性、HC 和CO 的排放性的變化幅度雖然不同，但趨勢基本一致.而NOx的排放率與其它3個研究對象的變化趨勢相反.值得注意的是，當(dāng)二擋速比在大于2.4的范圍內(nèi)變化時，對NOx排放率的影響較小.

圖7 二擋速比對經(jīng)濟性和排放性的影響Fig.7 Effect of Gear 2on economy and emissions

2.5 五擋速比

同樣設(shè)置五擋速比的變化范圍為0.6～0.9，步長為0.1，共獲得4個組合，仿真結(jié)果如圖8所示.由圖8可知，五擋速比的變化對汽車經(jīng)濟性和排放性的影響與二擋速比的影響類似，但其對NOx排放性的影響比二擋速比的顯著.

圖8 五擋速比對經(jīng)濟性和排放性的影響Fig.8 Effect of Gear 5on economy and emissions

3 傳動系參數(shù)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化模型的建立

選擇主減速比、二擋速比、五擋速比和三擋速比作為設(shè)計變量進行優(yōu)化設(shè)計.采用將DOE 試驗設(shè)計與遺傳算法［6］相結(jié)合的策略，因為其可以用較少的計算獲得較為精確和實用的優(yōu)化結(jié)果.基于上文建立的回歸方程做響應(yīng)面，利用遺傳算法進行尋優(yōu)，在保證動力性的前提下，以燃油消耗和有害物排放綜合最優(yōu)為目標(biāo)，獲得最佳的傳動系參數(shù)組合.現(xiàn)給出優(yōu)化模型表達式.

設(shè)計變量

目標(biāo)函數(shù)

約束條件

式中，i0為主減速比；i2，i3，i5分別為二擋、三擋和五擋的速比；F（X）為NEDC 循環(huán)百公里燃油消耗；N（X）為NEDC 循環(huán)NOx平均排放率；H（X）為NEDC循環(huán)HC 平均排放率；C（X）為NEDC 循環(huán)CO 平均 排 放 率；a，β，γ，η 分 別 為 對 應(yīng) 的 權(quán) 系 數(shù)；ua，max為最高 車 速；imax為 最 大 爬 坡 度；t0～100km／h為 汽車原地起步加速到100km／h用時.

這里以ua，max，imax和t0～100km／h為約束條件來保證汽車的動力性.本文采用加權(quán)因子法［7］將多目標(biāo)優(yōu)化問題簡化為單目標(biāo)優(yōu)化問題.由于F（X）不僅代表了汽車的燃油經(jīng)濟性，還間接地說明了汽車的CO2排放性 能［1－2］，因 此，本 文 中 其 權(quán) 系 數(shù)α 取 為0.4，而權(quán)系數(shù)β，γ，η的值均為0.2.

圖9是遺傳算法的參數(shù)尋優(yōu)過程，其中，遺傳算法優(yōu)化模型中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置包括：初始種群N＝50，交叉概率Pc＝0.6，變異概率Pm＝0.01，終止代數(shù)T＝100.

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

設(shè)計變量的優(yōu)化結(jié)果如表4所示.需要說明的是，這里優(yōu)化得到的結(jié)果是基于將優(yōu)化變量作為連續(xù)變量的假設(shè)，而工程上它們是離散的，因此，還需要將優(yōu)化結(jié)果提供給傳動系供應(yīng)商，由供應(yīng)商根據(jù)工程技術(shù)經(jīng)驗和可能實現(xiàn)的制造工藝進行配齒分析［8］.

圖9 遺傳算法參數(shù)尋優(yōu)過程Fig.9 Flow chart of parameters－optimized process using genetic algorithm

表4 汽車傳動系參數(shù)優(yōu)化前后對比Tab.4 Comparison of powertrain parameters before and after optimization

表5是優(yōu)化后的汽車經(jīng)濟性和排放性結(jié)果與優(yōu)化前的仿真結(jié)果的對比，可以看出，優(yōu)化后雖然NOx的排放率稍微變大，但百公里燃油消耗、HC 和CO 的排放率都有明顯的改善.這一優(yōu)化結(jié)果與上文的分析是吻合的，傳動系參數(shù)對燃油經(jīng)濟性、HC和CO 排放率影響的規(guī)律基本相同，但對NOx排放率的影響卻與其它3個研究對象相反.由于優(yōu)化后主減速比、二擋速比都有所增加，根據(jù)圖6和圖7可知，這將使得NOx的排放量增大.

表5 汽車經(jīng)濟性和排放性優(yōu)化前后對比Tab.5 Comparison of vehicle fuel economy and emissions before and after optimization

4 結(jié) 論

利用GT－DRIVE軟件建立了某車型的NEDC循環(huán)仿真模型，通過研究傳動系參數(shù)對汽車經(jīng)濟性和排放性的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

a.通過回歸分析找出了對汽車經(jīng)濟性和排放性影響較為顯著的傳動系參數(shù)：主減速比、二擋速比和五擋速比.分析結(jié)果表明，這3個參數(shù)對汽車經(jīng)濟性和排放性的影響大體相同，隨著3個參數(shù)的增大，燃油消耗和HC，CO 排放率逐漸變大（除了主減速比對CO 排放率的影響呈拋物線規(guī)律變化），而NOx的排放率卻逐漸減小.但3個參數(shù)的影響顯著性并不相同，它們對汽車經(jīng)濟性和排放性的影響顯著性如表3所示.

b.優(yōu)化結(jié)果表明，汽車的經(jīng)濟性和排放性之間存在一定的矛盾，很難獲得同時各方面都最優(yōu)的綜合性能，這主要表現(xiàn)在隨著速比參數(shù)的變化，NOx排放率與燃油消耗和HC，CO 排放率具有相反的變化規(guī)律，因此，在優(yōu)化時應(yīng)該稍微犧牲一點NOx排放性能以獲得更好的其它汽車性能，并且在排放后處理中加強對其的催化轉(zhuǎn)變來降低排放量.

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