重型半挂牵引车动力传动系统多目标优化匹配

薛玉强　蒋荣超　郑旭光

文章编号：10069798（2022）02007407;DOI：10.13306/j.10069798.2022.02.012

摘要：为改善某重型半挂牵引车的动力性和燃油经济性，本文利用整车及动力总成仿真分析软件CRUISE，建立了某重型半挂牵引车动力传动系统仿真模型。针对不同的发动机、变速箱和主减速器的匹配，采用正交试验设计和熵权灰色关联分析方法，对整车的动力性和经济性进行多目标优化匹配，确定了发动机、变速箱、主减速器的最优匹配组合。研究结果表明，优化匹配后的重型半挂牵引车传动系统，除最高车速略有下降外，最高挡超车加速时间及最大爬坡度均有所提升，且在CHTC-TT循环工况下的百公里耗油量降低了9.29%，整车的动力性及经济性得到有效改善。该研究对提升汽车动力性和燃油经济性具有一定的参考价值。

关键词：重型汽车;动力传动系统;动力性;燃油经济性;正交试验设计;匹配优化

中图分类号：U469.5+3;U462.3文献标识码：A

随着中国汽车市场的迅速发展，能源消耗和环境问题日益严峻[13]，因此，在保证汽车动力性的基础上，降低燃油消耗已成为汽车行业重要研究问题。汽车动力传动系统是整车设计开发的重要部分，合理的汽车动力传动系统可有效提升汽车动力性和燃油经济性[47]。近年来，许多学者针对汽车动力传动系统匹配优化进行了大量研究。杨翔宇等人[8]从能量流的角度分析车辆传动系统的能量需求，验证了传动系匹配方法的合理性;刘道东等人[9]通过底盘测功机试验及数值仿真模型，匹配动力系统参数，降低了整车燃油经济性;刘庆[10]基于遗传优化算法优化某轿车动力传动系统，提升了整车综合性能;陶小松等人[11]利用AMESim软件建立汽车仿真模型，对整车动力传动系统进行了优化;牛秦玉等人[12]利用非线性权重粒子群算法优化速比参数，降低了整车燃油经济性;王飞[13]利用Matlab/Simulink软件建立纯电动物流车模型，设计最优换挡策略，提升了整车综合性能。国Ⅵ标准的颁布对车辆的排放要求更加严格[1416]，重型车辆作为物流界的关键车型，降低其燃油消耗量和提高整车动力性意义重大。基于此，本文以某款重型半挂牵引车为研究对象，结合正交试验优化设计和熵权灰色关联分析方法，选取发动机、变速箱及主减速器为试验因素，对动力传动系统进行匹配优化，最后选用中国重型商用车辆CHTC-TT的行驶工况进行仿真验证。结果表明，该设计可使整车的动力性及燃油经济性得到有效改善，具有一定的应用前景。

1重型半挂牵引车动力传动系统建模及动力性和经济性

1.1重型半挂牵引车动力传动系统建模

本文以某公司生产的重型半挂牵引车为研究对象，该车为6×2双前桥、单后桥驱动轮系布置型式，主要动力总成包括直列6缸柴油发动机、12挡手动变速箱和主减速比为4.111的主减速器。重型半挂牵引车基本参数如表1所示，发动机参数如表2所示。

利用整车及动力总成仿真分析软件CRUISE进行整车建模，CRUISE软件是由奥地利AVL公司开发的动力学仿真软件，它可将各个部件进行模块化[1719]。本文根据重型半挂牵引车所需主要模块建立整车模型，重型半挂牵引车动力传动系统模型如图1所示。传动系统模型主要包括整车模块（Vehicle）、驾驶室模块（Cock-pit）、发动机模块（Engine）、离合器模块（Clutch）、变速箱模块（GearBox）和主减速器模块（SingleRatioTransmission）。在模型中设置各个模块的参数，按照各个部件之间的信号传递关系进行物理连接和信号连接。

1.2动力性和经济性仿真分析

在中国半挂牵引车行驶工况（CHTC-TT）下，对整车进行动力性和经济性仿真分析[20]，利用CRUISE软件，计算最高车速为147km/h，对加速性能进行仿真分析，分别计算0～100km/h加速时间和超车加速时间，根据重型半挂牵引车超车实际行驶工况，只计算XI挡和XII挡在速度为60～100km/h内的超车加速时间。起步加速时间曲线如图2所示;XI挡超车加速时间曲线如图3所示;XII挡超车加速时间曲线如图4所示。由图2可以看出，牵引车在速度为0～100km/h内的加速时间为35.88s;由图3和图4可以看出，XI挡和XII挡在60～100km/h加速时间分别为27.4s和39.17s，加速性能较低，因此整车的加速性能有待提高。

对整车爬坡性能進行仿真计算，各挡爬坡性能曲线如图5所示。由图5可以看出，I挡的最大爬坡度为47.59%，大于30%，爬坡性能适中，但重型商用车行驶工况复杂，对爬坡性能要求较高，需要加以改进。

通过仿真计算，得到每个挡位对应的等速百公里燃油消耗量，由于重型半挂牵引车常行驶于高速路况，因此重点关注60～100km/h的高挡位等速百公里燃油消耗量[21]，高挡位等速百公里燃油消耗量如表3所示。由表3可以看出，在挡位相同时，随着车速的提高，燃油油耗量快速增加;在等速行驶时，挡位越高，燃油消耗量越低。挡位和车速的合理匹配对降低燃油消耗量非常关键。根据中国半挂牵引车行驶工况定义，CHTC-TT循环工况曲线如图6所示，可计算得到重型半挂牵引车在该循环工况下，百公里燃油消耗量为17.65L/100km。

2重型半挂牵引车动力传动系统多目标优化匹配

2.1动力传动系统参数匹配

发动机、变速箱和主减速器与整车的动力性和燃油经济性密切相关。变速箱选取I挡速比时，应尽可能

选取较小的传动比，同时要避免传动比过小引起发动机负荷增大产生的噪音和振动。主减速器的作用是降低传动轴转速，增大转矩[22]。一般情况下主减速比越小，燃油经济性更优，但动力性会有所下降。因此在选取主减速器时，应在保证动力性的前提下选取较小的主减速比。

本文分别选取3种不同型号的发动机、变速箱和主减速器，发动机参数如表4所示，变速箱各挡位速比如表5所示。3种主减速器的传动比分别选取4.11，3.71和3.58。

2.2动力传动系统多目标优化匹配

合理匹配整车动力传动系统与整车的动力性和燃油经济性密切相关[23]，采用正交试验设计方法研究发动机参数、变速箱参数和主减速器参数对整车性能的影响。整车性能需要考虑动力性和经济性两个性能指标，所以重型牵引车动力传动系统匹配是一个多目标优化问题，动力性采用最高车速和最大爬坡度2个指标作为优化目标，经济性采用CHTCTT工况下的百公里油耗作为优化目标。

本文选取发动机（因素A）、變速箱（因素B）、主减速器（因素C）作为正交试验设计的3个因素，每个因素设计3个水平，根据因素数和水平数，选取L9（33）正交表对重型半挂牵引车进行动力传动系统匹配，各评价指标计算结果如表6所示。由表6可以看出，不同的传动系统匹配方案，其动力性和经济性有较大差异。

由于动力性和经济性相互矛盾，为了综合分析整车匹配的优劣性，本文采用基于熵权法的灰色关联分析法，将动力性和经济性两个多目标优化转换成单目标优化。熵权法是用熵值判断某个指标的离散程度，熵值越小，表示指标离散程度越大，对应的权重就越大。灰色关联分析是灰色系统理论的重要分支，是多因素统计分析的方法[2425]，采用灰色关联分析可以将多性能评价指标转变为单性能评价指标。-基于熵权法的灰色关联分析计算得到3个指标的灰色关联系数与权重，最后计算出灰色关联度，灰色关联度越高，表示综合性能越好。灰色关联系数如表7所示，正交试验计算结果如表8所示。根据正交试验计算结果列出的极差分析表，极差分析表如表9所示。

根据表9中各因素均值与极差大小，确定各因素主次顺序为主减速器、发动机、变速箱。极差分析根据极差大小即可求得最优因素水平，但最优因素对试验的影响是否显著并不明确，需要进行方差分析。主减速器均方和与误差均方和比值FS>F（2，2）0.25=3.0，主减速器在0.25显著水平上表现为显著，发动机和变速箱在0.25的水平上均不显著。由表7～表8的计算结果，确定最优方案为发动机I、变速箱II和主减速器I。-

根据极差分析结果列出方差分析表，方差分析表如表10所示。将优化后的方案与原车方案的整车动力性和经济性对比分析，优化方案与原车方案性能对比结果如表11所示，由表11可以看出，优化后的牵引车最高车速较初始值降低了1.13%，但速度大于130km/h，一挡最大爬坡度提高了7.88%。最高挡超车加速时间缩短了30.10%，加速性能显著提升。整车在动力性方面明显提升。经济性方面，在中国半挂牵引车行驶工况（CHTC-TT）下百公里油耗量由17.65L下降到16.01L，降低了9.29%，经济性能得到提高。

3结束语

本文对某重型半挂牵引车动力传动系统进行仿真建模，并对整车动力性与经济性进行仿真分析。采用正交试验设计和熵权法的灰色关联分析方法，对整车的动力性、经济性进行多目标优化匹配，得到了最优动力传动系统匹配方案。结果表明，优化后除最高车速略微下降外，最大爬坡度及百公里加速时间均有所提升，且燃油消耗量减少了9.29%，整车的动力性及燃油经济性得到有效改善。该研究对重型半挂牵引车的动力传动系统优化匹配方法提供了参考依据。但由于时间限制，本文对重型半挂牵引车的动力传动系统优化匹配结果没有进行实车试验，需要以后进一步完善。-参考文献：

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英文文献的书写格式

英文文献的书写格式和中文相同。文献中的作者，1～3名全部列出，3名以上只列前3名，后加“等”，英文文献加“etal”。

英文姓名书写格式：姓在前，名（缩写）在后，不加缩略点。-

Multi-ObjectiveMatchingOptimizationofPowerTransmissionSystemofHeavySemi-TrailerTractor

XUEYuqiang1，JIANGRongchao1，ZHENGXuguang2

（1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，QingdaoUniversity，Qingdao266071，China;

2.ZhonghuanSatelliteNavigationandCommunicationCo.，Ltd，Qingdao266041，China）

Abstract：Inordertoimprovethepowerperformanceandfueleconomyofaheavysemi-trailertractor，thesimulationmodelofthepowertransmissionsystemofaheavysemi-trailertractorisestablishedbyusingthevehicleandpowertrainsimulationanalysissoftwareCRUISE.Inviewofthematchingofdifferentengines，gearboxesandmainreducers，theorthogonalexperimentaldesignandtheentropyweightgreycorrelationanalysismethodareusedtocarryoutthemulti-objectiveoptimizationmatchingofvehiclepowerandeconomy，andtheoptimalmatchingcombinationofengines，gearboxesandmainreducersisdetermined.Theresultsshowthatthetransmissionsystemoftheoptimizedmatchingheavysemi-trailertractorhasimprovedtheaccelerationtimeandmaximumclimbingdegreeofthemaximumstopoverandovertakingvehicle，andthefuelconsumptionof100kmunderCHTC-TTcycleconditionisreducedby9.29%.Thedynamicperformanceandfueleconomyofthevehicleareeffectivelyimproved.Thisstudyhascertainreferencevalueforimprovingvehiclepowerperformanceandfueleconomy.

Keywords：heavyvehicles;powertransmissionsystem;dynamicperformance;fueleconomy;orthogonalexperimentaldesign;matchingoptimization

收稿日期：20211126;修回日期：20220110

作者简介：薛玉强（1995），男，硕士研究生，主要研究方向为整车动力传动系统匹配优化。

通信作者：蒋荣超（1985），男，博士，副教授，硕士生导师.主要研究方向为车辆系统动力学与控制。Email：rcjiang@qdu.edu.cn