尤國貴，蘇俊收，陳太榮

（1. 合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，合肥 230009；2. 徐工集團(tuán)高端工程機械智能制造國家重點實驗室，徐州 221000；3. 徐工汽車事業(yè)部技術(shù)中心，徐州 221000）

前言

隨著全球能源短缺問題日益明顯，新的國家法規(guī)對油耗限值要求越來越嚴(yán)格。對于重型半掛牽引車來說，提升整車燃油經(jīng)濟性勢在必行。重型半掛牽引車的常用工況是高速工況，空氣動力學(xué)優(yōu)化對于提升整車燃油經(jīng)濟性有立竿見影的效果。雖各大主機廠和研究機構(gòu)對商用車空氣動力學(xué)的優(yōu)化方式多種多樣，但很多數(shù)值模擬計算缺乏同步的試驗數(shù)據(jù)支撐，以至于仿真數(shù)據(jù)的可信度需要試驗進(jìn)一步確認(rèn)。整車動力總成部件的參數(shù)組合方式直接決定了整車的節(jié)能潛力。而在發(fā)動機確定的情況下，變速器的參數(shù)和后橋傳動比對車輛的功率需求和燃料消耗量有重要影響。

本文中通過對重型半掛牽引車后視鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，降低了車輛的風(fēng)阻系數(shù)。并以重型半掛牽引車的動力性和燃油經(jīng)濟性為目標(biāo)函數(shù)，利用遺傳算法對牽引車的動力傳動系參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使車輛的動力性和經(jīng)濟性達(dá)到最佳。同時優(yōu)化了電控硅油風(fēng)扇的控制策略。對優(yōu)化后的車輛進(jìn)行仿真分析和實車驗證，仿真結(jié)果和實車測試結(jié)果一致，車輛的燃油經(jīng)濟性相比于優(yōu)化前有明顯提升。

1 重型半掛牽引車空氣動力學(xué)優(yōu)化

重型半掛牽引車的燃油經(jīng)濟性取決于整車行駛阻力的大小。當(dāng)半掛牽引車的行駛車速超過80 km/h，空氣阻力占整車行駛阻力的2/3。對于常年行駛于高速上的重型半掛牽引車來說，減小整車風(fēng)阻，能夠有效減小車輛的行駛阻力。

因Base 版本后視鏡迎風(fēng)阻力較大，為降低車輛的空氣阻力，對后視鏡的迎風(fēng)面曲率進(jìn)行了優(yōu)化。將原Base 版后視鏡替換為優(yōu)化后的整體式后視鏡，整體后視鏡引起的氣流分離較弱，優(yōu)化后的迎風(fēng)面積要小于原后視鏡面積。試驗結(jié)果顯示空氣阻力系數(shù)降低的效果較明顯，相比于Base版本后視鏡降低了12counts。并將整體式后視鏡應(yīng)用到新開發(fā)的車型中。圖1 為風(fēng)洞試驗Base模型。Base 版本后視鏡模型和優(yōu)化的后視鏡模型見圖2 和圖3。

圖1 風(fēng)洞試驗Base模型

圖2 Base版后視鏡模型

圖3 優(yōu)化的后視鏡模型

2 整車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

在發(fā)動機已選定的情況下，汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)是車輛動力性和經(jīng)濟性優(yōu)化的重要方向之一。變速器參數(shù)與主減速比的選擇不僅要滿足車輛基本的動力性能要求，而且應(yīng)使車輛運行工況盡可能處于發(fā)動機萬有特性曲線的經(jīng)濟區(qū)域。通過優(yōu)化傳動系的速比實現(xiàn)動力性和經(jīng)濟性最優(yōu)匹配。使車輛在保證動力性要求的前提下，達(dá)到最優(yōu)的燃油經(jīng)濟性。整車基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。

表1 基礎(chǔ)車型配置參數(shù)

2.1 目標(biāo)函數(shù)

基于車輛的行駛工況，以綜合工況的燃油消耗量和固定擋位的加速時間作為車輛經(jīng)濟性和動力性的評價指標(biāo)來創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)。

式中：為經(jīng)濟性權(quán)重系數(shù)；為動力性權(quán)重系數(shù)，+= 1；為綜合工況的燃油消耗量，L/100 km；為固定擋位加速時間，s。

2.1.1 等速行駛工況燃油消耗量計算

整個等速過程行程的燃油消耗量為

折算成等速百公里燃油消耗量為

式中：為發(fā)動機提供的功率，kW；為燃油消耗率，g/（kW·h）；為等速行駛車速，km/h；柴油的值為7.94-8.13 N/L。

2.1.2 加速行駛工況燃油消耗量計算

在汽車加速行駛過程中，發(fā)動機還須提供克服加速阻力的功率。發(fā)動機提供的功率為

式中：為空氣阻力系數(shù)；為車輛迎風(fēng)面積，m；為整車重力，N；為車輛的傳遞效率；為滾動阻力系數(shù)；為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

在計算由以等加速度加速行駛至的燃油消耗量時，把加速過程分隔為若干個區(qū)間，速度每增加1 km/h 為一個小區(qū)間，每個區(qū)間的燃油消耗量可根據(jù)其平均的單位時間燃油消耗量與行駛時間之積求得。各區(qū)間起始或終了車速所對應(yīng)時刻的單位時間燃油消耗量Q，可根據(jù)相應(yīng)的發(fā)動機發(fā)出的功率與燃油消耗率求得：

車輛行駛速度每增加1 km/h所需時間Δ為

從行駛初速度加速至+1 所需燃油消耗量1為

式中：Q為行駛初速度時，即時刻的單位時間燃油消耗量，mL/s；Q為行駛初速度+1 時，即時刻的單位時間燃油消耗量，mL/s。

而車速由+1再增加1 km/h所需的燃油量為

式中Q為車速+2 時，即時刻的單位時間燃油消耗量，mL/s。

每個區(qū)間的燃油消耗量為

整個加速過程的燃油消耗量為

2.1.3 怠速停車時的燃油消耗量計算

若怠速停車時間為，則燃油燃油量為

式中為怠速工況單位時間的燃油消耗量，mL/s。

2.1.4 整車循環(huán)工況的百公里燃油消耗量計算

式中：（）為時刻單位時間對應(yīng)的燃油消耗量，mL/s；為循環(huán)工況下的燃油消耗量，mL；為循環(huán)工況所行駛的距離，km；為整車循環(huán)工況百公里燃油消耗量，L；為循環(huán)所需時間；為循環(huán)平均車速。

2.1.5 固定擋位的加速時間計算

固定擋位的加速時間是以直接擋（速比為1的擋位）50-80 km/h的加速時間作為評價指標(biāo)。

式中：=50 km/h，=80 km/h；為整車滿載總質(zhì)量，kg；為車輛驅(qū)動力，N；為車輛的滾動阻力，N；為車輛的空氣阻力，N。

2.2 設(shè)計變量

以變速器各擋速比和后橋速比作為設(shè)計變量，文中優(yōu)化的車型變速器具有12個前進(jìn)擋。表達(dá)式為

式中：…、為變速器1 擋到12 擋的傳動比；為主減速器傳動比。

2.3 約束條件

在滿足交通部法規(guī)JTT719—2016《營運貨車燃料消耗量限值標(biāo)準(zhǔn)》限值要求的基礎(chǔ)上，本文也制定了新的燃油消耗量性能目標(biāo)值。GB30510—2018《重型商用車輛燃料消耗量限值》中對滿載49 t半掛牽引車燃油消耗限值要求為40 L/100km，此油耗限值的制定是基于C-WTVC 行駛工況測試而得。C-WTVC 是在世界商業(yè)用車輛瞬態(tài)循環(huán)的基礎(chǔ)上，調(diào)整加速度和減速度形成的駕駛循環(huán)。C－WTVC循環(huán)由市區(qū)、公路和高速工況3 部分組成。為徐工企業(yè)自定的道路測試油耗限值。為C-WTVC工況下，臺架試驗油耗限值。

（1）直接擋最大動力因數(shù)約束

式中：為發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩，N·m；為變速器擋位速比；為車輛的傳遞效率；為車輪滾動半徑，m；為發(fā)動機輸出最大轉(zhuǎn)矩時對應(yīng)的車速，km/h；為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；為主減速比。

（2）最高車速的約束

式中為車輛的最高車速，km/h。

（3）最大傳動比約束

式中：為行駛最大坡度角，%；為最大路面附著系數(shù)；為驅(qū)動輪上的法向反作用力，N。

（4）中間各擋傳動比約束

變速器各擋位傳動比一般按照等比數(shù)列進(jìn)行分配，有利于發(fā)動機功率的充分利用。擋位數(shù)為12，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

基于目標(biāo)函數(shù)以C-WTVC 為車輛的循環(huán)工況，利用MATLAB 最優(yōu)化設(shè)計方法中的遺傳算法工具箱完成整車動力傳動系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化。圖4 為遺傳算法的流程圖。

圖4 遺傳算法流程圖

遺傳算法的運算流程如下。

進(jìn)行優(yōu)化求解，設(shè)種群的大小為=100；遺傳算法運算的終止進(jìn)化代數(shù)：=200；交叉概率：=0.6；變異概率：=0.001；

設(shè)計變量的上限為

設(shè)計變量的下限為

優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化前后對比數(shù)據(jù)

3 電控硅油風(fēng)扇控制策略優(yōu)化

冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速主要根據(jù)發(fā)動機水溫、進(jìn)氣溫度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速等來進(jìn)行控制。目前車輛使用的風(fēng)扇類型為電控硅油風(fēng)扇。

如果電控硅油風(fēng)扇控制邏輯和標(biāo)定不合理會導(dǎo)致整車燃油消耗和噪聲較大，發(fā)動機溫度過高，從而會影響車輛的正常行駛。根據(jù)發(fā)動機的外部條件（水溫、進(jìn)氣溫度、空調(diào)等），通過優(yōu)化風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制策略動態(tài)調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，使發(fā)動機盡可能工作在最佳溫度。在滿足整車散熱需求的前提下有效降低風(fēng)扇功率消耗，最終達(dá)到降低油耗且能降低發(fā)動機溫度的效果。

圖5 為風(fēng)扇控制邏輯圖，圖6 為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制模塊。

圖5 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制模塊

圖6 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制策略模塊

風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制的模塊主要有兩部分組成，即風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需求計算模塊和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制模塊。

風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需求計算是根據(jù)當(dāng)前整車的冷卻需求，調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需求。如發(fā)動機冷卻需求轉(zhuǎn)速的計算是冷卻水溫和發(fā)動機轉(zhuǎn)速通過查表獲得，并根據(jù)不同的大氣壓力進(jìn)行修正。優(yōu)化的控制策略將更多影響風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的因素加入控制策略中，對于風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速需求計算更為精準(zhǔn)，保證了各部件處于高效狀態(tài)。根據(jù)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需求值和當(dāng)前風(fēng)扇的實際轉(zhuǎn)速差值，優(yōu)化前的轉(zhuǎn)速控制策略采用的是PI 閉環(huán)控制，優(yōu)化后的控制策略采用PID 閉環(huán)控制動態(tài)調(diào)節(jié)PWM（脈沖寬度調(diào)制）占空比，控制電控硅油風(fēng)扇離合器工作腔硅油量，實現(xiàn)一次風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，控制精度更高。

當(dāng)風(fēng)扇控制PWM 占空比小于13%，可判斷風(fēng)扇斷開；當(dāng)風(fēng)扇控制PWM 占空比大于85%，判斷風(fēng)扇完全接合；當(dāng)PWM 占空比介于85%和13%之間風(fēng)扇處于調(diào)節(jié)狀態(tài)。

4 優(yōu)化設(shè)計方案驗證

4.1 仿真結(jié)果驗證

利用Crusie 軟件創(chuàng)建整車性能仿真模型，整車仿真模型如圖7所示。

圖7 整車仿真模型

將優(yōu)化前后的動力傳動系統(tǒng)參數(shù)和風(fēng)扇控制策略進(jìn)行仿真對比分析，Simulink 控制策略模型經(jīng)過編譯器生成DLL 文件格式。將生成風(fēng)扇控制策略DLL 文件集成到Crusie 中進(jìn)行聯(lián)合仿真計算，對控制策略進(jìn)行虛擬驗證。聯(lián)合仿真的結(jié)果見表3。

表3 系統(tǒng)優(yōu)化前后的仿真結(jié)果

根據(jù)表3 可知，在滿足車輛動力性能的前提下，系統(tǒng)優(yōu)化后的整車在C-WTVC 循環(huán)工況下的燃油消耗量降低了1.7%，常用車速80 km/h等速工況下，燃油消耗量降低2.1%。

4.2 臺架試驗驗證

與計算機仿真不同，現(xiàn)實中因資源條件限制，在選配變速器和后橋時，不能嚴(yán)格按照優(yōu)化的參數(shù)進(jìn)行變速器和后橋的速比選擇，只能選配最為接近優(yōu)化后的動力總成參數(shù)。利用重型轉(zhuǎn)鼓試驗臺，分別對優(yōu)化前后的車輛進(jìn)行油耗測試?；贑-WTVC循環(huán)，按照GB T 27840—2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》進(jìn)行試驗，如圖8 所示。試驗過程中，車輛運行狀態(tài)保持與C-WTVC 循環(huán)一致，速度偏差不超過±3 km/h。每次超過車速偏差的時間不超過2 s，累計不應(yīng)超過10 s。試驗結(jié)果見表4。

圖8 重型轉(zhuǎn)鼓試驗臺

表4 車輛優(yōu)化前后臺架油耗試驗結(jié)果

從表4 可看出，空氣阻力系數(shù)、發(fā)動機附件功耗和動力傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化后的車輛，燃油消耗量相比原始車輛降低了2%。仿真計算的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)誤差小于5%，也進(jìn)一步驗證了仿真計算的準(zhǔn)確性。

5 實車道路試驗驗證

實車道路試驗中采用了VBOX整車性能測試系統(tǒng)和德國GREGORY Flowtronic Technology GmbH 公司制造的GREGORY Flowtronic 油耗儀系統(tǒng)。圖9為試驗車輛，滿載總質(zhì)量為49000 kg，圖10為試驗設(shè)備。

圖9 試驗車輛

圖10 試驗設(shè)備

參照法規(guī)GB/T 12543—2009《汽車加速性能試驗方法》和GB/T 12544—2012《汽車最高車速試驗方法》進(jìn)行車輛動力性能測試。按照交通部推薦測試標(biāo)準(zhǔn)JTT 719—2016《營運貨車燃料消耗量限值及測量方法》在徐州周邊路段進(jìn)行燃油消耗量測試。將改進(jìn)后的車輛和基礎(chǔ)車型進(jìn)行道路對比測試，試驗結(jié)果如表5 所示。表5 表明，優(yōu)化后的車輛在滿足動力性能目標(biāo)要求的前提下，燃油經(jīng)濟性比優(yōu)化前有明顯提升。80 km/h等速工況燃油消耗量降低了3.8%，加速工況的燃油消耗量也有明顯降低。基于JT/T719—2016 的綜合工況，百公里油耗減少了1.14 L，相當(dāng)于降低了3%。

表5 優(yōu)化前后車輛性能數(shù)據(jù)對比

6 結(jié)論

（1）針對目前市場上重型半掛牽引車燃油消耗量高的問題，通過優(yōu)化后視鏡的迎風(fēng)面曲率，將原Base 版后視鏡替換為改進(jìn)后的整體式后視鏡，降低了車輛的風(fēng)阻系數(shù)。風(fēng)洞試驗結(jié)果證明了優(yōu)化方案的可行性。

（2）利用遺傳算法對整車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對電控硅油風(fēng)扇的控制策略進(jìn)行改進(jìn)，通過聯(lián)合仿真計算可得優(yōu)化后的車輛，在滿足動力性的前提下，C-WTVC循環(huán)工況燃油消耗量降低1.7%。

（3）分別對基礎(chǔ)車輛和優(yōu)化后的車輛進(jìn)行實車性能測試。從臺架試驗結(jié)果可知，優(yōu)化了風(fēng)阻系數(shù)、發(fā)動機附件功耗和傳動系統(tǒng)參數(shù)的車輛，在CWTVC 循環(huán)工況下燃油消耗量降低2%。同時道路試驗結(jié)果顯示，優(yōu)化后的車輛在80 km/h等速工況燃油消耗量降低了3.8%，基于JT/T719—2016 的綜合工況燃油消耗量降低3%，優(yōu)化效果明顯。同時也驗證了本文優(yōu)化方案的可行性。上述方法對重型商用車的燃油經(jīng)濟性開發(fā)和提升具有一定的指導(dǎo)意義。