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1、吉林大学硕士学位论文排放约束下对红旗CA7220E型轿车传动系匹配的研究姓名：闫卫兵申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：宋传学20040501吉林大学硕士学位论文原创性声明Y9 6 5 7 9 4本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：问卫乡、日期：鲫年年，月曰占林又彳硕于研究士乎侥论文内容提要汽车燃油消耗和因汽车尾气排放而造成的
2、环境污染已经成为一个严重的社会问题，传统燃油汽车作为汽车产品中的主导力量。其燃油经济性和排放性的好坏更是意义重大。本文针对传统燃油车红旗C A 7 2 2 0 E ，以其燃油经济性和排放性为主要研究对象，通过匹配不同的传动系对影响其燃油经济性和排放性的因素进行了较为深入的研究首先，以A D V I S O R 为仿真平台，建立了动力传动系统的数学模型和控制模型，通过试验验证了其可行性。其次，在统计数据的基础上建立了适合我国轿车行驶模式的循环工况，与国家规定的轿车十五工况循环相比有明显的优越性。为了合理评价汽车的动力性、燃油经济性和排放性能，提出了评价三者的综合评价指标最后，在仿真的基础上，进一
3、步研究了主减速比、平均车速、坡度以及不同档位对汽车燃油经济性和 I 菲放性的影响趋势，为汽车前期的优化设计提供参考。同时，利用提出的综合评价指标在给定的不同传动系中作出选择，以期达到合理匹配的目的。吉林大学硕士研究生论文第一章绪论1 1 问题的提出人类为了生活和生产的需要，1 8 8 6 年发明了汽车。随着科学技术的进步与经济的发展，汽车已成为人们同常生活中- N 也离不开的代步和运输工具。汽车工业在当代世界经济活动中发挥了巨大的作用，是当今世界最大最重要的工业部门之一，成为世界大多数国家的支柱产业。一句话，汽车的出现改变了世界。同时，汽车工业的发展所带来的对石油资源需求的急剧增加和对环境严重
4、的负面影响只益引起人们的关注。随着我国经济的持续快速稳定发展，汽车产量高速增长，我国的汽车保有量也不断增加，原国家经济贸易委员会发靠的关于组织汽车产品燃油经济性数掘申报工作的通知指出：截止到2 0 0 2 年底，我国的汽车保有量已达2 0 7 0 万辆。汽车保有量的增加给我国带来了巨大的能源和环境压力。2 0 0 2 年，我国原油产量为1 6 亿吨，进口石油则超过7 2 0 0 万吨，预计2 0 0 5 年后将超过一亿吨。相当于科威特一年的总产量汽车的燃油消耗量分别占我国汽油和柴油产量的8 7 和2 1 。汽车燃油消耗和因汽车尾气排放而造成的环境污染已经成为一个严重的社会问题，目前世界上空气污
5、染最严重的1 0 个城市中7 个在中国根据国家环保中心预测2 0 1 0 年汽车尾气排放量将占空气污染的6 4 n 1 。面临如此严峻的形势，我们必须认真思考我国汽车工业的未来发展。自7 0 年代世界范围的能源危机发生后，各国汽车界都被迫努力降低燃油消耗，围绕着汽车和发动机主要采取了一下措施哺J ：1 提高汽车行驶效率1 ) 减少汽车行驶阻力一一通过改进车身造型改善车身结构来减少第一章绪论迎风面积和空气阻力；通过改进轮胎结构减少滚动阻力。2 ) 底盘轻量化一一采用新型轻质材料，通过可靠性设计技术使整车质量轻量化，使各总成部件附件紧凑；前置发动机前论驱动化。3 ) 提高驱动效率一一采用自动或无级
6、变速系统，减少轴承与齿轮的摩擦损失，提高传动系统的传动效率。2 提高发动机性能1 ) 改进现有发动机一一通过改善燃烧，减少冷却损失以提高热效率；采用可变气门定时变排量技术以改善部分负荷特性；通过降低运转部件的摩擦损失和发动机辅助设备的损失以提高机械效率：采用汽油喷射电子点火和微机控制使发动机工作过程最佳化。2 ) 提高能源利用率一一利用涡轮增压回收废气能量；利用储能装置( 飞轮) 回收制动能量：提高附属装爱( 空调电器装置等) 的效率。3 丌发利用新型动力1 ) 丌发新一代发动机一一研制高效率循环发动机；研制氢气发动机：研制利用电能的电动车；采用混合动力驱动系统2 ) 利用代用燃料一一采用外然
7、杌燃烧低质燃油：利用液化天然气石油气等燃料；利用乙醇甲醇等合成燃料。3 ) 利用新能源一一研制高效太阳能电池；应用氢气储存法和氢气混合燃烧法。4 优化匹配动力传动系统1 ) 发动机的选型一一汽油机与柴油机的选择；发动机使用特性的选择；发动机排量的选择。2 ) 传动系型式及参数的选择一一变速器的型式速比范围档位数速比日J 隔；液力变矩器型式及尺寸；驱动桥的类型及尺寸。一2 一吉林大学硕士研究生论文汽车的动力性、燃油经济性和排放特性的好坏在很大程度上取决于发动机的性能和传动系形式及参数的选择，取决于汽车动力传动系统合理匹配的程度即使一台发动机具有良好的性能，如果没有一个与之合理匹配的传动系，也不能
8、充分发挥其性能能与发动机合理匹配的传动系可以使发动机经常在其理想工作区附近工作，这样不仅可以减少燃料消耗，减轻发动机磨损，提高发动机使用寿命，而且可以取得良好的排放效果然而，在汽车研制工作中，由于专业分工过细，往往存在这样的情况，即发动机研制部门着重于改善发动机的工作过程，降低机械损失，以减少燃油消耗率；底盘研制部门则着重于提高传动效率，降低运行阻力等。这些工作无疑是很重要的。但如果不将发动机与底盘视为有联系的综合整体进行合理匹配，任何一个部件的性能改进完全有可能由于另一部件的匹配不当而造成整体性能未获得应有的改进。根据统计分析表明，目前汽车发动机使用工况多数是远离其最佳经济区域，未能实现动力
9、传动系统的最佳匹配。因此，通过合理匹配汽车动力传动系统来提高汽车运输效率，降低燃油消耗并同时控制有害气体的排放具有较大的潜力通常，汽车的动力性和燃油燃料经济性水平是在进行实车道路试验之后给予最后评价的。这样做不但周期长，成本高，而且在产品设计阶段对整车及各总成方案的确定结构参数的选择传动系参数与发动机的匹配等，就有一定的盲目性，可能会使较优的方案遗漏，使得产品的性能不令人满意，进而造成人财物力的浪费。以往动力传动系统的匹配，由于测试手段和计算工具的限制，一直都采用定性分析和简单的定量计算，靠大量积累的试验数掘和反复测试的结果进行设计”例如要试验某种车型，有三种整车总质量，四种发动机，三种变速器
10、，三种驱动桥及两种轮胎可供选择，那么各种不同组第一章绪论合的试验方案可达2 1 6 种。而每种方案都需要设计制造一系列不同的零部件，需花费大量的时间和费用因此，为了提高设计质量。缩短研制周期，在设计阶段就需要根据有关设计参数，对汽车动力性和经济性进行预测，对排放物进行限制，以期达到优化匹配的目的。随着计算机的广泛应用和现代计算方法的发展，计算机模拟仿真计算方法为汽车动力性和燃料经济性预测提供了有效而准确的工具。通过计算机仿真分析可以较为准确地反映实车性能，并且获得满意的结果1 2 国内外相关研究的现状为了解决汽车在经济性和有害物排放方面的问题，电动汽车呈现出加速发展的趋势。从环保的角度来看，电
11、动汽车是零排放的市区交通工具，即使加入发电厂增加的排气，总量上来看，它也将使空气污染大大减少。从能源的角度来看，电动汽车将使能源的利用多元化( 例如可使用各种再生能源) 和高效化，达到能源的可靠均衡和无污染物地利用的目的在改善交通安全和道路使用方面，电动汽车更容易实现智能化。电动汽车的发展将使集中考虑能源环保和交通成为可能。而且，它对于促进高科技的发展新兴工业的兴起以及经济的发展将产生深远的影响。然而，电动汽车关键技术一动力电池技术始终没能取得令人满意的突破，使电动汽车不是价格昂贵就是动力性能、乘坐舒适性能欠缺，限制了它的推广应用。混合动力汽车是清洁汽车中最具有产业化和市场化前景的车型它采用发
12、动机和电机、电池作为混合动力总成，既继承了电动车辆作为“绿色汽车”的节约能源和超低排放的优点，又弥补了电动车辆的续驶里程的不足。通过优化控制系统可使发动机、电机和电池保持在最佳经济区- - 4 一吉林大学硕士研究生论文运行，并实现再生制动能量回收，提高了整车的能量利用率，同时大幅度减少排放污染。根据统计资料，混合动力汽车的燃油消耗指标与装备同类型发动机的传统汽车相比平均降低3 0 一4 0 ，尾气排放指标平均降低5 0 一6 0 m 在配套设施方面，不需要象燃气汽车和电动汽车那样投入巨资进行加气站和充电站建设。因此，在电动汽车技术取得重大突破之前，混合动力汽车成了各国的主要选择。目前，混合动力
13、汽车产品在美国和只本已经批量上市，反应良好在国内，经过各方努力，中国的混合电动汽车有了长足的发展，先后也推出了产品，如华南理工大学研制的H E V 6 7 0 0 混合驱动中型客车，清华大学、郑州华联等单位研制出了串联混合动力传动系统。尽管混合动力汽车的研究已经在国内铺开，但是离产品化还有一段很长的路。鉴于目前市场上的绝大部分汽车产品依1 日是传统的燃油汽车，并且对传统车的研究也在不断加深，传动系的优化匹配、发动机技术的革新、代用燃料的引进等一系列新技术都为传统汽车的性能注入了活力，从而使得传统燃油汽车的性能得到了不断的改善。况且，要更新换代传统汽车要有很长的一段时期，其间必定要经历混合动力汽
14、车大量推向市场、改进的燃油汽车与之共存、苔代的过程，这就使得在今后相当长一段时间传统燃油汽车仍将占据市场的主导地位。所以，就目前而言，改善传统燃油汽车的性能降低燃油消耗率，减少排放与研制显得比开发新一代汽车更为重要。针对传统的燃油汽车，国外早在六七十年代初期就开始了对汽车动力性、燃油经济性的计算机模拟程序的研究”1 9 7 2 年，美国通用汽车公司首先丌发了汽车动力性与经济性的通用预测程序G P S l M ，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。目前，国外大多数汽车公司都有自己的模拟程序，
15、如福特公司第一章绪论开发的T O E F P ，康明斯公司的V M S ，美国交通部的V E H S I M ，日本日产汽车公司的C S V F E P ，德国奔驰汽车公司的T R A S C O 等。这些程序的在样车制造前就能准确地对汽车动力性燃料经济性进行预测，并可以根据几种传动系速比的变化引起整车性能的变化，找到这种变化的关系，从而找到能与所选发动机合理匹配的传动系我国在这方面的研究工作起步较晚，进入八十年代后，国内一些科研单位和高校也开展了一些工作，如长春汽车然究所的汽车燃料经济性、动力性模拟程序及动力系统合理匹配的研究、吉林工业大学的载货汽车燃料经济性的计算机模拟、清华大学的动力性、
16、燃料经济性的计算机模拟程序，西安公路交通大学的汽车动力性、燃油经济性模拟与主减速器速比优化的研究等，并且都取得了一些成果。目前，国内汽车界主要是围绕以下几个方面展开工作：( 1 ) 汽车传动系数学模型的研究；( 2 ) 按给定工况模式的模拟研究：( 3 ) 按实际道路条件虽机模拟的研究；( 4 ) 模拟程序的应用研究。然而，目前有关汽车传动系匹配方面的研究仅限于汽车的动力性与经济性，却忽略了汽车有害物的排放特性。虽然自9 0 年代以来，国外加深了汽车排放性能的研究，但是国外文献却很少有关于发动机传动系匹配与经济性、排放特性关系的资料。国内相关方面的研究更少，并且仅限于改善发动机的结构参数，采用新的控制方法来达到降低排放的目的。这就使得有必要丌展对汽车燃油经济性和排放性能方面的综合研究。1 3 开展本文研究的意义现阶段，我国汽车设计过程中对传动系的设计还仅仅停留在动力性- - 6 - -吉林大学硕士研究生论文和经济性方面，很少考虑排放性能。而排放目标的实现大部分是通过采用改良
