基于实际工况和运行载荷的城市公交传动参数优化研究
严英 陈双喜
摘 要： 针对实际运行工况与传动比参数不匹配导致公交车燃油经济性变差的问题，采集超过10万km的实车运行数据，从中提出了10个反映线路运行特点的特征参数，基于运动学片段构建了公交特征工况，与实际路况统计特征参数相对偏差在3%以内。采用拉丁超立方抽样的试验设计方法，以发动机工况点在万有特性MAP经济区域分布比例最大为优化目标，建立基于工况和载荷状态的GT整车性能仿真模型，以动力性设计指标为约束条件，确定最佳的传动比参数。结果表明，基于运行工况和实际载荷优化公交车传动比参数，实现车辆燃油经济性改善是可行的，油耗比原车降低了2.76%。
关键词： 行驶工况； 载荷状态； 传动比； 拉丁超立方抽样； 燃油经济性
中图分类号： TN911?34； U469.72 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）06?0045?04
Abstract：In view of the issue that the mismatching between driving condition and powertrain gear ratio parameters affects vehicles fuel economy， the actual running data of city buses running over 100 000 km was collected. According to the data， 10 feature parameters reflecting the bus route running characteristics are put forward， and the bus driving conditions are created on the basis of kinematics. The deviation is within 3% relative to the real road condition statistical characteristic parameters. The testing design method of Latin hypercube sampling （LHS） was adopted to optimize the powertrain gear ratio parameters， and build a GT?SUITE vehicle performance simulation model considering the driving conditions and vehicle average load state to confirm the best transmission ratio parameter taking the dynamic property design index as the constraint condition. Result shows it is feasible to realize the improvement of bus fuel economy on the basis of the driving conditions and bus transmission ratio parameters relying on real load optimization. The fuel consumption was decreased by 2.76% compared with that of the bus with original configuration.
Keywords： driving condition； load state； gear ratio； Latin hypercube sampling； fuel economy
0 引 言
城市公交实际运行交通情况对车辆油耗有重要影响。我国多基于国标GB/T19754?2005的中国典型城市公交循环工况来设计和评价城市公交的燃油经济性。这与公交车实际运行工况相差较大，进而导致公交车实际油耗偏高。选择与工况相匹配的发动机功率和整车传动系配置，实现车?路适配，是降低油耗的有效手段。研究表明，基于平均车速等特征参数建立的典型工况可反映实际路况[1?6]。在评价传动系统的性能时，行驶工况的选择对油耗有着重要的影响[7?8]。
在构建典型工况优化车辆油耗的研究中，车辆运行载荷对燃油经济性也有很大影响[9?10]。为此，本文研究基于特征参数构建了公交工况，并引入公交运行载荷作为系统输入，对传动比参数进行油耗经济性仿真优化，并对优化后的参数进行了动力性指标检验。
1 研究对象
研究对象为天津市滨海公交503路柴油公交客车。车辆型号为宇通ZK6902HGA。该公交线路跨郊区?城郊?市区三种典型路况，全程70.4 km，途经64个站点，如图1所示。
2 公交车行驶工况
2.1 特征参数定义
公交车遵循“怠速停车?出站行驶?进站停车”的驾驶模式。因此，可将车辆从一个怠速开始到下一个怠速开始的过程定义为运动学片段。本文提取运动学片段时限为怠速时长大于1 s。为了定量地研究该公交行驶工况的特征，定义怠速比例、平均速度、速度标准差等参数，采用统计学方法研究其工况特征，参数的具体定义如表1所示。
2.2 行驶工况构建
研究对象行驶路线覆盖了郊区?城郊?市区三种差异很大的典型路况，有必要分区统计特征参数和划分运动学片段，然后按照各个典型路况的平均运行时间按比例组合。以郊区工况构建为例，具体流程如图2所示。
依据平均速度和运行里程划分，三种典型工况的时间比例为37.83%，22.31%，39.86%。按照图2流程构建的三种工况时间分别为492.7 s和737.6 s，时间比例为35.73%，25.74%，38.53%，构建的工况曲线如图3所示，试验数据统计特征与构建的公交工况特征参数见表2。
由表2可知，工况指标偏差小于3%，构建的工况能够反映该线路车辆的实际行驶特征，满足研究的需要。
2.3 平均载荷状态统计
依据车辆行驶动力方程，由车速、发动机扭矩信息，采用最小二乘曲线拟合进行载荷估计，得到沿途64个站点间最大概率载荷，平均载荷10 150 kg，如图4所示。这将作为动力系统匹配的车辆模型输入参数之一。
3 动力系统参数仿真优化
基于车辆纵向动力学知识，车辆行驶时传动比影响发动机工况点分布，从而影响百公里油耗。优化传动系参数的目标，就是让发动机工况点尽可能处于万有特性曲线低油耗区。根据发动机及整车配置参数，利用GT?SUITE软件搭建柴油公交客车动力学仿真模型。
3.1 试验设计方法
本研究选择拉丁超立方抽样法设计仿真Case案例。根据原车配置的QJ805系列变速箱速比，各档传动比的设定范围如表3所示，设计了40组仿真Case。
表3 各档传动比设定范围
3.2 燃油经济性目标优化与分析
按照表3中设计的仿真Case及原车配置的车速比参数进行性能仿真，仿真油耗如图5所示。
以燃油经济性最优的优化目标，根据图5中的仿真油耗，优先选择百公里油耗为28.2 L/100 km的Case2和Case31，确定最佳的传动比参数。原机配置（Case0）、Case2和Case31的传动比参数如表4所示。
实车档位利用率分布如图6所示，其中G1表示处于空档和最低档的时间比例，4档和5档的总利用率高达55%，其传动比对油耗有决定性的影响。在实际传动比选择时，较高挡位相邻两挡间的传动比的间隔应小些，特别是最高挡与次高挡之间更应小些[6]。因此优先选择Case 2对应的传动比参数。
道路工况下优化传动比参数，就是优化发动机工况点在万有特性MAP上的分布。Case0和燃油经济性最好Case2的仿真工况点分布如图7所示。
发动机工况点各个区域的分布比例如表5、表6所示。对比原机配置Case0和优化配置Case2的发动机工况点分布比例，发动机在中等转速、中等负荷区域（1 200～1 600 r/min，185～450 N·m）分布增加，中低速、中大负荷区域（600～1 200 r/min，315～750 N·m）分布降低。
参数优化后发动机工作点更集中，且分布在经济区域的工况点更多，公交循环工况油耗降低了2.76%。
3.3 动力性指标检验
根据天津市实际路况，传动比优化的约束条件为：最大爬坡度不低于30%；最高车速不低于85 km/h。
经计算，Case2的传动比参数满足上述约束。这表明，在保证动力性设计指标的前提下，可通过优化车辆传动比提高运行经济性。
4 结 论
本文提出了10个反映公交线路运行特点的特征参数，使用运动学片段组合的方法构建了公交工况，经有效性验证，与实际路况统计特征参数相对偏差在3%以内，可用于传动系统参数仿真研究。采用拉丁超立方抽样的试验设计方法，基于公交工况和平均载荷状态进行最佳燃油经济性的传动比参数优化。结果表明，在保证动力性设计指标的前提下，公交循环工况燃油经济性比原车配置提高了2.76%。
参考文献
[1] LIU Jun， WANG Xin， KHATTAK Asad. Customizing driving cycles to support vehicle purchase and use decisions： fuel economy estimation for alternative fuel vehicle users [J]. Transportation research Part C， 2016， 67： 280?298.
[2] MISHRA Prasun， SAHA Suman， IKKURTI H P. Selection of propulsion motor and suitable gear ratio for driving electric vehicle on Indian city roads [C]// 2013 International Conference on Energy Efficient Technologies for Sustainability. [S.l.]： ICEETS， 2013： 692?698.
[3] AHMED Aboud， ZHAO Changlu， ZHANG Fujun. Investigation of the optimum differential gear ratio for real driving cycles by experiment design and genetic algorithm [J]. Journal of Beijing Institute of Technology， 2015（24）： 65?73.
[4] NESAMANI K S， SUBRAMANIAN K P. Development of a driving cycle for intra?city buses in Chennai， India [J]. Atmospheric environment， 2011， 45（31）： 5469?5476.
[5] PELKMANS L， DE KEUKELEERE D， BRUNEEL H， et al. Influence of vehicle test cycle characteristics on fuel consumption and emissions of city buses [J]. Sae transactions， 2001， 110（4）： 1388?1398.
[6] 孫宏图.基于循环工况的城市公交客车动力传动系统参数研究[D].大连：大连理工大学，2009.
[7] GEORGES G， NOEMBRINI F， BOULOUCHOS K， et al. Parametric study on the influence of driving cycles on fuel consumption for different powertrains [C]// 2012 12th International Conference on ITS Telecommunications （ITST）. [S.l.]： IEEE， 2012： 558?562.
[8] 冒文娟.基于使用工况的公交车传动系统优化匹配方法研究[D].合肥：合肥工业大学，2012.
[9] MUNCRIEF Rachel， CRUZ Miguel. Impact of auxiliary loads on fuel economy and emissions in transit bus applications[C]// SAE 2012 World Congress and Exhibition. [S.l.]： SAE， 2012： 1028?1040.
[10] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009.
摘 要： 针对实际运行工况与传动比参数不匹配导致公交车燃油经济性变差的问题，采集超过10万km的实车运行数据，从中提出了10个反映线路运行特点的特征参数，基于运动学片段构建了公交特征工况，与实际路况统计特征参数相对偏差在3%以内。采用拉丁超立方抽样的试验设计方法，以发动机工况点在万有特性MAP经济区域分布比例最大为优化目标，建立基于工况和载荷状态的GT整车性能仿真模型，以动力性设计指标为约束条件，确定最佳的传动比参数。结果表明，基于运行工况和实际载荷优化公交车传动比参数，实现车辆燃油经济性改善是可行的，油耗比原车降低了2.76%。
关键词： 行驶工况； 载荷状态； 传动比； 拉丁超立方抽样； 燃油经济性
中图分类号： TN911?34； U469.72 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）06?0045?04
Abstract：In view of the issue that the mismatching between driving condition and powertrain gear ratio parameters affects vehicles fuel economy， the actual running data of city buses running over 100 000 km was collected. According to the data， 10 feature parameters reflecting the bus route running characteristics are put forward， and the bus driving conditions are created on the basis of kinematics. The deviation is within 3% relative to the real road condition statistical characteristic parameters. The testing design method of Latin hypercube sampling （LHS） was adopted to optimize the powertrain gear ratio parameters， and build a GT?SUITE vehicle performance simulation model considering the driving conditions and vehicle average load state to confirm the best transmission ratio parameter taking the dynamic property design index as the constraint condition. Result shows it is feasible to realize the improvement of bus fuel economy on the basis of the driving conditions and bus transmission ratio parameters relying on real load optimization. The fuel consumption was decreased by 2.76% compared with that of the bus with original configuration.
Keywords： driving condition； load state； gear ratio； Latin hypercube sampling； fuel economy
0 引 言
城市公交实际运行交通情况对车辆油耗有重要影响。我国多基于国标GB/T19754?2005的中国典型城市公交循环工况来设计和评价城市公交的燃油经济性。这与公交车实际运行工况相差较大，进而导致公交车实际油耗偏高。选择与工况相匹配的发动机功率和整车传动系配置，实现车?路适配，是降低油耗的有效手段。研究表明，基于平均车速等特征参数建立的典型工况可反映实际路况[1?6]。在评价传动系统的性能时，行驶工况的选择对油耗有着重要的影响[7?8]。
在构建典型工况优化车辆油耗的研究中，车辆运行载荷对燃油经济性也有很大影响[9?10]。为此，本文研究基于特征参数构建了公交工况，并引入公交运行载荷作为系统输入，对传动比参数进行油耗经济性仿真优化，并对优化后的参数进行了动力性指标检验。
1 研究对象
研究对象为天津市滨海公交503路柴油公交客车。车辆型号为宇通ZK6902HGA。该公交线路跨郊区?城郊?市区三种典型路况，全程70.4 km，途经64个站点，如图1所示。
2 公交车行驶工况
2.1 特征参数定义
公交车遵循“怠速停车?出站行驶?进站停车”的驾驶模式。因此，可将车辆从一个怠速开始到下一个怠速开始的过程定义为运动学片段。本文提取运动学片段时限为怠速时长大于1 s。为了定量地研究该公交行驶工况的特征，定义怠速比例、平均速度、速度标准差等参数，采用统计学方法研究其工况特征，参数的具体定义如表1所示。
2.2 行驶工况构建
研究对象行驶路线覆盖了郊区?城郊?市区三种差异很大的典型路况，有必要分区统计特征参数和划分运动学片段，然后按照各个典型路况的平均运行时间按比例组合。以郊区工况构建为例，具体流程如图2所示。
依据平均速度和运行里程划分，三种典型工况的时间比例为37.83%，22.31%，39.86%。按照图2流程构建的三种工况时间分别为492.7 s和737.6 s，时间比例为35.73%，25.74%，38.53%，构建的工况曲线如图3所示，试验数据统计特征与构建的公交工况特征参数见表2。
由表2可知，工况指标偏差小于3%，构建的工况能够反映该线路车辆的实际行驶特征，满足研究的需要。
2.3 平均载荷状态统计
依据车辆行驶动力方程，由车速、发动机扭矩信息，采用最小二乘曲线拟合进行载荷估计，得到沿途64个站点间最大概率载荷，平均载荷10 150 kg，如图4所示。这将作为动力系统匹配的车辆模型输入参数之一。
3 动力系统参数仿真优化
基于车辆纵向动力学知识，车辆行驶时传动比影响发动机工况点分布，从而影响百公里油耗。优化传动系参数的目标，就是让发动机工况点尽可能处于万有特性曲线低油耗区。根据发动机及整车配置参数，利用GT?SUITE软件搭建柴油公交客车动力学仿真模型。
3.1 试验设计方法
本研究选择拉丁超立方抽样法设计仿真Case案例。根据原车配置的QJ805系列变速箱速比，各档传动比的设定范围如表3所示，设计了40组仿真Case。
表3 各档传动比设定范围
3.2 燃油经济性目标优化与分析
按照表3中设计的仿真Case及原车配置的车速比参数进行性能仿真，仿真油耗如图5所示。
以燃油经济性最优的优化目标，根据图5中的仿真油耗，优先选择百公里油耗为28.2 L/100 km的Case2和Case31，确定最佳的传动比参数。原机配置（Case0）、Case2和Case31的传动比参数如表4所示。
实车档位利用率分布如图6所示，其中G1表示处于空档和最低档的时间比例，4档和5档的总利用率高达55%，其传动比对油耗有决定性的影响。在实际传动比选择时，较高挡位相邻两挡间的传动比的间隔应小些，特别是最高挡与次高挡之间更应小些[6]。因此优先选择Case 2对应的传动比参数。
道路工况下优化传动比参数，就是优化发动机工况点在万有特性MAP上的分布。Case0和燃油经济性最好Case2的仿真工况点分布如图7所示。
发动机工况点各个区域的分布比例如表5、表6所示。对比原机配置Case0和优化配置Case2的发动机工况点分布比例，发动机在中等转速、中等负荷区域（1 200～1 600 r/min，185～450 N·m）分布增加，中低速、中大负荷区域（600～1 200 r/min，315～750 N·m）分布降低。
参数优化后发动机工作点更集中，且分布在经济区域的工况点更多，公交循环工况油耗降低了2.76%。
3.3 动力性指标检验
根据天津市实际路况，传动比优化的约束条件为：最大爬坡度不低于30%；最高车速不低于85 km/h。
经计算，Case2的传动比参数满足上述约束。这表明，在保证动力性设计指标的前提下，可通过优化车辆传动比提高运行经济性。
4 结 论
本文提出了10个反映公交线路运行特点的特征参数，使用运动学片段组合的方法构建了公交工况，经有效性验证，与实际路况统计特征参数相对偏差在3%以内，可用于传动系统参数仿真研究。采用拉丁超立方抽样的试验设计方法，基于公交工况和平均载荷状态进行最佳燃油经济性的传动比参数优化。结果表明，在保证动力性设计指标的前提下，公交循环工况燃油经济性比原车配置提高了2.76%。
参考文献
[1] LIU Jun， WANG Xin， KHATTAK Asad. Customizing driving cycles to support vehicle purchase and use decisions： fuel economy estimation for alternative fuel vehicle users [J]. Transportation research Part C， 2016， 67： 280?298.
[2] MISHRA Prasun， SAHA Suman， IKKURTI H P. Selection of propulsion motor and suitable gear ratio for driving electric vehicle on Indian city roads [C]// 2013 International Conference on Energy Efficient Technologies for Sustainability. [S.l.]： ICEETS， 2013： 692?698.
[3] AHMED Aboud， ZHAO Changlu， ZHANG Fujun. Investigation of the optimum differential gear ratio for real driving cycles by experiment design and genetic algorithm [J]. Journal of Beijing Institute of Technology， 2015（24）： 65?73.
[4] NESAMANI K S， SUBRAMANIAN K P. Development of a driving cycle for intra?city buses in Chennai， India [J]. Atmospheric environment， 2011， 45（31）： 5469?5476.
[5] PELKMANS L， DE KEUKELEERE D， BRUNEEL H， et al. Influence of vehicle test cycle characteristics on fuel consumption and emissions of city buses [J]. Sae transactions， 2001， 110（4）： 1388?1398.
[6] 孫宏图.基于循环工况的城市公交客车动力传动系统参数研究[D].大连：大连理工大学，2009.
[7] GEORGES G， NOEMBRINI F， BOULOUCHOS K， et al. Parametric study on the influence of driving cycles on fuel consumption for different powertrains [C]// 2012 12th International Conference on ITS Telecommunications （ITST）. [S.l.]： IEEE， 2012： 558?562.
[8] 冒文娟.基于使用工况的公交车传动系统优化匹配方法研究[D].合肥：合肥工业大学，2012.
[9] MUNCRIEF Rachel， CRUZ Miguel. Impact of auxiliary loads on fuel economy and emissions in transit bus applications[C]// SAE 2012 World Congress and Exhibition. [S.l.]： SAE， 2012： 1028?1040.
[10] 余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009.
