第一章 绪论
1.1引言
随着社会的快速发展，汽车早已成为人们生活中不可或缺的交通工具。汽车工业的蓬勃发展，已使它成为能源消耗和环境污染的主体之一，能源是制约现代工业发展的重要因素，环境也是人们越来越关心的问题。现在国际上的原油价格正在快速攀升，节能减排已经成为全世界人民的一种共识，所以对汽车节能技术的研究是十分迫切的。作为从传动燃油汽车到纯电动汽车过渡产品的新能源汽车是目前比较有潜力的，新型的，已经初步市场化前景的车型。我国也因此提出加快研发新能源汽车，并希望能早日实现产业化[1]。
1.2混合动力车概述
新能源汽车通常有两种，一种是采用除汽油、柴油以外的其它类型燃料，另一种为仍旧使用汽油、柴油作为动力源，但搭载技术、原理、结构先进的动力装置具有新结构、新技术的汽车[2]。主要分为三种不同类型：混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池电动汽车[3, 4]。
1．混合动力的汽车的定义
本文研究的主要对象是混合动力汽车。混合动力汽车即指那些采用传统汽油柴油动力源与电动机两种方式作为动力源的新型汽车，电动机的加入改善了车辆在低速怠转时的动力性以及经济性，满足了节能、减排的大趋势[5, 6]。混合动力汽车因其将内燃机动力与电动动力有机的结合，具备了传统汽车加油方便、续驶里程长和纯电动汽车污染少、效率高的共同优点，并以较小的成本增加换取可观的经济性和排放性，从而被市场逐渐接受，成为国内外电动汽车界开发的重点[7-16]。
2．混合动力汽车的基本原理
混合动力汽车的基本原理是采用燃料转换装置（如内燃机）、储能装置和电动机作为混合的动力来源，在一系列严格的控制策略的控制下，使燃料转换装置、储能装置和电机在驱动工况下尽可能工作在高效率且低排放的区域，在汽车制动的情况下，通过调整发电机或电机工作区域回收部分制动时产生的能量，从而改善混合动力汽车汽车多工况行驶时的燃油经济性、尾气排放性和其它使用性能[17-19]。
3．混合动力汽车的优点
它既有石油传统燃料车高比能量和高比功率的长处，提高了纯电动汽车的续驶里程，又有纯电动汽车的节能和低排放的特点，显著的提高了整车燃油经济性，达到了两种车辆优点的统一[20]。
1.3机械式自动变速器的基本原理
汽车变速器是用于协调发动机的转速和车轮的转速的变速装置，使发动机发挥其最佳动力性能。汽车变速器的具有不同的传动比，用以扩大驱动轮转矩和车轮转速的工作范围，使车辆在不同的工况下获得不同的牵引力与速度，同时在不同的传动比下使得发动机在高性能下运转。变速器拥有倒档可以实现在发动机旋转方向不变的情况下车辆后退行驶。变速器的空挡可以暂时中断动力传输，使发动机能够实现起动、怠速，并便于变速器进行换挡[21-23]。机械式自动变速器（简称 AMT）是在传统齿轮变速器的机械结构基础上加入电控单元（简称 ECU）来实现电控换档的一种新的形式变速器[24]。
第二章 优化设计理论
2.1 优化设计概述
优化设计是在广泛应用电子计算机技术的基础上应运而生的一种现代设计方法。该方法基本的运算工具是计算机，利用最优化原理为基础和方法寻求多种方案里最优的一组设计参数使目标达到最佳的先进设计技术。优化设计的思想可以应用于多个领域，不仅仅是在工程领域。随着科技的发展和进步，优化设计已经并且正在扮演着越来越重要的角色。国民经济的快速发展和科技水平的进步，也推动了优化设计应用的发展。优化设计是一种重要的科学设计方法，能大大提高设计效率。优化设计最终得到一组最佳的设计参数，这组参数就是最优解[38]。优化设计就为获取这一最优设计方案提供了有效工具和方法[39]。目前优化设计在各个设计领域都得到了广泛的应用[40]。优化设计过程是设计课题分析，建立数学模型，选择优化方法和计算机上机电算。应用计算机技术来进行优化设计具有以下特征：因为它最优设计的设计的思想，所以需要建立一个优化数学模型来正确反映实际中所要面对的设计问题。利用优化方法的设计的方法，一个方案参数的调整是沿着使用方案更好的方向自动进行的，从而方便的选出最优方案，这也是指导我们在随后第三章的传动比参数优化的思路。设计的一般过程是首先确定约束条件和目标函数的数学模型。设计使用计算机，由于计算机的运算速度快，分析和计算一个方案的时间很短，因而可以快速的从大量的方案中选出“最优方案”。尤其是在机械设计领域，更是受到推崇。因此，这种设计方法是一项很大的变革，它能最完善的解决许多较为复杂的问题，而且它可以提高设计效率从而缩短设计周期，还可以为设计人员提供大量的设计分析数据，有助于考察设计结果，获得显著的经济效益，还可以提高工业产品的设计质量，提高效率[41]。
第三章 混合动力客车模型的建立......17
3.1 CRUISE 软件建模基础......17
3.2 AMT 混合动力客车的理论模型.......31
3.3 整车模型及主要参数........31
3.4 传动比参数优化...... 33
3.5 整车性能对比..... 37
3.6 本章小结........42
第四章 变速器齿轮参数优化....43
4.1 目标函数....43
4.2 优化变量的选取...... 44
4.3 约束条件....46
4.4 优化主程序.....53
4.5 优化结果....54
4.6 本章小结....54
第五章 论文总结及展望.......57
5.1 论文总结....57
5.2 论文展望....57
结论
本文确定了以优化混合动力城市客车的机械式自动变速器（AMT）参数的研究思路。本文介绍了机械式自动变速器和国内外的混合动力城市客车发展现状。研究了优化设计理论，优化设计数学模型，算法来确定整体的优化思路。确定了选择 CRUISE软件来进行经济性动力性分析，使用MATLAB优化工具箱进行优化。确定使用fmincon函数作为优化主函数来计算有约束非线性函数的最小值，并详细的学习了该函数的功能，数学模型和算法。学习了 MATLAB 优化工具箱的使用。分析 CRUISE 软件，详细说明了各个模块。为仿真模型的建立奠定了基础。并且针对混合动力城市客车的特殊性和机械式自动变速器的特殊性选择了相应的模块。
利用 CRUISE 建立可以描述混合动力客车机械式自动变速器车辆系统的仿真模型。并使用 CRUISE 的内置矩阵运算优化模型进行传动比优化。多次设置初值，终值和步长并设置传动比为矩阵计算唯一优化变量。计算后得到结果对比，证明在最优传动比下有最好的经济性，且能保证满足动力性的要求且有一定的改善。应用已建立的模型对混合动力客车的动力性、经济性进行仿真分析。得到最大爬坡度，最高速度，连续加速换挡时间和各档加速度和速度之间的对比关系。最后建立优化算法函数模型，确立了以齿轮系体积最小为优化目标的目标函数数学模型，确立了设计变量和加入了可靠性考虑的约束条件，考虑了中间轴轴向力，重合度，模数和齿宽等。通过 MATLAB编写使用 fmincon 函数为优化主函数的程序，编写和调试目标函数和约束条件程序，对齿轮的参数进行优化计算，最终输出得到一组相对合理的变速器齿轮系参数。最后计算得到齿轮系体积轻量化优化的结果对比来验证优化思路和优化方法的正确性和可行性。
参考文献
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