基于Cruise的重載純電動(dòng)牽引車的傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配

，，，

(機(jī)械科學(xué)研究總院機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京100044)

0 引言

傳動(dòng)系統(tǒng)是汽車的核心系統(tǒng)，車輛動(dòng)力性能的可靠性主要取決于傳動(dòng)系統(tǒng)各部件的參數(shù)匹配以及各部件自身的性能。由于環(huán)境污染和化石能源消耗較大，目前汽車的動(dòng)力源逐步由傳統(tǒng)的汽、柴油變成了電能，而傳動(dòng)系統(tǒng)也有相應(yīng)的改變。對(duì)于新型的電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，楊東根等人基于Cruise軟件設(shè)計(jì)了純電動(dòng)商務(wù)車的傳動(dòng)系統(tǒng)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性，并得出了影響傳動(dòng)系統(tǒng)性能的敏感參數(shù)[1]；信金峰研究了純電動(dòng)汽車SA01的傳動(dòng)系統(tǒng)匹配，并完成了高壓控制原理的設(shè)計(jì)，通過Cruise仿真得出了滿足要求的傳動(dòng)系統(tǒng)匹配參數(shù)[2]；徐雪飛基于燃油式微型面包車進(jìn)行改造，根據(jù)用途設(shè)計(jì)出符合要求的傳動(dòng)系統(tǒng)，通過Cruise仿真和實(shí)車實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性[3]；張瓊對(duì)純電動(dòng)大客車進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化，采用改進(jìn)的多目標(biāo)遺傳算法NSGA-Ⅱ?qū)Ω鱾€(gè)傳動(dòng)部件建立了數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，通過Matlab軟件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和Cruise傳動(dòng)性能仿真[4]；夏先文對(duì)純電動(dòng)拖拉機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，根據(jù)拖拉機(jī)的特殊工作環(huán)境設(shè)計(jì)了純電動(dòng)拖拉機(jī)的傳動(dòng)方式[5]；Binbin Sun等人通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)和最小最大擬合距離法對(duì)變速箱的傳動(dòng)比進(jìn)行優(yōu)化，然后運(yùn)用拉丁超立方體設(shè)計(jì)方法、遺傳算法、高斯徑向基函數(shù)和數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型等數(shù)學(xué)方法對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)策略進(jìn)行優(yōu)化[6]；Muhammad Izhar Ishak等人提出了一種四輪驅(qū)動(dòng)和獨(dú)立轉(zhuǎn)向的小型電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)方案[7]；馬四偉等人研究了一種五軸重載越野車的電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)[8]。由于港口重載牽引車的牽引力要求較大，對(duì)于電動(dòng)車來說一般車型都很難達(dá)到要求，也有學(xué)者提出用多個(gè)輪轂電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輪，提高車輛的傳動(dòng)扭矩，然而要控制好每個(gè)輪轂電機(jī)協(xié)調(diào)工作是一個(gè)難點(diǎn)，所以研究這一方面內(nèi)容的專家學(xué)者較少，而本文設(shè)計(jì)了一款用于港口重型集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)的純電動(dòng)牽引車的傳動(dòng)系統(tǒng)，主要從傳動(dòng)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)這一方面進(jìn)行設(shè)計(jì)、選型、建模、仿真和分析，最終得出合理的重載純電動(dòng)牽引車傳動(dòng)系統(tǒng)方案。

1 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

純電動(dòng)車通常所用的傳動(dòng)方案是直驅(qū)：電池—控制器—電機(jī)—主減速器—差速器—驅(qū)動(dòng)輪軸，一般直驅(qū)節(jié)省了很多中間傳動(dòng)部件，消除了由機(jī)械傳動(dòng)帶來的反向間隙、柔度和部件本身的問題以及各部件之間配合的問題，但是對(duì)于重載純電動(dòng)牽引車，單靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器和驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，要求電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要非常大，使電機(jī)具有足夠大的轉(zhuǎn)矩目前是一個(gè)難點(diǎn)，因此單靠電機(jī)的轉(zhuǎn)矩可能滿足不了設(shè)計(jì)要求，而且成本較高。為了提高轉(zhuǎn)矩，本文把電動(dòng)車直驅(qū)的傳動(dòng)方案與傳統(tǒng)汽車的傳動(dòng)方案結(jié)合，重載純電動(dòng)牽引車的傳動(dòng)方案為：電池—控制器—電機(jī)—離合器—變速箱—主減速器—差速器—驅(qū)動(dòng)輪軸，通過變速箱增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和加速轉(zhuǎn)矩，使?fàn)恳Ω笄覀鲃?dòng)更平穩(wěn)高效，驅(qū)動(dòng)方式采用6×4的雙驅(qū)方式，提高車輛的爬坡度等動(dòng)力性能。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)匹配計(jì)算

2.1 重載電動(dòng)牽引車的性能要求

重載電動(dòng)牽引車的性能要求如表1。

表1重載電動(dòng)牽引車的性能要求參數(shù)

2.2 整車的基本參數(shù)

整車基本參數(shù)如表2所示。

2.3 重載純電動(dòng)牽引車的功率和轉(zhuǎn)矩需求

1)為了使驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率滿足車輛的最大牽引質(zhì)量、最大爬坡度、最高速度和最大加速度的要求，電機(jī)的峰值功率需要滿足以下公式：

表2整車基本參數(shù)

Pmax≥max{Pv，Pα，Pa}

(1)

其中：Pv，Pα，Pa分別為滿足最高車速、最大爬坡度和最大加速度下的功率。

(2)

式中，Vmax為空載時(shí)的最大行駛速度(100km/h)，μ為傳動(dòng)機(jī)械效率，M1為整備質(zhì)量，g為重力加速度，f為滾動(dòng)摩擦阻力系數(shù)，CD為空氣阻力系數(shù)，A為迎風(fēng)面積。根據(jù)2.1和2.2的參數(shù)，解得Pv≥119.98 kW。

2)當(dāng)車輛滿載時(shí)滿足最大爬坡度時(shí)的功率計(jì)算公式：

(3)

式中：Vα為滿足最大爬坡要求時(shí)的車速(5 km/h)，α1為爬坡角，爬坡度α=tanα1，根據(jù)表1和表2所列參數(shù)，解得Pα≥80.72 kW。

3)當(dāng)車輛滿載時(shí)滿足在平直路面上速度從零加速到ut=30 km/h的時(shí)間t=20 s時(shí)，滿足加速性能要求的功率計(jì)算公式：

(4)

式中：δ為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量因數(shù)，取1.05[2，3，9]。根據(jù)表1和表2所列參數(shù)，解得Pa≥192.17 kW。

根據(jù)式(2)、式(3)、式(4)所解得的功率，再由式(1)可知電機(jī)的最大功率應(yīng)滿足：Pmax≥192.17 kW。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率Pe的計(jì)算公式[3]：

(5)

當(dāng)車輛滿載在平直的路面巡航行駛時(shí)，車輛的加速度和坡度阻力項(xiàng)均為零，取v=30 km/h，解得：Pe=138 kW。

選取電機(jī)的功率參數(shù)：峰值功率為Pmax=195 kW，額定功率為Pe=130 kW。

2.4 電機(jī)選型

所選電機(jī)的電機(jī)特性曲線如圖1。

圖1 電機(jī)特性曲線圖

2.5 變速箱選型

由于重載純電動(dòng)牽引車低速重載的特性，因此其傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比以減速增矩為主要目的。以最高車速和最大爬坡度為依據(jù)計(jì)算重載純電動(dòng)牽引車的傳動(dòng)比范圍，由于重載純電動(dòng)牽引車在爬坡時(shí)需要的扭矩大而速度小，可以定義最大傳動(dòng)比值，即減速比最大；當(dāng)車速較大時(shí)，需要的傳動(dòng)扭矩較小，可以定義最小傳動(dòng)比值。故電動(dòng)車的總傳動(dòng)比要滿足公式[1]：

(6)

其中，vmax為車輛空載時(shí)的最大速度，選取vmax=100 km/h，由所選電機(jī)特性曲線圖可以得出Tmax=1080 N·m。根據(jù)表1和表2所列參數(shù)，由式(6)解得總傳動(dòng)比的范圍為：5.87≤i≤25.94。

由于車輛整車基本參數(shù)中主減速比為4.8，故減速箱的傳動(dòng)比為：1.22≤i1≤5.404。

為了使車輛起步更平穩(wěn)，選用多檔變速箱。變速箱設(shè)定8個(gè)檔位，檔位參數(shù)如表3。

表3變速箱速比

2.6 電池選型

目前電動(dòng)車使用最多的動(dòng)力電池分為三種：燃料電池、鉛酸電池和鋰電池，燃料電池具有成本高、安全性差等缺點(diǎn)，鉛酸電池是最早使用的電池，但由于其能量密度小、體積大、充放電功能差和壽命短的缺點(diǎn)逐漸被淘汰，鋰電池的安全性能、充放電效率、功率密度、壽命和價(jià)格等綜合性能較好，所以目前電動(dòng)汽車多數(shù)使用的是動(dòng)力鋰電池。鋰電池中的磷酸鐵鋰電池能量密度高，穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)，成本低。因此，本文研究的重載純電動(dòng)牽引車選用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池。

根據(jù)重載純電動(dòng)牽引車用電需求和續(xù)航里程要求，由表1和表2所列參數(shù)，確定電池的規(guī)格參數(shù)，電池的總能量需求公式為：

(7)

3 傳動(dòng)系統(tǒng)建模仿真

3.1 Cruise軟件介紹

Cruise軟件是奧地利AVL公司開發(fā)的一款專門用于汽車動(dòng)力系統(tǒng)性能仿真和汽車傳動(dòng)模塊開發(fā)的軟件，軟件以可視化模塊和簡(jiǎn)單明了的連接方式進(jìn)行建模，且仿真結(jié)果清晰，常用的計(jì)算任務(wù)包括循環(huán)工況、爬坡性能、穩(wěn)態(tài)下的最大速度、全負(fù)荷加速特性、最大牽引力、能耗和制動(dòng)性能等。Cruise作為車輛設(shè)計(jì)的一款仿真軟件，為車輛開發(fā)提供了可靠的參考依據(jù)，節(jié)約了大量的實(shí)驗(yàn)時(shí)間和前期實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資資金，因其靈活性和智能化成為廣大汽車設(shè)計(jì)者青睞的設(shè)計(jì)研發(fā)工具[5]。為了驗(yàn)證上述所選的重載純電動(dòng)牽引車傳動(dòng)系統(tǒng)方案的可行性，本文采用Cruise搭建重載純電動(dòng)牽引車的傳動(dòng)系統(tǒng)模型，針對(duì)車輛的爬坡度，最大牽引力，最大速度和加速時(shí)間等車輛動(dòng)力特性進(jìn)行仿真。

3.2 模型搭建

如圖2為利用Cruise軟件搭建的重載純電動(dòng)牽引車的動(dòng)力系統(tǒng)模型。該模型中主要包括：整車模塊、電池模塊、電池管理系統(tǒng)模塊、電機(jī)模塊、離合器模塊、變速箱模塊、主減速器模塊、差速器模塊、制動(dòng)器模塊、車輪模塊、駕駛室模塊、顯示器模塊和電機(jī)控制單元等。

圖2 車輛動(dòng)力系統(tǒng)模型

3.3 車輛主要輸入?yún)?shù)

根據(jù)表2所列的整車基本參數(shù)和第二節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)，對(duì)車輛各個(gè)模塊進(jìn)行基本參數(shù)設(shè)置，圖3為整車模型的主要參數(shù)輸入情況。

圖3 車輛模型主要輸入?yún)?shù)

4 仿真結(jié)果分析

4.1 最大牽引力

最大牽引力的計(jì)算對(duì)于重載電動(dòng)牽引車是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，它決定了車輛是否能在港口轉(zhuǎn)運(yùn)重量達(dá)60 t的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，如果在不滿足此動(dòng)力性能的情況下強(qiáng)行工作，會(huì)逐漸透支傳動(dòng)系統(tǒng)的功能，導(dǎo)致各個(gè)部件快速地?fù)p壞，從而降低車輛的使用壽命。圖4為一檔到八檔下牽引力與速度的關(guān)系曲線圖，由圖看出一檔下啟動(dòng)的牽引力最大，牽引力是隨速度的增加逐漸減小的，根據(jù)滿載車輛總質(zhì)量70 t在坡度為5%以最大5 km/h的速度運(yùn)行計(jì)算需要的最大牽引力：

由圖5的報(bào)告結(jié)果得出重載純電動(dòng)牽引車的最大牽引力為50098.88 N，仿真結(jié)果證明本文所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)滿足最大牽引力的要求。

圖4 各檔位下的牽引力曲線圖

圖5 最大牽引力的仿真結(jié)果報(bào)告

4.2 加速運(yùn)行情況

如圖6所示為車輛每個(gè)檔位下隨著車輛速度的增加的加速度變化曲線圖，圖7為重載純電動(dòng)牽引車從啟動(dòng)加速到30 km/h的穩(wěn)定加速的耗時(shí)情況報(bào)告。

圖6 車輛滿載時(shí)的加速度圖

圖7 車輛0～30 km/h的加速運(yùn)行情況報(bào)告

由圖6、圖7可以看出，重載純電動(dòng)牽引車最大加速度為1.18 m/s2，車輛速度從0 km/h加速到30 km/h需要的時(shí)間為14.02 s，此段時(shí)間內(nèi)車輛的行程為78 m。

4.3 百公里耗能

NEDC循環(huán)工況是歐洲城郊綜合工況，一個(gè)NEDC循環(huán)工況包括4個(gè)UDC(城市市區(qū)工況)和1個(gè)EUDC(城市市郊工況)[11-12]，由于NEDC工況在市區(qū)的時(shí)間比較多，市區(qū)路況相對(duì)郊區(qū)復(fù)雜，車輛速度多數(shù)在50 km/h以下，根據(jù)港口重載車輛的運(yùn)行情況分析，車輛滿載時(shí)速度在40 km/h以下，空載時(shí)速度在100 km/h以下，車輛滿載時(shí)間多于空載運(yùn)行時(shí)間，由此得出港口重載純電動(dòng)牽引車的運(yùn)行工況比較符合歐洲NEDC城郊綜合工況，本次百公里耗能仿真實(shí)驗(yàn)中選用Cruise軟件自帶的NEDC循環(huán)工況對(duì)港口重載純電動(dòng)牽引車的百公里耗能進(jìn)行仿真。

圖8所示能耗結(jié)果報(bào)告，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗量和各種污染氣體排放量為0，電動(dòng)機(jī)100 km耗能296.6 kWh。NEDC循環(huán)工況下輔助系統(tǒng)每100 km耗能21.913 kWh，綜合得出車輛每運(yùn)行100 km需要消耗電能318.5 kWh。

圖8 能耗結(jié)果報(bào)告

4.4 爬坡度

圖9為爬坡度的仿真結(jié)果報(bào)告，由圖9可以得出車輛的最大爬坡度為5.74%，車輛設(shè)計(jì)的爬坡度要求為5%以上，仿真結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)方案滿足爬坡度要求。

圖9 爬坡度仿真結(jié)果報(bào)告

4.5 最大速度

圖10為最大速度仿真結(jié)果報(bào)告，由圖10可以看出采用本文設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)后車輛能達(dá)到的最大速度為105 km/h，滿足重載純電動(dòng)牽引車空載最高車速100 km/h的設(shè)計(jì)要求。

圖10 最大速度仿真結(jié)果報(bào)告

4.6 一個(gè)NEDC循環(huán)工況下的車輛仿真運(yùn)行情況

如圖11所示為一個(gè)NEDC循環(huán)工況下的仿真運(yùn)行結(jié)果，根據(jù)圖形的數(shù)據(jù)文件顯示在一個(gè)循環(huán)工況下車輛能夠行駛的路程為7.388 km，由圖中結(jié)果可以看出車輛在一個(gè)循環(huán)工況內(nèi)的速度、加速度的變化情況，速度隨路況的變化不停地加速減速又加速循環(huán)，最終在速度為40 km/h趨于穩(wěn)定，而加速度在±1.18 m/s2內(nèi)波動(dòng)，最后趨近于零。

圖11 一個(gè)循環(huán)工況下的仿真結(jié)果

4.7 小結(jié)

根據(jù)上述仿真結(jié)果的分析可知本文所設(shè)計(jì)的重載純電動(dòng)牽引車的傳動(dòng)系統(tǒng)方案及參數(shù)與設(shè)計(jì)所期望的動(dòng)力性能基本一致，結(jié)果對(duì)比如表4。

表4結(jié)果分析對(duì)比

5 總結(jié)

運(yùn)用建立數(shù)學(xué)模型的方法對(duì)重載純電動(dòng)牽引車的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)匹配計(jì)算和各傳動(dòng)模塊的選型，通過Cruise軟件對(duì)電動(dòng)車傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模、參數(shù)設(shè)置、仿真任務(wù)建立和仿真計(jì)算，仿真結(jié)果驗(yàn)證了文章設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案滿足車輛的運(yùn)行要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)所期望的動(dòng)力性能指標(biāo)。

文章針對(duì)港口重載純電動(dòng)牽引車的傳動(dòng)方案和各傳動(dòng)部件參數(shù)匹配進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，得出了可行的傳動(dòng)方案，為重載電動(dòng)牽引車的后續(xù)研究提供了參考依據(jù)和研究方向。