6×4工程自卸車動力傳動系統(tǒng)匹配分析

王凱峰

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

6×4工程自卸車動力傳動系統(tǒng)匹配分析

王凱峰

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

根據(jù)6×4工程自卸車的使用環(huán)境，通過動力傳動系統(tǒng)的匹配，優(yōu)化整車動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。并對比仿真分析、轉(zhuǎn)轂試驗和道路試驗的結(jié)果，驗證匹配的合理性。并針對不同發(fā)動機(jī)風(fēng)扇類型，進(jìn)行了對比試驗，初步確認(rèn)對經(jīng)濟(jì)性的影響。

工程自卸車；動力性；燃油經(jīng)濟(jì)性；匹配分析；發(fā)動機(jī)風(fēng)扇

CLC NO.: U463.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-122-05

引言

隨著國家排放法規(guī)的日益嚴(yán)格以及燃油資源的緊缺，對汽車的排放和經(jīng)濟(jì)性的要求也日益嚴(yán)格。通常汽車的動力和經(jīng)濟(jì)性試驗是在汽車研制過程中由實車進(jìn)行道路試驗和轉(zhuǎn)轂臺架試驗后得出的。汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性在很大程度上取決于發(fā)動機(jī)和整車傳動系統(tǒng)的匹配是否合理，發(fā)動機(jī)與傳動系統(tǒng)的匹配方案有很多種，為了減少開發(fā)費(fèi)用和縮短設(shè)計周期，在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計階段要做好整車動力傳動系統(tǒng)的匹配分析工作。

目前國內(nèi)各汽車廠主要采用AVL公司開發(fā)的Cruise軟件，該軟件主要針對汽車動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及制動性能等進(jìn)行仿真分析。Cruise軟件可用于汽車開發(fā)過程中的動力傳動系統(tǒng)匹配、汽車性能預(yù)測和整車仿真計算，可以進(jìn)行發(fā)動機(jī)、變速器、輪胎的選型及其與車輛的匹配優(yōu)化。經(jīng)過大量的仿真與實際試驗結(jié)果對比，其仿真準(zhǔn)確性較高。

本文以某6×4工程自卸車為例，根據(jù)發(fā)動機(jī)的外特性和萬有特性，以及工程自卸車的特殊工況進(jìn)行動力傳動系統(tǒng)匹配分析，運(yùn)用AVL_Cruise整車性能分析軟件進(jìn)行仿真計算、轉(zhuǎn)轂試驗臺試驗及道路試驗，進(jìn)行動力總成選用、傳動系匹配分析和驗證，并最終確定一種最佳的匹配方案。并針對不同發(fā)動機(jī)風(fēng)扇類型，進(jìn)行了轉(zhuǎn)轂對比試驗，初步確認(rèn)對經(jīng)濟(jì)性的影響。

具體從以下幾個步驟確定匹配方案：

（1）根據(jù)工程自卸車使用特性，選取合適的發(fā)動機(jī)；

（2）根據(jù)工程自卸車循環(huán)工況對動力性、經(jīng)濟(jì)性的需求，初步匹配傳動系參數(shù)；

（3）通過AVL_Cruise整車性能分析軟件進(jìn)行仿真計算選定最佳傳動系匹配方案；

（4）應(yīng)用轉(zhuǎn)轂試驗臺、道路試驗進(jìn)行試驗驗證；

（5）針對機(jī)械風(fēng)扇、硅油風(fēng)扇和電磁恒溫扇進(jìn)行轉(zhuǎn)轂對比油耗試驗，初步確認(rèn)對經(jīng)濟(jì)性的影響。

1、動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)

1.1 動力性指標(biāo)

從獲得盡可能高的平均行駛速度的角度出發(fā)，汽車的動力性主要評價指標(biāo)有最高車速、加速時間和最大爬坡度。

（1）汽車最高車速

最高車速是指汽車滿載時，在良好水平的路面上所能達(dá)到的最高行駛車速。在汽車工程手冊中的描述是：在無風(fēng)條件下，汽車在平坦道路上行駛，行駛阻力功率與驅(qū)動力功率相平衡時達(dá)到的穩(wěn)定車速。汽車工程手冊的描述不僅給出了一種計算汽車最高車速的方法，該方法也是我國目前計算最高車速的常用方法。另外，最高車速是汽車動力性能的指標(biāo)之一，因此只有與其他指標(biāo)相結(jié)合才能更好地表現(xiàn)汽車的動力性能。它是汽車所能達(dá)到的極限條件，并不能全面地反映汽車的動力性狀況。本文中針對6×4工程自卸車最高車速的評價內(nèi)容：最高擋和次高擋的最高車速。

（2）汽車的加速時間

汽車的加速性能是一項重要的汽車動力性的評價指標(biāo)。加速性能對汽車的平均行駛速度影響很大，它的評價指標(biāo)很多，在我國常用原地起步加速時間與超車加速時間來評價。原地起步加速時間是指汽車由一擋或二擋起步，并以最大的加速度(包括選擇恰當(dāng)?shù)膿Q擋時機(jī))逐步換到最高擋或次高擋后到某一預(yù)定距離或車速所要的時間。超車加速時間是超車時汽車加速時間，象征著汽車的加速性能，即迅速增加行駛速度的能力。試驗相關(guān)內(nèi)容可參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T12543-2009《汽車加速性能試驗方法》。本文中針對6×4工程自卸車加速時間的評價內(nèi)容：0～70km/h的起步加速時間、最高擋30km/h～70 km/h的超車加速時間、次高擋30km/h～60 km/h的超車加速時間。

（3）汽車的最大爬坡度

汽車的爬坡能力是用汽車在良好路面上時且滿載(或某一載質(zhì)量)情況下，克服空氣阻力和滾動阻力后的余力，全部用來克服坡道阻力時能爬上的最大坡度來表示的。因此一擋最大爬坡度就是最大爬坡度。由于貨車會在多種地區(qū)的多種路面上運(yùn)行，所以要求貨車必須有較大的爬坡能力，且最大爬坡度一般要求在30%左右。考慮到安全因素，實車（總質(zhì)量40T）在道路上爬坡度只做12%的試驗，爬坡?lián)跷粸棰駬酰碚摰呐榔露纫话阃ㄟ^仿真計算得出。

由汽車的驅(qū)動力-行駛阻力平衡方程，采用Gsinα作為坡度阻力：

可以得到最大爬坡度的計算公式：

眾所周知，對于不同的發(fā)動機(jī)匹配不同傳動系時，汽車的動力性會存在較大差異?，F(xiàn)有汽車動力性評價指標(biāo)僅從一個方面反映了汽車的動力性，是汽車所具有的極限能力，不能真實全面地反映整車的動力性能，因此具有局限性。當(dāng)某種匹配方案的各項指標(biāo)均優(yōu)于另一種匹配方案時，方案的優(yōu)劣性很顯然，而實際情況通常是不同的指標(biāo)之間優(yōu)劣交錯，很難直觀地表明哪一種匹配方案更合理。因此需要用綜合評價指標(biāo)來反映汽車的動力性。

1.2 燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

汽車燃油經(jīng)濟(jì)性是指汽車在一定運(yùn)行工況下汽車行駛百公里的燃油消耗量。通常將等速百公里燃油消耗量和多工況燃油經(jīng)濟(jì)性結(jié)合起來考察汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

（1）等速百公里燃油消耗量

等速百公里燃油消耗量是常用的最簡單的一種評價指標(biāo)，指汽車在一定載荷下（貨車為滿載），以最高擋在縱坡不大于0～3% 的混凝土、瀝青道路等水平良好路面上等速行駛100 km的燃油消耗量。通常用等速百公里燃油消耗量曲線來評價汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。但僅用這種方法沒有反映出汽車在實際行駛過程中受工況經(jīng)常變化的影響。比如，在交通環(huán)境非常復(fù)雜的情況下，工程自卸車需要不斷地進(jìn)行換擋，進(jìn)行加速、減速等操作，因此，采用單一工況就不能正確反映汽車的實際運(yùn)行狀況，得到的分析結(jié)果就不準(zhǔn)確、不完整，具有片面性。本文試驗內(nèi)容：次高擋等速油耗（30km/h～60km/h）和最高擋等速油耗（40km/h～80km/h）。

（2）多工況燃油消耗量

通常采用多工況獲得的燃油消耗量來評價汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，來克服單工況的片面性。多工況循環(huán)模式，是在進(jìn)行大量汽車實際行駛工況調(diào)研和統(tǒng)計的基礎(chǔ)上獲得的，因而獲得的汽車燃油經(jīng)濟(jì)性更接近實際行駛狀況。各國在對實際行駛車輛進(jìn)行跟蹤測試統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，制定了一些具有代表性的典型循環(huán)行駛試驗工況來模擬實際汽車運(yùn)行狀況，并以其百公里燃油消耗量來評價多工況的燃油經(jīng)濟(jì)性。

我國針對商用車制定了六工況循環(huán)試驗（GBT12545.2-2001），如圖1所示。

工程自卸車在使用過程中，載荷和道路條件對汽車燃油消耗的影響很大，因此多工況循環(huán)油耗反映了限定條件下的經(jīng)濟(jì)性能，能綜合反映燃油經(jīng)濟(jì)性能。因此，通常采用多工況循環(huán)燃油消耗量和等速百公里燃油消耗量相結(jié)合來評價工程自卸車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

2、動力傳動系統(tǒng)理論匹配計算

此6×4工程自卸車的整車尺寸和質(zhì)量參數(shù)如表1所示：

2.1發(fā)動機(jī)選型

工程自卸車工作環(huán)境一般為礦區(qū)、建筑工地、水里工程建設(shè)等惡劣工況，根據(jù)表1中貨箱的尺寸，按裝載石子計算（1.65T/m3），整車總質(zhì)量約為40T左右。

發(fā)動機(jī)的最大功率是否合適，這既是相對客觀需求而言的，也是相對整車最大總質(zhì)量而言的。

式（2-1）中：

Pmax—發(fā)動機(jī)最大凈功率（單位：kW）；

Gmax—最大總質(zhì)量（單位：T）；

λ—比功率。

根據(jù)GB 7258-2012要求，載重貨車的比功率不允許小于5.0。通過公式（2-1）計算得出發(fā)動機(jī)最大凈功率Pmax≥200kW，因此發(fā)動機(jī)額定功率= Pmax/0.9≥222kW。

對比現(xiàn)有的國內(nèi)工程自卸車，擬選取某款最大功率為228kW的國三EGR發(fā)動機(jī)，外特性參數(shù)如表2所示，圖1為外特性曲線圖。

表2 外特性參數(shù)

2.2 經(jīng)濟(jì)車速的確定

為了了解產(chǎn)品的實際工作環(huán)境及工況特點(diǎn)，通過采集國內(nèi)多個礦區(qū)和建筑工地的運(yùn)行情況，確定了6×4工程自卸車的循環(huán)工況，見圖2。

在車輛最高允許車速一定的情況下，常用車速Ve可以按照以下公式計算：

式（2-2）中：

Ve—常用車速（單位：km/h）；

kg—常用車速系數(shù)（一般取0.6～0.8）；

vmap—最高允許車速。

根據(jù)工程自卸車對車速要求vmap=60km/h，則有Ve=36～48km/h，經(jīng)濟(jì)車速設(shè)計在此范圍內(nèi)最佳，結(jié)合采集的行駛工況曲線，本車型設(shè)計經(jīng)濟(jì)車速為40km/h。

2.3傳動系統(tǒng)匹配

2.3.1 主要部件的選擇

工程自卸車由于工況比較惡劣，對動力性的要求較高，尤其是爬坡性能，因此要求在滿足使用的情況下，變速器的Ⅰ擋速比較大，根據(jù)目前該細(xì)分市場的情況，選取9和10擋手動變速器。

驅(qū)動橋：根據(jù)工程自卸車實際運(yùn)行特點(diǎn)，選取雙級減速中后橋（16T鑄鋼橋），以應(yīng)對惡劣工況和超載。

輪胎：由于港口運(yùn)輸牽引車不超載，可選用12.00R20子午線輪胎（18層級，綜合花紋），在保證承載的基礎(chǔ)上，具有良好附著力。

2.3.2 傳動系速比確定

在發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)工作轉(zhuǎn)速一定時，車輛經(jīng)濟(jì)車速是由傳動系總速比決定的

式（2-3）中，V經(jīng)濟(jì)為經(jīng)濟(jì)車速（單位km/h），n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（單位r/min，n=1400），r為輪胎半徑（單位m，以下計算中按照12.00R20輪胎進(jìn)行，r=0.516m），i經(jīng)濟(jì)為經(jīng)濟(jì)車速時傳動系總速比。

在發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)工作轉(zhuǎn)速一定時，傳動系總速比決定牽引車經(jīng)濟(jì)車速。通過以上所選擇發(fā)動機(jī)參數(shù)表明，其經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速在1300～1500r/min范圍內(nèi)，見圖3。對于工程自卸車，變速器次高擋使用次數(shù)較多，因此經(jīng)濟(jì)車速對應(yīng)的傳動系總速比為變速器次高擋速比igN×驅(qū)動橋速比i0，通過公式（2-3）計算可以確定次高擋總速比為6.81（即igN·i0=6.81）。

對于工程自卸車，對爬坡能力有著較高的要求，根據(jù)調(diào)查，工程自卸車在滿載時發(fā)動機(jī)以2000r/min運(yùn)轉(zhuǎn)，在最低擋狀態(tài)下需滿足車速在5±1 km/h。最低車速可按照以下公式計算：

式中，Vmin為爬坡時最低車速（單位km/h），n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（單位r/min），r為輪胎半徑（單位m，以下計算中按照12.00R20輪胎進(jìn)行，r=0.516m），igI為變速器I擋速比，i0為驅(qū)動橋速比。

根據(jù)公式（2-3）、（2-4）得：igI/igN=10.61～12.25。目前國內(nèi)主流重型卡車用變速器igN/igI的值范圍見表3。

表3 目前國內(nèi)主流重型卡車用變速器igN/igI

根據(jù)目前重型車用主流變速器及速比范圍，可以選配8～12擋手動變速器，而根據(jù)用戶選擋操作過程，10和12擋變速器采用單H操縱（采用高低擋）相對8、9擋變速器的雙H操縱要簡單，擋位更為清晰，不易造成混亂以及操作疲勞，10擋和12擋操縱示意圖見圖4。綜合考慮，本車型選用10擋變速器。

2.3.3 傳動系統(tǒng)匹配方案確定

通過前面的分析，結(jié)合目前工程自卸車傳動系匹配情況，初步按照直接擋變速器配三種不同速比5.73、5.26、4.8三個方案進(jìn)行匹配分析，見表4。

表4 傳動系匹配方案

3、仿真分析

根據(jù)整車參數(shù)，運(yùn)用AVL-Cruise模塊化建模理念建立整車仿真分析模型，圖5為某6×4工程自卸車的仿真模型。

通過對三種方案進(jìn)行并行運(yùn)算，計算結(jié)果比較如表5-表6：

表6 燃油經(jīng)濟(jì)性仿真計算值

4、轉(zhuǎn)轂和道路試驗驗證

4.1 整車動力性和經(jīng)濟(jì)性試驗

通過以上匹配對比分析選定方案二（10擋最高擋為直接擋變速器配5.26速比中后橋），搭載樣車（總質(zhì)量40T）分別進(jìn)行轉(zhuǎn)轂和道路試驗驗證，并將動力經(jīng)濟(jì)性試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果對比見表7-表8。

表7 動力性試驗結(jié)果與理論結(jié)果對比

表8 經(jīng)濟(jì)性試驗結(jié)果與理論結(jié)果對比

4.2 不同發(fā)動機(jī)風(fēng)扇類型的經(jīng)濟(jì)性對比試驗

表9 不同風(fēng)扇類型的經(jīng)濟(jì)性結(jié)果對比

在保持發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)不變的前提下，采用不同的風(fēng)扇類型，在轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性對比驗證試驗。此次試驗是另外1臺樣車，發(fā)動機(jī)和變速器沒變，中后橋是5.92速比。通過對比，電磁恒溫扇相比機(jī)械風(fēng)扇平均節(jié)油10%左右，硅油風(fēng)扇相比機(jī)械風(fēng)扇節(jié)油5%左右，具體結(jié)果見表9。

5、結(jié)論

本論文根據(jù)6×4工程自卸車的使用環(huán)境，通過動力傳動系統(tǒng)的匹配，優(yōu)化了整車動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。并在AVL-Cruise軟件中建立了仿真分析模型，并對比仿真分析、轉(zhuǎn)轂試驗和道路試驗的結(jié)果，驗證匹配的合理性。此外，首次在格爾發(fā)重卡上針對不同發(fā)動機(jī)類型，在轉(zhuǎn)轂試驗臺進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性對比試驗，初步確認(rèn)對經(jīng)濟(jì)性影響。

通過本次設(shè)計，形成了如下結(jié)論：

（1）由于工況惡劣，動力性要求較高，常用車速較低等特點(diǎn)，采用單H操縱的10擋直接擋變速器配較大速比的雙級減速橋更適合6×4工程自卸車的實際使用要求。

（2）通過AVL_Cruise仿真軟件、轉(zhuǎn)轂試驗臺驗證，都能比較真實地模擬道路試驗，雖然有一定的誤差，但這種分析和驗證方法可以運(yùn)用到其他重卡產(chǎn)品開發(fā)中，具有一定的指導(dǎo)意義，同時可以減少試驗驗證的成本。

（3）在發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)不變的前提下，電磁恒溫扇相比機(jī)械風(fēng)扇能節(jié)油5%～10%左右，硅油風(fēng)扇相比機(jī)械風(fēng)扇能節(jié)油2%～5%左右，雖然成本有所增加，但是在重型卡車上匹配電磁恒溫扇和電控硅油風(fēng)扇是必然趨勢。

[1] 余志生 《汽車?yán)碚摗?機(jī)械工業(yè)出版社 p1-88。

[2] 韓同群 《汽車發(fā)動機(jī)原理》 北京大學(xué)出版社 p293-311。

[3] 王望予 《汽車設(shè)計》 機(jī)械工業(yè)出版社 p21-36.

[4] 朱玉霞 《基于Cruise軟件的中型卡車傳動系統(tǒng)匹配優(yōu)化分析》工藝與技術(shù).

[5] 岳驚濤 《汽車動力系統(tǒng)的合理匹配評價》汽車工程.

[6] 鄒琳 《某4×2港口運(yùn)輸牽引車搭載LNG發(fā)動機(jī)傳動系匹配分析》 專用汽車.

Transmission System Matching of 6×4 engineering vehicles

Wang Kaifeng
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

On the basis of service environment of 6×4 engineering vehicles，according to transmission matched，optimization dynamic characteristic and fuel economy. To checking rationality of matching by compared with result of simulation analysis、roll test and road test. Direct at form of different engines fans and made simulation test，that initial confirm influence of economy.

engineering vehicles；dynamic characteristic；fuel economy；matching analysis；engines fans

U463.2

A

1671-7988(2015)01-122-05

王凱峰，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。