某款軍轉(zhuǎn)民用越野汽車動力傳動系統(tǒng)匹配優(yōu)化

段軍濤 方鵬 王成云 惠東方 戴旭

段軍濤

畢業(yè)于鄭州大學(xué)，碩士研究生學(xué)歷，現(xiàn)就職于東風(fēng)越野車有限公司，任整車開發(fā)責任工程師，主要研究方向：整車產(chǎn)品定義及性能集成。

摘要：文章以某型軍用越野車為基礎(chǔ)，利用CRUISE仿真軟件搭建C-WTVC工況模擬計算整車模型，進行動力傳動系統(tǒng)優(yōu)化匹配分析，以期滿足目標民用車型性能指標要求，并選出最優(yōu)動力匹配方案。后將仿真數(shù)據(jù)與樣車試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果基本一致，為以后軍轉(zhuǎn)民用車型動力系統(tǒng)匹配優(yōu)化提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：軍轉(zhuǎn)民用;動力傳動系統(tǒng);匹配優(yōu)化

中圖分類號：U463.2 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（ 2021） 06-0017-07

Matching Optimization Of A Certain Military-to-civilian Off-road

Vehicle Power Transmission System

DUAN Jun-Tao， FANG Peng， WANG Cheng-Yun， HUI Dong-Fang， DAI Xu

（ Dongfeng Off-Road Vehicle Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： Based on a certain type of military off-road vehicle， the article uses CRUISEsimulation software to build a C-WTVC working condition simulation calculation vehiclemodel， and conducts optimization matching analysis of the power transmission system， inorder to meet the performance index requirements of the target civilian vehicle， and select theoptimal power matching Program. After comparing the simulation data with the prototype testdata， the results are basically the same， which provides a theoretical basis for the optimizationof the power system of military-to-civilian vehicles.

Key words： Military To Civilian; Motion Transfer System; Match Optimization

軍用越野車具備較強的動力性，可在沙漠、高原、雪地等惡劣環(huán)境下工作，但因其高的燃油消耗及排放，無法滿足民用法規(guī)要求，很難應(yīng)用到民用市場。文章以某型軍用越野車為基礎(chǔ)，通過對GB/T 27840-2011《重型商用車燃料消耗量測量方法》中的模擬計算法進行解讀，利用CRUISE仿真軟件搭建C-WTVC工況模擬計算整車模型，然后對發(fā)動機、變速器、主減速器等重要總成進行多種匹配方案的計算分析，選擇最優(yōu)動力性、經(jīng)濟性方案，應(yīng)用到民用車輛開發(fā)，提高了仿真效率，縮短了整車開發(fā)周期。

1 技術(shù)方案

為實現(xiàn)某型軍用越野車快速轉(zhuǎn)民用的目的，需首要解決軍用越野車高燃油消耗和排放問題。雖然整車輕量化是降低油耗及排放的重要舉措，但采用新型輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化將涉及到模具修改，需較長的設(shè)計周期，付出的代價要高于減小車輛整備質(zhì)量對油耗的影響[2]。汽車行駛過程中，動力的產(chǎn)生及傳遞過程可視為動力傳動系統(tǒng)與外部負荷、道路條件所反映的行駛要求之間的相互關(guān)系。因此，在外部負荷及道路條件相同的情況下，對動力傳動系統(tǒng)進行匹配優(yōu)化是解決油耗及排放問題的有效方式。

整車動力傳動系統(tǒng)匹配通常先確定發(fā)動機，然后合理匹配傳動系參數(shù)，達到性能優(yōu)化的目的。針對車輛高油耗及排放問題，相比原動力傳動系統(tǒng)匹配方案，發(fā)動機選型重點為動力性能不降低的前提下，具備更好的燃油經(jīng)濟性和低排放性能。傳動系參數(shù)主要包括變速器速比、主減速器速比，從經(jīng)濟性考慮，在保證車輛爬坡性能及加速性能的前提下，希望變速器低擋速比及主減速比盡可能小，這樣可以保證車輛在相同行駛速度下，發(fā)動機的后備功率較小，負荷率高，使發(fā)動機更多時間工作在經(jīng)濟區(qū)域內(nèi)。

2 車輛性能指標及主要參數(shù)

車輛性能指標根據(jù)市場需求及某型軍用越野車性能指標進行綜合評估后確定，見下表1。發(fā)動機、變速器、主減速器進行重新選型，其余參數(shù)與基礎(chǔ)車型一致。

其中，發(fā)動機選用兩款4.OL直列四缸增壓柴油發(fā)動機，滿足GB 17691的6b階段排放法規(guī)要求，具體參數(shù)如下下表2：

變速器選用兩款機械式手動五擋變速器，具體參數(shù)如表3。

3 整車CRUISE仿真模型建立

根據(jù)整車布置方案搭建CRUISE仿真模型，主要包括Vehicles、Engine、Mechanical Consumer、Clutches、 GearsBox、Single Ratio Transmission、Differential、 Brake、 Wheel、Monitor、Cockpit、Function、 Constants等模塊。其中，用機械耗能部件（ Mechanical Consumer）來模擬冷卻風(fēng)扇，用函數(shù)部件（ Function）來編寫換擋策略程序，用常量部件（ Constants）來輸入換擋策略所用常量，各模塊用機械連接和總數(shù)據(jù)連接，模型如下圖1：

3.1 C-WTVC特征里程分配

CB/T 27840-2011中將重型商用車分成了5種類型，分別為：半掛牽引車、自卸汽車、貨車（不含自卸汽車）、城市客車和客車（不含城市客車），各車型對應(yīng)的C -WTVC工況市區(qū)、公路和高速部分的特征里程分配系數(shù)不同，見下表6。

CB/T 27840-2011規(guī)定重型商用車燃料消耗量試驗采用C-WTVC工況進行，C-WTVC工況共1800s，其中0-900s為市區(qū)循環(huán)部分，900-1368s為公路循環(huán)部分，1368-1800s為高速循環(huán)部分，循環(huán)曲線如下圖2：

綜合燃油消耗量的計算是根據(jù)各部分特征里程分配比例，由下公式加權(quán)計算得到：

FC綜合=FC市區(qū)×D市區(qū)+FC公路×D公路+FC高速×D高速

FC合：一個完整的C-WTVC循環(huán)的綜合燃料消耗量，L/lOOkm;

FC市區(qū)：市區(qū)部分平均燃料消耗量，L/lOOkm;

FC公路：公路部分平均燃料消耗量，L/lOOkm;

FC：高速部分平均公路燃料消耗量，I/lOOkm;

D市區(qū)：市區(qū)里程分配比例系數(shù)，o;

D公路：公路里程分配比例系數(shù)，o;

D高速：高速公路里程分配比例系數(shù)，%。

特征里程分配比例在CRUISE軟件Cycle Run任務(wù)中的Weighting Factor進行設(shè)定。本文所述車型為貨車，滿載重量6000kg，對應(yīng)的特征里程重量區(qū)間為5500

3.2 C-WTVC工況換擋策略實現(xiàn)

CB/T 27840-2011詳細列出了C-WTVC工況換擋策略，如下：

（1）采用2擋起步;

（2）計算換擋瞬間的實時扭矩，按公式（2）計算扭矩富裕率，若升擋后扭矩富裕率大于表7規(guī)定的估測值，進行升擋，減速時不換擋。

（2）

式中：TM=

（2）

TM：扭矩富裕率;

Temax：相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的最大扭矩，單位為牛頓米（ NM）;

Te：實時扭矩，單位為牛頓米（ NM）。

考慮車輛實際換擋要求，對國標定義的換擋策略進行補充：

（3）車輛在加速行駛時，每個擋位都有對應(yīng)的最小車速，只有當前車速大于升擋后擋位最小車速時，才能進行升擋。

根據(jù)以上3條換擋策略，利用CRUSIE中Function模塊編寫程序?qū)崿F(xiàn)換擋，換擋程序與變速器速比有關(guān)，變速器A、B方案換擋程序不同，如下。

變速器A換擋程序a：

/*Target Gear*/

double tag gear;

double mass;

double gear_num;

double eng_tq;

double eng_tq_max;

double crt_gear;

double vel：

double speed;

double Tm_limit;

double Tm;

double speed_next_gear;

double eng_tq_max2;

mass=a[0];

gear_num=a[l];

eng_tq=a[2];

eng_tq_max=a[3];

crt_gear=a[5];

vel=a[4];

speed=a[6];

/*Set Tm_limit&Target Gear According to CurrentGear****/

if（mass>=14000 && crt_gear==2） Tm_limit=1.7;

if（mass>=14000 && crt_gear==3） Tm_limit=1.4;

if（mass>=14000 && crt_gear >=4） Tm_limit=l.0;

if（mass<14000 && crt_gear==2） Tm_limit=2.1;

if（mass<14000 && crLgear==3） Tm_limit=1.4;

if（mass<14000 && crt_gear >=4） Tm_limit=l.1;

/****Calculate Tm ****/

if（crt_gear==2）

speed_next_gear=speed/2.033* 1.3 19;

if（crt_gear==3） speed_next_gear=speed/1.3 19* 1;

if（crt_gear==4）

speed_next_gear=speed/ 1*0.69 1 ：

if（speed_next_gear>=ll00 && speed_next_gear<=2400） eng_tq_max2=570;

if（speed_next_gear>=1000 && speed_next_gear<1100） eng_tq_max2=520;

if（speed_nexLgear>=900 && speed_next_gear<1000） eng_tq_max2=440;

if（speed_next_gear< 900） eng_tq_max2=400;

if（crt_gear==2） Tm=eng_tq_max2/ eng_tq/2.033*1.319;

if（crt_gear==3） Tm=eng_tq_max2/eng_tq/ I .3 19* 1;

if（crt_gear= =4） Tm=eng_tq_max2/eng_tq/ 1*0.69 1;

if（crt_gear==5） Tm=eng_tq_max/eng_tq;

/**Set Target Gear According to Tm*****/

if（crt_gear==2 && Tm>=Tm_limit && vel>=18）tag_gear=3;

if（crt_gear==3 && Tm>=Tm_limit && vel>=25）tag_gear=4;

if（crt_gear==4 && Tm>=Tm_limit && vel>=40）tag_gear=5;

if（tag_gear>=gear_num） tag_gear=gear_num;

if（Tm<=Tm_limit ） tag_gear=crt_gear ;

if（ vel>7 && vel12） tag_gear=2;

if（ vel<=7） tag_gear=l;

y[O]=tag_gear;

y[2]=speed_next_gear;

y[3]=eng_tq_max2;

變速器B換擋策略b ：

/*Target Gear*/

double tag_gear;

double mass;

double gear_num;

double eng_tq;

double eng_tq_max;

double crt_gear;

double vel;

double speed;

double Tm_limit;

double Tm;

double speed_next_gear;

double eng_tq_max2;

mass=a[0];

gear_num=a[l];

eng_tq=a[2];

eng_tq_max=a[3];

crt_gear=a[5];

vel=a[4];

speed=a[6];

/*Set Tm_limit&Target Gear According to CurrentGear****l

if（mass>=14000 && crt_gear==2） Tm_limit=l.7;

if（mass>=14000 && crt_gear==3） Tm_limit=1.4;

if（mass>=14000 && crt_gear >=4） Tm_limit=l.0;

if（mass<14000 && crt_gear==2） Tm_limit=2. 1;

if（mass<14000 && crt_gear==3） Tm_limit=1.4;

if（mass<14000 && crt_gear >=4） Tm_limit=l.1;

/****Calculate Tm****/

if（crt_gear==2） speed_next_gear=speed/2.055*1.519;

if（crt_gear==3） speed_next_gear=speed/1.5 19* 1;

if（crt_gear==4） speed_next_gear=speed/1*0.691;

if（speed_next_gear>=ll00 && speed_next_gear<=2400） eng_tq_max2=570;

if（speed_next_gear>=1000 && speed_next_gear<1100） eng_tq_max2=520;

if（speed_next_gear>=900 && speed_next_gear<1000） eng_tq_max2=440;

if（speed_next_gear< 900） eng_tq_max2=400;

if（crt_gear==2） Tm=eng_tq_max2/eng_tq/2.055*1.519;

if（crt_gear==3） Tm=eng_tq_max2/eng_tq/ I .5 1 9* I ;

if（crt_gear==4） Tm=eng_tq_max2/eng_tq/ 1*0.691 ;

if（crt_gear==5） Tm=eng_tq_max/eng_tq;

/**Set Target Gear According to Tm*****/

if（crt_gear==2 && Tm>=Tm_limit && vel>=17）tag_gear=3;

if（crt_gear==3 && Tm>=Tm_limit && vel>=25）tag_gear=4;

if（crt_gear==4 && Tm>=Tm_limit && vel>=36）tag_gear=5 ;

if（tag_gear>=gear_num） tag_gear=gear_num;

if（Tm<=Tm_limit ） tag_gear=crt_gear ;

if（ vel&gt;5 && vel_12） tag_gear=2;

if（ vel<=5） tag_gear=l;

y[O]=tag_gear;

y[2]=speed_next_gear;

y[3]=eng_tq_max2;

4 整車動力匹配分析

4.1整車動力傳動匹配方案

整車動力傳動匹配方案見下表9：

4.2整車動力性經(jīng)濟性仿真分析

利用CRUISE對八種方案進行仿真計算，計算結(jié)果見下表10。

根據(jù)8種動力傳動系統(tǒng)匹配方案的仿真分析結(jié)果，方案5-8的動力性滿足指標要求，但燃油經(jīng)濟性普遍較差，方案1-4動力性、燃油經(jīng)濟性均滿足要求，故選用發(fā)動機A方案;方案1相比方案2、方案3相比方案4動力性和經(jīng)濟性略好，故選用主減速器A方案;方案1與方案3相比，其最高車速與方案3相同，高擋爬坡能力小于方案3，但加速性能及燃油經(jīng)濟性略好于方案3，低擋位爬坡性能也滿足要求，總體考慮，方案1為最優(yōu)配置。

4.3整車最優(yōu)動力傳動配置計算

根據(jù)整車動力傳動系統(tǒng)匹配分析結(jié)果，選擇方案1進行仿真分析，在仿真任務(wù)中，選擇C-WTVC循環(huán)行駛工況、等速行駛工況、加速行駛工況、爬坡工況。

該車的各擋最大爬坡性能、加速性能、自定義發(fā)動機工況工作點分布、自定義工況油耗分布、加速時間曲線分別見圖3、圖4、圖5、圖6、圖7。

4.4仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比

整車動力性、燃油經(jīng)濟性的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析，見下表：

從整車動力性、經(jīng)濟性仿真分析結(jié)果與試驗接過來對比表可以看出，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果相近，均滿足設(shè)計要求，因分動器高、低擋爬坡性能測試環(huán)境為30%、60%坡度實測，故從數(shù)值上差異較大，實際爬坡能力與仿真值差異不大。

5 結(jié)論

文章以某型軍用越野車為基礎(chǔ)，利用CRUISE軟件搭建了符合燃油消耗國標要求的仿真模型，通過對主要動力總成進行優(yōu)化匹配，在滿足整車動力性的前提下，選出最優(yōu)的動力性、經(jīng)濟性方案。最后將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比分析，結(jié)果基本吻合，為以后軍轉(zhuǎn)民用的相關(guān)車型動力匹配提供了理論依據(jù)。

參考文獻：

[1]余志生.汽車理論.第5版[M].機械工業(yè)出版社，2009.

[2]王鐵，武玉維，李萍鋒，等.重型載貨汽車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化匹配[J].汽車技術(shù)，2010（ 09）：33-37.

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[4]胡耀華，基于Cruise軟件的重型商用車循環(huán)工況法燃油消耗仿真[C]//中國內(nèi)燃機學(xué)會.中國內(nèi)燃機學(xué)會，2014.

[5]孫國慶，孟建軍，葉建偉，等.基于Cruise的越野車動力匹配技術(shù)研究[J]汽車科技，2018，267（05）：43-47.

專家推薦語

李少華

東風(fēng)商用車技術(shù)中心動力總成部

傳動系統(tǒng)總工程師 研究員高級工程師

文章利用CRUISE對八種方案，不同發(fā)動機+不同變速器速比+不同驅(qū)動橋速比，進行仿真計算。并同時考慮C-WTVC循環(huán)行駛工況、等速行駛工況、加速行駛工況、爬坡工況。在滿足整車動力性的前提下，可選出最優(yōu)的動力性、經(jīng)濟性方案。文章對整車動力鏈匹配分析有一定參考作用。