基于CRUISE的某4×2載貨車傳動(dòng)系匹配分析

石 龍

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230000）

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基于CRUISE的某4×2載貨車傳動(dòng)系匹配分析

石 龍

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230000）

汽車的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性是汽車的一項(xiàng)重要指標(biāo)。良好的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性不僅與發(fā)動(dòng)機(jī)的固有特性強(qiáng)相關(guān)，還與汽車的傳動(dòng)系匹配有著很大的關(guān)系。文章以某4×2載貨車為研究對象，針對客戶需求選取發(fā)動(dòng)機(jī)特性，并結(jié)合現(xiàn)有資源對變速器及后橋速比進(jìn)行優(yōu)選，以達(dá)到滿足使用要求的同時(shí)節(jié)能降耗，并通過道路試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果。

發(fā)動(dòng)機(jī)特性；傳動(dòng)系速比；燃油經(jīng)濟(jì)性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.019

Abscract: The power performance and fuel economy is an important index of automobile .Good power performance and fuel economy is not only related to the inherent characteristics of the engine, but also has a great relationship with the automobile's transmission system matching. In this paper, takes a 4×2 truck as the research object。According to the customer demand selection engine characteristics, combined with the existing resources of the transmission and rear axle ratio were optimized to meet the requirements of the use of energy saving at the same time, and the calculation results are verified by road test. Keywords: Engine characteristics; Gear ratio of driveline; Fuel economy.

CLC NO.: U463.61 Document Code:A Article ID: 1671-7988 (2016)06-54-03

引言

近年來，隨著交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，汽車在現(xiàn)代社會(huì)中扮演著重要的角色。并且隨著查超等政策的越來越嚴(yán)，以前的超載朝著高速、高效、低耗的方向發(fā)展。動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性是汽車的一項(xiàng)基本與重要的性能指標(biāo)，節(jié)能降耗成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。保證動(dòng)力性的同時(shí)要提高燃油經(jīng)濟(jì)性成為汽車設(shè)計(jì)的必然考慮因素。

通過對汽車傳動(dòng)系進(jìn)行合理的匹配，可以有效的提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1、客戶的輸入

4×2載貨車產(chǎn)品的開發(fā)主要滿足城際中短途運(yùn)輸需求，主要用于物流運(yùn)輸、個(gè)體運(yùn)輸，運(yùn)輸半徑集中在 300～600公里，主要行駛在高速公路、一級公路及部分省道上。最高車速要求≥90Km/h，最大爬坡度要求≥20%，滿載經(jīng)濟(jì)車速75～85Km/h。

2、發(fā)動(dòng)機(jī)選擇

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)功率選擇

根據(jù)國家法規(guī) GB 1589-2004的要求兩軸貨車最大總質(zhì)量為16t，根據(jù)法規(guī)GB7258-2012的要求機(jī)動(dòng)車的比功率應(yīng)大于等于5.0Kw/t。

式中Pmax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大凈功率/kW，Gmax

為汽車最大總質(zhì)量/t，λ為比功率。

根據(jù)開發(fā)輸入，開發(fā)車型的總質(zhì)量為16t，通過公式（1）計(jì)算得發(fā)動(dòng)機(jī)的最大凈功率Pmax≥80kW，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率P=Pmax/0.9≥88.9kW。

圖1　A、B發(fā)動(dòng)機(jī)外特性對比

2.2發(fā)動(dòng)機(jī)特性的選擇

由于不同發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化特性不同，使得發(fā)動(dòng)機(jī)克服外界阻力的能力、最高車速以及經(jīng)濟(jì)性等都有所不同。

如圖1所示A、B發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線，A、B兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速不同，B發(fā)動(dòng)機(jī)能克服的外界阻力扭矩為T2，外界扭矩增加，若發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩T＜T2，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩不能克服外界阻力時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不斷降低直至熄火。而A發(fā)動(dòng)機(jī)雖然最大扭矩和B發(fā)動(dòng)機(jī)相同，但其出現(xiàn)在較低的轉(zhuǎn)速，所以A發(fā)動(dòng)機(jī)能克服的最大扭矩可以提高到T3（T3＞T2），所以A發(fā)動(dòng)機(jī)克服外界阻力的潛力比B發(fā)動(dòng)機(jī)大，并且有利于低檔起步。所以車用發(fā)動(dòng)機(jī)要求低轉(zhuǎn)速扭矩特性，即使發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩相同，發(fā)動(dòng)機(jī)在最大扭矩的轉(zhuǎn)速范圍越寬，發(fā)動(dòng)機(jī)克服外界阻力的能力越強(qiáng)。

根據(jù)高速物流運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，長途高速運(yùn)輸需要在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)持續(xù)保持較高的功率儲(chǔ)備和輸出；對于物流裝載運(yùn)輸需求，高速裝載行駛能力非常重要，但長途爬坡能力也不能忽視，這就需要在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)持續(xù)輸出較大的扭矩；對于商人來講，盈利是最終的目的，油耗率也是必須要考慮的因素，為此，發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速需要在客戶需求的經(jīng)濟(jì)車速區(qū)間內(nèi)。

根據(jù)總質(zhì)量和發(fā)動(dòng)機(jī)的功率換算關(guān)系公式（1），遵循“低速大扭矩輸出，高速高功率輸出”的原則選裝發(fā)動(dòng)機(jī)，選定如下一款發(fā)動(dòng)機(jī)：額定：118kW，最大扭矩 575N·m其中1200～1900r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)等扭矩，1800～2600r/min轉(zhuǎn)速范內(nèi)等功率，經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速區(qū)間1500～1800r/min，其外特性如下圖2：

圖2　某發(fā)動(dòng)機(jī)外特性數(shù)據(jù)

3、傳動(dòng)系匹配方案分析

以下匹配分析車輪按照9.00R20（半徑為0.494m）

3.1傳動(dòng)系總速比的選擇

按照客戶需求，要求滿載經(jīng)濟(jì)車速在75～85Km/h之間，最高車速要求≥90Km/h，根據(jù)車速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系式

Va為車速，Km/h；r為車輪半徑，m；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；i為傳動(dòng)系總的傳動(dòng)比。

發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，傳動(dòng)系總的傳動(dòng)比決定車輛的經(jīng)濟(jì)車速。已選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表明，其經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速在1500～1800r/min，最高轉(zhuǎn)速為2600r/min，根據(jù)關(guān)系式（2）確定經(jīng)濟(jì)車速時(shí)的傳動(dòng)系的總速比i為3.287～4.47（由于車輛主要行駛在高速公路、一級公路及部分省道上，常用擋位為最高擋，因此經(jīng)濟(jì)車速對應(yīng)的傳動(dòng)系總速比i為變速器最高擋速比igN×驅(qū)動(dòng)橋速比i0），最高車速的傳動(dòng)系總速比i≤5.38。

客戶要求最大爬坡度≥20%，滾動(dòng)阻力系數(shù) f根據(jù)汽車?yán)碚撊?.0076，αmax為坡度，傳動(dòng)系效率 ηT取0.9， i0為驅(qū)動(dòng)橋速比，ig1為變速器一擋速比，G為汽車總質(zhì)量下的重力，Ttqmax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩，r為車輪半徑。

根據(jù)公式（3），可知1擋傳動(dòng)系總速比i≥30.45。

根據(jù)現(xiàn)有成熟資源及市場主流配置，選用一款6擋超速擋變速箱，速比如下：

表1　某變速器擋位速比

根據(jù)以上分析和選取的變速器參數(shù)，滿足經(jīng)濟(jì)車速的驅(qū)動(dòng)橋速比 i0在4.04～5.5之間，滿足爬坡度的驅(qū)動(dòng)橋速比 i0應(yīng)≥4.67，故驅(qū)動(dòng)橋的速比應(yīng)該在4.67～5.5之間。

3.2傳動(dòng)系匹配方案確認(rèn)

表2　匹配方案

4、基于CRUISE軟件對匹配方案進(jìn)行仿真分析

圖3　計(jì)算模型

根據(jù)整車參數(shù)，運(yùn)用軟件的模塊化建模理念搭建整車仿真模型的示意圖，如下圖示3。

同時(shí)導(dǎo)入兩個(gè)匹配方案的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下：

表3　匹配結(jié)果

通過仿真計(jì)算分析，從動(dòng)力性來看，方案一較方案二要差，但是方案一也能滿足客戶提出的要求；從經(jīng)濟(jì)性來看，方案一在次高擋和最高擋的油耗都比方案二的油耗要高，并且方案一的經(jīng)濟(jì)車速也在發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)區(qū)間內(nèi)。綜合考慮，方案一要好。

根據(jù)油耗做出兩種速比50～90Km/h的燃油消耗率曲線在發(fā)動(dòng)機(jī)map圖上的工作區(qū)間，如圖4。方案一的匹配更接近發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)區(qū)間，但是現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線和變速器參數(shù)以及后橋速比不能使匹配結(jié)果工作在最佳區(qū)域，需要對發(fā)動(dòng)機(jī)的特性曲線做進(jìn)一步的優(yōu)化。

圖4　發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間

5、試驗(yàn)驗(yàn)證情況

通過以上選定的最佳方案，搭載樣車分別進(jìn)行轉(zhuǎn)轂和道路試驗(yàn)驗(yàn)證，并將動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對比。

表4　試驗(yàn)與理論結(jié)果對比

通過對比分析，理論計(jì)算值與轉(zhuǎn)轂、道路試驗(yàn)還有一定的誤差，由于驗(yàn)證加載方式等原因，轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)與道路試驗(yàn)也存在一定的偏差，主要是由于理論計(jì)算時(shí)建立的仿真模型在簡化時(shí)沒有考慮駕駛員的換擋習(xí)慣、忽視了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的損耗以及傳動(dòng)效率取舍偏差等原因造成。雖然模型的計(jì)算精度不是很高，但是已經(jīng)能在實(shí)際工程中判斷不同方案的優(yōu)劣程度，對產(chǎn)品開發(fā)中傳動(dòng)系的匹配有指導(dǎo)價(jià)值。

6、結(jié)論

（1）通過試驗(yàn)驗(yàn)證得出的 CRUISE模型和數(shù)據(jù)，為以后同類產(chǎn)品的開發(fā)提供了可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確率，縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)周期；

（2）“低速大扭矩輸出，高速高功率輸出”的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性適合高速物流載貨車的使用；

（3）通過傳動(dòng)系的匹配優(yōu)化，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，雖然不能精確的反應(yīng)真實(shí)工況，但是判定了匹配的優(yōu)劣程度，分析方法可以指導(dǎo)其他車型的開發(fā)。

[1] 王望予.汽車設(shè)計(jì)[第4版].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.8.

[2] 余志生.汽車?yán)碚?北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.3.

[3] 林學(xué)東.汽車動(dòng)力匹配技術(shù):中國水利水電出版社.2010.1.

Based on the CRUISE a 4 x 2 truck transmission matching analysis

Shi Long
（Anhui jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230000）

石龍，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。

U463.61

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1671-7988 （2016）06-54-03