某6×2重型物流載貨車傳動系匹配分析

高憲峰（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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某6×2重型物流載貨車傳動系匹配分析

高憲峰
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章根據(jù)6×2重型物流載貨車搭載柴油發(fā)動機(jī)車型，通過傳動系的優(yōu)化匹配，在滿足滿載運(yùn)輸?shù)臈l件下，保證發(fā)動機(jī)在常使用的轉(zhuǎn)速區(qū)間與經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)速區(qū)間相吻合，以達(dá)到整車動力性和經(jīng)濟(jì)性的改善。并運(yùn)用計算機(jī)仿真、轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺、道路分別模擬實(shí)際使用條件和要求，最終驗(yàn)證了匹配的合理性。

計算機(jī)仿真；傳動系；動力性；經(jīng)濟(jì)性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.015

CLC NO.: U463.2Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-45-03

引言

汽車整車性能的好壞，不僅僅取決于發(fā)動機(jī)和傳動系各自獨(dú)特的性能，而且很大程度上還取決于二者匹配的情況。在評價汽車的整車性能時，往往要用到一些特定的指標(biāo)，如衡量汽車動力性的主要指標(biāo)是其最高車速、爬坡性能和加速性能等；衡量燃油經(jīng)濟(jì)性的主要指標(biāo)是汽車在標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)下的百公里油耗。這些指標(biāo)除了反映發(fā)動機(jī)本身的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性外，還體現(xiàn)了整車動力總成系統(tǒng)的相互配合及合理優(yōu)化程度，即使一臺發(fā)動機(jī)具有良好的性能，如果沒有與之合理匹配的傳動系，也不可能充分發(fā)揮其最佳性能。因此合理的匹配汽車的動力傳動系統(tǒng)是提升動力、降低油耗的重要措施。

1、動力傳動系理論匹配

高速重型載貨物流車主要是以重載運(yùn)輸為主，主要運(yùn)行在高速公路為主，國道、省道為輔等工況，總質(zhì)量嚴(yán)格控制在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。其特點(diǎn)是運(yùn)輸距離長，道路轉(zhuǎn)彎、紅燈、堵車等工況較少，用戶較多關(guān)注車輛的高速行駛的經(jīng)濟(jì)性和動力性。

針對目前高速物流用載貨車的興起，本文以某6×2重型物流載貨車搭載柴油發(fā)動機(jī)為研究對象，結(jié)合重型載貨車的實(shí)際特點(diǎn)，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(yàn)臺試驗(yàn)及道路試驗(yàn)，進(jìn)行動力總成選用、傳動系匹配分析和驗(yàn)證，并最終確定一種最佳的匹配方案。

具體從以下幾個步驟確定匹配方案：

1）根據(jù)重型載貨車使用特性，選取合適的柴油發(fā)動機(jī)；

2）根據(jù)重型載貨車的循環(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(yàn)臺、道路試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.1發(fā)動機(jī)的選型

根據(jù)重型牽引車使用特性，從發(fā)動機(jī)的最大功率和適應(yīng)性系數(shù)等方面確定發(fā)動機(jī)的性能參數(shù)，選取合適發(fā)動機(jī)。

根據(jù)國家公路承載能力認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)，6×2載貨車的汽車列車額定總質(zhì)量為25T。

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)GB7258要求，載重貨車的比功率不允許小于5.0。通過公式（1）計算得出發(fā)動機(jī)最大凈功率Pmax≥125kW，因此發(fā)動機(jī)額定功率= Pmax/0.9≥138.9kW。

對比現(xiàn)有的柴油發(fā)動機(jī)重型載貨車，擬選取某款最大功率/轉(zhuǎn)速為 199kW/2100r/min、最大扭矩/轉(zhuǎn)速為 1160Nm/ 1500r/min的柴油發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)外特性曲線圖和萬有特性曲線圖見圖1。

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)（β）是指發(fā)動機(jī)最大功率時轉(zhuǎn)速（nP）與最大扭矩轉(zhuǎn)速（nT）之比（β= nP/ nT）。

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)（α）是指發(fā)動機(jī)最大扭矩（Tmax）與最大功率下扭矩（TP）之比（α= Tmax/ TP）。

發(fā)動機(jī)適應(yīng)性系數(shù)φ=α·β[1]，φ值越大，則發(fā)動機(jī)適應(yīng)性越好。采用φ大的發(fā)動機(jī)可有效減少換擋次數(shù)、減小傳動系的磨損和降低油耗。對于柴油機(jī)φ=1.6～2.6。

φ滿足使用要求。

1.2經(jīng)濟(jì)車速的確定

為了了解產(chǎn)品的實(shí)際工作環(huán)境及工況特點(diǎn)，通過采集國內(nèi)多個重型載貨車的實(shí)際運(yùn)行情況，確定了6×2重型載貨車的使用工況。

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)重型載貨車對車速要求 vmap=110km/h，則有Ve=66～88km/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，本車型設(shè)計經(jīng)濟(jì)車速為80km/h。

1.3傳動系主要部件的選擇

變速器：重型載貨車由于較注重高速行駛的經(jīng)濟(jì)性，變速器在多數(shù)時間內(nèi)運(yùn)行在最高檔。變速器在直接擋時傳動效率最高，經(jīng)濟(jì)性最好。因此，目前主流重型載貨車變速器最高擋一般采用直接擋。根據(jù)目前該細(xì)分市場的情況，選取 9擋直接擋手動變速器。

驅(qū)動橋：根據(jù)重型載貨車實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，選取單級減速后橋，其具有成本較低，傳動效率較高，維修方便等特點(diǎn)。

輪胎：選用無內(nèi)胎子午線輪胎，使其在經(jīng)常的加速和停車過程中因?yàn)檩喬バ旭偯鎸?，得到較好的加速制動效果，同時可因?yàn)闈L動阻力較小而使整車具有良好的動力經(jīng)濟(jì)性。

1.4傳動系速比的確定

為了充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)特性，結(jié)合重型載貨車運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，需要通過合理的傳動系速比匹配，使發(fā)動機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在最低燃料消耗量附近。

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），r為輪胎半徑（單位m，以下計算中按照12R22.5輪胎進(jìn)行，r=0.504m），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，傳動系總速比決定載貨車經(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1。對于重型載貨車，變速器最高擋使用次數(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最高擋速比 igN×驅(qū)動橋速比 i0，通過公式（3）計算可以確定最高擋總速比為 3.56（即 igN·i0=3.56）。由于采用最高檔為直接擋變速器，則驅(qū)動橋速比應(yīng)該選擇3.56。

根據(jù)目前重型車用主流變速器及速比范圍，可以選配 9擋直接擋手動變速器，額定輸入扭矩必須大于 1160Nm，最高擋速比0.72。

1.5傳動系匹配方案的初步確定

通過前面的分析，結(jié)合目前重型車傳動系匹配情況，初步按照表1方案進(jìn)行匹配分析。

表1　整車動力傳動系統(tǒng)方案

2、CAE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2為某6×2重型載貨車搭載柴油發(fā)動機(jī)仿真模型。

通過對上述方案進(jìn)行運(yùn)算，計算結(jié)果比較如表2：

表2　仿真計算值

3、轉(zhuǎn)轂、道路試驗(yàn)驗(yàn)證

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，并將動力經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果與理論計算結(jié)果對比見表3：

表3　試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果對比

通過對比分析，理論計算值與轉(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，總體來看誤差<5%，主要由于理論計算時建立的仿真模型由于在簡化時沒有考慮駕駛員的換擋習(xí)慣、忽視了發(fā)動機(jī)內(nèi)部的摩擦損失等原因造成的，而轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)主要由于輸入的阻力系數(shù)等采集的偏差造成。但是，對于工程應(yīng)用來說，該模型的計算結(jié)果，以及轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)的結(jié)論都已經(jīng)能否指導(dǎo)實(shí)際工程中判斷不同方案的優(yōu)劣程度，對于產(chǎn)品開發(fā)中動力傳動系統(tǒng)的匹配有一定的參考價值。

4、結(jié)論

通過上面對于某 6×2重型載貨車搭載柴油發(fā)動機(jī)的動力傳動系匹配分析，形成如下結(jié)論：

1）由于重型載貨車主要運(yùn)行在高速公路上行駛，運(yùn)輸距離長，采用發(fā)動機(jī)適應(yīng)性系數(shù)φ值大的柴油發(fā)動機(jī)高速動力性就好，適用于高速類重卡等車輛。

2）對于重型載貨車，由于其特定的使用工況，采用 9擋直接檔變速器，同時匹配較小速比驅(qū)動橋，可以很好地滿足經(jīng)濟(jì)性使用要求可以使整車常運(yùn)行狀態(tài)效率最優(yōu)化，達(dá)到提升車輛經(jīng)濟(jì)性的目的。

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

[1]劉錚.汽車發(fā)動機(jī)原理.北京：清華大學(xué)出版社.2011.

[2]岳驚濤.汽車動力系統(tǒng)的合理匹配評價.汽車工程.2001,06.

[3]劉惟信.汽車設(shè)計.北京：清華大學(xué)出版社.2010

Matching of 6×2 heavy duty truck logistics transmission

Gao Xianfeng
（Anhui Jianghuai Automotive Co.,Ltd.,Anhui Hefei 230601）

This article aims to improve the dynamics and economy performance of 6×2 heavy duty truck logistics with diesel engine through optimization of transmission system,at the same time of full-load condition and ensuring the coincidence of engine rpm range under normal usage and rpm of economy.This optimization has been verified through simulating different using conditions and requirements in all computer simulateion,bench rest and road rest.

computer simulateion; transmission system; dynamics; economy performance

U463.2

A

1671-7988（2016）08-45-03

高憲峰（1984-），男，工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心重型商用車研究院，從事商用車總布置設(shè)計工作。