一種通過(guò)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行的傳動(dòng)系校核方法

王守勝，何為

（江淮汽車股份有限公司重型商用車研究所，安徽 合肥 230601）

一種通過(guò)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行的傳動(dòng)系校核方法

王守勝，何為

（江淮汽車股份有限公司重型商用車研究所，安徽 合肥 230601）

文章以某4×2牽引車為研究對(duì)象，針對(duì)港口集裝箱運(yùn)輸工況，探討一種通過(guò)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行的傳動(dòng)系校核方法，并結(jié)合實(shí)際驗(yàn)證情況，為港口牽引車的開(kāi)發(fā)提供數(shù)據(jù)支持.做到針對(duì)特定工況下的傳動(dòng)系最優(yōu)匹配。

4×2牽引車；港口集裝箱運(yùn)輸；傳動(dòng)系校核

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.043

CLC NO.:U469.5 Document Code:B Article ID:1671-7988(2016)01-125-04

前言

4×2牽引車，大部分用作港口集裝箱貨物運(yùn)輸，而港口運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸車輛具有運(yùn)輸貨物質(zhì)量相對(duì)固定、行駛車速相對(duì)較低的特點(diǎn)。用戶在注重汽車整體外觀的同時(shí)，更加關(guān)注整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。目前各整車生產(chǎn)廠家在匹配動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)所選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、主減速器等主要總成件逐步趨于一致，如何對(duì)這些總成件進(jìn)行合理的匹配，得到最佳的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，就成為各整車廠的工作重點(diǎn)。而針對(duì)于港口運(yùn)輸市場(chǎng)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩正向傳遞至后橋的傳動(dòng)系校核的計(jì)算方法得出的傳動(dòng)系匹配結(jié)論，往往不能滿足港口運(yùn)輸市場(chǎng)的實(shí)際使用需求，通常會(huì)出現(xiàn)油耗偏高或者動(dòng)力不足的現(xiàn)象，本文通過(guò)研究從驅(qū)動(dòng)力對(duì)傳動(dòng)系進(jìn)行反向校核的方法，需求找到一種適合港口集裝箱運(yùn)輸市場(chǎng)的傳動(dòng)系最佳匹配方案，并運(yùn)用Cruise軟件進(jìn)行對(duì)比分析，最終通過(guò)實(shí)際市場(chǎng)驗(yàn)證情況，得出更合理地傳動(dòng)系匹配數(shù)據(jù)，找到最佳的匹配。

1、整車動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)確定

1.1 整車質(zhì)量

4×2集裝箱運(yùn)輸牽引車，一般進(jìn)行一個(gè)40英尺集裝箱運(yùn)輸貨兩個(gè)20英尺集裝箱運(yùn)輸，由于現(xiàn)在絕大多數(shù)整車廠的平臺(tái)和大的總成件都是一致的，所以整車整備質(zhì)量都非常接近。而由于集裝箱規(guī)格的限制，整車總質(zhì)量基本處于45t和62t兩種規(guī)格，本文針對(duì)兩個(gè)20英尺集裝箱運(yùn)輸?shù)墓r進(jìn)行分析，車貨總重在62t以內(nèi)。由于整車總質(zhì)量較大，運(yùn)輸路線只能選擇國(guó)道運(yùn)輸，且車速控制在60km/h～70km/h之間。

通過(guò)以上分析可知，整車總質(zhì)量參數(shù)可以分兩步得到：首先利用統(tǒng)計(jì)得到整車整備質(zhì)量；然后根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查情況計(jì)算出裝載質(zhì)量，再加上駕駛員質(zhì)量就可得到整車總質(zhì)量。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇

發(fā)動(dòng)機(jī)作為整個(gè)汽車的心臟，選擇一個(gè)合適的發(fā)動(dòng)機(jī)是整個(gè)設(shè)計(jì)工作的一個(gè)首要任務(wù)。但是由于整車所追求的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性之間是一對(duì)相對(duì)矛盾的特性。根據(jù)不同的使用條件，一種汽車可以匹備兩三種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)供用戶選擇。發(fā)動(dòng)機(jī)的性能主要表現(xiàn)在額定功率、額定扭矩、與之相應(yīng)的轉(zhuǎn)速、燃料消耗特性、振動(dòng)、噪聲等等。發(fā)動(dòng)機(jī)的功率越大，汽車的動(dòng)力性越好，但功率過(guò)大會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率降低，燃料經(jīng)濟(jì)性下降，動(dòng)力傳動(dòng)系的質(zhì)量也要加大。因此要合理選擇發(fā)動(dòng)機(jī)功率。發(fā)動(dòng)機(jī)功率可以通過(guò)整車總質(zhì)量M乘以汽車比功率來(lái)估算。

汽車比功率(發(fā)動(dòng)機(jī)功率除以整車總質(zhì)量)是一項(xiàng)汽車動(dòng)力性的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，它能綜合地反映汽車的速度性能、加速性能和爬坡能力。目前國(guó)內(nèi)各廠家4×2牽引車的平均比功率水平為3.77kw/t。而汽車比功率的發(fā)展趨勢(shì)是逐漸增大，以滿足高效的運(yùn)輸要求。

某4×2港口牽引車選擇濰柴WP10.336E40國(guó)Ⅳ發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率Pmax＝247kW，最大扭矩Tmax=1500Nm，汽車比功率為3.98kw/t，基本能夠滿足整車的功率需求。

同時(shí)，用戶往往喜歡自己選擇發(fā)動(dòng)機(jī)，這時(shí)在盡量滿足客戶需求的同時(shí)應(yīng)給予正確的引導(dǎo)。

1.3 輪胎滾動(dòng)半徑的計(jì)算

由于國(guó)內(nèi)重卡牽引車存在的超載情況比較嚴(yán)重，用正常的輪胎行駛半徑已經(jīng)不能準(zhǔn)確的描述輪胎的實(shí)際運(yùn)行狀況。本文引用匈牙利學(xué)者G.Komandi提出的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算輪胎的變形量δ。

由公式（1）我們不難發(fā)現(xiàn)，輪胎的變形量不僅與其本身的參數(shù)有關(guān)，還決定于輪胎上承受載荷W和輪胎內(nèi)氣壓P。所以合適的軸荷分配和輪胎氣壓也會(huì)對(duì)整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生較大的影響。由于各軸的軸荷不同，以驅(qū)動(dòng)輪的半徑作為整車車輪的半徑。

某4×2港口牽引車選擇12.00R20的輪胎，驅(qū)動(dòng)軸上的載荷為通過(guò)計(jì)算得到δ＝4.65cm，從而輪胎的行駛半徑R＝D/2－δ＝516mm。

1.4 主減速器的選擇

在給定發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率Pmax及其相應(yīng)的轉(zhuǎn)速np的情況下，所選擇的主減速器減速比i0。應(yīng)盡量能保證汽車有盡可能高的最高速度Vmax，即取盡可能小的后橋速比i0。這時(shí)i0由下式來(lái)確定[1]：

式中：np—－發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速；

Vmax—－汽車的設(shè)計(jì)最高速度；

igh—－變速器的最高擋速比，通常為1。

在主減速器數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇多個(gè)減速比與計(jì)算出的i0相近的驅(qū)動(dòng)橋主減速器，以便在后面的步驟中選擇最優(yōu)匹配方案。

某4×2港口牽引車，R＝0.516m，np＝1900r/min，igh＝1，Vmax=85-95km/h。通過(guò)公式（2）可得i0的取值范圍為3.89～4.35之間，可以選擇AK-BZ的4.2和3.86速比的驅(qū)動(dòng)橋。

1.5 變速器的選擇

變速器傳動(dòng)比的選擇涉及到最低擋傳動(dòng)比、最高擋傳動(dòng)比和中間各擋傳動(dòng)比的分配。最低擋的傳動(dòng)比由汽車設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)（最大爬坡度）和地面與驅(qū)動(dòng)輪的附著條件來(lái)確定；中間擋的傳動(dòng)比由最高擋和最低擋的傳動(dòng)比的等比級(jí)數(shù)確定。

通過(guò)“設(shè)計(jì)功率水平”[2]來(lái)評(píng)判發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱匹配性能的優(yōu)劣。研究表明速比范圍大，擋位數(shù)多的變速箱，各擋位的設(shè)計(jì)功率水平差值不大，汽車在任一擋位運(yùn)行都有較好的性能。就動(dòng)力性而言，擋位多，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮最大功率的機(jī)會(huì)，提高了汽車的加速性能和爬坡能力；就經(jīng)濟(jì)性而言，擋位多，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)在低油耗區(qū)工作的可能性，使油耗降低；就操縱性而言，擋位多，擋位級(jí)差小，換擋容易，操縱輕便、容易。但同時(shí)還需要考慮成本和操縱機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，并不是越多越好。一般用戶也會(huì)提出自己的需求。

某4×2港口牽引車，給予港口運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，用戶在國(guó)道行駛需要頻繁換擋，因此選擇選擇陜西法士特9JSD150A，既滿足發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩需求，又有效的減少擋位，滿足用戶需求。

2、通過(guò)驅(qū)動(dòng)力的傳動(dòng)系校核方法

發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和驅(qū)動(dòng)橋參數(shù)確定后，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)橋的輸入扭矩進(jìn)行校核，用以確定選用的驅(qū)動(dòng)橋是否能滿足整車傳動(dòng)系匹配要求，使得汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性相互兼顧，并達(dá)到最優(yōu)，即既有較好的動(dòng)力性，又有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。在前面的分析計(jì)算中，確定了發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和驅(qū)動(dòng)橋的參數(shù)，如果參數(shù)選用校核無(wú)法滿足驅(qū)動(dòng)橋扭矩的容量要求，在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱無(wú)法改變的情況下，就需要調(diào)整驅(qū)動(dòng)橋速比，驅(qū)動(dòng)橋速比變動(dòng)，車速則會(huì)發(fā)生變化，整車就不能很好地滿足用戶的使用工況。

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳遞至驅(qū)動(dòng)橋時(shí)，驅(qū)動(dòng)承受扭矩計(jì)算由下式來(lái)確定：

式中：Tg1=發(fā)動(dòng)機(jī)正向傳遞至驅(qū)動(dòng)橋扭矩；

Memax=發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩；

Ikmax =變速器一擋速比；

i0=驅(qū)動(dòng)橋主減速比；

某4×2港口牽引車，Memax=1500N.m，Ikmax =12.65，i0=4.2，通過(guò)公式（3）可得Tg1=79695N.m，驅(qū)動(dòng)橋主減速比為4.2時(shí)，AK-BZ橋最大輸出扭矩僅有75306N.m，此時(shí)，從發(fā)動(dòng)機(jī)正向傳遞至驅(qū)動(dòng)橋扭矩已經(jīng)超出后橋所能承受扭矩，此時(shí)的傳動(dòng)系匹配已經(jīng)不能滿足后橋最大扭矩要求。需要將驅(qū)動(dòng)橋速比減小至3.86，后橋速比的減小，會(huì)降低整車動(dòng)力性能。

由于車輛驅(qū)動(dòng)是由地面摩擦力的反作用力推動(dòng)車輛前進(jìn)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)橋所受的支撐力大于摩擦力時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪就會(huì)打滑，因此可以推論存在一種情況，當(dāng)后橋承受扭矩還未達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)正向傳遞的扭矩時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪就已經(jīng)打滑，因此，可以通過(guò)后橋驅(qū)動(dòng)力計(jì)算驅(qū)動(dòng)橋在打滑的極限情況下所受的扭矩，來(lái)校核此時(shí)后橋扭矩是否超扭。

式中：

Tg2=驅(qū)動(dòng)力傳遞至后橋的輸入扭矩；

G=驅(qū)動(dòng)橋承受的最大載荷；

R =車輪滾動(dòng)半徑；

ψ=地面附著系數(shù)，常數(shù)0.8；某4×2港口牽引車，在運(yùn)輸兩個(gè)20英尺集裝箱時(shí)，整車總質(zhì)量為62t，此時(shí)G=18500kg，采用12.00R20輪胎，R=516mm，通過(guò)公式（4）可得Tg2=74840N.m, 驅(qū)動(dòng)橋主減速比為4.2時(shí)，AK-BZ橋最大輸出扭矩為75306N.m。因此可以得出結(jié)論，當(dāng)整車總質(zhì)量為62t時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋承受地面極限情況下的力矩為74840N.m，小于選用的AK-BZ橋的最大承受輸入扭矩75306N.m，可以使用。

3、應(yīng)用示例

示例車型為某4×2港口牽引車，采用AVL_Cruise軟件進(jìn)行模擬仿真計(jì)算。該車有關(guān)參數(shù)、計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。

3.1 有關(guān)參數(shù)

(1) 最大總質(zhì)量：M=62000kg;

(2) 發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)WP10.336E40，其參數(shù)為：最大功率Pmax＝247kW，最大扭矩Tmax=1500Nm/1200rpm～1500rpm，萬(wàn)有特性曲線從略；

(3) 變速器型號(hào)9JSD150A，有9個(gè)前進(jìn)擋，速比為：12.65 /8.38 /6.22 /4.57 /3.40 /2.46/1.83/1.34/1.00；

(4) 主傳動(dòng)器速比i0=3.86/4.2 (包括輪邊減速比)；

(5) 輪胎規(guī)格12.00R20，滾動(dòng)半徑=0.516m；

(6) 迎風(fēng)面積A =8.633m2，Cd=0.86（由滑行試驗(yàn)得到A ×Cd＝0.5393）；

3.2 計(jì)算結(jié)果

表1 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)表1中兩組數(shù)據(jù)的對(duì)比，速比為4.2時(shí)，經(jīng)濟(jì)性與速比3.86時(shí)相當(dāng)，但爬坡性能和加速性能均由于速比3.86。且在62t的兩個(gè)小集裝箱的港口集裝箱運(yùn)輸時(shí)，司機(jī)駕駛習(xí)慣為保持車速在55km/h的車速下，速比4.2更加適合。

如果通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)正向計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞至后橋扭矩時(shí)，速比4.2已經(jīng)不能滿足后橋扭矩需求，但實(shí)際上在驅(qū)動(dòng)輪即將產(chǎn)生滑動(dòng)的臨界點(diǎn)時(shí)，作用在驅(qū)動(dòng)橋上的扭矩小于發(fā)動(dòng)機(jī)正向傳遞的扭矩。通過(guò)驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)至后橋扭矩的反向計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)速比4.2更加適合2個(gè)20英尺的集裝箱運(yùn)輸。

3.3 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，將某4×2港口牽引車發(fā)往試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2：

表2 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

通過(guò)對(duì)表2中試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果相吻合，因此證明了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。足用戶實(shí)際使用需求時(shí)，可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行逆向校核來(lái)確認(rèn)后橋輸出扭矩是否到了驅(qū)動(dòng)輪打滑的臨界點(diǎn)。若逆向校核的扭矩小于正向校核的扭矩，則可以考慮應(yīng)用逆向校核所采用的傳動(dòng)系配置。

4、結(jié)論

通過(guò)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行的傳動(dòng)系校核，可以更好地滿足一些特殊工況下車型傳動(dòng)系的配置，并找到最適合用戶實(shí)際使用需求的傳動(dòng)系匹配。從驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行的傳動(dòng)系逆向校核，可以找到影響整車的傳動(dòng)系匹配的關(guān)鍵參數(shù)：

1）整車的運(yùn)行工況和整車總質(zhì)量是決定通過(guò)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行逆向校核的基本參數(shù)，在設(shè)計(jì)之初的市場(chǎng)調(diào)研中應(yīng)準(zhǔn)確定位。

2）當(dāng)從發(fā)動(dòng)機(jī)正向校核發(fā)現(xiàn)選取的傳動(dòng)系速比匹配不滿

[1] 李高友、雷雨成.發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系的憂能匹配研究[J].設(shè)計(jì)與計(jì)算，2002.6.

[2] 張傳社.汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配性能分析[M].西安公路交通大學(xué).

[3] 何仁、王建峰.汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)合理匹配的實(shí)用方法[N].中國(guó)公路學(xué)報(bào).1999.1:100-108.

[4] 余志生、趙六奇等.汽車?yán)碚?第3版[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.10.

A drive system verification method based on driving force

Wang Shousheng, He Wei
( Research Institute Of Heavy Commercial Vehicle, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui hefei 230601)

In this paper, a 4 * 2 tractor is studied , for port container transportation condition, To investigate a method for checking the transmission system with the driving force, and to combine with the actual verification, provide data support for the development of port tractor. To achieve the optimal matching of the transmission system under the specific conditions. Keywords:4 * 2 tractor; Port container transportation; Transmission system verification

U469.5

B

1671-7988(2016)01-125-04

王守勝，就職于江淮汽車股份有限公司重型商用車研究所。