裝載智能啟停系統(tǒng)的公交車性能研究

汪 偉 ，貝紹軼 ，張 良 ，張?zhí)m春

（1.江蘇理工學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 常州 213001；2.江蘇省高性能材料綠色成形技術(shù)與裝備重點建設(shè)實驗室，江蘇 常州 213001）

1 引言

隨著國內(nèi)汽車數(shù)量的不斷增加，城市交通擁堵狀況日益嚴(yán)重，公交出行越來越受到人們的支持[1]。目前，我國的公交車以大型柴油車為主，隨著載重質(zhì)量的不斷增加，公交車性能問題也越發(fā)明顯。眾所周知，公交車性能的好壞直接影響公交車在城市道路上的使用情況[2-3]。為了解決公交車的性能問題，很多汽車廠商只是一味的對動力系統(tǒng)進行改造，帶來的結(jié)果是成本的增加和環(huán)境的污染。然而，智能啟停系統(tǒng)的出現(xiàn)能夠很好的解決這一問題。公交智能啟停系統(tǒng)基于原有部件進行改造優(yōu)化，改造成本低，并且能夠顯著改善公交車性能。但是，在國內(nèi)很少有搭載智能啟停系統(tǒng)的公交車投入使用。隨著公交車性能需求越來越高，智能啟停系統(tǒng)的研究開發(fā)將成為公共交通領(lǐng)域車輛性能改善的重要課題。

2 智能啟停系統(tǒng)分析

2.1 智能啟停系統(tǒng)操作過程

手動擋車輛搭載的智能啟停系統(tǒng)操作十分簡便[4]，如圖1所示。當(dāng)需要停車等待時，駕駛?cè)藛T松開加速踏板和離合器踏板，踩下制動踏板，將擋位回至空擋，稍作等待后，發(fā)動機自動關(guān)閉。需要再次起動車輛時，駕駛?cè)藛T踩下離合器踏板，便可啟動發(fā)動機，掛上擋位，踩下加速踏板，車輛便可以快速起動。

圖1 手動擋汽車智能啟停系統(tǒng)操作圖Fig.1 Operation Chart of Intelligent Stop-Start System on Manual Car

2.2 公交車智能啟停系統(tǒng)電子控制單元

智能啟停系統(tǒng)電子控制單元主要用來控制系統(tǒng)的信號輸入和輸出。該控制單元主要有六個輸入信號，分別為：

（1）啟停主開關(guān)信號：控制智能啟停系統(tǒng)的打開與關(guān)閉；

（2）離合器開關(guān)信號：判斷離合器踏板是否被踩下；

（3）擋位開關(guān)信號：判斷駕駛員是否有擋位操作；

（4）車門開關(guān)信號：檢測公交車前后車門是否關(guān)閉；

（5）制動器信號：檢測制動真空度是否滿足要求；

（6）電池信號：檢測蓄電池電量是否滿足要求。

車輛的爬坡度是關(guān)鍵的性能參數(shù)之一，爬坡能力的好壞與啟動機有著緊密的聯(lián)系。車輛爬坡時的驅(qū)動力為：

由此可見，啟動機的扭矩大小直接影響車輛的爬坡能力。

由于公交車平穩(wěn)行駛過程中空氣阻力很小，幾乎可以忽略不計，因此，車輛行駛過程中的驅(qū)動力為：

3 仿真測試

而在車輛加速的過程中，其驅(qū)動力一行駛阻力平衡式則變?yōu)椋?/p>

3.1 公交車整車模型建立

以傳統(tǒng)公交車模型作為參考，在此基礎(chǔ)上，添加智能啟停系統(tǒng)模塊、監(jiān)視器模塊等，并充分考慮了公交車的驅(qū)動方式：一般公交車采用發(fā)動機后置，后輪驅(qū)動。詳細分析了公交車各部件之間的連接方式以及數(shù)據(jù)總線的連接方法，考慮了駕駛?cè)藛T的操作難度，在此基礎(chǔ)上，在AVL-Cruise軟件中，建立了裝載智能啟停系統(tǒng)的公交車的整車模型[5-8]。與未采用智能啟停系統(tǒng)的傳統(tǒng)公交車模型相比，該模型只多出一個智能啟停模塊和監(jiān)視器模塊，在驅(qū)動方式、各部件連接方式、總線連接方式等均與傳統(tǒng)公交車相同，以這種方式建立的公交車整車模型，能夠成功的運用到實際中去，適合推廣普及。公交車整車仿真模型，如圖2所示。

一般情況下，傳統(tǒng)公交車的發(fā)動機與離合器通過機械部件相連，離合器與變速箱直接連接。公交車主減速器位于驅(qū)動橋內(nèi)，其主要作用是將變速器輸出的動力進一步降低轉(zhuǎn)速，增大轉(zhuǎn)矩，并改變旋轉(zhuǎn)方向，然后傳遞給驅(qū)動輪，以獲得足夠的汽車牽引力和適當(dāng)?shù)能囁?。?qū)動橋主要由橋殼、主減速器、差速器和半軸組成。因此主減速器需要與差速器通過機械部件直接連接，差速器連接公交車后輪以及相應(yīng)的制動器，帶動前輪，實現(xiàn)車輛驅(qū)動。在分析了公交車傳動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還充分考慮了安裝智能啟停的公交車結(jié)構(gòu)、布置模式以及駕駛?cè)藛T的習(xí)慣和方便程度等因素之后，建立了安裝智能啟停系統(tǒng)的公交車整車模型，如圖2所示。由此可見，啟動機的最大扭矩決定了車輛的加速能力。

3.3 最大傳動比選擇

確定最大傳動比需要考慮三大因素：車輛的最低車速、最大爬坡度以及附著率。就公交車而言最大傳動比為變速器1擋時的傳動比與主減速器傳動比的乘積。

車輛爬坡時，由于行駛速度很低，可以基本忽略空氣阻力，因此，根據(jù)爬坡時的驅(qū)動力可以得出最大傳動：

式中：ig1—1擋時的傳動比。

3.4 公交車主要部件參數(shù)

公交車整車主要參數(shù)，如表1所示。

圖2 公交車整車仿真模型Fig.2 Bus Simulation Model

表1 公交車整車主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of Bus

公交車變速器主要參數(shù)，如表2所示。

3.2 增強型起動電機

由于安裝智能啟停系統(tǒng)后，車輛需要頻繁啟動，因此需要采用特殊的起動機—增強型起動機。

增強型起動機是公交車智能啟停系統(tǒng)的主要部件之一，也是能量輸出的關(guān)鍵部件之一。

增強型起動機的最高轉(zhuǎn)速與車輛的最高車速之間的關(guān)系為[9]：

表2 變速器主要參數(shù)Tab.2 Main Parameters of Transmission

3.5 公交車載重質(zhì)量對于油耗的影響

由于公交車需要長時間載人運行，運載質(zhì)量也是影響公交車耗油量的一個重要因素。因此，公交車載客人數(shù)的多少直接影響了燃油的消耗。通過改變CRUISE軟件中公交車的載重質(zhì)量，模擬實際情況中載客人數(shù)的變化，得出公交車載重質(zhì)量變化對于油耗的影響，如表3所示。

H社區(qū)的資金受到區(qū)政府限制，并且資金的審批過程復(fù)雜，時間長，效率低，導(dǎo)致許多老舊小區(qū)的消防安全設(shè)施無法得到有效完善，存在一定的安全隱患，對居民的人身安全具有潛在的威脅。

表3 公交車載重質(zhì)量變化對油耗的影響Tab.3 The Influence of the Change of Bus Load Quality on Fuel Consumption

3.6 原地起步性能對比

加速時間是評估車輛性能的重要指標(biāo)之一，公交車的加速能力通常通過其加速時間來反映，公交車原地起步加速時間的計算公式為[10]：

式中：T0—起步時間；u0—最小穩(wěn)定車速；u1—加速結(jié)束時的車速。

在恰當(dāng)?shù)臅r刻及時更換擋位能夠減少燃油的消耗，并提高車輛的加速性能。根據(jù)駕駛?cè)藛T一般的習(xí)慣及換擋速度，設(shè)定了相應(yīng)的換擋時間。公交車原地起步時的加速換擋的擋位示意圖，如圖3所示。

圖3 公交車原地起步換擋擋位圖Fig3 Shift Bitmap of Bus Starting

傳統(tǒng)公交車和裝載智能啟停系統(tǒng)的公交車起步時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，如圖4所示。通過對比可見：裝載智能啟停系統(tǒng)的公交車能夠在短時間內(nèi)快速啟動發(fā)動機，在起步時能在很短的時間內(nèi)使發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到峰值，并且在起步過程中發(fā)動機轉(zhuǎn)速明顯高于傳統(tǒng)公交車。由此可見，安裝智能啟停系統(tǒng)后的公交車原地起步加速性能要好于傳統(tǒng)公交車。

圖4 公交車起步時發(fā)動機轉(zhuǎn)速對比圖Fig.4 Contrast Chart of Engine Speed

傳統(tǒng)公交車和裝載智能啟停系統(tǒng)的公交車原地起步時的速度對比圖，如圖5所示。通過對比可見：從起步至達到最高車速這段時間內(nèi)，裝載智能啟停系統(tǒng)的公交車車速都高于傳統(tǒng)公交車，并且達到最高車速所需的時間要比傳統(tǒng)公交車短。由此可見，裝載智能啟停系統(tǒng)后，公交車原地起步時的速度有所提高。

圖5 公交車原地起步速度對比圖Fig.5 Contrast Chart of Bus Starting Speed

3.7 公交車動力因數(shù)

動力因數(shù)是衡量車輛驅(qū)動力的一個重要標(biāo)準(zhǔn)，是車輛牽引性能的指標(biāo)之一，是車輛剩余牽引力和總重之比。車輛的動力因數(shù)越大，則代表車輛的加速、爬坡和克服道路阻力的能力越大。

對于公交車而言，動力因數(shù)是一個十分重要的指標(biāo)，為了使公交車具有良好的二擋起步能力和加速能力，在計算公交車動力性時，必須考慮其一擋、二擋和五擋時的動力因數(shù)。傳統(tǒng)公交車與裝載智能啟停系統(tǒng)的公交車在各擋位時的動力因數(shù)，如圖6所示。

通過對比可見：傳統(tǒng)公交車與一擋時動力因數(shù)都在（0.24～0.32）之間，裝載智能啟停系統(tǒng)的公交車一擋時的動力因數(shù)則在（0.27～0.335）之間，安裝智能啟停系統(tǒng)后，公交車一擋時的驅(qū)動力顯著提高；而且在二擋和五擋時裝載智能啟停系統(tǒng)的公交車的動力因數(shù)明顯高于傳統(tǒng)公交車，由此可見，安裝智能啟停系統(tǒng)后，公交車行駛過程中的動力因數(shù)有所提高，驅(qū)動力明顯改善。

圖6 公交車各擋位動力因數(shù)曲線圖Fig.6 Dynamic Factor Curve Chart of Bus Each Block

4 結(jié)論

為了對公交車性能進行研究分析，以安裝智能啟停系統(tǒng)的公交車為載體，對智能啟停系統(tǒng)在公交車上的應(yīng)用開展了深入的研究。利用AVL-CRUISE軟件建立了公交車整車模型，計算了公交車載重質(zhì)量對油耗的影響、公交車起步時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、行駛速度以及公交車在行駛過程中的動力因數(shù)。計算結(jié)果顯示：啟用智能啟停系統(tǒng)后的公交車在性能方面有顯著改善。由此可見，從上述角度考慮的智能啟停系統(tǒng)能夠成功地應(yīng)用到實際當(dāng)中，對于公交車性能的改善具有積極的作用。

［1］李聰聰，陳強，喻凡．一種微混電動車起停系統(tǒng)及其對車輛性能影響的分析［J］．汽車工程，2012，17（10）：878-884．（Li Cong-cong，Chen Qiang，Yu Fan．A start-top on its system for micro-HEV and the analysis effects on vehicle performance［J］．Automotive Engineering，2012，17（10）：878-884．）

［2］樓少敏，許滄粟.基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析的整車平順性仿真及試驗研究［J］．汽車工程，2007，29（5）：393-396．（Lou Shao-min，Xu Cang-su.Simulation and experiential study on vehicle ride comfort based on topological structure analysis［J］.Automotive Engineering，2007，29（5）：393-396.）

［3］常城，周雅夫.混合動力電動汽車的建模與仿真研究［J］.機械設(shè)計與制造，2009（2）：130-132.（Chang Cheng，Zhou Ya-fu.Research on the modeling and simulation of hybrid electronic vehicle［J］.Machinery Design ＆ Manufacture，2009（2）：130-132.）

［4］Bishop J，Nedungadi A，Ostrowski G.An engine start/stop system for improved fuel economy［J］.SAE，2007，14（1）：17-20.

［5］韓立偉.缸內(nèi)直噴汽油機應(yīng)用起停技術(shù)的研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2010.（Han Li-wei.Study on application of start-Stop technology in gasoline direct injection engine［D］.Changchun：Jilin University，2010.）

［6］劉振軍，趙海峰，秦大同.基于CRUISE的動力傳動系統(tǒng)建模與仿真分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報，2005，28（11）：8-12.（Liu Zhen-jun，Zhao Hai-feng，Qin Da-tong.Simulation and analysis of vehicle powertrain based on CRUISE［J］.Journal of Chongqing University：Natural Science Edition，2005，28（11）：8-12.）

［7］Murthy DNP，Bulmer M，Eccleston J A.Weibull model selection for reliability modeling ［J］.Reliability Engineering System Safety，2004，86（3）：257-267.

［8］施紹有，高峰，杜發(fā)榮.起-停車輛巡航系統(tǒng)的建模與仿真［J］.中國公路學(xué)報，2007，20（3）：115-120.（Shi Shao-you，Gao Feng，Du Fa-rong.Modeling and simulation of stop and vehicle cruise system［J］.China Journal of Highway and Transport，2007，20（3）：115-120.）

［9］Murthy DNP，Bulmer M，Eccleston J A.Weibull model selection for reliability modeling ［J］.Reliability Engineering System Safety，2004，86（3）：257-267.

［10］郝利君.串聯(lián)型混合動力公交車性能仿真分析［J］.汽車工程，2008，7（10）：20-24.（Hao Li-jun.Simulation analysis on the performance of series hybrid electric bus［J］.Automotive Engineering，2008，7（10）：20-24.）