物流市場重型商用車傳動(dòng)系匹配策略研究

（東風(fēng)柳州汽車有限公司商用車技術(shù)中心 545005）

隨著國內(nèi)高速公路網(wǎng)陸續(xù)建成通車及物流市場的快速發(fā)展，物流用重型商用車時(shí)效性要求快速提高[1-2]。車輛行駛阻力隨著車速提升而增大[3-4]，進(jìn)而對(duì)商用車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)產(chǎn)生較大影響[5]。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，同車型不同傳動(dòng)系匹配油耗差異可達(dá)20%以上。本文研究以物流市場主流的6×4牽引車為例，通過傳動(dòng)系匹配對(duì)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性潛在要素綜合分析，給出在確保整車動(dòng)力性前提下，達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)性的控制策略，并應(yīng)用軟件AVLCruise 建模仿真驗(yàn)證研究成果的準(zhǔn)確性。

表1 長途配貨市場大功率發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用占比變化

圖1 550馬力發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)

1 車輛基本參數(shù)定義及傳動(dòng)系趨勢(shì)研究

1.1 整車基本參數(shù)

采用某長途配貨市場主流的6×4牽引車，行駛工況為：高速公路行駛，車速保持為60～100 km/h。該車型部分關(guān)鍵參數(shù)有：整車總質(zhì)量為49 000 kg；軸距為3 300+1 350 mm；輪胎型號(hào)為12R22.5。結(jié)合表1發(fā)動(dòng)機(jī)功率發(fā)展趨勢(shì)，選取現(xiàn)在主流的550馬力發(fā)動(dòng)機(jī)及2015年之前主流的350馬力發(fā)動(dòng)機(jī)用于對(duì)比分析。

圖2 350馬力發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性曲線

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)

2款發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)如表2所示。通過試驗(yàn)及軟件計(jì)算得到如圖1和圖2所示2款發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有曲線。對(duì)比發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩提升、比油耗降低及最大扭矩轉(zhuǎn)速區(qū)間往低轉(zhuǎn)速變化幾個(gè)突出特征。這個(gè)變化與該領(lǐng)域傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)突破及市場時(shí)效性需求有著強(qiáng)相關(guān)的聯(lián)系。

1.3 傳動(dòng)系發(fā)展趨勢(shì)

2006—2019年面向物流市場的重型商用車傳動(dòng)系總速比變化，總體呈現(xiàn)出逐年下降的趨勢(shì)，總速比最大降低幅度從5.26到2.64，降低約50%（圖3）。形成上述趨勢(shì)的原因總體可概括如下。

車輛行駛道路由國道向高速公路轉(zhuǎn)變，道路限速放寬，道路條件優(yōu)化，車速從以往的55～70 km/h 提升到80～90 km/h 甚至更高。在不提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的情況下，必須采用更小的傳動(dòng)速比。而發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)提升使采用更小的傳動(dòng)速比成為可能。如上述350馬力和550馬力發(fā)動(dòng)機(jī)，其額定扭矩從1 500 N·m 增加到2 550 N·m，增幅度達(dá)1.7倍。

基于幾方面客觀因素，預(yù)計(jì)傳動(dòng)系速比在未來相當(dāng)長的時(shí)間段內(nèi)，會(huì)略有下降至趨于穩(wěn)定，總速比達(dá)到2.4左右。其原因如下。（1）性價(jià)比高而不是大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)通常是用戶的首要選擇。（2）鑒于道路行駛安全，國家政策法規(guī)對(duì)車輛車速要求不會(huì)大幅放開。

（3）速比減少會(huì)使傳動(dòng)軸及后橋齒輪的負(fù)載增加，齒輪可靠性技術(shù)升級(jí)難度大。

2 傳動(dòng)系匹配對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性影響

2.1 不同速比下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況及特點(diǎn)

發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線中，最低比油耗區(qū)域被稱為“經(jīng)濟(jì)蛋區(qū)”。對(duì)比上述350馬力和550馬力的萬有特性曲線可知：對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速“經(jīng)濟(jì)蛋區(qū)”有所前移，從1 500 r/min 前移到1 100 r/min左右的位置。根據(jù)公式（1）可知：時(shí)效性提升主要可通過降低傳動(dòng)系速比或提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，輪胎受承載能力的影響可變動(dòng)空間不大。

式中V為車速；R為車輪滾動(dòng)半徑；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；i為傳動(dòng)比。

圖3 重型商用車傳動(dòng)系總速比變化

圖4 不同速比下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的落點(diǎn)位置

如圖4所示為80 km/h 車速下，速比2.66和3.42 分別對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在萬有特性曲線上的落點(diǎn)。2.66 速比落點(diǎn)（紅色標(biāo)記）對(duì)應(yīng)的比油耗為186 g/kWh，3.42 速比的落點(diǎn)（藍(lán)色標(biāo)記）對(duì)應(yīng)比油耗192 g/kWh，小速比的運(yùn)行位置更接近“經(jīng)濟(jì)蛋區(qū)”。實(shí)踐證明，在一定車速時(shí)，采用小速比則發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)降低，因此“經(jīng)濟(jì)蛋區(qū)”必須朝低轉(zhuǎn)速的位置調(diào)整優(yōu)化。

2.2 不同速比下效率損失

通過臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)各發(fā)動(dòng)機(jī)附件損失結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖5），從下到上分別為機(jī)構(gòu)摩擦、風(fēng)扇、油泵、壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷卻水泵以及轉(zhuǎn)向泵。對(duì)比分析可知：發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速越低，其附件消耗損失功率越少。采用小速比在相同車速下恰好可以獲得更低的轉(zhuǎn)速。

通過車橋傳動(dòng)效率臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，由于不同速比下車橋的輸入扭矩不同，傳動(dòng)效率也出現(xiàn)了明顯差異，而當(dāng)輸入扭矩越接近車橋的額定扭矩時(shí)其傳動(dòng)效率越高。以80 km/h 下3.42和4.11 速比下某樣橋進(jìn)行試驗(yàn)得到結(jié)果如下，小速比的傳動(dòng)效率更好。

表3 不同速比下的動(dòng)力傳動(dòng)效率對(duì)比

圖5 各附件在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的功率損失

圖6 整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

2.3 傳動(dòng)系匹配仿真計(jì)算

選取0.78（變速器最高擋速比）+3.42（后橋速比）、0.78+3.7及0.78+4.11 三種組合速比方案，使用AVL-cruise 軟件建立車輛的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型（圖6），包含駕駛室模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、變速器模塊、車橋模塊和車輪模塊等，進(jìn)行機(jī)械和數(shù)據(jù)總線連接。同時(shí)選取V-BOX設(shè)備采集的實(shí)際道路平均車速分別為70 km/h和80 km/h的路譜，通過仿真計(jì)算驗(yàn)證不同速比組合下的燃油經(jīng)濟(jì)性效果，計(jì)算結(jié)果與研究變化趨勢(shì)一致，即采用小速比時(shí)的燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)（圖7）。不同速比組合下的百公里油耗見表4。

上述的分析可知，應(yīng)用小速比能有效提升燃油經(jīng)濟(jì)性，符合速比應(yīng)用發(fā)展的趨勢(shì)。

3 傳動(dòng)系匹配對(duì)動(dòng)力性影響

中國地形多樣，總體地勢(shì)西高東低呈階梯狀分布，不同海拔下的空氣含氧量不同，從而影響商用車動(dòng)力性。將上述車輛基本參數(shù)定義再增加1%與1.5%兩種坡度進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在萬有特性曲線上的落點(diǎn)分析。

將速比為0.78+3.42、道路坡度為1%及車速分別為70 km/h、80 km/h和90 km/h條件下對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行落點(diǎn)通過圓圈標(biāo)記，其總體儲(chǔ)備扭矩還略有富余。保持其余條件不變，當(dāng)?shù)缆菲露葹?.5%時(shí)得到的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行落點(diǎn)通過方框標(biāo)記，超出發(fā)動(dòng)機(jī)額定扭矩，需進(jìn)行降擋操作（圖8）。降擋即增加傳動(dòng)系速比，帶來遠(yuǎn)離“經(jīng)濟(jì)蛋區(qū)”、增加附件損失以及降低傳動(dòng)效率的結(jié)果。因此，不考慮動(dòng)力性而一味追求小速比的策略行不通。

表4 不同速比組合下的百公里油耗

圖7 實(shí)際工況路譜數(shù)據(jù)

圖8 坡度條件下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的落點(diǎn)分析圖

4 傳動(dòng)系匹配策略建議

綜合上述分析結(jié)果，給出面向物流市場的重型商用車傳動(dòng)系統(tǒng)匹配策略建議。將用戶使用劃分為偏動(dòng)力性及偏經(jīng)濟(jì)性2種。優(yōu)先根據(jù)車輛時(shí)效性及成本預(yù)算確定發(fā)動(dòng)機(jī)的功率范圍，再結(jié)合以下傳動(dòng)系匹配建議進(jìn)行選擇（圖9）。

圖9 傳動(dòng)系匹配建議圖

（1）當(dāng)運(yùn)行線路以東西為主，海拔存在一定上下起伏的，按偏動(dòng)力性進(jìn)行選擇。選取對(duì)應(yīng)常用車速在圖8中推薦區(qū)（紅色區(qū)域）偏中上區(qū)域的傳動(dòng)系匹配。

（2）當(dāng)運(yùn)行線路以南北為主，海拔變動(dòng)不大，道路相對(duì)平緩時(shí)，按偏經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行選擇，選取對(duì)應(yīng)常用車速在圖8推薦區(qū)（紅色區(qū)域）偏中下區(qū)域的傳動(dòng)系匹配。

5 結(jié)論

本文通過分析物流市場的重型商用車傳動(dòng)系統(tǒng)速比發(fā)展趨勢(shì)、發(fā)動(dòng)機(jī)特性及用戶使用時(shí)效性特征，給出未來傳動(dòng)系匹配發(fā)展預(yù)測。依據(jù)傳動(dòng)系匹配對(duì)動(dòng)力輸出、發(fā)動(dòng)機(jī)附件損失及傳動(dòng)效率的影響，提出各使用工況下的最佳經(jīng)濟(jì)行駛速比組合，為整車廠商對(duì)新車型的速比匹配及用戶選擇提供重要參考依據(jù)。同時(shí)，本文得出如下結(jié)論。

（1）在一定范圍內(nèi)，應(yīng)用小速比傳動(dòng)系統(tǒng)能提升燃油經(jīng)濟(jì)性，符合當(dāng)前重型商用車速比發(fā)展趨勢(shì)。

（2）設(shè)計(jì)或選擇商用車傳動(dòng)系統(tǒng)速比時(shí)，應(yīng)綜合考慮其使用條件及運(yùn)行工況，以協(xié)調(diào)動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性。