基于WLTC 油耗的某車型機械阻力優(yōu)化分析

明玲玲 叢日振 周延瑞 盧振東 孫旭東

（寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

影響整車油耗的因素有很多，總的來說，提升整車的燃油經(jīng)濟(jì)性可以從以下三個方面入手，一是繼續(xù)挖掘提升發(fā)動機本體的熱效率；二是通過動力總成的標(biāo)定匹配和控制策略的優(yōu)化來使發(fā)動機運行在經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)；三是降低整車的能耗[1-2]。整車的能耗包括克服行駛阻力的能量損失和電器附件消耗的能量，其中整車行駛阻力的一個重要組成部分就是機械阻力。本文以整車機械阻力為優(yōu)化對象，分析機械阻力的構(gòu)成和優(yōu)化方法，通過實車WLTC 循環(huán)工況油耗測試驗證，達(dá)到降低整車油耗的目的。

1 WLTC 循環(huán)介紹

WLTP 測試全程為World Light Vehicle Test Procedure，即世界輕型汽車測試規(guī)程，由日本、美國、歐盟等共同制定，其嚴(yán)格度來說比NEDC 高了不少。該測試分為低速、中速、高速與超高速四部分，其對應(yīng)的持續(xù)時間為589 s、433 s、455 s、323 s，對應(yīng)的最高速度分別為56.5 km/h、76.6 km/h、97.4 km/h、131.3 km/h。詳細(xì)路譜如圖1 所示。

圖1 WLTC 循環(huán)路譜

2 整車機械阻力的構(gòu)成

整車在水平道路上勻速行駛受到的阻力有空氣阻力、滾動阻力和機械阻力。空氣阻力主要受到迎風(fēng)面積及整體造型的影響，其理論計算公式為

式中：CD為空氣阻力系數(shù)，A 為迎風(fēng)面積，u 為汽車行駛速度。

滾動阻力主要與輪胎的材料和規(guī)格相關(guān)，計算公式為

式中：G 為整車行駛過程中所受重力，f 為滾動阻力系數(shù)。

整車的機械阻力本質(zhì)上就是底盤傳動系統(tǒng)自身的摩擦損耗，是動力傳遞過程中形成的阻力損失，也叫底盤的內(nèi)阻，包括變速箱的拖曳力、傳動軸的機械損失，制動卡鉗的拖滯力和輪轂軸承的阻力。

2.1 變速箱的拖曳力

變速箱的拖曳力就是影響變速箱內(nèi)部運動件轉(zhuǎn)動的所有阻力之和，如齒輪在變速箱油中攪動受到的阻力、軸承的阻力、箱體的空氣阻力，還有動力在傳遞的過程中未能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速的打滑損失。某自動變速箱怠速拖曳轉(zhuǎn)矩如圖2 所示。

圖2 拖曳轉(zhuǎn)矩

2.2 傳動軸的機械損失

傳動軸的機械損失主要指的是萬向節(jié)球頭與保持架的摩擦功，可以通過傳動軸的傳動效率來體現(xiàn)，傳動效率越高，機械損失越小。一般情況下，十字軸萬向節(jié)的傳動效率在97%～99%之間。

2.3 制動卡鉗的拖滯力

分析盤式制動器的工作原理，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。當(dāng)踩剎車踏板時，剎車油在管路中建立壓力，壓力傳送到剎車卡鉗上的剎車分泵活塞，卡鉗活塞在受到壓力后，會向外移動并推動剎車片去夾緊剎車盤，使剎車片與剎車盤發(fā)生摩擦，降低車輪轉(zhuǎn)速，使車輛減速或停止。可以看出，制動卡鉗的拖滯力主要分為兩個部分，一是卡鉗與制動盤的摩擦力，另一個是活塞滑動阻力?？ㄣQ活塞設(shè)有回位裝置保證踩剎車后活塞回位；摩擦片分帶回位彈簧和不帶回位彈簧結(jié)構(gòu)，因車型而異。

圖3 盤式制動器結(jié)構(gòu)圖

2.4 輪轂軸承的阻力

輪轂軸承的阻力就是車輪旋轉(zhuǎn)時的摩擦損失，其構(gòu)成的要素及其占比如表1 所示。

表1 輪轂軸承阻力的構(gòu)成

3 整車機械阻力的優(yōu)化和測試驗證

以一款A(yù) 級車為例，進(jìn)行整車底盤相關(guān)件的設(shè)計優(yōu)化，并通過整車轉(zhuǎn)鼓機械阻力測試和油耗測試，驗證優(yōu)化效果[3]。

3.1 整車基本參數(shù)

整車基本參數(shù)如表2 所示。

表2 整車基本參數(shù)

3.2 機械阻力的優(yōu)化方法

依據(jù)機械阻力的構(gòu)成，降低整車機械阻力可以針對變速箱、傳動軸、制動卡鉗和輪轂軸承來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。結(jié)合變更的周期和成本，選擇以下優(yōu)化方案：

1）制動卡鉗活塞回位角由0.8×30°更改為1×30°；

2）八字簧更改為主動回位彈簧，如圖4 所示；

圖4 帶回位彈簧的制動卡鉗

3）卡鉗彈簧片采用特氟龍?zhí)幚恚?/p>

4）卡鉗的關(guān)鍵尺寸加嚴(yán)控制，優(yōu)化后尺寸測試結(jié)果如表3 所示；

表3 優(yōu)化后卡鉗關(guān)鍵尺寸測試 mm

5）輪轂軸承密封圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將三唇改為兩唇。

優(yōu)化后，樣件經(jīng)過單體的阻力測試，制動卡鉗單體的拖滯力由原來的3 N·m 下降到1.5 N·m，輪轂軸承的阻力由原來的1.5 N·m 下降到1 N·m

3.3 機械阻力測試驗證

使用轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行整車機械阻力測試，將車輛固定在轉(zhuǎn)鼓上，變速箱置于空擋。預(yù)熱完成后，測試不同車速下的輪邊機械阻力，從15 km/h 至135 km/h，以5 km/h 為間隔，每個車速測試3 個阻力數(shù)據(jù)取平均值作為該車速下的整車機械阻力值。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前后整車機械阻力測試結(jié)果

從測試結(jié)果分析，卡鉗和輪轂軸承優(yōu)化后整車的機械阻力整體降低，15～135 km/h 車速區(qū)間的平均機械阻力由優(yōu)化前的182 N 下降到171 N。

3.4 整車油耗測試驗證

整車在轉(zhuǎn)鼓上模擬實際道路進(jìn)行循環(huán)工況油耗測試時，整車行駛阻力包括兩個方面：一是整車本身的機械阻力，另一個是轉(zhuǎn)鼓加載的阻力。轉(zhuǎn)鼓加載的阻力需要通過實車的滑行試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖6所示。本次試驗首先基于優(yōu)化前原車的滑行阻力數(shù)據(jù)擬合出轉(zhuǎn)鼓需加載的阻力，原車的WLTC 油耗測試完成后，保持轉(zhuǎn)鼓加載阻力不變，直接進(jìn)行優(yōu)化后的整車WLTC 工況油耗測試。

圖6 原車滑行阻力

整車油耗測試結(jié)果如表4 所示。

表4 WLTC 油耗測試結(jié)果 L/100 km

通過測試驗證，優(yōu)化后WLTC 循環(huán)綜合工況100 km 油耗下降0.11 L，市區(qū)工況下降0.06 L，市郊工況下降0.15 L。從圖7 所示發(fā)動機運行工況點的變化來看，優(yōu)化后的發(fā)動機負(fù)荷整體變小。

圖7 發(fā)動機運行工況點的變化

4 結(jié)論

本文通過對某A 級車底盤制動卡鉗和輪轂軸承的優(yōu)化設(shè)計，并進(jìn)行了轉(zhuǎn)鼓機械阻力和WTCL 循環(huán)工況油耗測試驗證，整車機械阻力平均值下降11 N，WLTC 工況100 km 油耗下降0.11 L。