環(huán)境溫度對(duì)整車起動(dòng)阻力矩的影響研究

陳亮，王臻華

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

1 引言

隨著汽車的普及，汽車用戶對(duì)汽車性能的了解越來越全面，對(duì)整車性能的要求也越來越高。冬季，中國(guó)大部分地區(qū)最低氣溫在0℃以下，北方地區(qū)氣溫一般在-25℃左右，個(gè)別地區(qū)最低氣溫甚至達(dá)到-40℃左右。汽車的起動(dòng)性能直接影響車輛的機(jī)動(dòng)性能，特別是在寒冷地區(qū)，起動(dòng)性能尤為重要。此外，汽車起動(dòng)性能還與汽車的排放、燃油消耗、汽車運(yùn)動(dòng)件的過度磨損等息息相關(guān)。

在整車低溫起動(dòng)標(biāo)定過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩的輸入往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值或發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，但實(shí)際整車在某一低溫狀態(tài)下某款發(fā)動(dòng)機(jī)的阻力矩究竟是多少并沒有仔細(xì)研究過。這就容易導(dǎo)致標(biāo)定輸入數(shù)值與實(shí)際不符，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中ECU接收錯(cuò)誤的指令，造成燃油噴射過多浪費(fèi)燃料，或者燃油噴射過少無法正常起動(dòng)。葛勝迅等的發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩測(cè)試方法研究中明確了底盤測(cè)功機(jī)測(cè)量整車發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩的優(yōu)勢(shì)，但沒有對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩做深入研究。發(fā)動(dòng)機(jī)著火后松開離合器要進(jìn)入暖機(jī)狀態(tài)，首先需要克服變速器輸入軸的阻力矩沖擊并帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，低溫導(dǎo)致變速器齒輪油流動(dòng)性變差攪動(dòng)阻力變大，尤其重型卡車變速器齒輪大、油量大，低溫下變速器輸入軸的阻力矩更大，松開離合器后更易導(dǎo)致剛著火的發(fā)動(dòng)機(jī)受到阻力矩沖擊自行熄火，無法正常進(jìn)入暖機(jī)狀態(tài)。目前各主機(jī)廠對(duì)變速器輸入軸阻力矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的影響研究不足，基于整車開展的相關(guān)測(cè)試寥寥無幾。

車輛暖機(jī)結(jié)束后汽車起步過程中需要克服底盤系統(tǒng)的阻力，尤其在寒冷的冬季由于冰雪的原因，底盤系統(tǒng)的阻力會(huì)更大。底盤阻力矩輸入不準(zhǔn)確也會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在起步標(biāo)定時(shí)無法與變速器完美配合，起步時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩過大會(huì)導(dǎo)致沖擊感太強(qiáng)，輸出扭矩過小會(huì)導(dǎo)致起步失敗或熄火，都會(huì)給客戶帶來不好的駕駛體驗(yàn)。

本文通過測(cè)試某款MPV車型在不同溫度下的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部阻力、變速器輸入軸阻力和底盤系統(tǒng)阻力，來研究整車起動(dòng)阻力矩隨溫度的變化趨勢(shì)，為整車發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的標(biāo)定以及降低發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤系統(tǒng)阻力的研究奠定基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)車輛固定在底盤測(cè)功機(jī)上，將底盤測(cè)功機(jī)設(shè)定為恒速模式拖動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，分別測(cè)量整車在帶擋狀態(tài)下離合器連接和離合器斷開狀態(tài)時(shí)車輛驅(qū)動(dòng)輪輪胎與轂面相切處的力F與速度V，如圖1所示。

圖1 底盤測(cè)功機(jī)測(cè)試示意圖

兩種狀態(tài)下測(cè)得 的 力F和F，根據(jù)公式（1）計(jì)算出對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩T，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車速的換算見公式（2）。

式中：T——發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩，Nm；η——傳動(dòng)效率；F——離合連接狀態(tài)的輪邊力，N；F——離合器斷開狀態(tài)的輪邊力，N；r——輪胎滾動(dòng)半徑，m；i——變速器擋位速比；i——主減速器速比。

式中：V——車速，km/h；n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

變速器輸入軸阻力的測(cè)量同樣將底盤測(cè)功機(jī)設(shè)定為恒速模式拖動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量踩離合狀態(tài)下帶擋和不帶擋狀態(tài)時(shí)的車輛驅(qū)動(dòng)輪輪胎與轂面相切處的力F與速度V，兩種狀態(tài)下測(cè)得的力F和F，根據(jù)公式（3）計(jì)算出對(duì)應(yīng)的變速器輸入軸阻力矩T，根據(jù)公式（4）計(jì)算底盤阻力矩T。

式中：F——帶擋狀態(tài)的輪邊力，N；F——不帶擋狀態(tài)的輪邊力，N。

3 試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

試驗(yàn)前試驗(yàn)樣車需更換-30℃或以下溫度使用的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油、變速器齒輪油和防凍液，并布置油溫和冷卻液溫傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油溫和冷卻液溫度。為保持試驗(yàn)條件的一致性，減少不必要的因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，常溫和低溫測(cè)試時(shí)車輛狀態(tài)保持一致。

3.2 試驗(yàn)環(huán)境溫度

為節(jié)省能源、提高效率，試驗(yàn)溫度分常溫和低溫設(shè)定，在常溫下驗(yàn)證測(cè)試方法有效后再開展低溫測(cè)試，設(shè)定溫度為：常溫20℃，低溫-25℃、-30℃。

3.3 試驗(yàn)步驟

3.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩試驗(yàn)

將測(cè)試車輛按要求固定在帶有環(huán)境倉(cāng)的轉(zhuǎn)轂上，整車斷電并連接好數(shù)據(jù)采集器，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)車輛照片

將環(huán)境倉(cāng)溫度設(shè)置為20℃，待車輛浸置至整車溫度與環(huán)境溫度一致后開始試驗(yàn)。調(diào)整底盤測(cè)功機(jī)數(shù)據(jù)采集頻率并設(shè)定為恒速模式，將試驗(yàn)車輛變速器擋位置于Ⅰ擋，依次輸入發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間為0～800r/min、步長(zhǎng)為50r/min對(duì)應(yīng)的車速，測(cè)量對(duì)應(yīng)車速下離合器斷開和離合器連接的輪邊力，每種狀態(tài)每個(gè)速度點(diǎn)測(cè)量?jī)纱?，取平均值代入公式?）計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩。

其余兩個(gè)低溫溫度點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩的測(cè)量，將環(huán)境倉(cāng)溫度設(shè)置為對(duì)應(yīng)的測(cè)試溫度，待車輛浸置至與環(huán)境溫度一致后，按照同樣的步驟進(jìn)行。

3.3.2 變速器輸入軸阻力矩試驗(yàn)

在某一試驗(yàn)環(huán)境溫度下，待發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試驗(yàn)車輛繼續(xù)浸置，待整車溫度與環(huán)境溫度一致后開始試驗(yàn)。底盤測(cè)功機(jī)設(shè)定為恒速模式，使試驗(yàn)車輛的離合器處于斷開狀態(tài)，依次輸入?yún)^(qū)間為5～35km/h、步長(zhǎng)為5km/h的車速，測(cè)量Ⅰ擋和空擋時(shí)各車速點(diǎn)的輪邊力，每種狀態(tài)每個(gè)速度點(diǎn)測(cè)量?jī)纱危∑骄荡牍剑?）計(jì)算變速器輸入軸阻力矩。其余兩個(gè)低溫溫度點(diǎn)底盤阻力矩的測(cè)量，將環(huán)境倉(cāng)溫度設(shè)置為對(duì)應(yīng)的測(cè)試溫度，待車輛浸置至與環(huán)境溫度一致后，按照同樣的步驟進(jìn)行。

各測(cè)溫點(diǎn)下測(cè)試變速器輸入軸阻力矩時(shí)，離合器斷開狀態(tài)空擋時(shí)，各速度點(diǎn)測(cè)得的輪邊力的平均值代入公式（4）計(jì)算底盤阻力矩。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩

對(duì)某公司生產(chǎn)的某款MPV車型測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩測(cè)試結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速200r/min以下對(duì)應(yīng)的速度點(diǎn)測(cè)試時(shí)，車輛抖動(dòng)較嚴(yán)重，車輪與底盤測(cè)功機(jī)轂面易產(chǎn)生滑移導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，故剔除該段數(shù)據(jù)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，常溫時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩基本隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增大。低溫時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小，并且溫度越低最大阻力矩的轉(zhuǎn)速點(diǎn)越低，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)阻力主要來源于內(nèi)部摩擦阻力，這一結(jié)果跟發(fā)動(dòng)機(jī)自身結(jié)構(gòu)及材料的熱脹冷縮特性相對(duì)應(yīng)。隨著溫度的降低，發(fā)動(dòng)機(jī)平均阻力矩的變化趨勢(shì)如圖3所示，-25℃以上發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩隨著溫度的降低逐漸增加，平均增加幅度為0.73Nm/℃，但-25℃以下隨著溫度的降低幾乎呈直線上升，增加幅度為5.92Nm/℃。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)平均阻力矩曲線圖

3.4.2 變速器輸入軸阻力矩

變速器輸入軸的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 變速器輸入軸阻力矩測(cè)試結(jié)果

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，20℃和-25℃在同一環(huán)境溫度下，各速度點(diǎn)變速器輸入軸的阻力矩差異不大，-30℃時(shí)差異比較明顯，隨著車速的增加呈逐漸減小的趨勢(shì)。變速器輸入軸的阻力主要來源于輸入軸攪動(dòng)齒輪油的阻力，這一測(cè)試結(jié)果與齒輪油的低溫流動(dòng)性相對(duì)應(yīng)。隨著溫度的降低，變速器輸入軸阻力矩的變化趨勢(shì)如圖4所示，-25℃以上變速器輸入軸阻力矩隨著溫度的降低逐漸增加，平均增加幅度為0.027Nm/℃，但-25℃以下隨著溫度的降低幾乎呈直線上升，增加幅度為1.22Nm/℃。

圖4 變速器輸入軸平均阻力矩曲線圖

底盤阻力主要來源于變速器輸出軸和主減速器攪動(dòng)齒輪油的阻力，跟齒輪油的低溫流動(dòng)性相關(guān)，底盤阻力矩特性與變速器輸入軸基本一致，在變速器輸入軸阻力矩的測(cè)試過程中已測(cè)出，這里就不再詳細(xì)贅述。

3.5 試驗(yàn)時(shí)注意事項(xiàng)

試驗(yàn)過程中為避免由于各速度點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間拖動(dòng)使發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器油溫升高，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，試驗(yàn)時(shí)采用高頻率采集、短時(shí)間測(cè)試的方法進(jìn)行，采集頻率10Hz，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)3s。測(cè)試過程中時(shí)刻監(jiān)測(cè)記錄油溫?cái)?shù)據(jù)，油溫若超出要求范圍，應(yīng)停止試驗(yàn)浸置車輛，待油溫滿足要求后再開展試驗(yàn)。

4 結(jié)束語

本文概述了影響發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的兩個(gè)主要阻力因素（發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部阻力和變速器輸入軸阻力力矩）的試驗(yàn)原理和計(jì)算方法，并對(duì)試驗(yàn)方法和試驗(yàn)步驟做了介紹?；谡嚨南嚓P(guān)阻力矩測(cè)試可以借鑒進(jìn)行，測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)于整車發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器標(biāo)定數(shù)據(jù)的輸入有極大的幫助。

本文通過實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩和變速器輸入軸阻力矩隨溫度的變化趨勢(shì)，并敘述了造成各自變化趨勢(shì)的主要原因，為降低低溫環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩和變速器輸入軸阻力矩提供了參考依據(jù)。