某款貨車傳動系匹配研究與分析

摘要：針對貨車動力性和燃油經濟性，依照柴油機穩態燃油MAP圖，重點分析了在傳動系最高擋下，整車在滿載、超載、平路面、遇正面風和主要行駛道路的坡道等條件下驅動的可行性，并選取不同規律的傳動系速比方案，針對整車動力性與燃油經濟性的影響展開分析，從中得到優化的傳動系速比方案。

關鍵詞：貨車；發動機；傳動系；匹配

中圖分類號：U463.2 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）03-0030-05

Research and Analysis on Truck Power Train Matching

PU Bei-lei，SHEN Jian，GAO Yong-dong，JIA Bao-li，ZHU Hui

（DFAC Commercial Product RD Institute，Wuhan 430057，China）

Abstract：In accordance with the diesel fuel steady-state MAP figure，selectively do a analysis for the driven feasibility of vehicle under the following conditions as power train in the highest gear.The vehicle under the full load，overload，driving on flat road，encountering positive wind，and the ramp of main driving road.After choose different project of regular power train speed ratio and analyse the influence of vehicle power train，finally get the optimized power train speed ratio project.

Key words: truck；engine；power train；matching

近年來，國家大力推行節能減排政策，汽車排放不斷升級。隨著GB 17691-2005國Ⅲ階段排放標準的全面實施和部分一線城市國Ⅳ排放標準的實施，標志著車用柴油機全面進入電控共軌的技術時代。然而，因排放升級所帶來的發動機燃油經濟性的“損失”已成為業界公認的趨勢。另外，國際油價近幾年來的上升帶動了國內車用柴油價格上揚，進而迫使汽車用戶非常關注油耗，這從另一方面促使汽車研發人員必須注重整車燃油經濟性，注重汽車傳動系與發動機的匹配工作。

本文依據這一技術背景，引用一個貨車車型案例，針對整車動力性和燃油經濟性的目標要求，選取不同規律的傳動系速比方案，依照柴油機穩態燃油MAP圖，對汽車傳動系統進行了全面完整的匹配分析。

某款載貨汽車，滿載總質量為12 420 kg，采用某款118 kW國Ⅲ排放發動機，其最大扭矩為600 Nm，額定功率點轉速為2 500 r/min，要求使用6擋變速箱和9.00R20-16PR輪胎。動力性要求滿足一擋最大爬坡度不小于28％，最高車速95 km/h，同時具有較好的燃油經濟性。此車型主要用于城際公路運輸，主要行駛路面為高速公路和一、二級公路。

1 確定傳動系最大和最小傳動比范圍

由于實現最高車速和最大爬坡度是汽車有級傳動系的兩頭目標（高速和低速驅動），所以在發動機已確定的前提下，應最先明確貨車有級傳動系的最大和最小傳動比。本案例匹配傳動系速比的第一步是確定傳動系最低擋和最高擋（本案例為6擋）的傳動比。

1擋傳動比應滿足以下計算式：

最高擋傳動比應滿足以下計算式：

同時進行最高車速下的動力校核：

注：式（3）考慮到發動機附件消耗和發動機動力出廠允許偏差。

通過計算，得出本車型的傳動系最低擋傳動比應不小于31.5，傳動系最高擋傳動比應不大于4.9。因Pe≥96 kW，所以發動機動力滿足整車最高車速的需求。

傳動系現有資源如下：（1）變速箱速比為5.606，3.627，2.313，1.487，1.000，0.79，R5.045；（2）后橋速比為5.83，此時傳動系最低擋傳動比為32.7，最高擋傳動比為4.6，均滿足條件。

2 最高擋動力性和經濟性分析

依照案例車型在高等級路面行駛、高車速和高擋位的使用特點，整車設計中應重點關注傳動系最高擋和次高擋的設計，這種設計的關注方向既應有動力性，也應有燃油經濟性。

2.1 最高擋動力性分析

計算動力性需用如下計算式：

式中，uw代表正面風速，其余符號同文獻［1］。

在本案例的整車動力性計算分析時，增加風速和坡道對車輛正常行駛的影響分析。因案例車型常行駛于高等級路面，所以采用以下數據進行分析。

（1）GB/T 19201-2006《熱帶氣旋等級》規定：3級風風速為3.4～5.4 m/s，4級風風速為5.5～7.9 m/s。本文按上限值進行計算。

（2）JTG B01-2003《公路工程技術標準》規定：限速120 km/h的高速公路最大縱坡不大于3％，限速100 km/h的一級公路最大縱坡不大于4％。

依據上述計算式，先以整車滿載、傳動系最高擋速比為4.6為條件進行計算，將計算結果在發動機穩態燃油MAP圖上表達出整車負載運行曲線（見圖1），并進行分析。

從圖1中可以看出，整車滿載可以實現正常的高速行駛，如遇3級或4級正面風，或遇1%的坡道，基本可以實現正常的高速行駛；如遇2%坡道可以在80 km/h（對應發動機轉速為2 000 r/min）以下的車速正常行駛。對于3%的坡道，整車負載運行曲線超出發動機外特性曲線，無法驅動，需要降低車速并做降擋操作，才能實現驅動。

國內用戶超載現象較為普遍，超載使用已成為不容爭辯的事實和汽車設計無法回避的技術問題。根據市場調查，購買案例車型的用戶多數情況下有超載50%的使用特點，因此這里需要校核超載50%（總質量16 000 kg）時的使用工況，以上述同樣的方法在穩態燃油MAP圖上作出整車負載運行曲線（見圖2）。

從圖2可以看出，超載50%以后，整車可以實現正常的驅動；遇1%坡道或遇3級、4級正面風，也可以實現正常的驅動；但遇到2%的坡道就無法驅動，需要減速降擋操作。

以上是整車最高擋動力性分析，可以看出傳動系最高擋速比4.6的方案較好。可以滿足整車滿載、超載50%的平路面驅動要求，也基本可以適應這些載荷條件下的1％坡道路、3級或4級正面風的行駛要求。

2.2 最高擋經濟性分析

貨車車機匹配以發動機穩態燃油MAP圖為載體進行設計匹配。對動態驅動作這樣的假想：即穩態油耗低的區域，其動態油耗也相應低。因此貨車經濟性分析以發動機穩態燃油MAP圖為計算基礎。

根據《JT-719-2008營運貨車燃料消耗量限值及測量方法》中的規定，計算整車滿載最高擋40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h的等速油耗。計算式如下：

結合計算式（4）、（5）、（6）、（7)計算等速油耗。 b值通過在圖1、2中讀數取得，然后計算綜合油耗：

式中，Qi為第i個車速的等速油耗，ki為第i個車速油耗所占的比重。

JT-719-2008中規定的普通載貨汽車在各規定車速下的等速燃油消耗量權重系數見表1。

本案例車型屬于JT-719-2008中規定的總質量在11 000～13 000 kg范圍內的普通載貨汽車，對應第二階段的燃油消耗量限值為21.4 L/100km。通過上述方法算出整車滿載綜合油耗為17.24 L/100 km，小于JT-719-2008規定的限值。

解讀JT-719-2008發現，此標準對于普通載貨汽車主要關注40～80 km/h的等速油耗，特別是80 km/h的油耗。然而用戶調查顯示，本案例車型的用戶因經常行駛在高等級公路上，普遍關注90～95 km/h的油耗，與JT-719-2008關注點有差異，因此，據式（4）、（5）、（6）、（7）計算此車速下（90 km/h）的整車滿載和超載50%時的等速油耗，結果分別為21.7 L/100km和25.1 L/100km。據掌握的數據分析，此結果在同類產品中處于較好的水平。

通過上述分析和比較，最高擋傳動系速比4.6的方案合理。

3 擋間比設計分析

3.1 擋間比設計的必要性

由于發動機工作效率的差異，所以傳動系最高擋和最低擋下的整車負載運行線上的發動機工作效率有明顯的差異，分析結果見圖3和表2。

表2顯示：如發動機在2 400 r/min工作時，發動機工作效率變動幅度就高達44%，表明發動機的工作效率差異較大。因此從發動機工作效率的發揮看，有必要在最高擋和最低擋中合理選取傳動系擋位，充分利用發動機效率較高的區域。從車輛驅動看，從車輛起步到最高車速，從保證車輛在任一車速時均能驅動的要求看，也應在傳動系最高擋和最低擋中設計中間擋位。中間擋位設計的要點是：（1）各擋之間的換擋應能“連續”；（2）在低擋向高擋換擋時，應保證在低擋位發動機處于中速時換擋，換入高一擋后的發動機理論匹配轉速不應落入低速非穩定區。

3.2 擋間比方案設定

對于擋間比的選擇，大學教材［1］中提到等比級數分配，以及有貨車使用ig1/ig2＞ig2/ig3＞ig3/ig4＞…＞ign-1/ign的分布關系。然而教材僅有一些定性分析，缺少全面完整的論證。

本文案例車型的傳動系最低擋速比與最高擋速比的比值為7.1，必須設計變速箱中間擋，才能保證整車驅動的“連續”。為研究變速箱中間擋設計對整車動力性與燃油經濟性的影響，選定變速箱最高擋和最低擋速比不變，設定了3種不同擋間比規律的中間擋速比方案，分別為遞減、等比、遞增規律，并與供應商現有變速箱速比（方案四）進行對比。4種方案的變速箱速比及擋間比對比見表3。

3.3 燃油經濟性對比

本案例車型在高等級路面高車速行駛的使用特點決定了高擋位使用的要求。由于手動變速箱屬于有級傳動，其擋位的布局設計既要考慮傳動的“連續”，又要兼顧駕駛者換擋操作水平的差異，設計結果是在中間擋位及同一車速的情況下，有兩擋甚至三個擋均可滿足驅動要求，存在擋位使用重疊。 從燃油經濟性優先的要求看，手動變速箱換擋要用高擋使用原則，即盡可能換入該車速下可使用的最高擋。

針對本案例車型高擋位使用多的要求，應關注變速箱最高擋和次高擋的設計。4種方案因最高擋傳動比相同而整車最高擋的動力性和經濟性無差異，所以針對次高擋（5擋）分析，討論30～60 km/h的等速油耗。

在穩態燃油MAP圖上做5擋60 km/h的等功率曲線，見圖4。并讀取發動機在此工況下的燃油消耗率（即b值）。

可以看出，因為ig5的區別，方案一和方案四此時的b值最小，即在此工況下，方案一、四的發動機工作效率高。

計算得出4種方案5擋下的等速油耗，結果見圖5。

以方案一的計算油耗數據為基礎，其余方案相對方案一的油耗差異見表4。

通過表4可以看出，方案一相對方案二、三在油耗方面具有優勢，與方案四持平。

3.4 加速動力性分析

因為4種方案的傳動系最低擋和最高擋速比相同，所以滿載最大爬坡度和最高車速都相同。因中間擋設計有差異，所以對加速性能有影響。選取常用的0～60 km/h和0～80 km/h的原地起步連續換擋加速，及20～60 km/h和30～80 km/h超車加速，進行加速動力性分析。通過軟件計算4種方案的加速性能，計算時設定以下條件：(1)發動機轉速上升至2 500 r/min時換入高一擋位；(2)每次換擋均耗時1.5 s。得出的計算結果如圖6所示。

從圖6可以看出：（1）4種方案在進行0～60 km/h起步換擋加速時，所需時間基本相同；（2）方案二、四在20～60 km/h的加速中優于方案一、三；（3）方案一、四在0～80 km/h起步換擋加速和30～80 km/h加速上有優勢。

3.5 方案對比小結

從4種方案的對比中可以看出：

（1）遞增擋間比方案在低速動力性方面表現較好，但優勢不明顯，而且對高速擋換擋輕便性有一定的負面影響，一般不采用；

（2）遞減擋間比方案的經濟性方面表現優異，僅低速動力性略差；

（3）等比擋間比在動力性和經濟性方面都介于上述兩者之間；

（4）先等比后遞減的擋間比方案具有最好的綜合優勢。

4 結論

本文針對案例貨車車型的動力性和燃油經濟性，依照柴油機穩態燃油MAP圖，重點分析了在傳動系最高擋下，整車在多工況下驅動的可行性，并采用4種不同規律的傳動系速比方案，針對整車動力性與燃油經濟性展開分析，從中得到優化的傳動系速比方案。文中涉及的研究方法和分析結論已在研發實踐中得到應用并取得實效。

參考文獻:

［１］ 余志生. 汽車理論［Ｍ］. 北京: 機械工業出版社，2000：62-65.