傳動(dòng)系對(duì)工程車輛整車性能的影響

周 洋，張福生，郝楠楠

(太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024)

傳動(dòng)系對(duì)工程車輛整車性能的影響

周 洋，張福生，郝楠楠

(太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024)

通過積分的方法分析了傳動(dòng)系中主減速器傳動(dòng)比對(duì)工程車輛整車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，給設(shè)計(jì)人員提升車輛燃油經(jīng)濟(jì)性提供理論參考。

傳動(dòng)系；主減速比；燃油經(jīng)濟(jì)性；工程車輛

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)工程車輛使用量的持續(xù)增長(zhǎng)，市場(chǎng)對(duì)其的認(rèn)可度也顯著增加，為市場(chǎng)提供高動(dòng)力低油耗的工程車輛成為當(dāng)今企業(yè)的核心目標(biāo)。因此，在保證工程車輛滿足工作動(dòng)力的前提下，降低其燃油消耗量，可以降低車輛的使用費(fèi)用、節(jié)約資源，并且減少車輛的尾氣排放，凈化空氣，有利于操作人員的健康。車輛的主減速器傳動(dòng)比影響著工程車輛整車的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，為了給設(shè)計(jì)人員提供有效的依據(jù)，本文分析了傳動(dòng)系對(duì)工程車輛整車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 工程車輛動(dòng)力的總體匹配

在工程車輛的設(shè)計(jì)和使用過程中，并不是選用動(dòng)力性能良好的發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)精度高的部件就能有效地提高車輛的性能，而是需要通過良好的匹配來有效地利用車輛的各部件才能更好地提高車輛的性能。車輛動(dòng)力的總體匹配主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的匹配，以及與變速箱各檔位速比的匹配。車輛的動(dòng)力來源于發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的能量，通過車輛各部件的相互配合來完成相應(yīng)的工作，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞到傳動(dòng)系統(tǒng)、工作液壓系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。在設(shè)計(jì)工程車輛時(shí)，常通過計(jì)算出的數(shù)據(jù)來選取市場(chǎng)上相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)等部件，這樣雖然能滿足動(dòng)力上的需求，但是往往耗油量比較大[1]。

2 工程車輛的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性能

工程車輛動(dòng)力性能的評(píng)定指標(biāo)包括：車輛在水平路面的最高車速、百公里加速時(shí)間、允許的最大爬坡度。要確定車輛的動(dòng)力性就要確定其行駛方向的運(yùn)動(dòng)狀況，通過車輛受到的各種外力，可以建立車輛行駛的力平衡方程：

FT=∑F=Ff+Fw+Fi+Fj.

(1)

其中：FT、Ff、Fw、Fi、Fj分別為驅(qū)動(dòng)力、滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡度阻力和加速阻力。

車輛燃油經(jīng)濟(jì)性是指在滿足動(dòng)力的前提下，車輛盡可能少地使用燃油而行駛的能力。車輛在行駛過程中遇到的工況有起步、等速行駛、加減速行駛以及怠速行駛等，由于外部環(huán)境對(duì)工程車輛起步與加減速工況的耗油和動(dòng)力性能影響比較大，模擬總結(jié)的數(shù)據(jù)不夠真實(shí)，所以本文只對(duì)等速行駛的工況耗油和動(dòng)力性能進(jìn)行比較與分析。車輛等速行駛工況燃油消耗量Q(mL/s)的計(jì)算公式為：

(2)

其中：P為發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，kW；ge為燃油消耗率，g/(kW·h)；va為車輛行駛的速度，m/s；ρ為燃油密度，g/mL；g為重力加速度。

3 主減速器傳動(dòng)比的選擇及對(duì)車輛的影響

主減速器的功能是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速在驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)進(jìn)行第二次減速增矩，可以有效地增加車輛驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的工作范圍，使車輛能夠在復(fù)雜的工作環(huán)境下運(yùn)行自如。但是需要考慮動(dòng)力性能與燃油經(jīng)濟(jì)性能，所以主減速器在匹配的過程中需要滿足以下條件：

(1) 在車輛允許的最高穩(wěn)定車速vmax內(nèi)，主減速器傳動(dòng)比i0需要滿足：

(3)

其中：r為車輪的半徑，m;np為發(fā)動(dòng)機(jī)在最高穩(wěn)定車速下的轉(zhuǎn)速，r/min；vmax為車輛能夠達(dá)到的最高車速，km/h。

(2) 在發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速內(nèi)能夠發(fā)揮最大功率時(shí)，主減速器傳動(dòng)比i0需要滿足：

(4)

其中：ne為發(fā)動(dòng)機(jī)在最大輸出功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，r/min；vemax為最大輸出功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的車速，km/h。

主減速器傳動(dòng)比需要滿足式(3)和式(4)的約束條件來確定其初步的范圍[2]。

主減速器傳動(dòng)比對(duì)車輛的整體動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性影響極大，主減速器傳動(dòng)比不同，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率也有所不同，當(dāng)外部阻力功率曲線交于發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線的最大功率點(diǎn)上時(shí)，該車輛的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性是最好的，即：

(5)

其中：v為車速，km/h。

當(dāng)主減速器傳動(dòng)比變化之后，要保證車輛還能夠滿足相應(yīng)的速度，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速必定發(fā)生改變，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)矩和輸出功率都有所改變。圖1為主減速器傳動(dòng)比i0不同時(shí)車輛功率平衡圖。由圖1發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主減速器傳動(dòng)比的值增加時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的后備功率相對(duì)增加，油耗增加，燃油經(jīng)濟(jì)性變差[3]。相反，當(dāng)主減速器傳動(dòng)比的值變小時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的利用功率比較高，后備功率減小，燃油經(jīng)濟(jì)性得到改良，但是動(dòng)力性能有所降低。

圖1 主減速器傳動(dòng)比i0不同時(shí)車輛功率的平衡圖

4 工程車輛油耗和動(dòng)力性能的分析

工程車輛大多是在低速或怠速狀態(tài)下進(jìn)行施工作業(yè)的，由于在車輛工作狀態(tài)下，施工強(qiáng)度無法進(jìn)行預(yù)測(cè)和判斷，因此本文主要論述其在低速狀態(tài)下行走或工作時(shí)單位時(shí)間內(nèi)額定油耗。

車輛等速工作時(shí)在單位時(shí)間內(nèi)油耗Qx(mL/s)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

(6)

其中：t為車輛穩(wěn)定時(shí)間，s 。

車輛在穩(wěn)定工作時(shí)，車速由v1提高到v2的燃油消耗量通過積分的方法可以表示為：

(7)

其中：n1為車速在v1下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min;n2為車速在v2下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；n為發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min。

車輛在這段提速過程中工作時(shí)的動(dòng)力性能通過積分的方法可以表示為：

(8)

其中：F為車輛的牽引力，N。

圖2 為主減速器傳動(dòng)比為i0時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線。其中，M為發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，Q1的面積(陰影部分)代表在v1～v2之間的燃油消耗，P1(陰影部分)代表其輸出功率及動(dòng)力性能。

圖2 主減速器傳動(dòng)比為i0時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線

主減速器傳動(dòng)比的值i0減小時(shí),要保證車速的穩(wěn)定性，由式(5)可知需要減小發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣就得到了如圖3所示的曲線。其中，Q2和P2為i0改變之后的燃油消耗量和輸出功率。對(duì)比圖2與圖3發(fā)現(xiàn)，Q2的面積比Q1減小了，P2的面積也小于P1的，說明該車輛的經(jīng)濟(jì)性有所改良,動(dòng)力性能有所減弱。

圖3 主減速器傳動(dòng)比i0變小后發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線

5 結(jié)論

工程車輛由于不像普通轎車能夠在良好的路況下行走，因此在考慮工程車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性時(shí)，不能依靠百公里耗油來進(jìn)行評(píng)估，而大多數(shù)是靠小時(shí)耗油來進(jìn)行分析的。

車輛的主減速器傳動(dòng)比影響著工程車輛的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)主減速器傳動(dòng)比減小時(shí)，發(fā)現(xiàn)其動(dòng)力性能是有所下降的，但經(jīng)濟(jì)性能卻有所提高。當(dāng)主減速器傳動(dòng)比增加時(shí)，車輛的后備功率有所增加，相對(duì)動(dòng)力性能有所提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗增加，經(jīng)濟(jì)性降低。所以可以考慮通過降低主減速器的傳動(dòng)比來提高工程車輛的經(jīng)濟(jì)性，降低工作成本，提高工程的收益。

[1] 林慕義，張福生.車輛底盤構(gòu)造與設(shè)計(jì)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[2] 陳繼龍.汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)仿真的研究[D].西安:西安科技大學(xué),2013：17-18.

[3] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

Influence of Transmission System on Construction Vehicle Performance

ZHOU Yang, ZHANG Fu-sheng, HAO Nan-nan

(School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of China, Taiyuan 030024, China)

The effect of drive train on the construction vehicle performance is analyzed using the integral method, which reveals the influence of main reducer gear ratio on power performance and fuel economy of vehicles. This work provides a reference to the design personnel for improving fuel economy in the future.

drive train; main reduction ratio; fuel economy; construction vehicle

1672- 6413(2015)06- 0019- 02

2015- 05- 04；

2015- 10- 12

周洋(1989-)，男，山西臨汾人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

U461.8∶U461.2

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