基于典型用戶使用工況的重型載貨汽車動力傳動系統匹配研究

張艷輝　張偉軍　鄧陽慶　范家政　王肇宇

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春130011）

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基于典型用戶使用工況的重型載貨汽車動力傳動系統匹配研究

張艷輝張偉軍鄧陽慶范家政王肇宇

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春130011）

【摘要】以重型載貨汽車動力傳動系統為研究對象，基于典型用戶使用工況對其進行匹配研究。論述了整車動力傳動系統匹配中評價指標的重要作用，結合用戶實車試驗數據，應用數據統計理論統計出發動機負荷分布并解析該車行駛循環工況。基于所建行駛循環工況，利用CRUISE軟件建立整車模型，并進行動力傳動系統匹配仿真分析。以動力性和燃油經濟性為雙目標函數進行傳動系統匹配選優，使汽車動力性和經濟性提升。

1　前言

汽車的動力性與燃油經濟性是汽車性能優劣最基本的評價指標，因此汽車動力性與燃油經濟性優劣的評價方法顯得尤為重要，只有找到符合用戶實際使用情況的評價指標才能為其優劣評價和動力傳動系統的匹配優化提供重要依據［1］。

自20世紀70年代起，各國為能正確模擬汽車行駛工況，在測定汽車典型用戶實際行駛工況的基礎上，制訂了嚴格的法規試驗循環，如歐洲的NEDC循環、美國的FTP75循環、日本的10-15循環等。此外，還開發了許多實際的汽車行駛循環工況，據相關資料統計［2］，用于各種不同用途的工況大約有70種。由于國內自主開發先進排放控制、節能技術車輛的緊迫需要，一些院所和企業嘗試研究了地域性或具體車型的行駛工況，但研究絕大多數都是基于乘用車和城市客車的，載貨汽車行駛循環工況因試驗周期長、費用巨大且載貨汽車種類繁多、使用類別差別大而研究較少。

2　傳統動力傳動系統匹配存在的問題

針對用戶使用工況的整車動力傳動系統匹配還不成熟，沒有形成整車動力傳動系統匹配正向開發流程規范。在傳統動力傳動系統匹配中經常出現如下問題。

按照GB/T12543、GB/T12545.2-2001中規定的動力性與燃油經濟性評價指標進行車輛的動力傳動系統匹配，經常會偏離用戶的實際使用工況，而導致用戶在實際使用中對車輛動力性及燃油經濟性的不滿。

為了驗證評價指標對汽車動力性與燃油經濟性評價及動力傳動系統匹配的影響，基于CRUISE軟件對某款重型載貨汽車建立整車仿真模型，并根據GB/T12543、GB/T12545.2-2001以及某地區用戶使用典型情況（用戶多工況選用GB/T27840-2008中WTVC工況）分別選取不同的動力性和燃油經濟性評價指標，求解匹配不同主減速比的整車動力性和燃油經濟性結果。整車模型計算結果如表1所列。商用車6工況曲線、WTVC工況曲線如圖1所示。

表1　整車模型仿真計算結果

圖1　典型工況對比

表1中國標選取的評價指標與用戶實際頻率使用的評價指標差別很大。通過對比主減速比為3.73與4.4的兩組數據可知，基于國標評價指標，主減速比3.73的經濟性提高了14.0％，而動力性卻降低了51.9％；但基于用戶評價指標，經濟性僅提高3.2％，動力性僅降低29.5％。因此，選取不同的整車行駛循環工況造成動力性和經濟性結果的差異較大，從而導致動力傳動系統匹配選優結果不同，所以選擇符合用戶實際情況的評價指標至關重要。

3　用戶使用工況研究

整車行駛循環工況主要用于確定車輛污染物排放量和燃油消耗量、新車型的技術開發和評估等。由于整車行駛循環工況反映車輛使用條件（路面狀況、駕駛行為、交通環境等）對車輛各種性能的影響，所以其是改進和提高車輛各種性能所必需的［3］。重點介紹某地區重型普通載貨汽車用戶使用工況研究結果，結合用戶試驗項目，對某地區用戶車輛進行用戶使用情況調研以及跟車實際數據采集試驗，應用數理統計和多參數統計理論對發動機負荷分布進行統計分析并提取普通載貨汽車典型用戶的行駛循環工況。

3.1發動機負荷分布

3種路況發動機負荷分布如圖2～圖4所示。

圖2　城市公路發動機負荷分布

圖3　一般公路發動機負荷分布

圖4　高速公路發動機負荷分布

由圖2～圖4可知，在不同路況下發動機負荷分布的常用工作區位置有明顯差異。在城市公路常用工作區高度集中于一個區域，即發動機低速低負荷區（轉速為600～1 100 r/min、扭矩為0～200 N·m），其所占比重約為65.6％。在一般公路該區域所占比重降為44.1％，該區域的集中度有所下降，其它區域的比重明顯增大。在高速公路該區域比重降至16.2％，此時高度集中于發動機中速中負荷區（轉速為1 300～1 600 r/min、扭矩為100～600 N·m），此時正好處于發動機的最佳經濟區。

3.2用戶使用工況研究

構建城市公路、一般公路以及高速公路等3種路況下的整車行駛循環工況，如圖5～圖7所示。該3種路況下的循環工況都表現為速度—時間曲線，其特征參數如表2所列。

圖5　城市公路整車行駛循環工況

圖6　一般公路整車行駛循環工況

圖7　高速公路整車行駛循環工況

表2　各路況下整車循環工況的特征參數

4　基于用戶使用工況動力傳動系統匹配仿真分析

4.1某普通載貨汽車主要總成結構及技術參數

某普通載貨汽車的主要總成結構及技術參數見表3。

表3　主要總成結構及技術參數

4.2整車模型

利用AVL CRUISE v2009軟件提供的部件模型庫，通過定義車輛各部件的性能參數和各部件之間的邏輯關系，建立某普通載貨汽車的仿真分析模型如圖8所示。

圖8　普通載貨汽車的CRUISE整車仿真模型

4.3仿真結果分析

仿真結果如表4所列。

表4　仿真結果對比分析

4.3.1否決指標

最高車速和Ⅰ擋最大爬坡度代表汽車動力性能的極限能力，其需要滿足設計目標要求（最高車速≥100 km/h、Ⅰ擋最大爬坡度≥22％）。因此，以最高車速、Ⅰ擋最大爬坡度作為否決指標，只要該兩個設計指標滿足設計目標要求即可；若該兩個設計指標沒有達到設計目標要求時，該車型所選擇的動力傳動系統就被否定。

4.3.2目標函數

基于表4中的仿真結果，通過最高車速和Ⅰ擋最大爬坡度兩項否決指標判別后，整車動力傳動系統匹配優化主要通過起步連續換擋加速能力、最高擋加速能力和綜合工況油耗等結果進行尋優。

最優化設計是在多種因素下尋求使人最滿意、最適宜的一組參數。優化設計的目標函數是根據特定問題所追求的目標，用設計變量的數學函數關系式來表示。以動力性和燃油經濟性為雙目標函數，采用線性加權組合的方法將其轉換成單一目標函數，建立用戶使用樣車的參數優化模型［4］為：

式中，r1為動力性加權因子；r2為燃料經濟性加權因子；D（x）為動力性能；F（x）為燃料經濟性能；r1+r2=1。

4.3.3最優匹配的選擇

為了消除量綱的影響，根據公式（2）進行各參數的無量綱化變換，然后使用公式（1）進行加權評分。最終的評分結果如表5所示。

表5　無量綱化變換及不同加權因子的綜合得分

因為汽車的加速時間和燃油消耗量都是越小越好，所以取最小值得分為最優結果。綜合以上分析結果，r1=0.45、r2=0.55（側重經濟性）的最優主減速比為4.4；r1=r2=0.5和r1=0.55、r2=0.45（側重動力性）的最優主減速比為4.5。

5　結束語

論述了重型商用車動力傳動系統匹配傳統方法的局限性，結合用戶試驗數據統計出發動機負荷分布并構建了重型普通載貨汽車行駛循環工況。基于重型載貨汽車行駛循環工況，進行了重型載貨汽車動力傳動系統的匹配仿真分析。以動力性和燃油經濟性為雙目標函數，采用線性加權組合的方法將其轉換成單一目標函數并進行傳動系統匹配選優，汽車動力性能和經濟性能的評價提升。

參考文獻

1周汽一，張艷輝，鄧陽慶，等.重型普通載貨汽車典型用戶的整車行駛循環工況研究.汽車技術，2012（3）:39～42.

2李駿.汽車發動機節能減排先進技術.北京：北京理工大學出版社，2011.

3劉延林，鄧陽慶.自卸車循環工況研究.汽車工程，2009 （10）:963～965.

4趙璐，周云山，鄧陽慶.基于CRUISE的DCT整車動力傳動系統匹配仿真研究.汽車技術，2011（1）:10～14.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年1月9日。

主題詞:重型載貨汽車動力傳動系統匹配典型用戶使用工況

Research on Matching of Heavy Duty Truck Drivetrain Based on Vehicle Driving Cycle of Typical Customer

Zhang Yanhui, Zhang Weijun, Deng Yangqing, Fan Jiazheng,Wang Zhaoyu
（China FAW Co., Ltd. R&D Center, Changchun 130011）

【Abstract】With drivetrain of a heavy duty truck as research object, we make matching research based on the driving cycle of typical customers. Firstly, the paper discusses the important role of the evaluation index in the matching of vehicle drivetrain, which is combined with real vehicle test data and data statistics theory to derive engine load distribution and resolve driving cycle of this vehicle. Based on the driving cycle we build, the vehicle model is built by using CRUISE software, and the simulation analysis is carried out. Drivetrain matching is made with power and fuel economy as doubleobjective function, which improve vehicle power performance and economy.

Key words:Heavy duty truck, Drivetrain, Match, Driving cycle of typical customer

中圖分類號:U463.2

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）04-0009-04