基于整車經濟性的商用車傳動系統匹配設計

劉子玄，劉會神，苑衛松，于洪劍，王宇，薛發舟

(中國第一汽車集團有限公司,吉林長春 130011)

0 引言

在目前的商用車市場，用戶對于整車的經濟性有著很高的要求。開發出低油耗的商用車，是全球各大商用車生產廠家共同的追求，也是商用車發展的大趨勢，更是未來商用車的核心競爭力。商用車傳動系統的匹配工作是保證整車經濟性重要的一環。

動力總成系統匹配的工作主要分為兩個步驟:第一步，根據最低穩定車速，在保證汽車發動機能夠長期工作在發動機經濟區域的前提下，對發動機、變速器、驅動橋、輪胎等進行初步的匹配初選；第二步，根據整車路譜和使用情況，通過建立仿真模型計算，對整車傳動系統進行進一步的匹配校核。最終確認幾種方案中傳動系匹配的最優方案。

根據商用車傳動系統速比的匹配計算，從經濟性角度選擇出較優的系統方案，是整車設計中非常重要的一項工作。

1 整車和總成的相關參數及定義

1.1 整車相關參數

列車總質量：40 000 kg；

前軸荷：空載4 950×9.8 N，滿載7 000×9.8 N；

整車外廓尺寸：長6 950 mm，寬2 550 mm，高4 000 mm；

軸距：3 975 mm。

1.2 發動機相關參數

排量：11.05 L；

額定功率：338 kW/1 900 (r/min);

額定扭矩：2 200 N·m/1 300 (r/min)；

全負荷最低比油耗：242 g·h/kW；

怠速燃油消耗率：2 550 g/h。

其中：

有效功率：發動機對外輸出的功率稱為有效功率，可以根據發動機的有效扭矩和曲軸轉速計算獲得，公式為：

式中：Ttq為有效扭矩(N·m)；n為曲軸轉速。

燃油消耗率：發動機每發出1 kW有效功率，在1 h內消耗的燃油質量(g)。計算公式為：

式中：B為發動機單位時間內的油耗(kg/h)；Pc為發動機的有效功率(kW)。

通過試驗數據和軟件計算，得到發動機的萬有特性曲線如圖1所示。

圖1 發動機萬有特性曲線

1.3 變速器相關參數

有兩種變速器可選擇，如表1所示，其中變速器1為超速擋變速器，變速器2為直接擋變速器。

表1 樣車變速器參數表

其中：直接擋變速器最高擋位的速比是1∶1，超速擋變速器最高擋位的速比小于1∶1。

1.4 驅動橋相關參數

有4種驅動橋可選擇：驅動橋1速比2.688，驅動橋2速比2.867，驅動橋3速比3.417，驅動橋4速比3.727。

2 商用車傳動系的匹配計算

2.1 對整車傳動系統進行初步匹配

重型商用車采用柴油發動機，一般情況下的經濟轉速在1 100～1 400 r/min之間。重型牽引車大部分用來跑長途貨運，常用的最高車速在90 km/h左右。最優的速比選擇應保證在常用的最高車速下，發動機轉速保持在經濟轉速區間內。

發動機轉速、傳動系總傳動比、車速之間的關系可以用如下公式表示：

式中：v是車速(km/h)；n是發動機轉速(r/min)；rk是車輪滾動半徑；Uk1是傳動比。

為控制變量，擬采用295/80R22.5的輪胎，滾動半徑為507 mm。

將目前可選擇的變速器和驅動橋互相匹配，得到表2。

從表2可以看出：變速器1匹配驅動橋3/4方案、變速器2匹配驅動橋1/2方案時，發動機的轉速在1 100～1 400 r/min之間。因此，這4種方案的匹配可以初步滿足整車燃油經濟性的要求。

表2 傳動比、車速、發動機功率的關系

2.2 建立仿真模型進行匹配計算

(1)采用變速器1(超速擋)方案時的系統匹配

利用仿真計算，可得到如圖2—圖3所示的曲線。可以看出，在多工況的行駛過程中：

變速器1匹配驅動橋3方案時， WHTC(World Harmonized Transient Cycle)城市工況的油耗是71.306 L/100 km，WHTC市郊工況的油耗是57.329 L/100 km，WHTC高速工況的油耗是40.99 L/100 km。

變速器1匹配驅動橋4方案時，WHTC城市工況的油耗是70.687 L/100 km，WHTC市郊工況的油耗是56.729 L/100 km，WHTC高速工況的油耗是40.276 L/100 km。

由此可以得出：采用變速器1(超速擋)方案時，匹配驅動橋4(速比3.727)的方案在多種工況下的油耗均小于匹配驅動橋3(速比3.417)的方案，更加節油。

圖2 變速器1匹配驅動橋3方案多工況油耗曲線

圖3 變速器1匹配驅動橋4方案多工況油耗曲線

(2)采用變速器2(直接擋)方案時的系統匹配

利用仿真計算，可得到如圖4—圖5所示的曲線。可以看出，在多工況的行駛過程中：

變速器2匹配驅動橋1方案時，WHTC城市工況的油耗是68.876 L/100 km，WHTC市郊工況的油耗是55.173 L/100 km，WHTC高速工況的油耗是39.219 L/100 km。

變速器2匹配驅動橋2方案時，WHTC城市工況的油耗是70.711 L/100 km，WHTC市郊工況的油耗是56.809 L/100 km，WHTC高速工況的油耗是40.146 L/100 km。

由此可以得出，采用變速器2(直接擋)方案時，匹配驅動橋1(速比2.688)的方案在多種工況下的油耗均小于匹配驅動橋2(速比2.867)的方案，更加節油。

圖4 變速器2匹配驅動橋1方案多工況油耗曲線

圖5 變速器2匹配驅動橋2方案多工況油耗曲線

(3)匹配結果

以目前的市場狀況分析，用戶對于整車高經濟性和高動力性都有著很高的要求，因此保留直接擋和超速擋變速器兩種方案，以適應不同的市場需求。綜上，得出如下兩種匹配結果：

方案一：超速擋變速器，匹配速比3.727的驅動橋，最大總傳動比為45.312 9，最小總傳動比為2.918；

方案二：直接擋變速器，匹配速比2.688的驅動橋，最大總傳動比為41.758 1，最小總傳動比為2.688。

3 結束語

傳動系統的匹配涉及整車動力性、經濟性性能，是整車動力系統研究的核心。在通過計算、仿真模型等匹配選取方案后，還要進行試驗驗證等，才能最終將系統的匹配確定下來。

傳動系統的匹配設計是一個綜合性的工程。

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