基于Cruise的重載純電動牽引車的傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配

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(機械科學研究總院機科發(fā)展科技股份有限公司，北京100044)

0 引言

傳動系統(tǒng)是汽車的核心系統(tǒng)，車輛動力性能的可靠性主要取決于傳動系統(tǒng)各部件的參數(shù)匹配以及各部件自身的性能。由于環(huán)境污染和化石能源消耗較大，目前汽車的動力源逐步由傳統(tǒng)的汽、柴油變成了電能，而傳動系統(tǒng)也有相應的改變。對于新型的電動傳動系統(tǒng)，楊東根等人基于Cruise軟件設計了純電動商務車的傳動系統(tǒng)，仿真結果驗證了方案的可行性，并得出了影響傳動系統(tǒng)性能的敏感參數(shù)[1]；信金峰研究了純電動汽車SA01的傳動系統(tǒng)匹配，并完成了高壓控制原理的設計，通過Cruise仿真得出了滿足要求的傳動系統(tǒng)匹配參數(shù)[2]；徐雪飛基于燃油式微型面包車進行改造，根據用途設計出符合要求的傳動系統(tǒng)，通過Cruise仿真和實車實驗結果分析，驗證了設計的可靠性[3]；張瓊對純電動大客車進行傳動系統(tǒng)設計和參數(shù)優(yōu)化，采用改進的多目標遺傳算法NSGA-Ⅱ對各個傳動部件建立了數(shù)學優(yōu)化模型，通過Matlab軟件進行參數(shù)優(yōu)化和Cruise傳動性能仿真[4]；夏先文對純電動拖拉機的傳動系統(tǒng)進行了研究，根據拖拉機的特殊工作環(huán)境設計了純電動拖拉機的傳動方式[5]；Binbin Sun等人通過試驗設計和最小最大擬合距離法對變速箱的傳動比進行優(yōu)化，然后運用拉丁超立方體設計方法、遺傳算法、高斯徑向基函數(shù)和數(shù)學預測模型等數(shù)學方法對傳動系統(tǒng)和驅動策略進行優(yōu)化[6]；Muhammad Izhar Ishak等人提出了一種四輪驅動和獨立轉向的小型電動車的驅動方案[7]；馬四偉等人研究了一種五軸重載越野車的電動傳動系統(tǒng)[8]。由于港口重載牽引車的牽引力要求較大，對于電動車來說一般車型都很難達到要求，也有學者提出用多個輪轂電機單獨驅動車輪，提高車輛的傳動扭矩，然而要控制好每個輪轂電機協(xié)調工作是一個難點，所以研究這一方面內容的專家學者較少，而本文設計了一款用于港口重型集裝箱轉運的純電動牽引車的傳動系統(tǒng)，主要從傳動系統(tǒng)匹配設計這一方面進行設計、選型、建模、仿真和分析，最終得出合理的重載純電動牽引車傳動系統(tǒng)方案。

1 傳動方案設計

純電動車通常所用的傳動方案是直驅：電池—控制器—電機—主減速器—差速器—驅動輪軸，一般直驅節(jié)省了很多中間傳動部件，消除了由機械傳動帶來的反向間隙、柔度和部件本身的問題以及各部件之間配合的問題，但是對于重載純電動牽引車，單靠驅動電機驅動聯(lián)軸器和驅動軸轉動，要求電機的啟動轉矩要非常大，使電機具有足夠大的轉矩目前是一個難點，因此單靠電機的轉矩可能滿足不了設計要求，而且成本較高。為了提高轉矩，本文把電動車直驅的傳動方案與傳統(tǒng)汽車的傳動方案結合，重載純電動牽引車的傳動方案為：電池—控制器—電機—離合器—變速箱—主減速器—差速器—驅動輪軸，通過變速箱增大啟動轉矩和加速轉矩，使牽引力更大且傳動更平穩(wěn)高效，驅動方式采用6×4的雙驅方式，提高車輛的爬坡度等動力性能。

2 傳動系統(tǒng)匹配計算

2.1 重載電動牽引車的性能要求

重載電動牽引車的性能要求如表1。

表1重載電動牽引車的性能要求參數(shù)

2.2 整車的基本參數(shù)

整車基本參數(shù)如表2所示。

2.3 重載純電動牽引車的功率和轉矩需求

1)為了使驅動電機的峰值功率滿足車輛的最大牽引質量、最大爬坡度、最高速度和最大加速度的要求，電機的峰值功率需要滿足以下公式：

表2整車基本參數(shù)

Pmax≥max{Pv，Pα，Pa}

(1)

其中：Pv，Pα，Pa分別為滿足最高車速、最大爬坡度和最大加速度下的功率。

(2)

式中，Vmax為空載時的最大行駛速度(100km/h)，μ為傳動機械效率，M1為整備質量，g為重力加速度，f為滾動摩擦阻力系數(shù)，CD為空氣阻力系數(shù)，A為迎風面積。根據2.1和2.2的參數(shù)，解得Pv≥119.98 kW。

2)當車輛滿載時滿足最大爬坡度時的功率計算公式：

(3)

式中：Vα為滿足最大爬坡要求時的車速(5 km/h)，α1為爬坡角，爬坡度α=tanα1，根據表1和表2所列參數(shù)，解得Pα≥80.72 kW。

3)當車輛滿載時滿足在平直路面上速度從零加速到ut=30 km/h的時間t=20 s時，滿足加速性能要求的功率計算公式：

(4)

式中：δ為轉動慣量因數(shù)，取1.05[2，3，9]。根據表1和表2所列參數(shù)，解得Pa≥192.17 kW。

根據式(2)、式(3)、式(4)所解得的功率，再由式(1)可知電機的最大功率應滿足：Pmax≥192.17 kW。

驅動電機的額定功率Pe的計算公式[3]：

(5)

當車輛滿載在平直的路面巡航行駛時，車輛的加速度和坡度阻力項均為零，取v=30 km/h，解得：Pe=138 kW。

選取電機的功率參數(shù)：峰值功率為Pmax=195 kW，額定功率為Pe=130 kW。

2.4 電機選型

所選電機的電機特性曲線如圖1。

圖1 電機特性曲線圖

2.5 變速箱選型

由于重載純電動牽引車低速重載的特性，因此其傳動系統(tǒng)的傳動比以減速增矩為主要目的。以最高車速和最大爬坡度為依據計算重載純電動牽引車的傳動比范圍，由于重載純電動牽引車在爬坡時需要的扭矩大而速度小，可以定義最大傳動比值，即減速比最大；當車速較大時，需要的傳動扭矩較小，可以定義最小傳動比值。故電動車的總傳動比要滿足公式[1]：

(6)

其中，vmax為車輛空載時的最大速度，選取vmax=100 km/h，由所選電機特性曲線圖可以得出Tmax=1080 N·m。根據表1和表2所列參數(shù)，由式(6)解得總傳動比的范圍為：5.87≤i≤25.94。

由于車輛整車基本參數(shù)中主減速比為4.8，故減速箱的傳動比為：1.22≤i1≤5.404。

為了使車輛起步更平穩(wěn)，選用多檔變速箱。變速箱設定8個檔位，檔位參數(shù)如表3。

表3變速箱速比

2.6 電池選型

目前電動車使用最多的動力電池分為三種：燃料電池、鉛酸電池和鋰電池，燃料電池具有成本高、安全性差等缺點，鉛酸電池是最早使用的電池，但由于其能量密度小、體積大、充放電功能差和壽命短的缺點逐漸被淘汰，鋰電池的安全性能、充放電效率、功率密度、壽命和價格等綜合性能較好，所以目前電動汽車多數(shù)使用的是動力鋰電池。鋰電池中的磷酸鐵鋰電池能量密度高，穩(wěn)定性好，壽命長，成本低。因此，本文研究的重載純電動牽引車選用磷酸鐵鋰動力電池。

根據重載純電動牽引車用電需求和續(xù)航里程要求，由表1和表2所列參數(shù)，確定電池的規(guī)格參數(shù)，電池的總能量需求公式為：

(7)

3 傳動系統(tǒng)建模仿真

3.1 Cruise軟件介紹

Cruise軟件是奧地利AVL公司開發(fā)的一款專門用于汽車動力系統(tǒng)性能仿真和汽車傳動模塊開發(fā)的軟件，軟件以可視化模塊和簡單明了的連接方式進行建模，且仿真結果清晰，常用的計算任務包括循環(huán)工況、爬坡性能、穩(wěn)態(tài)下的最大速度、全負荷加速特性、最大牽引力、能耗和制動性能等。Cruise作為車輛設計的一款仿真軟件，為車輛開發(fā)提供了可靠的參考依據，節(jié)約了大量的實驗時間和前期實驗設備投資資金，因其靈活性和智能化成為廣大汽車設計者青睞的設計研發(fā)工具[5]。為了驗證上述所選的重載純電動牽引車傳動系統(tǒng)方案的可行性，本文采用Cruise搭建重載純電動牽引車的傳動系統(tǒng)模型，針對車輛的爬坡度，最大牽引力，最大速度和加速時間等車輛動力特性進行仿真。

3.2 模型搭建

如圖2為利用Cruise軟件搭建的重載純電動牽引車的動力系統(tǒng)模型。該模型中主要包括：整車模塊、電池模塊、電池管理系統(tǒng)模塊、電機模塊、離合器模塊、變速箱模塊、主減速器模塊、差速器模塊、制動器模塊、車輪模塊、駕駛室模塊、顯示器模塊和電機控制單元等。

圖2 車輛動力系統(tǒng)模型

3.3 車輛主要輸入參數(shù)

根據表2所列的整車基本參數(shù)和第二節(jié)的設計計算參數(shù)，對車輛各個模塊進行基本參數(shù)設置，圖3為整車模型的主要參數(shù)輸入情況。

圖3 車輛模型主要輸入參數(shù)

4 仿真結果分析

4.1 最大牽引力

最大牽引力的計算對于重載電動牽引車是一項非常重要的指標，它決定了車輛是否能在港口轉運重量達60 t的標準集裝箱，如果在不滿足此動力性能的情況下強行工作，會逐漸透支傳動系統(tǒng)的功能，導致各個部件快速地損壞，從而降低車輛的使用壽命。圖4為一檔到八檔下牽引力與速度的關系曲線圖，由圖看出一檔下啟動的牽引力最大，牽引力是隨速度的增加逐漸減小的，根據滿載車輛總質量70 t在坡度為5%以最大5 km/h的速度運行計算需要的最大牽引力：

由圖5的報告結果得出重載純電動牽引車的最大牽引力為50098.88 N，仿真結果證明本文所設計的傳動系統(tǒng)滿足最大牽引力的要求。

圖4 各檔位下的牽引力曲線圖

圖5 最大牽引力的仿真結果報告

4.2 加速運行情況

如圖6所示為車輛每個檔位下隨著車輛速度的增加的加速度變化曲線圖，圖7為重載純電動牽引車從啟動加速到30 km/h的穩(wěn)定加速的耗時情況報告。

圖6 車輛滿載時的加速度圖

圖7 車輛0～30 km/h的加速運行情況報告

由圖6、圖7可以看出，重載純電動牽引車最大加速度為1.18 m/s2，車輛速度從0 km/h加速到30 km/h需要的時間為14.02 s，此段時間內車輛的行程為78 m。

4.3 百公里耗能

NEDC循環(huán)工況是歐洲城郊綜合工況，一個NEDC循環(huán)工況包括4個UDC(城市市區(qū)工況)和1個EUDC(城市市郊工況)[11-12]，由于NEDC工況在市區(qū)的時間比較多，市區(qū)路況相對郊區(qū)復雜，車輛速度多數(shù)在50 km/h以下，根據港口重載車輛的運行情況分析，車輛滿載時速度在40 km/h以下，空載時速度在100 km/h以下，車輛滿載時間多于空載運行時間，由此得出港口重載純電動牽引車的運行工況比較符合歐洲NEDC城郊綜合工況，本次百公里耗能仿真實驗中選用Cruise軟件自帶的NEDC循環(huán)工況對港口重載純電動牽引車的百公里耗能進行仿真。

圖8所示能耗結果報告，發(fā)動機油耗量和各種污染氣體排放量為0，電動機100 km耗能296.6 kWh。NEDC循環(huán)工況下輔助系統(tǒng)每100 km耗能21.913 kWh，綜合得出車輛每運行100 km需要消耗電能318.5 kWh。

圖8 能耗結果報告

4.4 爬坡度

圖9為爬坡度的仿真結果報告，由圖9可以得出車輛的最大爬坡度為5.74%，車輛設計的爬坡度要求為5%以上，仿真結果表明本文設計的傳動系統(tǒng)方案滿足爬坡度要求。

圖9 爬坡度仿真結果報告

4.5 最大速度

圖10為最大速度仿真結果報告，由圖10可以看出采用本文設計的傳動系統(tǒng)后車輛能達到的最大速度為105 km/h，滿足重載純電動牽引車空載最高車速100 km/h的設計要求。

圖10 最大速度仿真結果報告

4.6 一個NEDC循環(huán)工況下的車輛仿真運行情況

如圖11所示為一個NEDC循環(huán)工況下的仿真運行結果，根據圖形的數(shù)據文件顯示在一個循環(huán)工況下車輛能夠行駛的路程為7.388 km，由圖中結果可以看出車輛在一個循環(huán)工況內的速度、加速度的變化情況，速度隨路況的變化不停地加速減速又加速循環(huán)，最終在速度為40 km/h趨于穩(wěn)定，而加速度在±1.18 m/s2內波動，最后趨近于零。

圖11 一個循環(huán)工況下的仿真結果

4.7 小結

根據上述仿真結果的分析可知本文所設計的重載純電動牽引車的傳動系統(tǒng)方案及參數(shù)與設計所期望的動力性能基本一致，結果對比如表4。

表4結果分析對比

5 總結

運用建立數(shù)學模型的方法對重載純電動牽引車的傳動系統(tǒng)進行參數(shù)匹配計算和各傳動模塊的選型，通過Cruise軟件對電動車傳動系統(tǒng)進行了建模、參數(shù)設置、仿真任務建立和仿真計算，仿真結果驗證了文章設計的傳動方案滿足車輛的運行要求，達到了設計所期望的動力性能指標。

文章針對港口重載純電動牽引車的傳動方案和各傳動部件參數(shù)匹配進行設計研究，得出了可行的傳動方案，為重載電動牽引車的后續(xù)研究提供了參考依據和研究方向。