基于用戶實際工況的商用車動力傳動系統(tǒng)匹配研究

李朝樂 宋小寧 孟拓 張一超

摘? 要：本文的研究主要是根據(jù)市場細(xì)分原則，目標(biāo)車型的需要，用Matlab語言編制仿真計算程序計算功率需求，并利用Cruise軟件對結(jié)合綜合工況下的整車動力性、燃油經(jīng)濟性進行仿真分析，考慮用戶的實際駕駛習(xí)慣，最終選擇出滿足市場需求的動力傳動系統(tǒng)總成參數(shù)，使整車的動力性、經(jīng)濟性、加速性能都達到最優(yōu)，達成預(yù)期性能指標(biāo)，為相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)提供了理論依據(jù)和匹配方法。

關(guān)鍵詞：市場需求;用戶習(xí)慣;動力傳動系統(tǒng)匹配

中圖分類號：U463.2? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2020）01-0022-07

Research on matching of Power Transmission system of Commercial vehicle based on actual working condition of use

LI Chao-le， SONG Xiao-ning， MENG Tuo， ZHANG Yi-chao

（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL， Wuhan 430056， China ）

Abstract： The research of this paper is mainly based on the market segmentation principle and the needs of the target vehicle type， using MATLAB language to compile simulation calculation program to calculate the power demand， and using cruise software to simulate and analyze the vehicle dynamic performance and fuel economy under the comprehensive working condition， considering the actual driving habits of users， finally selecting the powertrain assembly parameters to meet the market demand， so as to make the whole The vehicle's power， economy and acceleration performance are all optimal， and the expected performance index is achieved， which provides theoretical basis and matching method for related product development.

1? ? 概述

1.1? ?商用車動力傳動系統(tǒng)匹配研究的背景

隨著我國現(xiàn)代化進程的不斷深入，我國整體的能源需求和環(huán)境壓力也持續(xù)增加。而汽車產(chǎn)業(yè)既是化石能源消耗的“大戶”，也是環(huán)境污染的重要來源之一，數(shù)據(jù)顯示，道路交通部門CO2排放目前占我國總體排放的7%以上。另據(jù)中國石油企業(yè)協(xié)會、中國油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究中心聯(lián)合發(fā)布的《2017中國油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析與展望報告藍(lán)皮書》顯示，2016年中國原油對外依存度升至65.4%，遠(yuǎn)超世界公認(rèn)50%的安全線，而汽車產(chǎn)業(yè)消耗已經(jīng)占到我國石油消耗總量的1/3左右。因此，持續(xù)降低汽車產(chǎn)品能源消耗，不僅是能源效率問題，更是能源安全問題。

1.2? ?商用車客戶價值分析

客戶價值分為增加客戶收入和減少客戶支出兩大類，如：整車自重為增加客戶收入類，用戶可以通過增加貨物裝載量增加收入，整車經(jīng)濟性為減少客戶支出類，用戶可以節(jié)油燃油消耗減少支出。以年行駛里程25萬公里的一款商用車為例，整車自重降低100kg，可帶來4000元/年的客戶收益增加，百公里燃油消耗降低1L，用戶年支出減少14500元（燃油價格按照5.8元/L計算），因此，降低整車燃油消耗是提升客戶價值的一個非常有效的手段。

1.3? ?商用車動力性、經(jīng)濟性提升的主要措施

目前整車動力性和燃油經(jīng)濟性提升主要措施有：

（1）行駛阻力：主要是通過改進駕駛室造型，改善駕駛室結(jié)構(gòu)、增加導(dǎo)流裝置等方式減少迎風(fēng)面積和空氣阻力;通過改進輪胎結(jié)構(gòu)來減少滾動阻力。

（2）發(fā)動機性能：減少發(fā)動機附件的能耗，優(yōu)化發(fā)動機萬有特性曲線;主要是利用渦輪增壓回收廢氣能量，提高附屬裝置的效率。通過改善燃燒，減少冷卻損失以提高熱效率，采用汽油電控燃料供給系統(tǒng)、柴油高壓共軌燃料供給系統(tǒng)和ECU控制使發(fā)動機工作最優(yōu)化。

（3）動力匹配：主要通過合適的速比匹配，確保發(fā)動機最大可能地工作在經(jīng)濟區(qū)域。

（4）效率提升：提高傳動系統(tǒng)的傳動效率。

1.4? ?商用車動力傳動系統(tǒng)匹配原則及方法

商用車做為生產(chǎn)運輸工具，具備動力強勁、裝載貨物量大、運行工況復(fù)雜等特點，因此商用車動力傳動系統(tǒng)匹配的原則是：在滿足整車不同運行工況動力需求的前提下，確保整車綜合燃油消耗處于最低水平。傳統(tǒng)整車匹配方法是根據(jù)整車最高行駛車速、最大爬坡度等指標(biāo)，先確定發(fā)動機，然后再結(jié)合變速箱、驅(qū)動橋現(xiàn)有資源進行整車匹配計算，確定最佳的傳動速比。本文提出一種基于用戶實際使用工況的商用車動力傳動系統(tǒng)匹配方法，結(jié)合用戶的實際使用工況提出整車需求，首先保證動力性滿足用戶實際需求，然后再確定合適的發(fā)動機特性和傳動系速比。

2? ? 商用車市場用戶實際需求分析

2.1? ?商用車行駛工況分析

商用車行駛工況比較復(fù)雜，按照其行駛道路不同主要分為高速和一般公路兩種，按照地形條件又可分為平原、丘陵、山區(qū)等。本文重點針對平原高速、平原一般、丘陵高速和丘陵一般四種工況進行分析，采集的工況數(shù)據(jù)如圖1所示，平原高速、平原一般、丘陵高速和丘陵一般四種工況下的車輛平均行駛車速分別為80～100km/h，70～90km/h，50～70km/h，30～50km/h。在進行動力傳動系統(tǒng)匹配時，需要確保車輛在這幾種常用車速下，發(fā)動機能夠運轉(zhuǎn)的經(jīng)濟區(qū)域內(nèi)，最大可能地降低燃油消耗。

針對平原高速、丘陵高速、平原一般和丘陵一般工況數(shù)據(jù)的坡度分析，結(jié)果如圖2所示，四種工況下，占比較大的坡度分別為0～0.5的坡度、2～3的坡度、0～1.5的坡度和3～10的坡度。在進行動力傳動系統(tǒng)匹配時，需要考慮各種工況下的坡度，確保在滿足動力性的情況下，換擋次數(shù)最少，經(jīng)濟性最佳。

2.2? ?商用車用戶駕駛習(xí)慣分析

在進行動力傳動系統(tǒng)匹配時還需要對商用車用戶實際駕駛習(xí)慣進行分析，以便更好地滿足用戶實際需求，以中型商用車用戶為例，通過市場調(diào)研，確定中型車（采用6檔變速箱）駕駛員的駕駛習(xí)慣如表1所示：

從上表可以看出，駕駛員在實際的加速過程中，換擋頻率較高，發(fā)動機轉(zhuǎn)速基本不會超過1500rpm，升檔后發(fā)動機轉(zhuǎn)速都將下降至850rpm左右。此時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低，相應(yīng)的最大扭矩也比較低，如果傳動速比匹配不合理，將會給用戶一種車輛動力不足的感覺，因此在動力傳動系統(tǒng)匹配時必須考慮用戶的實際駕駛習(xí)慣。

3? ? 基于用戶實際工況的動力傳動系統(tǒng)匹配方法

3.1? ?發(fā)動機功率需求計算

汽車行駛時，發(fā)動機功率和汽車行駛的阻力功率間的平衡關(guān)系。功率平衡方程見公式（1）。發(fā)動機功率愈大，汽車的動力性愈好。發(fā)動機最大功率的選擇必須保證汽車預(yù)期的最高車速。最高車速愈高，要求的發(fā)動機功率愈大，其后備功率也大，加速和爬坡能力必然較好。但發(fā)動機功率不宜過大，否則在常用條件下，發(fā)動機負(fù)荷率過低，油耗增加。

在進行動力系統(tǒng)匹配之前，首先要做的是根據(jù)用戶實際使用工況，確定對發(fā)動機的功率需求。利用Cruise仿真軟件發(fā)動機在各運行點的功率需求情況，計算方法如下：

（1）按照Cruise仿真軟件的操作細(xì)則，搭建整車仿真模型，如圖3所示，并在整車模型中定義好整車的基礎(chǔ)參數(shù)，包括軸距、空滿載重心位置、整備質(zhì)量、最大總質(zhì)量、迎風(fēng)面積、風(fēng)阻系數(shù)等參數(shù)。另外，發(fā)動機、離合器、變速器以及后橋、車輪等參數(shù)分別在整車模型中各對應(yīng)的子模塊中定義。

1.整車參數(shù) 2.發(fā)動機 3.離合器 4.變速器 5.主減速器 6.右前輪 7.左前輪 8.右后輪 9.左后輪 10.右前制動器11.左前制動器 12.右后制動器 13.左后制動器 14.差速器 15.駕駛控制

（2）將采集到的用戶實際運行工況數(shù)據(jù)導(dǎo)入該軟件中，以丘陵一般工況為例，數(shù)據(jù)導(dǎo)入后如圖4所示：

（3）計算參數(shù)表

首先設(shè)置發(fā)動機模型參數(shù)，將發(fā)動機各轉(zhuǎn)速下的最大扭矩均設(shè)置為10000Nm，確保在仿真計算過程中，發(fā)動機可以提供足夠大的功率。其他參數(shù)按照下表2進行設(shè)置：

（4）仿真運行并將結(jié)果導(dǎo)出，利用Matlab軟件進行數(shù)據(jù)處理分析，獲得用戶車輛實際運行過程中的功率分布情況，并繪制該行駛工況下的發(fā)動機功率需求圖5。從發(fā)動機功率需求分布情況看，車輛在該工況下運行時，對發(fā)動機的功率需求基本上維持在160kw以下，根據(jù)此功率范圍，在可選的發(fā)動機總成中，確定使用某一種發(fā)動機，該發(fā)動機的最大功率為180ps，同時參考主要競爭對手和潛在競爭對手同類型同級別汽車的發(fā)展趨勢、市場環(huán)境以及法規(guī)要求，初步對所匹配的發(fā)動機提出了以下要求：①匹配180PS發(fā)動機;②發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速：1800rpm，③發(fā)動機主要工作轉(zhuǎn)速：1200～1800rpm。

3.2? ?發(fā)動機參數(shù)數(shù)據(jù)

由于前文已對發(fā)動機功率如何選擇進行了分析，且已經(jīng)根據(jù)用戶實際運行工況的需求特點確定匹配180ps的發(fā)動機，結(jié)合現(xiàn)有發(fā)動機資源，確定發(fā)動機外特性參數(shù)見表3發(fā)動機外特性參數(shù)，其經(jīng)濟轉(zhuǎn)速區(qū)為1200～1800rpm。

3.3? ?傳動系統(tǒng)速比選擇

在發(fā)動機確定的情況下，發(fā)動機的扭矩特性已基本確定，首先是確定變速箱Ⅰ檔速比，其大小決定了整車的爬坡性能和坡道起步性能。結(jié)合前文對用戶實際工況的分析，車輛運行時對整車最大爬坡度和最大起步坡度要求不高，在匹配時需要按照整車特性定義需求進行計算，從而確定傳動系總速比? ? ? ?的范圍。整車最大爬坡和坡道起步時，車速一般較低，在計算中，風(fēng)阻可忽略不計。計算公式如式（2）。

（2）

Ⅰ檔傳動比? ? ?應(yīng)為

將整車設(shè)計特性參數(shù)代入上述公式計算后，可以得出滿足最大爬坡度（30%）和最小起步坡度（20%）要求的傳動系總速比范圍為：

31.3≤? ? ? ≤43.8

其次是根據(jù)最高車速確定傳動系統(tǒng)最大速比。傳動系速比偏大時，整車后備功率大，加速性好，但經(jīng)濟性會降低，一般匹配中，在滿足整車動力性目標(biāo)的前提下，要求盡量降低傳動系速比，以獲得較好的經(jīng)濟性。但若傳動系速比過小，整車動力性差時，用低擋跑高速，不但不能提高經(jīng)濟性，反而會使經(jīng)濟性變差。為此，在確定傳動系速比時，要同時考慮以下因素進行優(yōu)化匹配：①整車最高車速，②發(fā)動機最大功率/轉(zhuǎn)速，③發(fā)動機經(jīng)濟轉(zhuǎn)速，④整車常用車速。

根據(jù)上述分析，結(jié)合現(xiàn)有資源以及主要競爭對手和潛在競爭對手車輛的配置情況，初步推薦變速箱采用8檔變速箱，頭檔速比在6～10之間;驅(qū)動橋主減速比在4.1～5.13之間，現(xiàn)有資源中，8檔變速箱有兩種速比，頭檔速比分別為9.558，最高擋速比為0.79，驅(qū)動橋主減速比分別由4.1、4.33、4.56和4.875四種，需利用Cruise軟件進行仿真后進行確定。

4? ? 仿真分析

4.1? ?仿真說明

根據(jù)用戶使用特性情況，按照平原高速、丘陵高速、平原一般公路和丘陵一般公路4種工況進行仿真計算。計算結(jié)果按照四種工況的占比進行加權(quán)，從而確定綜合運行工況下的動力傳動系統(tǒng)匹配情況。變速箱換擋策略與用戶實際操作情況相同，以發(fā)動機轉(zhuǎn)速做為換擋依據(jù)，并結(jié)合整車常用車速以及發(fā)動機經(jīng)濟轉(zhuǎn)速范圍做參考進行確定。

4.2? ?仿真結(jié)果

對搭載180kW發(fā)動機、8檔變速箱以及速比為4.1、4.33、4.56和4.875和驅(qū)動橋，主要行駛在平原、丘陵地帶高速公路上的載貨車，基于Cruise仿真軟件開展動力性、經(jīng)濟性分析，結(jié)果如下：4.2.1最高車速

四種后橋速比配置下，最高車速仿真結(jié)果均大于105km/h，滿足設(shè)計要求。

4.2.2 各檔位最大爬坡度

最大爬坡度結(jié)果詳見圖6。從圖6可知，4.11、4.33的速比，最大爬坡度不能滿足不小于30%的要求，4.56和4.875的速比滿足要求。

4.2.3 各檔位加速性能

4.2.4 用戶工況經(jīng)濟性

經(jīng)濟性仿真結(jié)果見表5，其中平原高速、平原一般、丘陵高速、丘陵一般公路所占權(quán)重分別為40%、40%、10%和10%。從表6可以看出，在可以滿足整車動力性的前提下，匹配4.56的后橋速比較4.875的速比更有經(jīng)濟性價值，故優(yōu)選匹配4.56的后橋速比。

4.2.5 仿真結(jié)果校驗

按照4.56的后橋速比進行校驗，? ? ?=9.558x4.56

=43.58≤43.8，滿足傳動系統(tǒng)總速比的要求，最高車速106km/h，最大爬坡度30.5%，滿足整車動力性的要求。利用該速比進行用戶實際使用工況仿真，并對所使用檔位進行統(tǒng)計，結(jié)果見圖7。其中最高檔和次高檔的檔位利用率分別為76.79%和16.49%，滿足用戶大部分坡度不降檔的實際需求。

5? ?試驗驗證

按照用戶實際使用情況進行動力性經(jīng)濟性試驗驗證，車輛最高車速可達到105.7km/h，最大爬坡度30%，爬坡車速9.3km/h，發(fā)動機轉(zhuǎn)速2250rpm，加速試驗結(jié)果見表7和表8，經(jīng)濟性試驗見表9，從試驗結(jié)果可以看出匹配4.56的后橋速比，動力性經(jīng)濟性試驗結(jié)果基本上與仿真結(jié)果相吻合，滿足用戶實際需求。

6? ? 結(jié)論

在車型開發(fā)階段，通過市場調(diào)研并采集用戶實際使用工況數(shù)據(jù)，利用整車動力性、經(jīng)濟性匹配優(yōu)化設(shè)計方法進行整車匹配計算，根據(jù)匹配計算結(jié)果進行發(fā)動機、變速箱選型，避免出現(xiàn)選配的發(fā)動機、變速箱不能完全滿足用戶實際運行工況需求，就能使整車的動力性、經(jīng)濟性、加速性能都達到最優(yōu)。同時，通過本文的研究，提出了根據(jù)市場細(xì)分原則，根據(jù)目標(biāo)車型的需要，用Matlab語言編制仿真計算程序計算功率需求，并利用Cruise軟件對結(jié)合綜合工況下的整車動力性、燃油經(jīng)濟性進行仿真分析，最終選擇出滿足市場需求的動力傳動系統(tǒng)總成參數(shù)，達成了預(yù)期性能指標(biāo)，為后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)提供了理論依據(jù)和匹配方法。

參考文獻：

[1]余志生. 汽車?yán)碚? 機械工業(yè)出版社.

[2]張洪欣. 汽車設(shè)計. 機械工業(yè)出版社.

[3]陳蔭三，余強[譯]. 汽車動力學(xué). 清華大學(xué)出版社.