環境溫度對整車起動阻力矩的影響研究

陳亮，王臻華

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

1 引言

隨著汽車的普及，汽車用戶對汽車性能的了解越來越全面，對整車性能的要求也越來越高。冬季，中國大部分地區最低氣溫在0℃以下，北方地區氣溫一般在-25℃左右，個別地區最低氣溫甚至達到-40℃左右。汽車的起動性能直接影響車輛的機動性能，特別是在寒冷地區，起動性能尤為重要。此外，汽車起動性能還與汽車的排放、燃油消耗、汽車運動件的過度磨損等息息相關。

在整車低溫起動標定過程中，發動機阻力矩的輸入往往根據經驗值或發動機臺架數據進行標定，但實際整車在某一低溫狀態下某款發動機的阻力矩究竟是多少并沒有仔細研究過。這就容易導致標定輸入數值與實際不符，在發動機起動過程中ECU接收錯誤的指令，造成燃油噴射過多浪費燃料，或者燃油噴射過少無法正常起動。葛勝迅等的發動機阻力矩測試方法研究中明確了底盤測功機測量整車發動機阻力矩的優勢，但沒有對發動機阻力矩做深入研究。發動機著火后松開離合器要進入暖機狀態，首先需要克服變速器輸入軸的阻力矩沖擊并帶動其轉動，低溫導致變速器齒輪油流動性變差攪動阻力變大，尤其重型卡車變速器齒輪大、油量大，低溫下變速器輸入軸的阻力矩更大，松開離合器后更易導致剛著火的發動機受到阻力矩沖擊自行熄火，無法正常進入暖機狀態。目前各主機廠對變速器輸入軸阻力矩對發動機起動性能的影響研究不足，基于整車開展的相關測試寥寥無幾。

車輛暖機結束后汽車起步過程中需要克服底盤系統的阻力，尤其在寒冷的冬季由于冰雪的原因，底盤系統的阻力會更大。底盤阻力矩輸入不準確也會導致發動機在起步標定時無法與變速器完美配合，起步時發動機輸出扭矩過大會導致沖擊感太強，輸出扭矩過小會導致起步失敗或熄火，都會給客戶帶來不好的駕駛體驗。

本文通過測試某款MPV車型在不同溫度下的發動機內部阻力、變速器輸入軸阻力和底盤系統阻力，來研究整車起動阻力矩隨溫度的變化趨勢，為整車發動機和變速器的標定以及降低發動機和底盤系統阻力的研究奠定基礎。

2 試驗原理

試驗車輛固定在底盤測功機上，將底盤測功機設定為恒速模式拖動輪胎轉動，分別測量整車在帶擋狀態下離合器連接和離合器斷開狀態時車輛驅動輪輪胎與轂面相切處的力F與速度V，如圖1所示。

圖1 底盤測功機測試示意圖

兩種狀態下測得 的 力F和F，根據公式（1）計算出對應的發動機阻力矩T，發動機轉速與車速的換算見公式（2）。

式中：T——發動機阻力矩，Nm；η——傳動效率；F——離合連接狀態的輪邊力，N；F——離合器斷開狀態的輪邊力，N；r——輪胎滾動半徑，m；i——變速器擋位速比；i——主減速器速比。

式中：V——車速，km/h；n——發動機轉速，r/min。

變速器輸入軸阻力的測量同樣將底盤測功機設定為恒速模式拖動輪胎轉動，測量踩離合狀態下帶擋和不帶擋狀態時的車輛驅動輪輪胎與轂面相切處的力F與速度V，兩種狀態下測得的力F和F，根據公式（3）計算出對應的變速器輸入軸阻力矩T，根據公式（4）計算底盤阻力矩T。

式中：F——帶擋狀態的輪邊力，N；F——不帶擋狀態的輪邊力，N。

3 試驗方法

3.1 試驗前準備

試驗前試驗樣車需更換-30℃或以下溫度使用的發動機機油、變速器齒輪油和防凍液，并布置油溫和冷卻液溫傳感器，實時監測油溫和冷卻液溫度。為保持試驗條件的一致性，減少不必要的因素對測試結果的影響，常溫和低溫測試時車輛狀態保持一致。

3.2 試驗環境溫度

為節省能源、提高效率，試驗溫度分常溫和低溫設定，在常溫下驗證測試方法有效后再開展低溫測試，設定溫度為：常溫20℃，低溫-25℃、-30℃。

3.3 試驗步驟

3.3.1 發動機阻力矩試驗

將測試車輛按要求固定在帶有環境倉的轉轂上，整車斷電并連接好數據采集器，如圖2所示。

圖2 試驗車輛照片

將環境倉溫度設置為20℃，待車輛浸置至整車溫度與環境溫度一致后開始試驗。調整底盤測功機數據采集頻率并設定為恒速模式，將試驗車輛變速器擋位置于Ⅰ擋，依次輸入發動機轉速區間為0～800r/min、步長為50r/min對應的車速，測量對應車速下離合器斷開和離合器連接的輪邊力，每種狀態每個速度點測量兩次，取平均值代入公式（1）計算發動機阻力矩。

其余兩個低溫溫度點發動機阻力矩的測量，將環境倉溫度設置為對應的測試溫度，待車輛浸置至與環境溫度一致后，按照同樣的步驟進行。

3.3.2 變速器輸入軸阻力矩試驗

在某一試驗環境溫度下，待發動機阻力矩試驗結束后對試驗車輛繼續浸置，待整車溫度與環境溫度一致后開始試驗。底盤測功機設定為恒速模式，使試驗車輛的離合器處于斷開狀態，依次輸入區間為5～35km/h、步長為5km/h的車速，測量Ⅰ擋和空擋時各車速點的輪邊力，每種狀態每個速度點測量兩次，取平均值代入公式（3）計算變速器輸入軸阻力矩。其余兩個低溫溫度點底盤阻力矩的測量，將環境倉溫度設置為對應的測試溫度，待車輛浸置至與環境溫度一致后，按照同樣的步驟進行。

各測溫點下測試變速器輸入軸阻力矩時，離合器斷開狀態空擋時，各速度點測得的輪邊力的平均值代入公式（4）計算底盤阻力矩。

3.4 試驗結果及分析

3.4.1 發動機阻力矩

對某公司生產的某款MPV車型測試結果進行分析，發動機阻力矩測試結果如表1所示。

表1 發動機阻力矩測試結果

發動機轉速200r/min以下對應的速度點測試時，車輛抖動較嚴重，車輪與底盤測功機轂面易產生滑移導致數據失真，故剔除該段數據。從試驗結果可以看出，常溫時發動機阻力矩基本隨著發動機轉速的增加而增大。低溫時發動機阻力矩隨著發動機轉速的增加先增大后減小，并且溫度越低最大阻力矩的轉速點越低，發動機起動阻力主要來源于內部摩擦阻力，這一結果跟發動機自身結構及材料的熱脹冷縮特性相對應。隨著溫度的降低，發動機平均阻力矩的變化趨勢如圖3所示，-25℃以上發動機阻力矩隨著溫度的降低逐漸增加，平均增加幅度為0.73Nm/℃，但-25℃以下隨著溫度的降低幾乎呈直線上升，增加幅度為5.92Nm/℃。

圖3 發動機平均阻力矩曲線圖

3.4.2 變速器輸入軸阻力矩

變速器輸入軸的測試結果如表2所示。

表2 變速器輸入軸阻力矩測試結果

從試驗數據可以看出，20℃和-25℃在同一環境溫度下，各速度點變速器輸入軸的阻力矩差異不大，-30℃時差異比較明顯，隨著車速的增加呈逐漸減小的趨勢。變速器輸入軸的阻力主要來源于輸入軸攪動齒輪油的阻力，這一測試結果與齒輪油的低溫流動性相對應。隨著溫度的降低，變速器輸入軸阻力矩的變化趨勢如圖4所示，-25℃以上變速器輸入軸阻力矩隨著溫度的降低逐漸增加，平均增加幅度為0.027Nm/℃，但-25℃以下隨著溫度的降低幾乎呈直線上升，增加幅度為1.22Nm/℃。

圖4 變速器輸入軸平均阻力矩曲線圖

底盤阻力主要來源于變速器輸出軸和主減速器攪動齒輪油的阻力，跟齒輪油的低溫流動性相關，底盤阻力矩特性與變速器輸入軸基本一致，在變速器輸入軸阻力矩的測試過程中已測出，這里就不再詳細贅述。

3.5 試驗時注意事項

試驗過程中為避免由于各速度點長時間拖動使發動機和變速器油溫升高，對試驗結果造成影響，試驗時采用高頻率采集、短時間測試的方法進行，采集頻率10Hz，測試時長3s。測試過程中時刻監測記錄油溫數據，油溫若超出要求范圍，應停止試驗浸置車輛，待油溫滿足要求后再開展試驗。

4 結束語

本文概述了影響發動機起動性能的兩個主要阻力因素（發動機內部阻力和變速器輸入軸阻力力矩）的試驗原理和計算方法，并對試驗方法和試驗步驟做了介紹。基于整車的相關阻力矩測試可以借鑒進行，測得的數據對于整車發動機和變速器標定數據的輸入有極大的幫助。

本文通過實車試驗數據分析得出發動機阻力矩和變速器輸入軸阻力矩隨溫度的變化趨勢，并敘述了造成各自變化趨勢的主要原因，為降低低溫環境下發動機阻力矩和變速器輸入軸阻力矩提供了參考依據。