整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

王華秀，徐 勇，楊興明

（東風(fēng)汽車股份有限公司 商品研發(fā)院，武漢 430056）

整車動(dòng)力性是用戶關(guān)注的重要整車性能，在整車匹配中，為了達(dá)到好的動(dòng)力性，常常要犧牲整車經(jīng)濟(jì)性。由于能源緊缺，汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越被重視。在整車已確定使用某款發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性和燃油消耗特性已基本確定，如果整車匹配不好，會(huì)使整車在獲得良好動(dòng)力性時(shí)，經(jīng)濟(jì)性不好，在經(jīng)濟(jì)性好時(shí)，動(dòng)力性又不足。如何在整車動(dòng)力性滿足設(shè)計(jì)要求的前提下獲得良好的經(jīng)濟(jì)性是整車匹配的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的整車匹配中是先有發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱，再進(jìn)行整車匹配計(jì)算，這種匹配方法由于是整車去適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)，一般只能滿足整車主要目標(biāo)性能（如最高車速、最大動(dòng)力性因素、百公里加速時(shí)間），而不能兼顧次要性能要求（如10 s起步加速性能、坡道起步性能）；隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可根據(jù)整車需要提出發(fā)動(dòng)機(jī)外特性目標(biāo)和變速箱速比范圍，由整車適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)變?yōu)榘l(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)整車性能要求，由逆向匹配變?yōu)檎蚱ヅ洌拐嚻ヅ溥_(dá)到最優(yōu)。

整車匹配是一個(gè)反復(fù)優(yōu)化計(jì)算與發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱供應(yīng)商反復(fù)交流修改特性參數(shù)的過(guò)程。如何根據(jù)整車目標(biāo)提出最優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)特性參數(shù)、傳動(dòng)系速比、變速箱參數(shù)，是整車匹配優(yōu)化中需回答的問(wèn)題。本文以某種輕型客車為例，闡述六擋變速箱總成的匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1 整車參數(shù)及名詞述語(yǔ)、符號(hào)說(shuō)明

本文中涉及的整車參數(shù)、名詞述語(yǔ)及數(shù)學(xué)符號(hào)說(shuō)明見(jiàn)表1和表2。

2 整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)

整車性能目標(biāo)是在車型商品定義階段根據(jù)市場(chǎng)需求確定的，只有達(dá)到該性能目標(biāo)整車才有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，高出該性能目標(biāo)太多不僅沒(méi)有意義，還會(huì)使整車開(kāi)發(fā)成本和實(shí)物成本增加，從而失去市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。假定某車型客車整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)見(jiàn)表3。

表1 整車設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 計(jì)算公式中的符號(hào)說(shuō)明

表3 整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)

3 發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱等參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)功率確定

根據(jù)功率平衡原理，計(jì)算滿足整車最高車速要求的發(fā)動(dòng)機(jī)凈功率。通過(guò)計(jì)算，總重G=3 600 kg、最高車速Vmax=140～150 km/h車型的最小功率Pmin范圍為94～112 kW。根據(jù)此功率范圍，在可選的發(fā)動(dòng)機(jī)總成中，確定使用某一種發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如下。

最大功率/轉(zhuǎn)速：100 kW/3 600 r/min

最大扭矩/轉(zhuǎn)速：300 N·m/1 800～3 000 r/min

發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性見(jiàn)圖1。按該發(fā)動(dòng)機(jī)的原始參數(shù)，經(jīng)匹配計(jì)算，一擋傳動(dòng)系總速比需大于20才能滿足整車低速動(dòng)力性要求。通過(guò)供應(yīng)商調(diào)查，沒(méi)有合適的總速比大于20的橫置變速箱資源。為了提高整車低速動(dòng)力性，采用更換增壓器、調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量等方法，提升發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩。扭矩提升前后的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性見(jiàn)圖2。

3.2 變速箱速比確定

3.2.1 一擋變速箱速比確定

在發(fā)動(dòng)機(jī)確定的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩特性已基本確定，一擋速比的大小決定了整車的爬坡性能和坡道起步性能。根據(jù)整車最大爬坡度和最大起步坡度要求，計(jì)算傳動(dòng)系總速比I0×I1的范圍。整車最大爬坡和坡道起步時(shí)，車速一般較低，在計(jì)算中，風(fēng)阻可忽略不計(jì)。計(jì)算公式如式（1）。

將表1中的參數(shù)代入式（1），計(jì)算出滿足要求的I0×I1范圍如下：

滿足最大爬坡度30%～45%要求的I0×I1范圍：14.66～20.67

滿足最大起步坡度 20%～30%要求的 I0×I1范圍：17.00～24.44

將計(jì)算得出的一組數(shù)據(jù)，以總速比為橫座標(biāo)，坡度為縱座標(biāo)，作圖見(jiàn)圖3。

從而可以得出滿足最大爬坡度和最小起步坡度要求的傳動(dòng)系總速比范圍為：

在最大爬坡度計(jì)算中，取發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩Me=300 Nm；在起步坡度計(jì)算中，取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne=1 000 r/min時(shí)的扭矩Me=180 Nm。

3.2.2 最高擋和次高擋變速箱速比范圍確定

整車最高擋速比決定了整車所能獲得的最高車速。傳動(dòng)系速比偏大時(shí)，整車后備功率大，加速性好，但經(jīng)濟(jì)性會(huì)降低，一般匹配中，在滿足整車動(dòng)力性目標(biāo)的前提下，要求盡量降低傳動(dòng)系速比，以獲得較好的經(jīng)濟(jì)性。但若傳動(dòng)系速比過(guò)小，整車動(dòng)力性差時(shí)，用低擋跑高速，不但不能提高經(jīng)濟(jì)性，反而會(huì)使經(jīng)濟(jì)性變差。為此，在確定傳動(dòng)系速比時(shí)，要同時(shí)考慮以下因素進(jìn)行優(yōu)化匹配。

a.整車最高車速：140～150 km/h

b.發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率/轉(zhuǎn)速：100 kW/3 600 r/min

c.發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速：1 600～2 800 rpm

d.整車常用車速：80～120 km/h

為了兼顧動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，最佳匹配時(shí)，應(yīng)使五擋和六擋同時(shí)能達(dá)到最高車速，這樣，在良好路面且外氣環(huán)境良好時(shí)，用六擋行駛后備功率小，能達(dá)到最高車速，有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性；在較差路面、外氣環(huán)境不好（如逆風(fēng)）時(shí)，用五擋行駛也能達(dá)到最高車速并獲得較好的加速性。

按功率平衡原理和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車速的關(guān)系，計(jì)算不同總傳動(dòng)比Ia=2.6、2.8……3.8、4.0時(shí)，不同車速對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率，并根據(jù)整車設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算整車實(shí)際使用工況的車速對(duì)應(yīng)的使用功率 （V-P關(guān)系），將計(jì)算數(shù)據(jù)匯成功率平衡圖，見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，當(dāng)Ia=3.5和Ia=3.0時(shí)，整車能達(dá)到相近的最高車速，且最高車速時(shí)的后備功率接近零。為此，初步確定五擋Ia=3.5左右、六擋Ia=3.0左右。

當(dāng)Ia=3.5和Ia=3.0時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車速的關(guān)系見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出。

當(dāng)Ia=3.0、車速80～120 km/h時(shí)，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 ne=1 800～2 700 r/min。

當(dāng)Ia=3.5、車速80～120 km/h時(shí)，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 ne=2 100～3 150 r/min。

發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速在ne=1 600～3 000 r/min區(qū)間，因而，當(dāng)Ia=3.5和Ia=3.0時(shí)，在常用車速80～120 km/h段，發(fā)動(dòng)機(jī)是在經(jīng)濟(jì)區(qū)運(yùn)行，整車有較好的經(jīng)濟(jì)性。

因此，將五擋總速比I0×I5確定為3.5左右、六擋總速比I0×I6確定為3.0左右時(shí)，五擋和六擋同時(shí)能達(dá)到最高車速Vmax=145 km/h，且有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。該速比是合理、較優(yōu)的。

3.2.3 變速箱速比確定

通過(guò)前面的計(jì)算，滿足整車性能目標(biāo)要求的傳動(dòng)系速比范圍為。

根據(jù)可用變速箱資源，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)可變化的范圍，經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算和優(yōu)化，最終確定使用某六擋變速箱，變速箱速比和主減速比見(jiàn)表4。

表4 變速箱速比和主減速比

4 動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)算

整車匹配過(guò)程是一個(gè)反復(fù)計(jì)算、驗(yàn)算與修正，從而達(dá)到最優(yōu)匹配的過(guò)程。根據(jù)前面確定的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和傳動(dòng)系速比，對(duì)整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。本文只介紹經(jīng)過(guò)多輪調(diào)整后最終的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性參數(shù)和傳動(dòng)系速比驗(yàn)算結(jié)果。

4.1整車動(dòng)力性計(jì)算

4.1.1 最高車速計(jì)算

將表1中的整車參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)外特性數(shù)據(jù)、4、5、6 擋傳動(dòng)系速比等代入下式（6）、式（7），建立Va-P和各擋位Va-Pe函數(shù)關(guān)系式，在一張圖上作出各擋的功率平衡曲線（Va-Pe曲線）和實(shí)際車速下的發(fā)動(dòng)機(jī)使用功率曲線（Va-Pe），兩曲線交點(diǎn)處的車速為變速箱各擋下所能達(dá)到的最高車速 （見(jiàn)圖6）。

從圖6可以看出，4、5、6擋的最高車速分別為118 km/h、146 km/h、144 km/h。整車最高車速出現(xiàn)在第五擋。根據(jù)商品定義，該車主要在良好路面行駛，為了獲得較好的經(jīng)濟(jì)性，在前五擋動(dòng)力性充足的前提下，第六擋為經(jīng)濟(jì)擋，為此，較優(yōu)的匹配是在第六擋也能達(dá)到最高車速的前提下，最大限度地降低后備功率，以便能獲得良好的經(jīng)濟(jì)性。六擋和五擋的最高車速很接近，在最小后備功率情況下，能達(dá)到最高車速，滿足匹配要求，同時(shí)，整車最高車速Vmax=146 km/h，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。故5、6擋速比滿足設(shè)計(jì)要求。

4.1.2 各擋的最大動(dòng)力性因素和最大爬坡度計(jì)算

根據(jù)公式（8）～（11）計(jì)算出不同擋位下，各種車速對(duì)應(yīng)的動(dòng)力性因素D，再按公式（11）計(jì)算出各擋不同車速下對(duì)應(yīng)的爬坡度I，各擋爬坡度中的最大值即為各擋的最大爬坡度（根據(jù)路面附著力要求，為使車輪不打滑，須滿足 Fφ≥Ft，當(dāng) Ft≥Fφ時(shí)，按 Ft=Fφ計(jì)算最大爬坡度）。

將計(jì)算結(jié)果以速度為橫座標(biāo)、爬坡度為縱座標(biāo)，見(jiàn)圖7。從圖7中可以看出，最大爬坡度（1擋）大于35%，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)；3擋最大爬坡度大于10%，按道路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)國(guó)道以上的路面的最大坡度為9%，也就是說(shuō)，在國(guó)道以上的路面上行駛時(shí)，用三擋行駛就可不必坡道減擋，減少駕駛員換擋疲勞。

4.1.3 加速性能計(jì)算

（1）原地一擋起步，連續(xù)換擋到100 km/h的加速時(shí)間和加速距離按下式計(jì)算：

式中：δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)公式

按式（12）計(jì)算出各擋不同車速下的加速度J，作出各擋下的Va-1/J曲線圖和Va-t曲線圖，車速和時(shí)間積分步長(zhǎng)分別取△V=1 km/h、△t=1 s，計(jì)算各擋加速到各種車速所需的時(shí)間。之后計(jì)算得到加速時(shí)間T和加速距離S。

（2）變速箱第六擋Va=40 km/h加速到100 km/h的加速時(shí)間。

與原地起步的計(jì)算方法一樣，按公式（11）、（12）計(jì)算出六擋速比下的Va-1/J曲線圖和Va-t曲線圖，用積分法計(jì)算加速時(shí)間和加速距離。

4.2 整車燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

按發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性數(shù)據(jù)，計(jì)算整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。在燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算中，行駛阻功率按下式（16）進(jìn)行計(jì)算：

式中：ɑ為加速度與重力加速度的比值。如果勻速行駛，則 ɑ=0。

4.2.1 等速百公里燃油消耗量Qs計(jì)算

百公里燃油消耗量：

式中：P為車速為Va時(shí)，所消耗的行駛阻功率，ge為功率為P時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率。

4.2.2 工況油耗量計(jì)算

工況油耗有四工況油耗和六工況油耗等。計(jì)算中，對(duì)“加速行駛—?jiǎng)蛩傩旭偂獪p速行駛”各工況分步計(jì)算，再累加，最后得出整個(gè)工況下的燃油消耗量。

（1）勻速行駛工況的燃油消耗量可用下式計(jì)算：

用速度V1從時(shí)間t1秒加速到時(shí)間t2秒的燃油消耗量。

式中：ge為速度為V1時(shí)，對(duì)應(yīng)阻功率P1和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的燃油消耗量ge。

（2）加速行駛工況

用t3-t2的時(shí)間，車速?gòu)腣1加速到V2的燃油消耗量

式中：get為速度為Vt時(shí)，對(duì)應(yīng)阻功率Pt和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的燃油消耗量get。

（3）減速或怠速行駛工況

減速或怠速行駛工況的燃油消耗量為減速或怠速時(shí)間乘以怠速燃油消耗率。若減速或怠速時(shí)間為t4-t3（秒），則燃油消耗量為：

式中：Qi為怠速燃油消耗率，單位為L(zhǎng)/s。

（4）整個(gè)工況的百公里燃油消耗量

根據(jù)各工況的速度和時(shí)間，很容易求出整個(gè)工

4.3 計(jì)算結(jié)果

將前面4.1和4.2計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)下表5。況的加速距離s，從而可以求出整個(gè)工況的百公里燃油消耗量：

表5 整車動(dòng)力性/經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果

4.4計(jì)算結(jié)果分析與參數(shù)修正

將表5中的計(jì)算結(jié)果與表3的整車設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行比較，所有項(xiàng)目均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，說(shuō)明匹配出的該組發(fā)動(dòng)機(jī)外特性數(shù)據(jù)和傳動(dòng)系速比數(shù)據(jù)是合理的、較優(yōu)的。如果有某項(xiàng)性能較差，就須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性數(shù)據(jù)和傳動(dòng)比速比進(jìn)行適當(dāng)修改和反復(fù)驗(yàn)算，直到達(dá)到最優(yōu)匹配。

4.5 實(shí)車驗(yàn)證

對(duì)按照本優(yōu)化匹配方法開(kāi)發(fā)出來(lái)的整車的實(shí)車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果

實(shí)測(cè)結(jié)果都達(dá)到和超過(guò)了整車目標(biāo)性能要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

在新車型開(kāi)發(fā)項(xiàng)目策劃階段，利用整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行整車匹配計(jì)算，根據(jù)匹配計(jì)算結(jié)果進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱選型，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱的性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)選配的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱不能完全滿足整車性能需要等后果，就能使整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、起步加速性能都達(dá)到最優(yōu)。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，利用這種正向匹配方法，在新發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目策劃中，發(fā)動(dòng)機(jī)廠商可以根據(jù)有匹配意向的整車參數(shù)范圍和目標(biāo)性能預(yù)測(cè)，合理地確定發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)范圍，使其開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品有更廣闊的應(yīng)用前景。

［1］余志生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］王霄峰.汽車底盤設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［3］ JTG B01-2003，公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，［S］.