基于多工況的重型牽引車動力及　傳動系統優化匹配分析

張育維，謝小虎，余典典，劉海霞，楊帆（東風商用車技術中心 商品開發部， 武漢 430056）

設計·研究Design & Research

基于多工況的重型牽引車動力及傳動系統優化匹配分析

張育維，謝小虎，余典典，劉海霞，楊帆
（東風商用車技術中心 商品開發部， 武漢 430056）

商用車動力傳動系統優化匹配的目的在于提高運輸生產效率，降低燃油消耗。國內外大型汽車公司都在運用計算機技術進行這方面的研究。本文以國內某款重型牽引車的開發為例，介紹了根據市場的使用特征來匹配發動機、變速器、后橋這些動力系統總成的方法；并據此用Matlab語言編制了仿真計算程序；同時使用AVL Cruise程序進行了動力性燃油經濟性仿真優化匹配計算。在實際生產中，商用車動力性和燃油經濟性優化匹配是根據開發的目標車型需要，根據動力總成資源條件，在所有可能的方案中優選出最貼切的方案。同時提高商用車的動力性和燃油經濟性是不可能的，只有根據目標車型的目的用途不同，側重一方兼顧另一方。商用車動力性燃油經濟性優化匹配研究關鍵在于與時俱進開發好其仿真計算方法。

商用車動力傳動系統； 仿真計算 ；優化

張育維

畢業于湖北汽車工業學院，現任東風商用車有限公司技術中心責任工程師，主要研究方向整車設計。

1　引言

1.1商用車動力傳動系統優化匹配研究的意義

目前隨著國內商用車市場尤其是牽引車市場的快速發展，牽引車的保有量不斷攀升。同時隨著全球油價的不斷攀升，重卡用戶對于整車經濟性的關注度不斷攀升。因而研究重卡整車的經濟性顯得越發重要。整車燃油經濟性好壞不僅與發動機經濟性的直接相關，更直接受到整車的動力系統優化匹配工作質量的影響。因此，動力性、經濟性便成為東風商用車產品的一項重要商品特性。

為了提高整車燃油經濟性，東風商用車圍繞著汽車和發動機主要采取了以下措施：

1.提高汽車行駛效率

（1）減少行駛阻力——通過改進車身造型，改善車身結構來減少迎風面積和空氣阻力；通過改進輪胎結構來減少滾動阻力。

（2）底盤輕量化——采用新型輕質材料，通過計算機輔助計算和設計技術使整車質量輕量化，使各總成部件緊湊。前置發動機、前輪驅動化。

（3）提高驅動效率——采用自動或電控自動換檔裝置，減少軸承與齒輪的摩擦損失，提高傳動效率。

2.提高發動機性能

（1）提高能源利用率——利用渦輪增壓回收廢氣能量；提高附屬裝置（空調、電器裝置等）的效率。

（2）改進現有發動機——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、柴油高壓共軌燃料供給系統和ECU控制使發動機工作最優化。

3.研究開發利用新型動力

（1）開發新一代發動機——研制高循環發動機；研制氫氣發動機；研制利用電能的電動車。

（2）利用代用燃料——利用液化天然氣、石油氣等燃料；利用乙醇、甲醇等合成燃料。

4.優化匹配動力傳動系統

（1）發動機的選型——汽油機與柴油機的選擇；發動機使用特性的選擇；發動機排量的選擇。

（2）傳動系型式及參數的選擇——變速器的形式、速比范圍、檔位間隔；液力變矩器型式及尺寸；驅動橋的類型及能力等。

1.2本文研究的主要內容

本文通過數理統計和仿真計算，借助于計算機的強大數據處理能力，進行商用汽車動力傳動系統選型和優化匹配。運用自編的“汽車動力性燃料經濟性仿真計算程序”和奧地利AVL公司Cruise車輛整車性能仿真平臺，以國內某款牽引車開發為例，分別對穩態和綜合工況分析，對動力傳動系統進行選型和優化。通過本課題的研究，學習掌握商用汽車動力性燃料經濟性仿真計算方法，為以后工作當中的應用和自主知識產權的汽車整車性能仿真計算和分析軟件研究提出指導性意見。

2　高速牽引車市場用途特征及技術路線

2.1整車市場用途特征

整車市場用途特征說明：長途高速物流市場，滿足高附加值運輸市場的時效性、油耗、出勤率需求。

2.2整車動力傳動技術路線

（1）應用高壓/超高壓共軌噴射技術提升動力性、燃油性，降低發動機工作噪音；

（2）采用滿足國四、國五的發動機排放技術；

（3）整車匹配噸功率不小于8kw/t；

（4）發動機最大扭矩不小于2000Nm；

（5）平均車速滿足市場時效性要求；

（6）采用多種組合輔助制動技術提高下長坡道路行駛性能；

（7）應用AMT技術提升道路駕駛性能，降低司機長途駕駛疲勞，提高離合器耐久性；

（8）應用電子控制策略優化動力性、燃油經濟性；

（9）整車采用低風阻空氣動力學設計技術和低滾動阻力輪胎技術；

2.3節油技術路線

（1）常用發動機轉速：常用車速對應的發動機轉速不大于1600轉，換檔轉速范圍設計在1100-1500轉以內；

（2）發動機最低比油耗：不大于195g/kw.h；

（3）電子控制程序：開發基于整車電控架構的動力程序、經濟程序、制動程序；采用發動機制動輔助制動技術；

（4）高速平順性：采用底盤輕量化設計；降低整車懸下質量提高整車高速行駛平順性；

（5）低風阻造型、選用低滾組輪胎。

3　動力及傳動系統匹配初步分析

3.1目標市場動力特性需求分析

（1）平均車速目標：不小于75km/h；

（2）機油更換里程目標：維護里程達到6萬公里（標準工況）；

（3）路況適應范圍：GCW55，最高檔爬坡度不小于1%，與進口標桿相當或更高；1%坡度最高車速80～90km/h，3%坡度最高車速50～55km/h；

（4）最高車速不小于120km/h

（5）坡道起步校核：不小于25%；

（6）續行里程不小于1000km；

（7）運輸半徑不小于1500km；

（8）整車路況使用范圍定義：高速公路、一級公路。

表1　公路最大縱坡度

3.2發動機最大功率需求分析

在做動力匹配之前，必須要先核算發動機的最大功率以滿足基本的動力需求，根據3.1中提出的動力需求指標來確定發動機的最大功率需求。以平路最高車速120km/h；1%坡度最高車速80～90km/h，3%坡度最高車速50～55km/h為邊界條件來核算。

3.2.1計算方法

分別計算空氣阻力功率、滾動阻力功率、坡道阻力功率，再將它們求和即為發動機最大的功率需求。

其中：

A：迎風面積，單位：m2

ua：車速，單位：km/h

ηT：傳動效率

CD：空氣阻力系數

其中：

m：總質量，單位：kg

g：重力加速度，取值為9.8m/s2

f：滾阻系數，取值為f=0.0056+0.0000026×ua

其中：

i：坡度

（4）總阻力功率：

P=P風阻+P滾組+P坡阻

3.2.2計算參數

總質量按照目前中國牽引車主要的總重：55t；迎風面積、風阻系數由車身部門按照整車條件估算提供；傳動效率以0.9計算。參數如表2：

表2　計算參數表

3.2.3計算結果

將以上公式編入matlab軟件中一次完成所有數據的計算，結果如表3：

表3　各坡度下功率需求

可以看出：平路最高車速滿足120km/h所需發動機功率至少為387.2PS的發動機，3%坡度下55km/h車速需要至少472PS凈功率以上的發動機。據此，動力工作小組選擇480PS以上的發動機，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展趨勢、市場環境以及法規要求，對發動機提出了以下開發要求：

1） 開發需要480PS發動機型；

2） 發動機額定轉速：1900rpm；

3） 發動機主要工作轉速：1050～1600rpm。

4　仿真計算參數

4.1動力及傳動資源

根據之前的論述，既要保證發動機可靠性和壽命，又需要至少480PS以上的功率，所以選擇了大排量的13L發動機。而在高效牽引車市場，國外先進的商用車廠家主要使用的是12擋變速箱，所以選擇了ZF12擋變速箱。后橋主要有東風485和 D190作為資源，要滿足高速行駛，根據以往的經驗，預選了幾個較小的速比。

發動機： 國內某款480發動機；

變速箱：某款12擋超速擋和直接擋變速箱；后橋速比：3.07、3.42、4.11、4.44。

4.2發動機參數

由于前文已經對發動機做了初步驗證，且已經根據發動機的需求特點而新開發了480PS的發動機。

4.2.1發動機外特性參數

表4　發動機外特性參數表

4.2.2發動機外特性萬有特性參數

萬有特性數據量較大，由于篇幅限制，文中不再列出。

4.3變速箱參數

變速箱參數如表5、表6所示。另外變速箱TCU新開發電控功能： E/P駕駛模式。

表5　一款12擋超速擋變速箱

表6　一款12擋直接擋變速箱

4.4輪胎參數

考慮主掛輪胎匹配。主要使用315/80R22.5輪胎，滾動半徑為522.3mm。

4.5其他參數

表7　其他參數

5　常用擋位的初步校核

已經選擇了足夠的發動機功率，那么要檢驗各種可能的傳動配置在要求的車速下，是否能將發動機的功率發揮出來。根據前文所分析該牽引車主要行駛于高速、一級公路，而最高擋的利用率在80%以上，所以此時首先驗證最高擋1%坡度下發動機輸出轉速和扭矩情況，主要方法是：

（1）分別利用功率平衡公式算出各車速在1%坡道下的阻力功率P1，方法如3.2.1所介紹；

（2）利用以下功率公式，分別算出發動機各轉速下所需要的扭矩；

P1=Tn/9550

其中：

T：發動機扭矩，單位：Nm；

n：發動機轉速（rpm）；

（3）再利用速度-轉速公式求出發動機轉速和車速的關系即可進行校核。

ua=0.377rn/i0g0

其中：

ua：車速，單位：km/h；

i0：主減速比；

g0：變速箱速比。

由于計算量比較大，本文利用Matlab軟件編程，同時編程輸出曲線圖疊加對比，可以十分直觀地分析問題，另外程序編好后直接更改參數即可應用在其他車型的開發中，非常方便。將所選的兩款變速箱最高擋速比（0.78、1）和后橋速比（3.07、3.42、4.11、4.44）進行組合，共8個，輸入到程序中。得出在1%，各組合發動機轉速和扭矩輸出情況，如圖1。由圖可知3.07速比和超速擋變速箱（最高擋0.78速比）匹配，已經不能滿足最高擋1%的爬坡度的動力需求；同時4.11和4.44分別匹配直接擋變速箱，在常用車速下發動機轉速較高，經濟性不好。這些結論將在后續繼續論證。根據該方法，初步判定3.42后橋速比+超速擋和3.07后橋速比+直接擋的匹配可能較為合適。

6　基于Avl Cruise的動力匹配計算

奧地利AVL（李斯特）公司是當今世界上最大的專業從事車輛動力系統和汽車產品及測試設備開發的獨立公司。在世界汽車、發動機行業擁有極高知名度和良好聲譽。公司成立于1948年，總部位于奧地利格拉茨市，45個子公司及分支機構遍布世界。

AVL Cruise 是用于仿真研究車輛動力性、燃油經濟性、排放性能與制動性能的高級仿真分析軟件?？梢杂糜谲囕v開發過程中的動力傳動系的匹配和車輛性能預測等，軟件提供了多種計算模式，可以對整車動態和靜態的性能進行仿真分析。

本章節基于Cruise軟件完成動力性、經濟性動力性經濟性分析。

6.1計算工具及模型

使用AVL Cruise軟件進行計算，按照以上參數建立整車動力模型，如圖2：

6.2輸入各個模塊參數型

車除了整車模塊外，還有發動機、離合器、變速箱、驅動橋主減速器、緩速器、右后內側后輪、右前輪、左后內側后輪、左前輪、右后外側后輪、左后外側后輪、右后制動鼓、左后制動鼓、右前制動盤、左前制動盤、差速器、駕駛臺等模塊。各個模塊都需要輸入計算用參數，有簡單模式，也有多參數模式，可根據計算任務的需要選擇。

6.3設計計算任務

常規的計算任務主要包括Constant Drive、Climbing Performance、Full load Acceleration通過這些任務的計算，可以分析車輛的基本性能。

6.4仿真計算結果

Cruise計算結果中存在大量數據，將根據評判動力性、經濟性的一些常用評價方法和標準，整理成以下數據。因數據量較大本文僅對480馬力發動機匹配12擋超速擋變速箱、3.42后橋速比時的計算結果進行說明。

6.4.1功率平衡圖

以高速中最主要的0%坡度，為最高檔所需達到的1%坡度和高速公路最大的能用到的3%坡度做功率平衡，如圖3。從圖中可以較為清晰的分析可用擋位，負荷率，車速。

6.4.2扭矩特性圖

分別模擬平直道路（0%坡度）、微丘路況（1%坡度）、丘陵路況（3%坡度）。在發動機萬有特性圖中可以清楚的看到是否工作與經濟轉速和經濟扭矩區。如圖4，在平直道路中，常用車速為90～100km/h，阻力曲線正好位于發動機最小油耗區域。因此，在常用行駛工況下，發動機以最經濟的工況運行。

6.4.3動力性計算結果

動力性一般以最大爬坡度、加速性能、最高車速來評價。

（1）各檔最大爬坡度

表8　各檔最大爬坡度表

（2）各檔爬坡度

（3）加速性能

表9　加速時間/加速距離

（4）最高車速

最高車速為137km/h此時轉速為1913rpm。6.5燃油經濟性仿真計算

等速油耗是評價燃油經濟性的基本方法，可以對比目標工況中常用車速在各動力及傳動配置下的等速油耗。一般來說經濟車速對應常用車速是比較合適的配置選型。在這里要分別考慮直接擋和超速擋的使用，超速擋一般用于長下坡行駛，空載、半載行駛或非常好的路況，而直接擋用于一般的路況。

6.5.1直接檔等速百公里油耗

表10　直接檔等速百公里油

6.5.2超速檔等速百公里油耗

表11　超速檔等速百公里油耗

75 1047.16 51.47 38.35 80 1116.97 50.43 39.47 85 1186.78 51.93 40.77 90 1256.6 53.45 42.41 95 1326.41 55.27 43.78 100 1396.22 57.61 44.74 105 1466.03 60.61 47.45 110 1535.84 64.54 50.05 115 1605.65 69.65 52.68 120 1675.46 75.94 55.74

7　基于綜合工況的動力性經濟性優化分析

以上燃油經濟性評價方法均為穩態的計算分析，而在實際工況中車輛并不會等速行駛，而且坡度也會有變化，所以必須考慮工況下的燃油經濟性。因所開發的車型為高速牽引車，所以主要行駛的道路為平原高速和丘陵高速。將類似車型的試驗數據做為計算路譜主要包括路程、車速、海拔高度三項。因為試驗采集時存在波動和誤差，所以必須經過處理才能計算，否則在局部會造成巨大突變產生差較大計算誤差。本文所使用平均數的方法對采集數據進行簡單濾波如圖6、圖7分別為平原高速和丘陵高速的路譜曲線。將該數據輸入Cruise軟件Cycle Run任務中進行計算。

評價方法類似于《汽車理論》中燃油經濟性—加速時間曲線的方法綜合評價動力性和燃油經濟性。但是在牽引車中，動力性更關注于高擋位的道路適應性，所以本文以80km/h時最高檔爬坡度替代加速時間。分別計算12擋超速擋變速箱分別和3.07、3.42、4.11、4.44主減速比匹配下的綜合油耗并結合這些速比下80km/h時最高檔爬坡繪成曲線，如圖?？梢钥闯鲈谄皆咚俾窙r下3.07速比油耗最低，但是其爬坡度不滿足1%要求，所以3.42較為合適。而在丘陵高速中，3.42速比的燃油經濟性最好，同時動力性也滿足要求。所以最終選擇了480馬力發動機、12擋超速變速箱、3.42后橋速比的動力及傳動配置。

8　結論

本文的研究，查閱了大量的國內外動力傳動系統優化匹配資料。提出了根據市場細分原則，根據目標車型的需要，用Matlab語言編制仿真計算程序計算功率需求，并以最高車速計算、爬坡度計算、等速油耗計算以及對資源條件來選擇發動機及傳動參數。

同時提高商用車動力性和燃油經濟性是不可能的，不同的目標車型在實際使用過程中用途不同。為優化所選擇的動力傳動系統總成參數，本文以一款高速牽引車發為例，應用AVL Cruise商業仿真計算分析軟件，結合綜合工況進行了動力性、燃油經濟性的仿真優化分析。最終選擇出滿足市場需求的動力傳動系統總成參數。

［1］汽車理論 機械工業出版社 第4版 余志生主編.

［2］汽車動力學 第4版 清華大學出版社 （德）Manfred MitschkeHenning Wallentowitz著 陳蔭三 余強 譯.

［3］車輛動力學基礎 清華大學出版社（美）Thomsa D. Gillespie 著 趙六奇 金達鋒 譯.

［4］內燃機學 機械工業出版社 第二版 周龍保主編.

［5］汽車萬有特性圖的繪制及特性分析 汽車科技 總第218期 黃流軍.

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龍永生：

對于中重型車油耗匹配優化，一般需要在大型轉轂上開展工作，成本比較高，目前國內外均普遍采用仿真計算的方法估算中重型車的油耗。本文在查閱了大量的國內外動力傳動系統優化匹配資料的基礎上，按照市場細分原則，根據目標車型的需要，利用自編的Matlab語言程序，通過仿真計算程序來計算發動機的功率需求，考慮最高車速計算、爬坡度計算、等速油耗計算以及對資源條件考慮等來選擇發動機及傳動參數；針對整車動力性、燃油經濟性的仿真優化分析，本文以一款高速牽引車發為例，結合AVL的 Cruise商業仿真計算分析軟件，根據不同的車型目標及在實際使用過程中用途不同，通過優化最終選擇出滿足市場需求的動力傳動系統總成參數。

文章條理清楚，使用公式正確合理，提出基于綜合工況的動力性經濟性優化分析及評價方法，對中重型車的動力性經濟性優化匹配具有一定實際指導意義。

Optimi zation Matching Analysis of Powertrain and Driveshaft System for Heavy Duty Tractors Based on Various Driving Conditions

ZHANG Yu-wei，XIE Xiao-hu，YU Dian-dian，LIU Hai-xia，YANG Fan
（DONGFeng Commercial Vehicle CO.， LTD.Product Development Department of Technical Center，Wuhan430056）

Matching optimization of commercial vehicle power train system aims to improve transport efficiency and reduce fuel consumption. Vehicle companies both at home and abroad do some researches in this area by using computer technology. In this paper， a heavy truck development is used as an example， introducing the method of use-characteristics of the market， to match the engine，gearbox， rear axle assembly of the power system； and using Matlab language program to do simulation calculation. At the same time， use AVL Cruise to do optimized simulation calculation for dynamic performance and fuel economy. In actual production， matching optimization for dynamic performance and fuel economy of commercial vehicle is developed based on the target model， according to the power train resource conditions to select the most appropriate solution in all possible solutions. It is impossible to improve vehicle power performance and fuel economy at the same time， for it shall only be to give our focus according to different uses of the vehicle’s target. The key of matching optimization study for dynamic performance and fuel economy of commercial vehicle is to develop the simulation calculation methods by keeping pace with the times.

Power transmission system for commercial vehicle； simulation calculation；optimization

U462.3+4

A

1005-2550（2015）05-0001-08

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.05.001

2015-04-10