基于典型用戶使用工況的重型載貨汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配研究

張艷輝　張偉軍　鄧陽(yáng)慶　范家政　王肇宇

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春130011）

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基于典型用戶使用工況的重型載貨汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配研究

張艷輝張偉軍鄧陽(yáng)慶范家政王肇宇

（中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春130011）

【摘要】以重型載貨汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于典型用戶使用工況對(duì)其進(jìn)行匹配研究。論述了整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配中評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要作用，結(jié)合用戶實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)理論統(tǒng)計(jì)出發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷分布并解析該車行駛循環(huán)工況。基于所建行駛循環(huán)工況，利用CRUISE軟件建立整車模型，并進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配仿真分析。以動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性為雙目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)匹配選優(yōu)，使汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性提升。

1　前言

汽車的動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性是汽車性能優(yōu)劣最基本的評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此汽車動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣的評(píng)價(jià)方法顯得尤為重要，只有找到符合用戶實(shí)際使用情況的評(píng)價(jià)指標(biāo)才能為其優(yōu)劣評(píng)價(jià)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配優(yōu)化提供重要依據(jù)［1］。

自20世紀(jì)70年代起，各國(guó)為能正確模擬汽車行駛工況，在測(cè)定汽車典型用戶實(shí)際行駛工況的基礎(chǔ)上，制訂了嚴(yán)格的法規(guī)試驗(yàn)循環(huán)，如歐洲的NEDC循環(huán)、美國(guó)的FTP75循環(huán)、日本的10-15循環(huán)等。此外，還開(kāi)發(fā)了許多實(shí)際的汽車行駛循環(huán)工況，據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)［2］，用于各種不同用途的工況大約有70種。由于國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)先進(jìn)排放控制、節(jié)能技術(shù)車輛的緊迫需要，一些院所和企業(yè)嘗試研究了地域性或具體車型的行駛工況，但研究絕大多數(shù)都是基于乘用車和城市客車的，載貨汽車行駛循環(huán)工況因試驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用巨大且載貨汽車種類繁多、使用類別差別大而研究較少。

2　傳統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配存在的問(wèn)題

針對(duì)用戶使用工況的整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配還不成熟，沒(méi)有形成整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配正向開(kāi)發(fā)流程規(guī)范。在傳統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配中經(jīng)常出現(xiàn)如下問(wèn)題。

按照GB/T12543、GB/T12545.2-2001中規(guī)定的動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行車輛的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配，經(jīng)常會(huì)偏離用戶的實(shí)際使用工況，而導(dǎo)致用戶在實(shí)際使用中對(duì)車輛動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性的不滿。

為了驗(yàn)證評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)汽車動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配的影響，基于CRUISE軟件對(duì)某款重型載貨汽車建立整車仿真模型，并根據(jù)GB/T12543、GB/T12545.2-2001以及某地區(qū)用戶使用典型情況（用戶多工況選用GB/T27840-2008中WTVC工況）分別選取不同的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，求解匹配不同主減速比的整車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性結(jié)果。整車模型計(jì)算結(jié)果如表1所列。商用車6工況曲線、WTVC工況曲線如圖1所示。

表1　整車模型仿真計(jì)算結(jié)果

圖1　典型工況對(duì)比

表1中國(guó)標(biāo)選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)與用戶實(shí)際頻率使用的評(píng)價(jià)指標(biāo)差別很大。通過(guò)對(duì)比主減速比為3.73與4.4的兩組數(shù)據(jù)可知，基于國(guó)標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)，主減速比3.73的經(jīng)濟(jì)性提高了14.0％，而動(dòng)力性卻降低了51.9％；但基于用戶評(píng)價(jià)指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)性僅提高3.2％，動(dòng)力性僅降低29.5％。因此，選取不同的整車行駛循環(huán)工況造成動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性結(jié)果的差異較大，從而導(dǎo)致動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配選優(yōu)結(jié)果不同，所以選擇符合用戶實(shí)際情況的評(píng)價(jià)指標(biāo)至關(guān)重要。

3　用戶使用工況研究

整車行駛循環(huán)工況主要用于確定車輛污染物排放量和燃油消耗量、新車型的技術(shù)開(kāi)發(fā)和評(píng)估等。由于整車行駛循環(huán)工況反映車輛使用條件（路面狀況、駕駛行為、交通環(huán)境等）對(duì)車輛各種性能的影響，所以其是改進(jìn)和提高車輛各種性能所必需的［3］。重點(diǎn)介紹某地區(qū)重型普通載貨汽車用戶使用工況研究結(jié)果，結(jié)合用戶試驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)某地區(qū)用戶車輛進(jìn)行用戶使用情況調(diào)研以及跟車實(shí)際數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和多參數(shù)統(tǒng)計(jì)理論對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并提取普通載貨汽車典型用戶的行駛循環(huán)工況。

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷分布

3種路況發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷分布如圖2～圖4所示。

圖2　城市公路發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷分布

圖3　一般公路發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷分布

圖4　高速公路發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷分布

由圖2～圖4可知，在不同路況下發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷分布的常用工作區(qū)位置有明顯差異。在城市公路常用工作區(qū)高度集中于一個(gè)區(qū)域，即發(fā)動(dòng)機(jī)低速低負(fù)荷區(qū)（轉(zhuǎn)速為600～1 100 r/min、扭矩為0～200 N·m），其所占比重約為65.6％。在一般公路該區(qū)域所占比重降為44.1％，該區(qū)域的集中度有所下降，其它區(qū)域的比重明顯增大。在高速公路該區(qū)域比重降至16.2％，此時(shí)高度集中于發(fā)動(dòng)機(jī)中速中負(fù)荷區(qū)（轉(zhuǎn)速為1 300～1 600 r/min、扭矩為100～600 N·m），此時(shí)正好處于發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)。

3.2用戶使用工況研究

構(gòu)建城市公路、一般公路以及高速公路等3種路況下的整車行駛循環(huán)工況，如圖5～圖7所示。該3種路況下的循環(huán)工況都表現(xiàn)為速度—時(shí)間曲線，其特征參數(shù)如表2所列。

圖5　城市公路整車行駛循環(huán)工況

圖6　一般公路整車行駛循環(huán)工況

圖7　高速公路整車行駛循環(huán)工況

表2　各路況下整車循環(huán)工況的特征參數(shù)

4　基于用戶使用工況動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配仿真分析

4.1某普通載貨汽車主要總成結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

某普通載貨汽車的主要總成結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3　主要總成結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

4.2整車模型

利用AVL CRUISE v2009軟件提供的部件模型庫(kù)，通過(guò)定義車輛各部件的性能參數(shù)和各部件之間的邏輯關(guān)系，建立某普通載貨汽車的仿真分析模型如圖8所示。

圖8　普通載貨汽車的CRUISE整車仿真模型

4.3仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如表4所列。

表4　仿真結(jié)果對(duì)比分析

4.3.1否決指標(biāo)

最高車速和Ⅰ擋最大爬坡度代表汽車動(dòng)力性能的極限能力，其需要滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求（最高車速≥100 km/h、Ⅰ擋最大爬坡度≥22％）。因此，以最高車速、Ⅰ擋最大爬坡度作為否決指標(biāo)，只要該兩個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求即可；若該兩個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)要求時(shí)，該車型所選擇的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)就被否定。

4.3.2目標(biāo)函數(shù)

基于表4中的仿真結(jié)果，通過(guò)最高車速和Ⅰ擋最大爬坡度兩項(xiàng)否決指標(biāo)判別后，整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配優(yōu)化主要通過(guò)起步連續(xù)換擋加速能力、最高擋加速能力和綜合工況油耗等結(jié)果進(jìn)行尋優(yōu)。

最優(yōu)化設(shè)計(jì)是在多種因素下尋求使人最滿意、最適宜的一組參數(shù)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)是根據(jù)特定問(wèn)題所追求的目標(biāo)，用設(shè)計(jì)變量的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式來(lái)表示。以動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性為雙目標(biāo)函數(shù)，采用線性加權(quán)組合的方法將其轉(zhuǎn)換成單一目標(biāo)函數(shù)，建立用戶使用樣車的參數(shù)優(yōu)化模型［4］為：

式中，r1為動(dòng)力性加權(quán)因子；r2為燃料經(jīng)濟(jì)性加權(quán)因子；D（x）為動(dòng)力性能；F（x）為燃料經(jīng)濟(jì)性能；r1+r2=1。

4.3.3最優(yōu)匹配的選擇

為了消除量綱的影響，根據(jù)公式（2）進(jìn)行各參數(shù)的無(wú)量綱化變換，然后使用公式（1）進(jìn)行加權(quán)評(píng)分。最終的評(píng)分結(jié)果如表5所示。

表5　無(wú)量綱化變換及不同加權(quán)因子的綜合得分

因?yàn)槠嚨募铀贂r(shí)間和燃油消耗量都是越小越好，所以取最小值得分為最優(yōu)結(jié)果。綜合以上分析結(jié)果，r1=0.45、r2=0.55（側(cè)重經(jīng)濟(jì)性）的最優(yōu)主減速比為4.4；r1=r2=0.5和r1=0.55、r2=0.45（側(cè)重動(dòng)力性）的最優(yōu)主減速比為4.5。

5　結(jié)束語(yǔ)

論述了重型商用車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配傳統(tǒng)方法的局限性，結(jié)合用戶試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷分布并構(gòu)建了重型普通載貨汽車行駛循環(huán)工況。基于重型載貨汽車行駛循環(huán)工況，進(jìn)行了重型載貨汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配仿真分析。以動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性為雙目標(biāo)函數(shù)，采用線性加權(quán)組合的方法將其轉(zhuǎn)換成單一目標(biāo)函數(shù)并進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)匹配選優(yōu)，汽車動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能的評(píng)價(jià)提升。

參考文獻(xiàn)

1周汽一，張艷輝，鄧陽(yáng)慶，等.重型普通載貨汽車典型用戶的整車行駛循環(huán)工況研究.汽車技術(shù)，2012（3）:39～42.

2李駿.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排先進(jìn)技術(shù).北京：北京理工大學(xué)出版社，2011.

3劉延林，鄧陽(yáng)慶.自卸車循環(huán)工況研究.汽車工程，2009 （10）:963～965.

4趙璐，周云山，鄧陽(yáng)慶.基于CRUISE的DCT整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配仿真研究.汽車技術(shù)，2011（1）:10～14.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年1月9日。

主題詞:重型載貨汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配典型用戶使用工況

Research on Matching of Heavy Duty Truck Drivetrain Based on Vehicle Driving Cycle of Typical Customer

Zhang Yanhui, Zhang Weijun, Deng Yangqing, Fan Jiazheng,Wang Zhaoyu
（China FAW Co., Ltd. R&D Center, Changchun 130011）

【Abstract】With drivetrain of a heavy duty truck as research object, we make matching research based on the driving cycle of typical customers. Firstly, the paper discusses the important role of the evaluation index in the matching of vehicle drivetrain, which is combined with real vehicle test data and data statistics theory to derive engine load distribution and resolve driving cycle of this vehicle. Based on the driving cycle we build, the vehicle model is built by using CRUISE software, and the simulation analysis is carried out. Drivetrain matching is made with power and fuel economy as doubleobjective function, which improve vehicle power performance and economy.

Key words:Heavy duty truck, Drivetrain, Match, Driving cycle of typical customer

中圖分類號(hào):U463.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-3703（2016）04-0009-04