大馬力水泥攪拌車匹配大扭矩六檔箱技術(shù)研究

陳林，章應(yīng)雄，代祥波，王金勝（東風(fēng)商用車有限公司商用車技術(shù)中心，武漢，430056）

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大馬力水泥攪拌車匹配大扭矩六檔箱技術(shù)研究

陳林，章應(yīng)雄，代祥波，王金勝
（東風(fēng)商用車有限公司商用車技術(shù)中心，武漢，430056）

摘 要：利用Cruise軟件創(chuàng)建了適合大馬力水泥攪拌車的武漢工況仿真模型，進(jìn)行了大六檔箱的優(yōu)化匹配仿真計(jì)算分析，同時(shí)從檔位利用率和級(jí)差排布及離合器系統(tǒng)匹配角度，研究了大馬力水泥攪拌車匹配大六檔箱的可行性，然后對(duì)優(yōu)選方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明優(yōu)配后的兩種大六檔箱，比原配九檔箱要省油，同時(shí)動(dòng)力性也滿足使用要求，可以匹配使用。

關(guān)鍵詞：水泥攪拌車；武漢工況模型；大六檔箱；仿真分析；級(jí)差排布；優(yōu)化匹配

陳 林畢業(yè)于武漢理工大學(xué)車輛工程專業(yè)，本科學(xué)歷，現(xiàn)任東風(fēng)商用車技術(shù)中心底盤部總布置項(xiàng)目工程師、高級(jí)工程師，研究方向：底盤總布置及設(shè)計(jì)。曾獲東風(fēng)公司科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)。

前言

一方面是城市大規(guī)模舊城區(qū)改造和以大城市為中心的城市群發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，一方面是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求：環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)要同步、協(xié)調(diào)發(fā)展。在筑路和建筑施工過程中，為保障混凝土質(zhì)量，同時(shí)保護(hù)環(huán)境，規(guī)定施工工地禁止露天人工混凝土攪拌作業(yè)[1]，常設(shè)有專門的混凝土攪拌站，然后利用水泥攪拌車運(yùn)輸混凝土，在運(yùn)輸過程中不斷攪拌，保證混凝土質(zhì)量，到工地后可以直接澆注。正是基于這樣的市場環(huán)境，大容積、大馬力水泥攪拌車的需求近年來不斷增長。作為重型汽車的一種，需要考慮怎樣才能既滿足用戶市場的需求，又能提高燃料利用率，以減少對(duì)環(huán)境的污染，這是大馬力水泥攪拌車設(shè)計(jì)過程中要考慮的問題。要?jiǎng)恿π院茫灰l(fā)動(dòng)機(jī)有足夠大的馬力和扭矩就容易實(shí)現(xiàn)，可是要燃油經(jīng)濟(jì)性好，除了要求發(fā)動(dòng)機(jī)本身燃油消耗率小之外，還要求發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際行駛中能盡量多的處于燃油消耗率較低的經(jīng)濟(jì)區(qū)，而想要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，選擇合適的發(fā)動(dòng)機(jī)和匹配最優(yōu)的傳動(dòng)系參數(shù)，才能實(shí)現(xiàn)整車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的的目標(biāo)，而在目前國內(nèi)大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)資源有限的情況下，研究如何合理的匹配動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，則成為改善汽車動(dòng)力性，提高燃料利用率的重要措施。

1　國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國外從上世紀(jì)七十年代開始相關(guān)方面的研究，陸續(xù)推出一些應(yīng)用軟件，如通用的GPSIM，福特的TOFEP，Cummins的VMS，日產(chǎn)的CSVFEP等，目前大家公認(rèn)比較成熟的商業(yè)軟件還是奧地利的AVL-Cruise和美國GAT公司的GTDRIVE[2]。國內(nèi)上世紀(jì)八十年代開始部分高校與企業(yè)合作在汽車動(dòng)力匹配上做了一些研究，國內(nèi)汽車廠家如東風(fēng)汽車公司、重汽集團(tuán)、陜汽等采用了AVL-Cruise和GT-DRIVE軟件應(yīng)用到整車開發(fā)中，積累了一些經(jīng)驗(yàn)，收到一定效果，但還有些問題有待研究解決，比如國外軟件里定義的工況都是針對(duì)歐美國家汽車使用市場而研究定義的，與國內(nèi)實(shí)際使用工況差異很大，國內(nèi)車企無法直接借用，還需要依據(jù)各自的實(shí)際工況進(jìn)行研究分析，對(duì)于水泥攪拌車的使用工況更是如此，甚至連國外的商業(yè)軟件也鮮有論述，因此更值得深入研究。

2　大馬力水泥攪拌車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配的研究內(nèi)容

大馬力水泥攪拌車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配是根據(jù)整車使用條件和要求，如路況條件、載重量、最高車速、常用車速等，通過選擇合適的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)及排量、變速箱型式（速比范圍檔位數(shù)、速比級(jí)差）、驅(qū)動(dòng)橋速比，輪胎類型及尺寸等，以得到較好的整車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

2.1 鑒于國內(nèi)車用大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)資源有限，一旦選定合適的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)及排量，優(yōu)化匹配工作主要在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中開展。

2.1.1首先建立目標(biāo)函數(shù)，取大馬力水泥攪拌車的多工況燃油消耗和最高擋及次高檔的等速百公里油耗作為目標(biāo)函數(shù)。然后選定變速箱各檔速比、后橋速比作為設(shè)計(jì)變量；設(shè)定整車動(dòng)力性要求如最大爬坡度，變速箱速比級(jí)差分布規(guī)律，道路附著條件作為約束條件；應(yīng)用AVL-Cruise軟件分析、比較動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果。搭建模型如圖1所示：6X4水泥攪拌車模型。

圖1　6X4水泥攪拌車模型

對(duì)于普通的公路用車（如牽引車、載貨車）一般的六工況就可以作為典型多工況燃油消耗的模擬工況，然而對(duì)于水泥攪拌車，根據(jù)對(duì)武漢市區(qū)水泥攪拌車實(shí)際使用工況的跟蹤記錄，跟蹤測試水泥攪拌車分別選擇國外進(jìn)口車和國內(nèi)車企生產(chǎn)車輛（采用兩種不同的變速箱，其余配置完全相同）。可以發(fā)現(xiàn)依據(jù)現(xiàn)有六工況油耗評(píng)價(jià)方法計(jì)算的油耗與實(shí)測值差距很大，最大差值達(dá)28%，詳見表1，顯然已不適合水泥攪拌車的工況，有必要結(jié)合水泥攪拌車工地實(shí)際運(yùn)行情況，構(gòu)建一個(gè)新的循環(huán)工況油耗評(píng)價(jià)模型[3]，以下簡稱武漢工況模型。

首先對(duì)一款進(jìn)口大馬力水泥攪拌車進(jìn)行跟蹤研究，在整個(gè)循環(huán)工況，測量了一個(gè)完整的用戶運(yùn)營工作循環(huán)。包含：在水泥攪拌站裝水泥、運(yùn)輸?shù)焦さ亍⒌却托遁d水泥、空載返程。

分析后發(fā)現(xiàn)如下特點(diǎn)：

從表1水泥攪拌車不同運(yùn)行工況耗時(shí)統(tǒng)計(jì)值可以看出，怠速運(yùn)行時(shí)間很長，道路運(yùn)輸時(shí)間很短（此次試驗(yàn)怠速運(yùn)行時(shí)間占86%，道路運(yùn)輸時(shí)間占14%）。怠速低的發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)有很大的燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。

表1　水泥攪拌車不同運(yùn)行工況耗時(shí)統(tǒng)計(jì)表

基于上述分析建立了水泥攪拌車武漢模擬工況模型，充分考慮水泥攪拌車怠速工況用時(shí)在整個(gè)運(yùn)行時(shí)長中占的比例較大（約占80%）的特點(diǎn)，詳見圖2：

圖2　武漢工況模型簡圖

依據(jù)武漢工況模型進(jìn)行的仿真分析計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值誤差在1%~6%左右，而依據(jù)六工況進(jìn)行的仿真分析結(jié)果和實(shí)測值相差13%~28%，說明與六工況相比，武漢工況模型與實(shí)際工況更接近，詳見表2兩種仿真工況計(jì)算油耗比較。

2.1.2變速箱檔位匹配分析

國內(nèi)大馬力（300馬力以上）水泥攪拌車一般都匹配8檔及8檔以上變速箱，一般情況下檔位數(shù)多，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮高功率、大扭矩的機(jī)會(huì)，提高了加速與爬坡能力，也增加了發(fā)動(dòng)機(jī)在經(jīng)濟(jì)區(qū)工作的機(jī)會(huì)。但對(duì)水泥攪拌車而言，由于最高車速法規(guī)要求不超過50 km/h，受罐體限制也不存在嚴(yán)重超載，因此水泥攪拌車對(duì)動(dòng)力性要求不象其它運(yùn)輸車輛那樣高，同時(shí)比較進(jìn)口大馬力水泥攪拌車，分析其普遍匹配6檔變速箱，與國內(nèi)明顯不同。而且匹配的這種6檔變速箱，比普通6檔變速箱最大允許輸入扭矩更大，速比覆蓋范圍更廣，以下簡稱這種6檔變速箱為大六檔變速箱。雖然與普通6檔箱有所不同，但仍比匹配8檔、9檔箱操縱更方便（因?yàn)闄n位更少，不存在高低檔轉(zhuǎn)換裝置），同時(shí)由于減少了2~3個(gè)檔位，價(jià)格也更便宜，是否值得借鑒，下面將展開詳細(xì)的研究分析。

在正常行駛情況下，如圖3所示是大馬力水泥攪拌車匹配9檔變速箱時(shí)的檔位使用圖。經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理，得到表3各檔使用時(shí)間百分比，可見：9檔箱中1檔與5檔使用頻率極低(紅色區(qū)域)，分別為1.2%和1.9%，對(duì)應(yīng)速比分別為12.65和3.4，若去掉這兩個(gè)使用率很低的速比，則常用速比范圍為8.31~1.00，大6檔箱要應(yīng)對(duì)的速比范圍就縮小許多。

圖3　水泥攪拌車檔位使用圖

表2　兩種仿真工況計(jì)算油耗比較

表3　各檔位使用時(shí)間百分比

2.1.3初步確定變速箱速比范圍及后橋速比

初選6種不同型號(hào)的大六檔變速箱（變速箱最大允許輸入扭矩都大于發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出扭矩的六檔箱），分別以A、B、C、D、E、F型為代號(hào)，匹配8種后橋速比，通過Cruise軟件分別進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性仿真分析計(jì)算，與原配的G型9檔箱對(duì)比分析。

進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性仿真分析計(jì)算的多工況模型采用前面定義的武漢工況模型。

由表4可見：配G型箱（原9檔箱）時(shí)油耗最高(紅色區(qū)域)，配頭檔速比小于8的變速箱時(shí)經(jīng)濟(jì)性較好(綠色區(qū)域)。

考慮到水泥攪拌車對(duì)爬坡能力和最高車速要求不高，若以最大爬坡度大于20%，車速大于78 Km/h作為動(dòng)力性指標(biāo)，如表5匹配不同變速箱、后橋速比時(shí)最高車速（Km/h）、最大爬坡度(%)對(duì)比所示，藍(lán)色區(qū)域同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性的要求，即頭檔速比小于8，帶超速檔的大6檔變速箱，后橋速比在5.571~6.83之間匹配較合理。

依據(jù)上述的仿真分析計(jì)算結(jié)論--頭檔速比小于8（帶超速檔的）的大六檔變速箱,后橋速比在5.571~6.83之間匹配較合理。結(jié)合現(xiàn)有變速箱資源，選定了兩種型號(hào)的大六檔箱，頭檔速比分別為7.66和7.43，都帶超速檔，分別以H型、I型表示，進(jìn)行仿真分析計(jì)算，結(jié)果如表6所示：在修正后的武漢工況下仿真計(jì)算比較，配G型箱時(shí)油耗最高(紅色區(qū)域)，配H型箱最省油，其次為I型箱，后橋速比5.571時(shí)（試驗(yàn)車原配速比），與G型箱相比，H型箱油耗低14.5%，I型箱油耗低13%。

表4　匹配不同變速箱、后橋速比時(shí)武漢工況油耗對(duì)比(L/100Km)

表5　匹配不同變速箱最高車速（Km/h）、最大爬坡度(%)對(duì)比

表6　修正后的武漢工況下三種變速箱

考慮到水泥攪拌車對(duì)爬坡度的要求不是很高，若以爬坡度大于20%,車速大于78Km/h為標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)合武漢工況的綜合考慮，表7中藍(lán)色區(qū)域同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性的要求。

表7　最高車速(Km/h)/最大爬坡度(%)

2.2 變速箱級(jí)差排布分析

變速箱各檔之間的傳動(dòng)比比值簡稱級(jí)差，級(jí)差過大會(huì)造成換檔困難，一般認(rèn)為不宜大于1.7~1.8[4]，雖然按等比級(jí)數(shù)分配傳動(dòng)比有利于充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，提高了汽車的動(dòng)力性，但考慮到各檔位利用率差別很大，汽車主要是用較高檔行駛，如表8所示某水泥攪拌車9檔箱各檔位利用率顯示，2、3、5、7檔總利用率僅為12.35%，因此較高檔位相鄰兩檔間的傳動(dòng)比間隔應(yīng)小些，實(shí)際上各檔傳動(dòng)比常按下面關(guān)系分布：

從表9中六檔箱的級(jí)差排布對(duì)比,可見H、I型變速箱速比級(jí)差排布基本滿足要求，但H型箱4、5檔級(jí)差為1.651，與競品的1.495和1.592相比略大，初步判斷會(huì)影響換擋操作的舒適性及便利性[5]。在后續(xù)用戶使用試驗(yàn)中也反映出：H型箱從4檔進(jìn)到5檔時(shí)，感覺動(dòng)力下降過快，要猛轟油門，而從5檔退到4檔時(shí)要等待片刻，才能掛上檔，不順暢，建議以1.59為準(zhǔn)調(diào)整。

2.3 離合器系統(tǒng)匹配計(jì)算

從表10中計(jì)算結(jié)果可以看出優(yōu)化匹配的H型、I型兩款變速箱匹配5.571～6.5后橋速比范圍內(nèi)，1、2、3檔起步，離合器系統(tǒng)滑摩功的不同數(shù)值，如果以摩擦功≤0.25 J/mm2為限，則后橋速比調(diào)整到6.5時(shí)，兩款變速箱都可滿足要求，如果后橋速比采用5.571，則2、3檔時(shí)離合器系統(tǒng)滑摩功已超過0.25 J/mm2，所以必須要以1檔起步。

表8　水泥攪拌車各檔位使用時(shí)間

表9　變速箱級(jí)差排布對(duì)比

3　樣車試驗(yàn)驗(yàn)證

將初選的H、I型大六檔箱與樣車原配9檔變速箱進(jìn)行換裝，然后進(jìn)行樣車測試實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)工況如下：

圖4　試驗(yàn)路線圖

圖4所示是試驗(yàn)路線說明，用戶反饋大六檔箱操縱更簡便，動(dòng)力性也滿足要求。燃油經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果見表11：可以看出H型箱、I型箱大六檔箱分別比原配G型9檔箱省油。同時(shí)在武漢工況模型下進(jìn)行的仿真分析結(jié)果與實(shí)測值誤差在7%以內(nèi)，說明武漢工況模型較為適合作為武漢地區(qū)水泥攪拌車綜合工況的仿真分析模型。

表11　樣車測試油耗數(shù)據(jù)對(duì)比

4　結(jié)束語

通過對(duì)進(jìn)口大馬力水泥攪拌車的使用工況的跟蹤調(diào)查分析，利用Cruise軟件創(chuàng)建了適合大馬力水泥攪拌車的武漢工況仿真模型，進(jìn)行了大六檔箱的優(yōu)化匹配仿真計(jì)算分析，同時(shí)從檔位利用率和級(jí)差排布及離合器系統(tǒng)匹配角度,研究了大馬力水泥攪拌車匹配大六檔箱的可行性，然后對(duì)優(yōu)選方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明優(yōu)配后的兩種大六檔箱,比原配九檔箱要省油，同時(shí)動(dòng)力性也滿足使用要求，可以合理匹配使用。武漢工況仿真模型的建立方法值得在其它專業(yè)性用途較強(qiáng)的車輛工況仿真模型上推廣應(yīng)用。

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中圖分類號(hào)：U462.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-2550（2016）02-0014-06

doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2016.02.002

收稿日期：2015-05-21

The Technology Research of High-powered Cement Mixer Matching High Torque Six-speed Gearbox

CHEN Lin, ZHANG Ying-xiong, DAI Xiang-bo, WANG Jin-sheng
( Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFCV, Wuhan 430056, China )

Abstract:Using Cruise software to create a simulation model of Wuhan working condition for the high-powered cement mixer. Simulation calculation analysis of the optimized matching of six-speed gearbox is carried out. The feasibility of high-powered cement mixer matching the six-speed gearbox is studied from transmission utilization, the differential arrangement and clutch system matching. Then the optimal scheme is verified by test, and the test data proved that two kinds of optimized six-speed gearbox can save more fuel than the original nine-speed gearbox. While the power performance also meet the requirements, which can be used for matching.

Key Words:Cement mixer; Wuhan working condition model; Six-speed gearbox; Simulation analysis; Differential arrangement; Optimization matching