一種通過驅動力進行的傳動系校核方法

王守勝，何為

（江淮汽車股份有限公司重型商用車研究所，安徽 合肥 230601）

一種通過驅動力進行的傳動系校核方法

王守勝，何為

（江淮汽車股份有限公司重型商用車研究所，安徽 合肥 230601）

文章以某4×2牽引車為研究對象，針對港口集裝箱運輸工況，探討一種通過驅動力進行的傳動系校核方法，并結合實際驗證情況，為港口牽引車的開發提供數據支持.做到針對特定工況下的傳動系最優匹配。

4×2牽引車；港口集裝箱運輸；傳動系校核

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.043

CLC NO.:U469.5 Document Code:B Article ID:1671-7988(2016)01-125-04

前言

4×2牽引車，大部分用作港口集裝箱貨物運輸，而港口運輸的運輸車輛具有運輸貨物質量相對固定、行駛車速相對較低的特點。用戶在注重汽車整體外觀的同時，更加關注整車的動力性和經濟性。目前各整車生產廠家在匹配動力系統時所選擇的發動機、變速器、主減速器等主要總成件逐步趨于一致，如何對這些總成件進行合理的匹配，得到最佳的動力性和經濟性，就成為各整車廠的工作重點。而針對于港口運輸市場，通過發動機扭矩正向傳遞至后橋的傳動系校核的計算方法得出的傳動系匹配結論，往往不能滿足港口運輸市場的實際使用需求，通常會出現油耗偏高或者動力不足的現象，本文通過研究從驅動力對傳動系進行反向校核的方法，需求找到一種適合港口集裝箱運輸市場的傳動系最佳匹配方案，并運用Cruise軟件進行對比分析，最終通過實際市場驗證情況，得出更合理地傳動系匹配數據，找到最佳的匹配。

1、整車動力系統相關參數確定

1.1 整車質量

4×2集裝箱運輸牽引車，一般進行一個40英尺集裝箱運輸貨兩個20英尺集裝箱運輸，由于現在絕大多數整車廠的平臺和大的總成件都是一致的，所以整車整備質量都非常接近。而由于集裝箱規格的限制，整車總質量基本處于45t和62t兩種規格，本文針對兩個20英尺集裝箱運輸的工況進行分析，車貨總重在62t以內。由于整車總質量較大，運輸路線只能選擇國道運輸，且車速控制在60km/h～70km/h之間。

通過以上分析可知，整車總質量參數可以分兩步得到：首先利用統計得到整車整備質量；然后根據市場調查情況計算出裝載質量，再加上駕駛員質量就可得到整車總質量。

1.2 發動機的選擇

發動機作為整個汽車的心臟，選擇一個合適的發動機是整個設計工作的一個首要任務。但是由于整車所追求的動力性和經濟性之間是一對相對矛盾的特性。根據不同的使用條件，一種汽車可以匹備兩三種不同的發動機供用戶選擇。發動機的性能主要表現在額定功率、額定扭矩、與之相應的轉速、燃料消耗特性、振動、噪聲等等。發動機的功率越大，汽車的動力性越好，但功率過大會使發動機功率利用率降低，燃料經濟性下降，動力傳動系的質量也要加大。因此要合理選擇發動機功率。發動機功率可以通過整車總質量M乘以汽車比功率來估算。

汽車比功率(發動機功率除以整車總質量)是一項汽車動力性的綜合評價指標，它能綜合地反映汽車的速度性能、加速性能和爬坡能力。目前國內各廠家4×2牽引車的平均比功率水平為3.77kw/t。而汽車比功率的發展趨勢是逐漸增大，以滿足高效的運輸要求。

某4×2港口牽引車選擇濰柴WP10.336E40國Ⅳ發動機，最大功率Pmax＝247kW，最大扭矩Tmax=1500Nm，汽車比功率為3.98kw/t，基本能夠滿足整車的功率需求。

同時，用戶往往喜歡自己選擇發動機，這時在盡量滿足客戶需求的同時應給予正確的引導。

1.3 輪胎滾動半徑的計算

由于國內重卡牽引車存在的超載情況比較嚴重，用正常的輪胎行駛半徑已經不能準確的描述輪胎的實際運行狀況。本文引用匈牙利學者G.Komandi提出的經驗公式來計算輪胎的變形量δ。

由公式（1）我們不難發現，輪胎的變形量不僅與其本身的參數有關，還決定于輪胎上承受載荷W和輪胎內氣壓P。所以合適的軸荷分配和輪胎氣壓也會對整車的動力性和經濟性產生較大的影響。由于各軸的軸荷不同，以驅動輪的半徑作為整車車輪的半徑。

某4×2港口牽引車選擇12.00R20的輪胎，驅動軸上的載荷為通過計算得到δ＝4.65cm，從而輪胎的行駛半徑R＝D/2－δ＝516mm。

1.4 主減速器的選擇

在給定發動機最大功率Pmax及其相應的轉速np的情況下，所選擇的主減速器減速比i0。應盡量能保證汽車有盡可能高的最高速度Vmax，即取盡可能小的后橋速比i0。這時i0由下式來確定[1]：

式中：np—－發動機最大功率時對應的轉速；

Vmax—－汽車的設計最高速度；

igh—－變速器的最高擋速比，通常為1。

在主減速器數據庫中選擇多個減速比與計算出的i0相近的驅動橋主減速器，以便在后面的步驟中選擇最優匹配方案。

某4×2港口牽引車，R＝0.516m，np＝1900r/min，igh＝1，Vmax=85-95km/h。通過公式（2）可得i0的取值范圍為3.89～4.35之間，可以選擇AK-BZ的4.2和3.86速比的驅動橋。

1.5 變速器的選擇

變速器傳動比的選擇涉及到最低擋傳動比、最高擋傳動比和中間各擋傳動比的分配。最低擋的傳動比由汽車設計時參數（最大爬坡度）和地面與驅動輪的附著條件來確定；中間擋的傳動比由最高擋和最低擋的傳動比的等比級數確定。

通過“設計功率水平”[2]來評判發動機與變速箱匹配性能的優劣。研究表明速比范圍大，擋位數多的變速箱，各擋位的設計功率水平差值不大，汽車在任一擋位運行都有較好的性能。就動力性而言，擋位多，增加了發動機發揮最大功率的機會，提高了汽車的加速性能和爬坡能力；就經濟性而言，擋位多，增加了發動機在低油耗區工作的可能性，使油耗降低；就操縱性而言，擋位多，擋位級差小，換擋容易，操縱輕便、容易。但同時還需要考慮成本和操縱機構的復雜性，并不是越多越好。一般用戶也會提出自己的需求。

某4×2港口牽引車，給予港口運輸的特點，用戶在國道行駛需要頻繁換擋，因此選擇選擇陜西法士特9JSD150A，既滿足發動機扭矩需求，又有效的減少擋位，滿足用戶需求。

2、通過驅動力的傳動系校核方法

發動機、變速箱和驅動橋參數確定后，需要對驅動橋的輸入扭矩進行校核，用以確定選用的驅動橋是否能滿足整車傳動系匹配要求，使得汽車的動力性和燃油經濟性相互兼顧，并達到最優，即既有較好的動力性，又有較好的燃油經濟性。在前面的分析計算中，確定了發動機、變速箱和驅動橋的參數，如果參數選用校核無法滿足驅動橋扭矩的容量要求，在發動機和變速箱無法改變的情況下，就需要調整驅動橋速比，驅動橋速比變動，車速則會發生變化，整車就不能很好地滿足用戶的使用工況。

通過發動機扭矩傳遞至驅動橋時，驅動承受扭矩計算由下式來確定：

式中：Tg1=發動機正向傳遞至驅動橋扭矩；

Memax=發動機最大扭矩；

Ikmax =變速器一擋速比；

i0=驅動橋主減速比；

某4×2港口牽引車，Memax=1500N.m，Ikmax =12.65，i0=4.2，通過公式（3）可得Tg1=79695N.m，驅動橋主減速比為4.2時，AK-BZ橋最大輸出扭矩僅有75306N.m，此時，從發動機正向傳遞至驅動橋扭矩已經超出后橋所能承受扭矩，此時的傳動系匹配已經不能滿足后橋最大扭矩要求。需要將驅動橋速比減小至3.86，后橋速比的減小，會降低整車動力性能。

由于車輛驅動是由地面摩擦力的反作用力推動車輛前進，當驅動橋所受的支撐力大于摩擦力時，驅動輪就會打滑，因此可以推論存在一種情況，當后橋承受扭矩還未達到發動機正向傳遞的扭矩時，驅動輪就已經打滑，因此，可以通過后橋驅動力計算驅動橋在打滑的極限情況下所受的扭矩，來校核此時后橋扭矩是否超扭。

式中：

Tg2=驅動力傳遞至后橋的輸入扭矩；

G=驅動橋承受的最大載荷；

R =車輪滾動半徑；

ψ=地面附著系數，常數0.8；某4×2港口牽引車，在運輸兩個20英尺集裝箱時，整車總質量為62t，此時G=18500kg，采用12.00R20輪胎，R=516mm，通過公式（4）可得Tg2=74840N.m, 驅動橋主減速比為4.2時，AK-BZ橋最大輸出扭矩為75306N.m。因此可以得出結論，當整車總質量為62t時，驅動橋承受地面極限情況下的力矩為74840N.m，小于選用的AK-BZ橋的最大承受輸入扭矩75306N.m，可以使用。

3、應用示例

示例車型為某4×2港口牽引車，采用AVL_Cruise軟件進行模擬仿真計算。該車有關參數、計算結果和試驗數據如下。

3.1 有關參數

(1) 最大總質量：M=62000kg;

(2) 發動機型號WP10.336E40，其參數為：最大功率Pmax＝247kW，最大扭矩Tmax=1500Nm/1200rpm～1500rpm，萬有特性曲線從略；

(3) 變速器型號9JSD150A，有9個前進擋，速比為：12.65 /8.38 /6.22 /4.57 /3.40 /2.46/1.83/1.34/1.00；

(4) 主傳動器速比i0=3.86/4.2 (包括輪邊減速比)；

(5) 輪胎規格12.00R20，滾動半徑=0.516m；

(6) 迎風面積A =8.633m2，Cd=0.86（由滑行試驗得到A ×Cd＝0.5393）；

3.2 計算結果

表1 計算結果

通過對表1中兩組數據的對比，速比為4.2時，經濟性與速比3.86時相當，但爬坡性能和加速性能均由于速比3.86。且在62t的兩個小集裝箱的港口集裝箱運輸時，司機駕駛習慣為保持車速在55km/h的車速下，速比4.2更加適合。

如果通過發動機正向計算發動機傳遞至后橋扭矩時，速比4.2已經不能滿足后橋扭矩需求，但實際上在驅動輪即將產生滑動的臨界點時，作用在驅動橋上的扭矩小于發動機正向傳遞的扭矩。通過驅動力傳動至后橋扭矩的反向計算，可以發現速比4.2更加適合2個20英尺的集裝箱運輸。

3.3 計算結果與試驗結果對比

為了驗證理論分析的正確性，將某4×2港口牽引車發往試驗場進行試驗，試驗結果對比見表2：

表2 試驗結果與計算結果對比

通過對表2中試驗結果和計算結果對比發現，試驗結果和計算結果相吻合，因此證明了計算結果的準確性。足用戶實際使用需求時，可以通過驅動力進行逆向校核來確認后橋輸出扭矩是否到了驅動輪打滑的臨界點。若逆向校核的扭矩小于正向校核的扭矩，則可以考慮應用逆向校核所采用的傳動系配置。

4、結論

通過驅動力進行的傳動系校核，可以更好地滿足一些特殊工況下車型傳動系的配置，并找到最適合用戶實際使用需求的傳動系匹配。從驅動力進行的傳動系逆向校核，可以找到影響整車的傳動系匹配的關鍵參數：

1）整車的運行工況和整車總質量是決定通過驅動力進行逆向校核的基本參數，在設計之初的市場調研中應準確定位。

2）當從發動機正向校核發現選取的傳動系速比匹配不滿

[1] 李高友、雷雨成.發動機和傳動系的憂能匹配研究[J].設計與計算，2002.6.

[2] 張傳社.汽車動力傳動系統匹配性能分析[M].西安公路交通大學.

[3] 何仁、王建峰.汽車動力傳動系統合理匹配的實用方法[N].中國公路學報.1999.1:100-108.

[4] 余志生、趙六奇等.汽車理論.第3版[M]，北京：機械工業出版社, 2000.10.

A drive system verification method based on driving force

Wang Shousheng, He Wei
( Research Institute Of Heavy Commercial Vehicle, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui hefei 230601)

In this paper, a 4 * 2 tractor is studied , for port container transportation condition, To investigate a method for checking the transmission system with the driving force, and to combine with the actual verification, provide data support for the development of port tractor. To achieve the optimal matching of the transmission system under the specific conditions. Keywords:4 * 2 tractor; Port container transportation; Transmission system verification

U469.5

B

1671-7988(2016)01-125-04

王守勝，就職于江淮汽車股份有限公司重型商用車研究所。