基于市場問題的動力匹配過程研究

王月成，王慶生，張文濤

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于市場問題的動力匹配過程研究

王月成，王慶生，張文濤

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章介紹指出了傳統(tǒng)的動力匹配問題，在案例模擬中對整車性能要求進行了分解，通過對發(fā)動機的特性曲線的研究，重點說明了發(fā)動機四大參數(shù)的選擇與調(diào)整，及其對爬坡度、最高車速的影響，并在粗略的檔位匹配過程中簡析了高檔位選擇中的燃油經(jīng)濟性因素。通過從理論層面對公司某代表輕卡車型進行動力總成、傳動系選擇匹配的嘗試，踐行了正向動力匹配思想，為其在實踐中的應(yīng)用奠定一定基礎(chǔ)。

發(fā)動機特性；速比匹配；最高車速

引言

在以往的匹配中，是有既定速比的變速箱及現(xiàn)有的動力總成后進行整車的計算，這種方法使得整體性能不同程度地遷就發(fā)動機等，通常車型主要的性能指標是可達到的，如最大車速、百公里加速時間，但不能同時滿足非主要性能要求，如起步坡度要求、坡道最高車速等。

根據(jù)市場反饋，一臺搭載LC5T450變速器的3360mm軸距輕卡，出現(xiàn)3檔動力不足，爬坡車速太低等情況。這便是整車去適應(yīng)動力傳動系統(tǒng)所帶來問題。

隨著科技水平的提升，特別是電子控制的不斷創(chuàng)新，能夠按照產(chǎn)品開發(fā)需求對發(fā)動機運行特性曲線進行調(diào)整以及對傳動比進行匹配優(yōu)化，使開發(fā)過程逐漸從整車的被動匹配逐漸發(fā)展為部件主動配合整車以達到性能目標，這是一種正向的匹配方式。

現(xiàn)通過實例來了解一下車輛匹配的理論過程。

1 車輛相關(guān)信息

1.1 整車參數(shù)及符號

表1 整車參數(shù)

1.2 整車的動力、經(jīng)濟性目標設(shè)定

整車性能目標是在做完充分的市場調(diào)研后總結(jié)確定的，其代表了目標市場終端消費者的需求，在充分滿足了該既定性能要求后整車才會具備較強的競爭力，但超過指標太多反而會導(dǎo)致整車成本的增加，從而削弱產(chǎn)品力。前期出口一輕卡車型，從市場客戶實際測試后得到整車各項性能目標如下：

表2 目標參數(shù)

2 動力總成及變速箱的匹配

2.1 確定發(fā)動機最大功率

按驅(qū)動功率平衡關(guān)系估算最大功率：

式中，ηa—附件損失系數(shù)；ηm—傳動系效率；G—汽車總質(zhì)量；α—坡道角度（°）；CD—風(fēng)阻系數(shù)；A—迎風(fēng)面積；vm—最高車速；fv—滾動阻力系數(shù)。

a.按照 vm≥110km/h 計算。ηa=ηm=0.90，G=5600kg，α=0°，CD=0.7，A=0.28m2，fv=0.020。在式（1）中帶入各個參數(shù)得：83.7kW≤Pm

b.按整車要求，在 10%的壓緊干石坡道行駛，車速大于40km/h。此時 α=6°，vm=40km/h。

帶入?yún)?shù)得：Pm≥×[5600×9.8×40×（0.020×cos6°+sin6°）+=95.7kW。

通過計算，整車總重 G=5600kg、滿足最高車速 vm＞110km/h、10°坡道最低車速 40km/h所需的最小功率 Pm范圍為＞95.7kW。據(jù)此，在現(xiàn)有資源中，初選用濰柴 WP3機型，參數(shù)如下：

最大功率/轉(zhuǎn)速：96Kw/3000rpm；最大扭矩/轉(zhuǎn)速：350N·m/1400rpm～2000rpm。發(fā)動機特性如圖1、圖2。

圖1 濰柴WP3Q130E401型柴油發(fā)動機萬有特性曲線

我們知道，發(fā)動機的特性圖全面反映了機器在不同工況下的轉(zhuǎn)速、負荷以及燃油消耗率狀況，是整機性能表現(xiàn)的“晴雨表”，它們是整車動力、經(jīng)濟性的分析的依據(jù)。

圖2 濰柴WP3Q130E401型柴油發(fā)動機外特性曲線

2.2 確定各檔位速比

2.2.1 一檔速比的確定

通常選定動力總成后，所選發(fā)動機的特性參數(shù)亦隨之確定， 整車的最高爬坡度和坡道起步性能便由一檔的速比決定了。 根據(jù)爬坡性能要求計算傳動系總速比I0×I1的范圍。在坡道起步以及實現(xiàn)最大爬坡度時的車速較低，風(fēng)阻忽略。計算所用公式如下（1）。

式中，F(xiàn)i—坡阻，α—坡度，Me—扭矩

在公式（2）中代入表1參數(shù)，得I0×I1如下：

爬坡度達到30%以上所要求的I0×I1范圍：≥18.05；

起步坡度達到20%以上所要求的I0×I1范圍：≥22.19。

以某檔位在10%坡度上行駛，需 I0×Ix≥6.729；同時速度達到40km/h，需I0×Ix≤=10.236

由以上計算得到總速比與對應(yīng)爬坡度的一組數(shù)據(jù),分別將其設(shè)置為橫、縱座標繪圖如下：

進而求出達到最大爬坡性能和坡度起步性能要求的總傳動比范圍：I0×I1≥22.19。

在最大爬坡度計算中，扭矩應(yīng)為Me=350N·m；在計算起步坡度時，扭矩取最低穩(wěn)定車速ne=800rpm時的Me=200N·m。

2.2.2 確定高檔位速比

通常Vmax是由整車最高擋匹配的速比所決定。總速比較大時，車輛具功率儲備也較大，加速性良好，但經(jīng)濟性就相應(yīng)降低，通常匹配時，若動力性許可，要盡可能降低總傳動比，使經(jīng)濟性優(yōu)化。但如果總傳動比太小，對應(yīng)檔位整車動力性差，不得不用低檔位獲得高較高車速，反導(dǎo)致經(jīng)濟性降低。所以，以下因素需盡可能全面考慮以獲得較優(yōu)的結(jié)果。

（1）最大車速：110～120km/h

（2）發(fā)動機額定功率/轉(zhuǎn)速：101kW/3000rpm

（3）經(jīng)濟轉(zhuǎn)速區(qū)：1400rpm～2000rpm

（4）常用車速：60～80km/h

扭矩的提升勢必導(dǎo)致燃油率增加，為了在達到動力性的同時盡可能地提升經(jīng)濟性，選用六擋變速箱，六檔作為經(jīng)濟檔，即，五、六檔都可以達到需求車速（110km/h），這樣工況良好時，用六擋行駛時功率利用率接近 100%，燃油經(jīng)濟性較好；在工況較差時用五擋，仍可達到需求車速，同時有一定的功率儲備，可保留一定的加速性。

依據(jù)功率平衡和車速-轉(zhuǎn)速關(guān)系，計算在各傳動系總速比Ia=3.0、3.2、3.4、3.6、3.8時，各車速驅(qū)動功率、對應(yīng)阻力功率（即V-P關(guān)系），得到驅(qū)動力-阻力功率曲線，見圖5。

由圖4可見，當(dāng)Ia=3.6與Ia=3.0、3.2、3.4時，整車皆可獲得最高需求車速，且后者達最高車速時的功率利用率近100%。因此，暫定五檔在Ia=3.6左右、六檔在Ia=3.2左右。

當(dāng)Ia=3.6和Ia=3.2時，轉(zhuǎn)速、車速的對應(yīng)關(guān)系如下：

圖6 發(fā)動機轉(zhuǎn)速與車速關(guān)系曲線

可見：

當(dāng) Ia=3.2、同時車速在 60～80km/h時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne=1406～1875rpm。

當(dāng) Ia=3.6、同時車速在 60～80km/h時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne=1582～2110rpm。

由發(fā)動機特性圖可知其經(jīng)濟轉(zhuǎn)速為ne=1400～2000rpm區(qū)間，因此，當(dāng)Ia=3.2和Ia=3.6時，車速60～80km/h為常用區(qū)，發(fā)動機處在經(jīng)濟區(qū)，速比較為合理。

2.2.3 確定變速箱的速比

綜上，總傳動比：

參考現(xiàn)有變速箱及發(fā)動機特性的可調(diào)性幅度，經(jīng)過多次計算，六擋箱速比和后橋速比：

表4 變速箱速比和主減速比

3 動力、經(jīng)濟性達成檢驗

車輛動力匹配是不斷進行計算與調(diào)整的過程，以實現(xiàn)匹配的最優(yōu)化。根據(jù)以上確定的發(fā)動機和傳動比參數(shù)，對整車是否達到性能要求，進行校核，然后有必要需再對相關(guān)參數(shù)做相應(yīng)的調(diào)整。

3.1 動力性驗算

3.1.1 最高車速

將表1整車參數(shù)、發(fā)動機參數(shù)、4/5/6檔速比等相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（7）、（8），建立Va-P和各檔位Va-Pe函數(shù)關(guān)系式，作出不同擋位功率平衡圖（Va-Pe） 曲線和對應(yīng)速下的行駛阻力功率曲線（Va-P），交點處對應(yīng)的車速便為使用不同檔位可獲得的最大車速（如圖6）。

圖6 各擋功率平衡曲線

由圖6可知，4、5、6檔可達車速為82km/h、113km/h、113km/h。最大車速在第五和第六擋。其意義是，在保證非最高檔具有較好的動力性時，使最高擋也獲得需求車速，盡可能增大功率利用率，以提升經(jīng)濟性。高檔與次高檔均皆可達到Vm=110km/h，設(shè)計目標可完成。

3.1.2 各檔最大爬坡度

由式（9）、（11）算出每個檔位的不同車速的動力性因素D,后由式(12)算出同樣條件下的爬坡度i， 其中的最大值便是不同檔位下的最大爬坡度（其中車輪不應(yīng)打滑，需滿足附著力F≥Ft，當(dāng)Ft≥F時按Ft=F計算）。

然后，將計算出來的車度以及爬坡度分別設(shè)為x、y座標，得圖7。由圖可見，1檔最大爬坡度接近40%， 3檔最大爬坡度＞10%同時車速超過40km/h，可滿足要求。

圖7 檔位爬坡度

3.1.3 加速性能計算

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

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

按式（12）計算出各檔不同車速下的加速度 J，做出不同檔位下的Va-1/J曲線圖和Va-t曲線圖，車速和時間按△V=1km/h、△t=1s，得出每個檔位加速到一定車速的時間。之后計算得到加速時間T≈28s和距離S≈398m。

（2）最高檔從Va=40km/h加速到100km/h的加速時間。

同理，按公式（13）、（14）算出最高檔下加速時間 T≈38 s和距離S≈942m。

3.2 整車燃油經(jīng)濟性計算

由于篇幅所限，這里未做進一步展開計算。

3.2.1 計算結(jié)果

表5 整車動力性經(jīng)濟性計算結(jié)果

4 計算結(jié)果分析與參數(shù)修正

將表5中的計算結(jié)果與表2的整車設(shè)計目標進行比較，各項目均達到設(shè)計目標要求，說明匹配出的該組發(fā)動機外特性數(shù)據(jù)和傳動系速比數(shù)據(jù)是合理的。如果有某項性能較差就須對發(fā)動機外特性數(shù)據(jù)和傳動比速比進行適當(dāng)修改和反復(fù)驗算直到達到最優(yōu)匹配。

5 結(jié)論

通過對典型輕卡車型進行簡要的匹配分析，從理論層面解決了市場需求與整車性能不對等的問題。同時，發(fā)動機電控技術(shù)以及專業(yè)設(shè)計開發(fā)軟件的的發(fā)展也為這種開發(fā)方式在今后設(shè)計過程中的充分應(yīng)用提供了便捷、精確的計算工具，從而可根據(jù)市場需求對產(chǎn)品性能進精準地把握。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M],機械工業(yè)出版社,2011.06.

[2] 彭莫,刁增祥.汽車動力系統(tǒng)計算匹配及評價[M],北京理工大學(xué)出版,2009.11.

[3] Gillespie·T·D, Fundamentals Of Vehicle Dynamics［M］, SAE International,1992.02/趙六奇（譯）.車輛動力學(xué)基礎(chǔ),清華大學(xué)出版社,2006-12.

Research on powertrain matching process based on market problems

Wang Yuecheng, Wang Qingsheng, Zhang Wentao
( Anhui jianghuai automobile group co., ltd, Anhui Hefei 230601 )

This paper introduces and points out the problems with the traditional way of power-train matching. In the following case, it brakes down the specific requirements of the target vehicle, and through studying the engine performance curve, it mainly explains the selecting and adjusting of the “four major parameters” of the engine and its influence on climbing performance and maximum speed. Meanwhile, it also analyzes the fuel economy in selecting higher gear ratio.Though the method demonstrated in this paper, the performance of the vehicle can be optimized before mass production.

engine characteristic; speed ratio matching; maximum speed

U464

A

1671-7988(2017)22-16-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.006

王月成，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

CLC NO.:U464

A

1671-7988(2017)22-16-04