基于AVL-Cruise的某載貨車變速器匹配優化分析

聶幸福，李昕昕

(陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西 西安 710119)

0 引言

隨著技術的發展，市場對變速器性能的要求越來越高，對整車匹配的要求也越來越高。變速器作為動力總成的重要組成部分，對動力總成的性能有很大的影響，因此有必要對變速器的匹配做詳細的研究。

傳統的動力系統匹配方法為試驗驗證，存在開發周期長和費用高等問題[1]。在設計前期利用仿真軟件對動力總成方案進行優化分析，縮小試驗范圍，將仿真與試驗相結合是比較合理的匹配方法，目前已得到廣泛應用。

AVL-Cruise是奧地利AVL公司開發的用于研究車輛動力性、燃油經濟性、排放性能與制動性能的高級仿真軟件，主要用于車輛開發過程中的動力系統和傳動系統匹配，以及整車性能預測和仿真計算，也可以進行發動機、變速器、后橋速比、輪胎選型及匹配優化，還可以應用于混合動力汽車、電動汽車動力系統和控制系統的開發和優化[2]。

本文利用AVL-Cruise軟件對某型6X2載貨車進行了仿真，主要對比了ZF公司的6S500變速器和法士特公司的8JS85A、6DS60TA、C6J50T變速器與整車的匹配情況，綜合考慮整車的動力性和經濟性，采用軟件的矩陣運算，選擇出適合本車型的變速器。

1 6X2載貨車整車參數及變速器速比

本文研究的6X2載貨車整車參數見表1，4種手動變速器的各檔速比見表2，其中8JS85A為8檔變速器，其余3個為6檔變速器，數字1～8表示前進檔，R1和R2表示倒檔。

2 建立整車仿真模型

根據6X2載貨車的布置建立整車仿真模型，如圖1所示。該模型主要包括Vehicle、Engine、Clutch、Gear Box、Single Ratio Transmission、Differential、Brake、Wheel、Monitor、Cockpit等模塊。添加好模塊以后對每個模塊輸入參數，參數越準確仿真結果越接近真實情況。此外，在模塊中可以開啟不同任務，不同的選擇會影響到后續的數據連接和計算任務設置等。最后進行機械連接和總線數據的連接，其中，總線數據的連接比較重要，正確的數據連接才能保證仿真的順利進行。

表1 6X2載貨車整車參數

表2 變速器各檔速比

建立完模型檢查無誤后設置計算任務。本文主要研究使用4種不同變速器時滿載情況下穩態工況車輛的爬坡性能、加速性能、油耗和循環工況的油耗和CO2排放。其中，循環工況采用了UDC(Urban Driving Cycle)、EUDC(Extra Urban Driving Cycle)和NEDC(New Europe Driving Cycle)三種不同循環工況。

3 滿載情況下計算結果及分析

3.1 穩態工況

3.1.1 爬坡性能計算結果

圖2為滿載情況下4種變速器匹配方案在各個檔位的最大爬坡度計算結果。由圖2可以看出：各變速器的最大爬坡度相差不大，這是因為爬坡能力和變速器速比密切相關，4款變速器1檔速比相差不大，所以最大爬坡度也相差不大。實際使用中，車輛爬坡一般使用低檔位，1、2、3檔的爬坡性能計算結果見表3。由表3可以看出：8JS85A匹配方案的爬坡性能最好，在1、2、3檔均具有較大的爬坡度；6DS60TA匹配方案表現最差；ZF6S500匹配方案與C6J50T匹配方案的爬坡度以及車速都非常接近，差距不大，但在1檔和2檔時，使用C6J50T匹配方案時發動機轉速更低，這對降低噪聲和油耗有積極作用。

圖1 整車仿真模型

圖2 滿載情況下穩態工況4種變速器匹配方案各檔爬坡性能計算結果

變速器匹配方案1檔2檔3檔最大坡度(%)車速(km/h)發動機轉速(r/min)最大坡度(%)車速(km/h)發動機轉速(r/min)最大坡度(%)車速(km/h)發動機轉速(r/min)8JS85A35.19.01 416.425.211.51 357.417.815.51 345.9ZF6S50036.38.51 382.317.7161 380.010.125.51 354.56DS60TA34.49.01 392.819.314.51 350.210.824.01 347.2C6J50T36.38.51 377.517.915.51352.910.525.01 364.0

3.1.2 加速性能計算結果

圖3為滿載情況下4種變速器匹配方案在各檔位的加速度計算結果。從圖3可以看出：檔位越低加速度越大，其中ZF6S500匹配方案和C6J50T匹配方案的1檔加速度最大，為4.62 m/s2；C6J50T匹配方案2檔到4檔的加速度都要略高于ZF6S500匹配方案； 三款6檔變速器匹配方案的5檔與6檔加速度一樣，是因為他們的5檔和6檔速比一樣；8JS85A匹配方案和6DS60TA匹配方案的加速度要略低于ZF6S500匹配方案和C6J50T匹配方案。

表4為滿載情況下4種變速器匹配方案從靜止加速到某一速度所用的時間。從表4可以看出：在60 km/h以下時C6J50T匹配方案的加速時間最短，響應最快，表現最好；70 km/h～80 km/h階段，8JS85A匹配方案的加速時間最短；當車速超過80 km/h以后，ZF6S500匹配方案的加速時間最短；6DS60TA匹配方案在加速時間的表現一般。結合載貨車的使用情況，在低速超車的情況更多，要求車輛響應快，加速時間短，結合圖3的分析認為C6J50T匹配方案更適合。

圖3 滿載情況下4種變速器匹配方案在各檔位的加速度計算結果

3.1.3 油耗計算結果

表5為滿載情況下4種變速器匹配方案在等速行駛時的燃油消耗量。出于實際考慮，研究30 km/h以下車速的油耗實際意義不大，而我國高速公路規定限速不能超過120 km/h，因此本文只研究30 km/h～110 km/h范圍內的油耗[3]。由表5可以看出：車速相同時檔位越高油耗越低，而高檔位的速比更小，可以認為在其他條件相同時，速比越小油耗越低； 3個6檔變速器匹配方案在5檔和8JS85A匹配方案在7檔時油耗一樣，這主要是由于在當前檔位時變速器速比相同造成的； 綜合來看，8JS85A匹配方案的油耗要略低一些，其他3個6檔變速器由于速比差距不是很大，因此油耗在同一水平線。

表4 滿載情況下車輛從靜止加速到某速度的加速時間 s

表5 滿載情況下車輛等速行駛的燃油消耗量

3.2 循環工況

本文對UDC、EUDC和NEDC三種循環工況進行了計算。表6是滿載情況下4種變速器匹配方案的循環工況計算結果。可以看出，三種循環工況計算中8JS85A匹配方案的油耗和CO2排放量要明顯高于其他3款變速器方案。而ZF6S500、6DS60TA和C6J50T三種方案油耗和CO2排放量相當，但C6J50T的計算結果要略好一點。

表6 滿載情況下循環工況計算結果

4 結論

本文對4種變速器匹配方案進行了計算，得出以下結論：

(1) 循環工況UDC、EUDC和NEDC的測試表明，8JS85A匹配方案表現一般，其他3個6檔變速器匹配方案油耗低，CO2排放少，其中C6J50T表現最好。

(2) 爬坡性能與速比關系較大，8JS85A匹配方案的爬坡度最大。綜合考慮爬坡度和爬坡時的車速，C6J50T匹配方案在3款6檔變速器中表現最好。

(3) ZF6S500匹配方案和C6J50T匹配方案的1檔加速度最大，為4.62 m/s2；60 km/h以下時C6J50T匹配方案的加速時間最短，表現最好；車速超過80 km/h以后，ZF6S500匹配方案的加速時間最短。

(4) 8JS85A變速器的速比小，等速行駛時的燃油消耗量要比其他三款變速器低。3個6檔變速器速比較為接近，等速行駛時的燃油消耗量相差不大。

(5) 綜合各測試結果，考慮整車的動力性和經濟性，認為C6J50T匹配方案較為適合本文研究的6X2載貨車。