基于用戶實際工況的商用車動力傳動系統匹配研究

李朝樂 宋小寧 孟拓 張一超

摘? 要：本文的研究主要是根據市場細分原則，目標車型的需要，用Matlab語言編制仿真計算程序計算功率需求，并利用Cruise軟件對結合綜合工況下的整車動力性、燃油經濟性進行仿真分析，考慮用戶的實際駕駛習慣，最終選擇出滿足市場需求的動力傳動系統總成參數，使整車的動力性、經濟性、加速性能都達到最優，達成預期性能指標，為相關產品開發提供了理論依據和匹配方法。

關鍵詞：市場需求;用戶習慣;動力傳動系統匹配

中圖分類號：U463.2? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2020）01-0022-07

Research on matching of Power Transmission system of Commercial vehicle based on actual working condition of use

LI Chao-le， SONG Xiao-ning， MENG Tuo， ZHANG Yi-chao

（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL， Wuhan 430056， China ）

Abstract： The research of this paper is mainly based on the market segmentation principle and the needs of the target vehicle type， using MATLAB language to compile simulation calculation program to calculate the power demand， and using cruise software to simulate and analyze the vehicle dynamic performance and fuel economy under the comprehensive working condition， considering the actual driving habits of users， finally selecting the powertrain assembly parameters to meet the market demand， so as to make the whole The vehicle's power， economy and acceleration performance are all optimal， and the expected performance index is achieved， which provides theoretical basis and matching method for related product development.

1? ? 概述

1.1? ?商用車動力傳動系統匹配研究的背景

隨著我國現代化進程的不斷深入，我國整體的能源需求和環境壓力也持續增加。而汽車產業既是化石能源消耗的“大戶”，也是環境污染的重要來源之一，數據顯示，道路交通部門CO2排放目前占我國總體排放的7%以上。另據中國石油企業協會、中國油氣產業發展研究中心聯合發布的《2017中國油氣產業發展分析與展望報告藍皮書》顯示，2016年中國原油對外依存度升至65.4%，遠超世界公認50%的安全線，而汽車產業消耗已經占到我國石油消耗總量的1/3左右。因此，持續降低汽車產品能源消耗，不僅是能源效率問題，更是能源安全問題。

1.2? ?商用車客戶價值分析

客戶價值分為增加客戶收入和減少客戶支出兩大類，如：整車自重為增加客戶收入類，用戶可以通過增加貨物裝載量增加收入，整車經濟性為減少客戶支出類，用戶可以節油燃油消耗減少支出。以年行駛里程25萬公里的一款商用車為例，整車自重降低100kg，可帶來4000元/年的客戶收益增加，百公里燃油消耗降低1L，用戶年支出減少14500元（燃油價格按照5.8元/L計算），因此，降低整車燃油消耗是提升客戶價值的一個非常有效的手段。

1.3? ?商用車動力性、經濟性提升的主要措施

目前整車動力性和燃油經濟性提升主要措施有：

（1）行駛阻力：主要是通過改進駕駛室造型，改善駕駛室結構、增加導流裝置等方式減少迎風面積和空氣阻力;通過改進輪胎結構來減少滾動阻力。

（2）發動機性能：減少發動機附件的能耗，優化發動機萬有特性曲線;主要是利用渦輪增壓回收廢氣能量，提高附屬裝置的效率。通過改善燃燒，減少冷卻損失以提高熱效率，采用汽油電控燃料供給系統、柴油高壓共軌燃料供給系統和ECU控制使發動機工作最優化。

（3）動力匹配：主要通過合適的速比匹配，確保發動機最大可能地工作在經濟區域。

（4）效率提升：提高傳動系統的傳動效率。

1.4? ?商用車動力傳動系統匹配原則及方法

商用車做為生產運輸工具，具備動力強勁、裝載貨物量大、運行工況復雜等特點，因此商用車動力傳動系統匹配的原則是：在滿足整車不同運行工況動力需求的前提下，確保整車綜合燃油消耗處于最低水平。傳統整車匹配方法是根據整車最高行駛車速、最大爬坡度等指標，先確定發動機，然后再結合變速箱、驅動橋現有資源進行整車匹配計算，確定最佳的傳動速比。本文提出一種基于用戶實際使用工況的商用車動力傳動系統匹配方法，結合用戶的實際使用工況提出整車需求，首先保證動力性滿足用戶實際需求，然后再確定合適的發動機特性和傳動系速比。

2? ? 商用車市場用戶實際需求分析

2.1? ?商用車行駛工況分析

商用車行駛工況比較復雜，按照其行駛道路不同主要分為高速和一般公路兩種，按照地形條件又可分為平原、丘陵、山區等。本文重點針對平原高速、平原一般、丘陵高速和丘陵一般四種工況進行分析，采集的工況數據如圖1所示，平原高速、平原一般、丘陵高速和丘陵一般四種工況下的車輛平均行駛車速分別為80～100km/h，70～90km/h，50～70km/h，30～50km/h。在進行動力傳動系統匹配時，需要確保車輛在這幾種常用車速下，發動機能夠運轉的經濟區域內，最大可能地降低燃油消耗。

針對平原高速、丘陵高速、平原一般和丘陵一般工況數據的坡度分析，結果如圖2所示，四種工況下，占比較大的坡度分別為0～0.5的坡度、2～3的坡度、0～1.5的坡度和3～10的坡度。在進行動力傳動系統匹配時，需要考慮各種工況下的坡度，確保在滿足動力性的情況下，換擋次數最少，經濟性最佳。

2.2? ?商用車用戶駕駛習慣分析

在進行動力傳動系統匹配時還需要對商用車用戶實際駕駛習慣進行分析，以便更好地滿足用戶實際需求，以中型商用車用戶為例，通過市場調研，確定中型車（采用6檔變速箱）駕駛員的駕駛習慣如表1所示：

從上表可以看出，駕駛員在實際的加速過程中，換擋頻率較高，發動機轉速基本不會超過1500rpm，升檔后發動機轉速都將下降至850rpm左右。此時，發動機轉速較低，相應的最大扭矩也比較低，如果傳動速比匹配不合理，將會給用戶一種車輛動力不足的感覺，因此在動力傳動系統匹配時必須考慮用戶的實際駕駛習慣。

3? ? 基于用戶實際工況的動力傳動系統匹配方法

3.1? ?發動機功率需求計算

汽車行駛時，發動機功率和汽車行駛的阻力功率間的平衡關系。功率平衡方程見公式（1）。發動機功率愈大，汽車的動力性愈好。發動機最大功率的選擇必須保證汽車預期的最高車速。最高車速愈高，要求的發動機功率愈大，其后備功率也大，加速和爬坡能力必然較好。但發動機功率不宜過大，否則在常用條件下，發動機負荷率過低，油耗增加。

在進行動力系統匹配之前，首先要做的是根據用戶實際使用工況，確定對發動機的功率需求。利用Cruise仿真軟件發動機在各運行點的功率需求情況，計算方法如下：

（1）按照Cruise仿真軟件的操作細則，搭建整車仿真模型，如圖3所示，并在整車模型中定義好整車的基礎參數，包括軸距、空滿載重心位置、整備質量、最大總質量、迎風面積、風阻系數等參數。另外，發動機、離合器、變速器以及后橋、車輪等參數分別在整車模型中各對應的子模塊中定義。

1.整車參數 2.發動機 3.離合器 4.變速器 5.主減速器 6.右前輪 7.左前輪 8.右后輪 9.左后輪 10.右前制動器11.左前制動器 12.右后制動器 13.左后制動器 14.差速器 15.駕駛控制

（2）將采集到的用戶實際運行工況數據導入該軟件中，以丘陵一般工況為例，數據導入后如圖4所示：

（3）計算參數表

首先設置發動機模型參數，將發動機各轉速下的最大扭矩均設置為10000Nm，確保在仿真計算過程中，發動機可以提供足夠大的功率。其他參數按照下表2進行設置：

（4）仿真運行并將結果導出，利用Matlab軟件進行數據處理分析，獲得用戶車輛實際運行過程中的功率分布情況，并繪制該行駛工況下的發動機功率需求圖5。從發動機功率需求分布情況看，車輛在該工況下運行時，對發動機的功率需求基本上維持在160kw以下，根據此功率范圍，在可選的發動機總成中，確定使用某一種發動機，該發動機的最大功率為180ps，同時參考主要競爭對手和潛在競爭對手同類型同級別汽車的發展趨勢、市場環境以及法規要求，初步對所匹配的發動機提出了以下要求：①匹配180PS發動機;②發動機額定轉速：1800rpm，③發動機主要工作轉速：1200～1800rpm。

3.2? ?發動機參數數據

由于前文已對發動機功率如何選擇進行了分析，且已經根據用戶實際運行工況的需求特點確定匹配180ps的發動機，結合現有發動機資源，確定發動機外特性參數見表3發動機外特性參數，其經濟轉速區為1200～1800rpm。

3.3? ?傳動系統速比選擇

在發動機確定的情況下，發動機的扭矩特性已基本確定，首先是確定變速箱Ⅰ檔速比，其大小決定了整車的爬坡性能和坡道起步性能。結合前文對用戶實際工況的分析，車輛運行時對整車最大爬坡度和最大起步坡度要求不高，在匹配時需要按照整車特性定義需求進行計算，從而確定傳動系總速比? ? ? ?的范圍。整車最大爬坡和坡道起步時，車速一般較低，在計算中，風阻可忽略不計。計算公式如式（2）。

（2）

Ⅰ檔傳動比? ? ?應為

將整車設計特性參數代入上述公式計算后，可以得出滿足最大爬坡度（30%）和最小起步坡度（20%）要求的傳動系總速比范圍為：

31.3≤? ? ? ≤43.8

其次是根據最高車速確定傳動系統最大速比。傳動系速比偏大時，整車后備功率大，加速性好，但經濟性會降低，一般匹配中，在滿足整車動力性目標的前提下，要求盡量降低傳動系速比，以獲得較好的經濟性。但若傳動系速比過小，整車動力性差時，用低擋跑高速，不但不能提高經濟性，反而會使經濟性變差。為此，在確定傳動系速比時，要同時考慮以下因素進行優化匹配：①整車最高車速，②發動機最大功率/轉速，③發動機經濟轉速，④整車常用車速。

根據上述分析，結合現有資源以及主要競爭對手和潛在競爭對手車輛的配置情況，初步推薦變速箱采用8檔變速箱，頭檔速比在6～10之間;驅動橋主減速比在4.1～5.13之間，現有資源中，8檔變速箱有兩種速比，頭檔速比分別為9.558，最高擋速比為0.79，驅動橋主減速比分別由4.1、4.33、4.56和4.875四種，需利用Cruise軟件進行仿真后進行確定。

4? ? 仿真分析

4.1? ?仿真說明

根據用戶使用特性情況，按照平原高速、丘陵高速、平原一般公路和丘陵一般公路4種工況進行仿真計算。計算結果按照四種工況的占比進行加權，從而確定綜合運行工況下的動力傳動系統匹配情況。變速箱換擋策略與用戶實際操作情況相同，以發動機轉速做為換擋依據，并結合整車常用車速以及發動機經濟轉速范圍做參考進行確定。

4.2? ?仿真結果

對搭載180kW發動機、8檔變速箱以及速比為4.1、4.33、4.56和4.875和驅動橋，主要行駛在平原、丘陵地帶高速公路上的載貨車，基于Cruise仿真軟件開展動力性、經濟性分析，結果如下：4.2.1最高車速

四種后橋速比配置下，最高車速仿真結果均大于105km/h，滿足設計要求。

4.2.2 各檔位最大爬坡度

最大爬坡度結果詳見圖6。從圖6可知，4.11、4.33的速比，最大爬坡度不能滿足不小于30%的要求，4.56和4.875的速比滿足要求。

4.2.3 各檔位加速性能

4.2.4 用戶工況經濟性

經濟性仿真結果見表5，其中平原高速、平原一般、丘陵高速、丘陵一般公路所占權重分別為40%、40%、10%和10%。從表6可以看出，在可以滿足整車動力性的前提下，匹配4.56的后橋速比較4.875的速比更有經濟性價值，故優選匹配4.56的后橋速比。

4.2.5 仿真結果校驗

按照4.56的后橋速比進行校驗，? ? ?=9.558x4.56

=43.58≤43.8，滿足傳動系統總速比的要求，最高車速106km/h，最大爬坡度30.5%，滿足整車動力性的要求。利用該速比進行用戶實際使用工況仿真，并對所使用檔位進行統計，結果見圖7。其中最高檔和次高檔的檔位利用率分別為76.79%和16.49%，滿足用戶大部分坡度不降檔的實際需求。

5? ?試驗驗證

按照用戶實際使用情況進行動力性經濟性試驗驗證，車輛最高車速可達到105.7km/h，最大爬坡度30%，爬坡車速9.3km/h，發動機轉速2250rpm，加速試驗結果見表7和表8，經濟性試驗見表9，從試驗結果可以看出匹配4.56的后橋速比，動力性經濟性試驗結果基本上與仿真結果相吻合，滿足用戶實際需求。

6? ? 結論

在車型開發階段，通過市場調研并采集用戶實際使用工況數據，利用整車動力性、經濟性匹配優化設計方法進行整車匹配計算，根據匹配計算結果進行發動機、變速箱選型，避免出現選配的發動機、變速箱不能完全滿足用戶實際運行工況需求，就能使整車的動力性、經濟性、加速性能都達到最優。同時，通過本文的研究，提出了根據市場細分原則，根據目標車型的需要，用Matlab語言編制仿真計算程序計算功率需求，并利用Cruise軟件對結合綜合工況下的整車動力性、燃油經濟性進行仿真分析，最終選擇出滿足市場需求的動力傳動系統總成參數，達成了預期性能指標，為后續產品開發提供了理論依據和匹配方法。

參考文獻：

[1]余志生. 汽車理論. 機械工業出版社.

[2]張洪欣. 汽車設計. 機械工業出版社.

[3]陳蔭三，余強[譯]. 汽車動力學. 清華大學出版社.