一種商用車動力不足改善方法研究

王梁清，張育維

摘? 要：本文以一款經濟型商用牽引車動力不足優化開發為例，應用AVL cruise及matlab 編程工具，深度分析了優化車型的動力性表現，并結合國內牽引車的使用工況和客戶需求，并同步分析經濟性水平、客戶價值，最終找到動力匹配優化方案。

關鍵詞： 優化;工況;牽引車;動力不足;仿真分析

中圖分類號：U462.3+? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2021）04-0096-06

Research on A Method for Improving Commercial Vehicle Power Shortage

WANG Liang-qing1， ZHANG Yu-wei2

（ 1.Tongji University， Shanghai? 201804， China;

2. Dongfeng Commercial Vehicleco.， LTD.Product Development Department of Technical Center， Wuhan 430056， China）

Abstract： This article takes the optimized development of an economical commercial tractor with Power Shortage as an example. Using AVL cruise and matlab programming tools， in-depth analysis of the dynamic performance of optimized models. Combining the operating conditions of domestic tractors and customer needs， and simultaneously analyzing the economic level and customer value， we finally find a power matching optimization plan.

1? ? 緒論

1.1? ?商用車動力改善研究的意義

隨著國內商用車市場尤其是牽引車市場的快速發展，牽引車的保有量不斷攀升，運輸效率逐漸成為商用車領域核心競爭力之一，主要包括：速度效率（即時效）、載重效率、保養維護效率、可靠性。而車輛動力性是影響速度效率的關鍵因素之一，圍繞著汽車動力性提升商用車企業主要采取了以下措施：

1）匹配更大扭矩，更大功率的發動機：直接決定了整車動力性的最大能力。

2）提升發動機的扭矩響應：使車輛響應更加靈敏，提升城市工況和山區工況的加速能力。

3）調整傳動系統速比：匹配合適的速比，充分發揮發動機的功率和扭矩輸出。

4）減少行駛阻力：降低風阻、滾阻，在提升燃油經濟性的同時，對動力性也有一定的提升。

5）匹配緩速器：匹配高效的緩速器及散熱系統，可以提升下坡安全車速，進一步提升車輛效率。

6）預見性駕駛輔助系統：預見性駕駛系統可以幫助駕駛員提前預知坡度及主動干預，減少操作不當造成的動力損失，提升車速。

7）其他新技術。

1.2? ?本文研究的主要內容

在產品開發過程中，存在發動機扭矩不足，或需要考慮經濟成本等因素采用小功率發動機，匹配不當會造成擋位能力不足，上坡能力不足。

而以往的很多分析僅僅考慮爬坡度和等速油耗等單一因素優化和評價車輛的動力性、燃油經濟性。本文通過工況和客戶需求、成本等綜合因素整體優化和評估方案。

通過運用自編的matlab程序和奧地利AVL公司Cruise車輛整車性能仿真平臺，以國內某款牽引車動力不足改善開發為例，優化傳動速比匹配達到用戶的動力需求水平，（充分考慮在優化過程中的因素，比如，全方位考慮對動力性，燃油經濟性的影響，并進行評估）并對車輛燃油經濟性進行評估。通過本課題的研究，學習掌握商用汽車動力性燃料經濟性仿真計算方法，為以后工作當中的應用和自主知識產權的汽車整車性能仿真計算和分析軟件研究提出指導性意見。

2? ? 牽引車工況特征分析

2.1? ? 工況分析

研究整車動力性、經濟性一定要結合實際的路況和用戶需求來考慮，可以將中國的牽引車運輸分為東西方向、南北方向散雜貨運輸。兩者又有顯著的特點，東西向運輸經過高原，山區，所以對車輛的綜合性能要求較高，而南北向運輸，主要為平原、丘陵，通過匹配更小的后橋速比可以提高燃油經濟性。隨著國家法規執行越來越嚴格，總重滿載49t。根據用戶的需求可將常用車速分為60～90km/h或70～95km/h。最后根據大量的數據采集整理出以下的工況特點：

2.2? ?工況條件

本文選取國內一條典型運輸路線做為參考，展開分析，如按圖一為該爬坡度分布情況，圖二為坡度概率累計的情況。可以看出，在該典型道路下，坡度小于3%道路長度占比92%，坡度小于1%道路的長度占比75%。所以設計應匹配應考慮1%（平路范圍）、3%（一般坡道范圍）坡度的動力需求。

3? ? 動力優化分析

3.1? ?計算條件

在前一章節中道路工況下，需要針對低功率發動，優化動力匹配，滿足客戶的動力需求。表1為標桿車型及問題車型配置說明：

發動機外特性如圖3，具體參數本文不再列出。

其他車輛參數如表2：

根據以上參數通過AVL cruise軟件進行建模，并分析計算，如圖4：

3.2? ? 現狀分析

通過AVL_cruise軟件的Climbing Performance任務計算標桿車V0及需改善車型V1最大爬坡度情況，如表3。可以看出，V1最高擋爬坡度為0.74，參考圖2，在該工況下最高擋僅能應對59%的工況，用戶換擋頻繁，駕駛感覺較差，同時頻繁換擋也會導致油耗和行駛效率降低，判斷為動力不足。

主要原因是，采用的E2發動機扭矩1800Nm，相對E1發動機扭矩低200Nm，同時動力及傳動速比相同，在相同車速下輪端扭矩差距較大。

3.3? ? 優化分析

考慮該車型為低成本經濟型車型，無法更換更大動力的發動機，所以通過增大后橋速比提高動力性。經過匹配計算和驅動橋資源，分析計算3.9、4.11、4.44后橋速比，下邊以3.9速比優化車型V2計算校核為例進行說明，其他速比本文暫不列舉。

3.3.1 最高擋爬坡度分析

首先需要校核最核心問題：最高擋爬坡度。通過匹配分析，V2車型3.9后橋速比最高擋爬坡度達到0.97%，由圖2坡度概率累計圖可以得出，該路線小于0.97%坡度長度占比75%，即說明最高擋至少滿足75%以上的道路的動力輸出，大幅提高最高擋對道路的適應能力，減少換檔，提高行駛效率。對比標桿車型V0最高擋爬坡度為0.93%，也可滿足客戶的動力需求。

3.3.2 車速能力分析

最高擋爬坡度需要進一步研究其車速能力，否則，光有爬坡度，沒有車速，行駛效率仍然很低。圖5展示了標桿車V0、問題車V1、優化車V2最高擋爬坡度計算結果，表5為具體的計算數據。可以看到在匹配3.9后橋速比的V2車型，相對于V1整體動力性有所提升，在用戶常用的70～85km/h下，能夠保持0.8%以上的爬坡度需求。在高車速區（90km/h以上），動力不及標桿車型V0，但是該區域用戶不常用，所以整體影響較小。

3.3.3 最大動力性滿足分析

常用工況動力需求滿足情況下，需分析最大動力能力，評估車輛應對艱險工況的水平。本次采用輪端功率平衡分析方法，直接體現了車輛的最大速度特性，通過matlab編程計算車輛的輪端功率平衡圖。步驟如下：

（1）做出各坡度下阻力功率圖

做出采用功率平衡公式算出不同坡度下各車速需要的功率，并用plot命令形成曲線到車速—功率圖，阻力功率公式如下：

其中：爬坡度i取0% 1% 3% 6%進行校核;車速ua取0～140km/h，步長為5km/h;因不考慮加速du/dt為0;其他參數按照表2設定。

（2）做出各擋發動機輸出功率圖

將發動機外特性數據（轉速-功率），帶入由汽車各檔速度特性公式，即可得到各擋位不同車速下發動機功率，用plot命令形成曲線到車速—功率圖。各檔速度特性公式如下：

其中io為后橋速比，ig為變速箱各擋速比，r為輪胎滾動半徑，n為發動機轉速。

（3）將以上兩個步驟車速-功率圖疊加即可得到功率平衡圖，交點即為在該車速、坡度、擋位下功率的情況，各參數之間也可相互對應。

計算結果如圖6，圖7可以看出： 0%坡道下（平路行駛）最高車速從116km/h下降到109km/h;在1%坡道下V2車最大車速為78km/h，V0車為85km/h，低7km/h;3%坡度下V2車最大車速為43km/h，V0車為48km/h，低5km。綜上整體的極限能力，優化車型V2比標桿車型V0差約6%。但商用車行駛以平穩勻速行駛為主，若猛踩油門或超高轉速獲得最大動力輸出會導致油耗上升明顯，所以在不經常出現的極限駕駛狀態車速約低6%可以接受。

極限動力情況校核完成后需要將主要平路工況下（即1%坡道動力表現）的動力性情況做再次做對比和評估。這里使用matlab軟件編程在發動機外特性圖下做具體校核：

（1）采用章節的兩個公式（阻力功率公式、速度特性公式）即可推導出各擋位下發動機輸出扭矩，其中選取坡度i0為1%;

（2）使用plot命令疊加到發動機外特性中即可得到如圖8計算結果;

（3）同時還需要計算各車速下的功率需求曲線，由“阻力功率公式”可計算得出;該曲線為車速-需求功率的參考曲線，如圖8黑色雙曲線。

由圖8可以看出：

（1）在70km/h車速下（常用車速），V0和優化后的V2兩者后備扭矩相當（途中藍色虛線與紅色虛線長度），說明在1%坡度下且為常用車速70km/h時，兩者的瞬時加速能力、應對坡道變化能力相當。

（2）隨著車速繼續升高，V2后備功率下降的速率更快（圖8陰影部分面積），最終導致的1%坡度下最高車速有所差距;因此增大后橋速比的方案雖然可以保證客戶在常用車速下的動力輸出能力，但在90%～100%大油門情況下動力輸出疲軟。

3.3.4 燃油經濟性分析：

動力性、燃油經濟性是不可分割互相影響的 ，在優化動力的同時，務必要考慮燃油經濟性的影響。而等速油耗不能反應實際道路變化的情況誤差較大，故本文采用工況循環油耗進行評估。

通過AVL cruise軟件cycle run任務，將該路線路譜、坡度信息導入并進行計算分析如圖9，得出計算結果為表6，可以看出整車在該工況下行駛，油耗略有上升0.5L/100km左右。主要原因是增大后橋速比導致常用發動機轉速上升約150rpm。

但是隨著爬坡車速提升，平均車速可提升3～5 km/h。按照單趟1000km的路程計算，可節約1.5小時的時間。按照平均每月10趟往返的運輸時效要求，平均每月可節約20小時，相當于每月可多跑一個往返，帶來更高收益。同時，動力性的提升可進一步減少換擋，減少動力中斷，特別在丘陵、山區工況對經濟性也是有益的。綜上，從客戶價值和體驗的角度，動力提升帶來的收益遠遠大于油耗略微上升。

4? ? 結論

通過研究市場工況，通過理論分析綜合評估車輛的動力性、燃油經濟性，多角度分析和研究“優化速比提升動力性”的方案，并結合客戶價值和場景提出分析利弊，結論如下：

（1）本文論述通過采用相比3.62傳動能力提升的3.9速比，可以實現各擋位具有相當的爬坡度，保證了車輛的坡道動力性;

（2）最高車速影響：3.9速比后，最高車速下降16%;從116km/h下降到109km/h。但根據公路運輸客戶的調查與采樣，最高車速達到100km/h以上即可滿足用戶需求;

（3）對于燃油經濟性因為速比增大，導致常用發動機船速提升150rpm，整體油耗提升約0.5%，但從綜合收益角度評估，行駛效率提升帶來更多運營收益，同時初期車輛采購成本未增加，其價值大于油耗略微上升;

（4）其他：本文分析的客戶對車輛初期購買成本敏感，在發動機動力不變的前提下做的最優方案。所以，如果要滿足干線運輸大企業的高時效運輸需求，仍需要把發動機扭矩提升和匹配小速比作為車輛動力傳動技術的主要路線，可以進一步提高動力性、燃油經濟性以及部分極限工況能力提升客戶綜合價值。

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王梁清

畢業于湖北汽車工業學院車輛工程專業，本科學歷，現就讀于同濟大學研究生并任職泛亞汽車技術中心，先后從事零件開發，工程質量，項目管理等崗位工作。