重型卡車動(dòng)力匹配研究綜述

侯永紅，孟智慧，解艷超，鄔耀飛，單麗華

（1.北奔重型汽車集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

前言

重型卡車產(chǎn)品作為一種社會(huì)生產(chǎn)資料，其動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性性能的好壞，很大程度上決定了重型卡車整車性能的好壞，因此，一直以來都是各整車及動(dòng)傳相關(guān)零部件企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)、院校的研究焦點(diǎn)。本文主要從重型卡車動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性研究的評(píng)價(jià)指標(biāo)、優(yōu)化匹配等方面進(jìn)行綜述，并分析目前研究的主要問題，后續(xù)從哪些方面開展研究，進(jìn)而卡車性能水平提升。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

重型卡車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性基本理論的是以汽車縱向動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，但由于其使用環(huán)境的特殊性，研究中關(guān)注的指標(biāo)重要程度不同、研究的側(cè)重點(diǎn)也不盡相同。

1.1 動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)

1）最高車速

隨著高速公里的不斷發(fā)展，重型卡車的最高車速也成為其動(dòng)力性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。最高車速是指在水平良好的路面（混凝土或?yàn)r青）上汽車能達(dá)到的最高行駛速度。

采用汽車動(dòng)力學(xué)的功率平衡原理，由最高檔的功率曲線與阻力功率曲線相交而得到最高車速。

式中：G-整車重量（N）；f-輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD-空氣阻力系數(shù)；A-迎風(fēng)面積；δ-旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；i-道路坡度。

2）爬坡能力

汽車的爬坡能力是用滿載時(shí)汽車在良好路面上的最大爬坡度來表示。重卡由于在各種地區(qū)和路面上行駛，使用環(huán)境比較復(fù)雜，因此最大爬坡度時(shí)其動(dòng)力性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

式中：αmax-最大爬坡角；ηt-傳動(dòng)系效率；Ik1-變速器一檔速比；I0-驅(qū)動(dòng)橋速比；Temax-最大轉(zhuǎn)矩（Nm）

3）加速能力

由于現(xiàn)有重卡都是干線運(yùn)輸了，要求的卡車的平均速度都比較高，因此，加速能力也成為現(xiàn)代重卡的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，汽車的加速能力可以用它在水平良好路面上行駛時(shí)能產(chǎn)生的加時(shí)間來評(píng)價(jià)。

1.2 燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)研究

由于重卡作為生產(chǎn)資料，燃油經(jīng)濟(jì)性是其主要關(guān)注的性能之一。而等速百公里燃油消耗量是一個(gè)普遍采用的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，但對(duì)于特定工況下的重卡運(yùn)輸采用循環(huán)工況燃油消耗量評(píng)價(jià)燃油經(jīng)濟(jì)性更加具有實(shí)際意義。

1）直接檔（或最高檔）等速百公里燃油消耗量

等速百公里油耗由于便于重復(fù)測(cè)量評(píng)價(jià)，因此，應(yīng)用比較廣泛，但也存在不能反應(yīng)出實(shí)際行駛的情況。

式中：ge-燃油消耗率；β-燃油密度。

2）循環(huán)工況百公里燃油消耗量

循環(huán)工況更能真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際運(yùn)行工況，結(jié)果更加準(zhǔn)確，但我國幅員遼闊，循環(huán)工況的建立成為了關(guān)鍵。循環(huán)工況燃油消耗量是基于速、減速、怠速和勻速不同工況下燃油消耗量的總和：

式中：gei-i時(shí)刻的燃油消耗率；t-工況下的時(shí)間；St-循環(huán)工況運(yùn)行距離。

2 優(yōu)化匹配研究現(xiàn)狀

由于重型卡車特殊的使用條件，因此許多機(jī)構(gòu)和企業(yè)也針對(duì)性地開展了基于計(jì)算機(jī)模擬仿真、整車或臺(tái)架試驗(yàn)等方式的重型卡車動(dòng)力傳動(dòng)匹配研究。

在國外20世紀(jì)60年代，許多科研機(jī)構(gòu)和汽車企業(yè)便意識(shí)到優(yōu)化匹配的重要程度，伴隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)力傳動(dòng)匹配優(yōu)化軟件也得到發(fā)展，1972年美國通用汽車公司首先開發(fā)了汽車動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性的通用預(yù)測(cè)程序GPSIM2，該程序可以模擬汽車在任何行駛工況下的瞬時(shí)油耗、累積油耗、行駛時(shí)間和距離預(yù)測(cè)汽車設(shè)計(jì)參數(shù)如重量、傳動(dòng)系速比、空氣阻力系數(shù)等的變化對(duì)汽車性能的影響。隨著仿真技術(shù)、試驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，國外在卡車上的優(yōu)化匹配研究的也得到長足發(fā)展[1]。

在國內(nèi)關(guān)于汽車動(dòng)力匹配研究開展較晚，專門開展重型卡車的匹配研究更晚。但近十多年來，相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，專門針對(duì)重型卡車的仿真優(yōu)化、試驗(yàn)優(yōu)化等方面研究也層出不窮。

2016年太原理工大學(xué)的楊少鋒針在文獻(xiàn)中提到建立了LNG重卡動(dòng)傳系統(tǒng)數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，以動(dòng)力性指標(biāo)和變速箱、主減速器參數(shù)的選擇原則作為約束條件，以多項(xiàng)燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，并利用權(quán)重法將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，利用遺傳算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[2]。

2016年一汽技術(shù)中心的 張艷輝結(jié)合重型載貨汽車用戶實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)理論，統(tǒng)計(jì)出發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷分布并解析該車行駛循環(huán)工況。以動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性為雙目標(biāo)函數(shù)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配[3]。

2015年 武漢理工大學(xué)的王棟通過建立擬開發(fā)重型牽引車的動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)仿真分析模型，采用遺傳算法，以動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放為適應(yīng)度函數(shù)，利用聯(lián)合仿真得到最佳變速器各擋速比和主減速器的優(yōu)化配置[4]。

2009年吉林大學(xué)鄧陽慶通過大量氣象條件和道路狀況試驗(yàn),對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行了定量的研究。得出溫度對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響并不是簡(jiǎn)單的比例關(guān)系，環(huán)境溫度高于常溫時(shí)，溫度對(duì)于汽車的影響相對(duì)比較穩(wěn)定，而高溫與低溫的油耗相比相差懸殊[5]。

2011年重慶交通大學(xué)杜子學(xué)根據(jù)某重型汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照動(dòng)力傳遞路線建模，與 modeFRONTIER優(yōu)化軟件結(jié)合，采用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)該車的傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配[6]。

3 研究存在問題及方向

1）重型卡車行駛循環(huán)工況與發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)工況的研究比較少，不能滿足動(dòng)力匹配的相關(guān)研究，循環(huán)工況將在汽車性能研究的方向之一。

2）對(duì)重型卡車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性研究主要集中在采用不同的優(yōu)化方法，尋求最優(yōu)的匹配效果，但并沒有系統(tǒng)對(duì)不同的優(yōu)化方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，導(dǎo)致應(yīng)用過程中不能達(dá)成很好的效果。

3）由于中國幅員遼闊，運(yùn)輸線路單一等原因，在循環(huán)工況研究基礎(chǔ)上，應(yīng)開展基于用戶實(shí)際使用工況的動(dòng)力匹配研究，更加具有現(xiàn)實(shí)意義。

4）重型卡車關(guān)于新能源的匹配研究相對(duì)于乘用車或客車來說比較少，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)重型卡車新能源的優(yōu)化匹配研究工作。

4 結(jié)語

隨著公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，快遞業(yè)的快速發(fā)展 ，重型汽車已經(jīng)成為物流運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ咧?，這就要重型卡車具有良好的動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性。因此，對(duì)于重型卡車的動(dòng)力匹配優(yōu)化研究，具有很好的應(yīng)用前景。

[1] Heinz Snizek.Improved Fuel Economy and Handlingof Light and Medium Duty Trucks[C].SAE973275.

[2] 楊少鋒等.LNG重卡動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2016.12.

[3] 張艷輝等.基于典型用戶使用工況的重型載貨汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配研究[J]汽車技術(shù),2016.04.

[4] 王棟等.重型牽引車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化匹配[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版）,2015.03.

[5] 鄧陽慶.基于用戶使用條件重型自卸車燃油經(jīng)濟(jì)性研究[D]長春：吉林大學(xué),2009.

[6] 杜子學(xué)等.某重型汽車動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性仿真與匹配優(yōu)化[J].汽車技術(shù),2011.10.