基于整車經(jīng)濟性的商用車傳動系統(tǒng)匹配設(shè)計

劉子玄，劉會神，苑衛(wèi)松，于洪劍，王宇，薛發(fā)舟

(中國第一汽車集團有限公司,吉林長春 130011)

0 引言

在目前的商用車市場，用戶對于整車的經(jīng)濟性有著很高的要求。開發(fā)出低油耗的商用車，是全球各大商用車生產(chǎn)廠家共同的追求，也是商用車發(fā)展的大趨勢，更是未來商用車的核心競爭力。商用車傳動系統(tǒng)的匹配工作是保證整車經(jīng)濟性重要的一環(huán)。

動力總成系統(tǒng)匹配的工作主要分為兩個步驟:第一步，根據(jù)最低穩(wěn)定車速，在保證汽車發(fā)動機能夠長期工作在發(fā)動機經(jīng)濟區(qū)域的前提下，對發(fā)動機、變速器、驅(qū)動橋、輪胎等進行初步的匹配初選；第二步，根據(jù)整車路譜和使用情況，通過建立仿真模型計算，對整車傳動系統(tǒng)進行進一步的匹配校核。最終確認幾種方案中傳動系匹配的最優(yōu)方案。

根據(jù)商用車傳動系統(tǒng)速比的匹配計算，從經(jīng)濟性角度選擇出較優(yōu)的系統(tǒng)方案，是整車設(shè)計中非常重要的一項工作。

1 整車和總成的相關(guān)參數(shù)及定義

1.1 整車相關(guān)參數(shù)

列車總質(zhì)量：40 000 kg；

前軸荷：空載4 950×9.8 N，滿載7 000×9.8 N；

整車外廓尺寸：長6 950 mm，寬2 550 mm，高4 000 mm；

軸距：3 975 mm。

1.2 發(fā)動機相關(guān)參數(shù)

排量：11.05 L；

額定功率：338 kW/1 900 (r/min);

額定扭矩：2 200 N·m/1 300 (r/min)；

全負荷最低比油耗：242 g·h/kW；

怠速燃油消耗率：2 550 g/h。

其中：

有效功率：發(fā)動機對外輸出的功率稱為有效功率，可以根據(jù)發(fā)動機的有效扭矩和曲軸轉(zhuǎn)速計算獲得，公式為：

式中：Ttq為有效扭矩(N·m)；n為曲軸轉(zhuǎn)速。

燃油消耗率：發(fā)動機每發(fā)出1 kW有效功率，在1 h內(nèi)消耗的燃油質(zhì)量(g)。計算公式為：

式中：B為發(fā)動機單位時間內(nèi)的油耗(kg/h)；Pc為發(fā)動機的有效功率(kW)。

通過試驗數(shù)據(jù)和軟件計算，得到發(fā)動機的萬有特性曲線如圖1所示。

圖1 發(fā)動機萬有特性曲線

1.3 變速器相關(guān)參數(shù)

有兩種變速器可選擇，如表1所示，其中變速器1為超速擋變速器，變速器2為直接擋變速器。

表1 樣車變速器參數(shù)表

其中：直接擋變速器最高擋位的速比是1∶1，超速擋變速器最高擋位的速比小于1∶1。

1.4 驅(qū)動橋相關(guān)參數(shù)

有4種驅(qū)動橋可選擇：驅(qū)動橋1速比2.688，驅(qū)動橋2速比2.867，驅(qū)動橋3速比3.417，驅(qū)動橋4速比3.727。

2 商用車傳動系的匹配計算

2.1 對整車傳動系統(tǒng)進行初步匹配

重型商用車采用柴油發(fā)動機，一般情況下的經(jīng)濟轉(zhuǎn)速在1 100～1 400 r/min之間。重型牽引車大部分用來跑長途貨運，常用的最高車速在90 km/h左右。最優(yōu)的速比選擇應(yīng)保證在常用的最高車速下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速保持在經(jīng)濟轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)。

發(fā)動機轉(zhuǎn)速、傳動系總傳動比、車速之間的關(guān)系可以用如下公式表示：

式中：v是車速(km/h)；n是發(fā)動機轉(zhuǎn)速(r/min)；rk是車輪滾動半徑；Uk1是傳動比。

為控制變量，擬采用295/80R22.5的輪胎，滾動半徑為507 mm。

將目前可選擇的變速器和驅(qū)動橋互相匹配，得到表2。

從表2可以看出：變速器1匹配驅(qū)動橋3/4方案、變速器2匹配驅(qū)動橋1/2方案時，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速在1 100～1 400 r/min之間。因此，這4種方案的匹配可以初步滿足整車燃油經(jīng)濟性的要求。

表2 傳動比、車速、發(fā)動機功率的關(guān)系

2.2 建立仿真模型進行匹配計算

(1)采用變速器1(超速擋)方案時的系統(tǒng)匹配

利用仿真計算，可得到如圖2—圖3所示的曲線。可以看出，在多工況的行駛過程中：

變速器1匹配驅(qū)動橋3方案時， WHTC(World Harmonized Transient Cycle)城市工況的油耗是71.306 L/100 km，WHTC市郊工況的油耗是57.329 L/100 km，WHTC高速工況的油耗是40.99 L/100 km。

變速器1匹配驅(qū)動橋4方案時，WHTC城市工況的油耗是70.687 L/100 km，WHTC市郊工況的油耗是56.729 L/100 km，WHTC高速工況的油耗是40.276 L/100 km。

由此可以得出：采用變速器1(超速擋)方案時，匹配驅(qū)動橋4(速比3.727)的方案在多種工況下的油耗均小于匹配驅(qū)動橋3(速比3.417)的方案，更加節(jié)油。

圖2 變速器1匹配驅(qū)動橋3方案多工況油耗曲線

圖3 變速器1匹配驅(qū)動橋4方案多工況油耗曲線

(2)采用變速器2(直接擋)方案時的系統(tǒng)匹配

利用仿真計算，可得到如圖4—圖5所示的曲線?？梢钥闯觯诙喙r的行駛過程中：

變速器2匹配驅(qū)動橋1方案時，WHTC城市工況的油耗是68.876 L/100 km，WHTC市郊工況的油耗是55.173 L/100 km，WHTC高速工況的油耗是39.219 L/100 km。

變速器2匹配驅(qū)動橋2方案時，WHTC城市工況的油耗是70.711 L/100 km，WHTC市郊工況的油耗是56.809 L/100 km，WHTC高速工況的油耗是40.146 L/100 km。

由此可以得出，采用變速器2(直接擋)方案時，匹配驅(qū)動橋1(速比2.688)的方案在多種工況下的油耗均小于匹配驅(qū)動橋2(速比2.867)的方案，更加節(jié)油。

圖4 變速器2匹配驅(qū)動橋1方案多工況油耗曲線

圖5 變速器2匹配驅(qū)動橋2方案多工況油耗曲線

(3)匹配結(jié)果

以目前的市場狀況分析，用戶對于整車高經(jīng)濟性和高動力性都有著很高的要求，因此保留直接擋和超速擋變速器兩種方案，以適應(yīng)不同的市場需求。綜上，得出如下兩種匹配結(jié)果：

方案一：超速擋變速器，匹配速比3.727的驅(qū)動橋，最大總傳動比為45.312 9，最小總傳動比為2.918；

方案二：直接擋變速器，匹配速比2.688的驅(qū)動橋，最大總傳動比為41.758 1，最小總傳動比為2.688。

3 結(jié)束語

傳動系統(tǒng)的匹配涉及整車動力性、經(jīng)濟性性能，是整車動力系統(tǒng)研究的核心。在通過計算、仿真模型等匹配選取方案后，還要進行試驗驗證等，才能最終將系統(tǒng)的匹配確定下來。

傳動系統(tǒng)的匹配設(shè)計是一個綜合性的工程。

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