基于用戶實(shí)際工況的商用車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配研究

李朝樂(lè) 宋小寧 孟拓 張一超

摘? 要：本文的研究主要是根據(jù)市場(chǎng)細(xì)分原則，目標(biāo)車(chē)型的需要，用Matlab語(yǔ)言編制仿真計(jì)算程序計(jì)算功率需求，并利用Cruise軟件對(duì)結(jié)合綜合工況下的整車(chē)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析，考慮用戶的實(shí)際駕駛習(xí)慣，最終選擇出滿足市場(chǎng)需求的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)總成參數(shù)，使整車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、加速性能都達(dá)到最優(yōu)，達(dá)成預(yù)期性能指標(biāo)，為相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù)和匹配方法。

關(guān)鍵詞：市場(chǎng)需求;用戶習(xí)慣;動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.2? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：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(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配研究的背景

隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷深入，我國(guó)整體的能源需求和環(huán)境壓力也持續(xù)增加。而汽車(chē)產(chǎn)業(yè)既是化石能源消耗的“大戶”，也是環(huán)境污染的重要來(lái)源之一，數(shù)據(jù)顯示，道路交通部門(mén)CO2排放目前占我國(guó)總體排放的7%以上。另?yè)?jù)中國(guó)石油企業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究中心聯(lián)合發(fā)布的《2017中國(guó)油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析與展望報(bào)告藍(lán)皮書(shū)》顯示，2016年中國(guó)原油對(duì)外依存度升至65.4%，遠(yuǎn)超世界公認(rèn)50%的安全線，而汽車(chē)產(chǎn)業(yè)消耗已經(jīng)占到我國(guó)石油消耗總量的1/3左右。因此，持續(xù)降低汽車(chē)產(chǎn)品能源消耗，不僅是能源效率問(wèn)題，更是能源安全問(wèn)題。

1.2? ?商用車(chē)客戶價(jià)值分析

客戶價(jià)值分為增加客戶收入和減少客戶支出兩大類(lèi)，如：整車(chē)自重為增加客戶收入類(lèi)，用戶可以通過(guò)增加貨物裝載量增加收入，整車(chē)經(jīng)濟(jì)性為減少客戶支出類(lèi)，用戶可以節(jié)油燃油消耗減少支出。以年行駛里程25萬(wàn)公里的一款商用車(chē)為例，整車(chē)自重降低100kg，可帶來(lái)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(jià)格按照5.8元/L計(jì)算），因此，降低整車(chē)燃油消耗是提升客戶價(jià)值的一個(gè)非常有效的手段。

1.3? ?商用車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性提升的主要措施

目前整車(chē)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性提升主要措施有：

（1）行駛阻力：主要是通過(guò)改進(jìn)駕駛室造型，改善駕駛室結(jié)構(gòu)、增加導(dǎo)流裝置等方式減少迎風(fēng)面積和空氣阻力;通過(guò)改進(jìn)輪胎結(jié)構(gòu)來(lái)減少滾動(dòng)阻力。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)性能：減少發(fā)動(dòng)機(jī)附件的能耗，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)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(guò)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(tǒng)、柴油高壓共軌燃料供給系統(tǒng)和ECU控制使發(fā)動(dòng)機(jī)工作最優(yōu)化。

（3）動(dòng)力匹配：主要通過(guò)合適的速比匹配，確保發(fā)動(dòng)機(jī)最大可能地工作在經(jīng)濟(jì)區(qū)域。

（4）效率提升：提高傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率。

1.4? ?商用車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配原則及方法

商用車(chē)做為生產(chǎn)運(yùn)輸工具，具備動(dòng)力強(qiáng)勁、裝載貨物量大、運(yùn)行工況復(fù)雜等特點(diǎn)，因此商用車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配的原則是：在滿足整車(chē)不同運(yùn)行工況動(dòng)力需求的前提下，確保整車(chē)綜合燃油消耗處于最低水平。傳統(tǒng)整車(chē)匹配方法是根據(jù)整車(chē)最高行駛車(chē)速、最大爬坡度等指標(biāo)，先確定發(fā)動(dòng)機(jī)，然后再結(jié)合變速箱、驅(qū)動(dòng)橋現(xiàn)有資源進(jìn)行整車(chē)匹配計(jì)算，確定最佳的傳動(dòng)速比。本文提出一種基于用戶實(shí)際使用工況的商用車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配方法，結(jié)合用戶的實(shí)際使用工況提出整車(chē)需求，首先保證動(dòng)力性滿足用戶實(shí)際需求，然后再確定合適的發(fā)動(dòng)機(jī)特性和傳動(dòng)系速比。

2? ? 商用車(chē)市場(chǎng)用戶實(shí)際需求分析

2.1? ?商用車(chē)行駛工況分析

商用車(chē)行駛工況比較復(fù)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(qū)等。本文重點(diǎn)針對(duì)平原高速、平原一般、丘陵高速和丘陵一般四種工況進(jìn)行分析，采集的工況數(shù)據(jù)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(chē)輛平均行駛車(chē)速分別為80～100km/h，70～90km/h，50～70km/h，30～50km/h。在進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配時(shí)，需要確保車(chē)輛在這幾種常用車(chē)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的經(jīng)濟(jì)區(qū)域內(nèi)，最大可能地降低燃油消耗。

針對(duì)平原高速、丘陵高速、平原一般和丘陵一般工況數(shù)據(jù)的坡度分析，結(jié)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(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配時(shí)，需要考慮各種工況下的坡度，確保在滿足動(dòng)力性的情況下，換擋次數(shù)最少，經(jīng)濟(jì)性最佳。

2.2? ?商用車(chē)用戶駕駛習(xí)慣分析

在進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配時(shí)還需要對(duì)商用車(chē)用戶實(shí)際駕駛習(xí)慣進(jìn)行分析，以便更好地滿足用戶實(shí)際需求，以中型商用車(chē)用戶為例，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，確定中型車(chē)（采用6檔變速箱）駕駛員的駕駛習(xí)慣如表1所示：

從上表可以看出，駕駛員在實(shí)際的加速過(guò)程中，換擋頻率較高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本不會(huì)超過(guò)1500rpm，升檔后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速都將下降至850rpm左右。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，相應(yīng)的最大扭矩也比較低，如果傳動(dòng)速比匹配不合理，將會(huì)給用戶一種車(chē)輛動(dòng)力不足的感覺(jué)，因此在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配時(shí)必須考慮用戶的實(shí)際駕駛習(xí)慣。

3? ? 基于用戶實(shí)際工況的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配方法

3.1? ?發(fā)動(dòng)機(jī)功率需求計(jì)算

汽車(chē)行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率和汽車(chē)行駛的阻力功率間的平衡關(guān)系。功率平衡方程見(jiàn)公式（1）。發(fā)動(dòng)機(jī)功率愈大，汽車(chē)的動(dòng)力性愈好。發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率的選擇必須保證汽車(chē)預(yù)期的最高車(chē)速。最高車(chē)速愈高，要求的發(fā)動(dòng)機(jī)功率愈大，其后備功率也大，加速和爬坡能力必然較好。但發(fā)動(dòng)機(jī)功率不宜過(guò)大，否則在常用條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率過(guò)低，油耗增加。

在進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)匹配之前，首先要做的是根據(jù)用戶實(shí)際使用工況，確定對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率需求。利用Cruise仿真軟件發(fā)動(dòng)機(jī)在各運(yùn)行點(diǎn)的功率需求情況，計(jì)算方法如下：

（1）按照Cruise仿真軟件的操作細(xì)則，搭建整車(chē)仿真模型，如圖3所示，并在整車(chē)模型中定義好整車(chē)的基礎(chǔ)參數(shù)，包括軸距、空滿載重心位置、整備質(zhì)量、最大總質(zhì)量、迎風(fēng)面積、風(fēng)阻系數(shù)等參數(shù)。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器以及后橋、車(chē)輪等參數(shù)分別在整車(chē)模型中各對(duì)應(yīng)的子模塊中定義。

1.整車(chē)參數(shù) 2.發(fā)動(dòng)機(jī) 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(dòng)器11.左前制動(dòng)器 12.右后制動(dòng)器 13.左后制動(dòng)器 14.差速器 15.駕駛控制

（2）將采集到的用戶實(shí)際運(yùn)行工況數(shù)據(jù)導(dǎo)入該軟件中，以丘陵一般工況為例，數(shù)據(jù)導(dǎo)入后如圖4所示：

（3）計(jì)算參數(shù)表

首先設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)模型參數(shù)，將發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下的最大扭矩均設(shè)置為10000Nm，確保在仿真計(jì)算過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)可以提供足夠大的功率。其他參數(shù)按照下表2進(jìn)行設(shè)置：

（4）仿真運(yùn)行并將結(jié)果導(dǎo)出，利用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，獲得用戶車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的功率分布情況，并繪制該行駛工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)功率需求圖5。從發(fā)動(dòng)機(jī)功率需求分布情況看，車(chē)輛在該工況下運(yùn)行時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率需求基本上維持在160kw以下，根據(jù)此功率范圍，在可選的發(fā)動(dòng)機(jī)總成中，確定使用某一種發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率為180ps，同時(shí)參考主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手和潛在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手同類(lèi)型同級(jí)別汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)、市場(chǎng)環(huán)境以及法規(guī)要求，初步對(duì)所匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)提出了以下要求：①匹配180PS發(fā)動(dòng)機(jī);②發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速：1800rpm，③發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作轉(zhuǎn)速：1200～1800rpm。

3.2? ?發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)數(shù)據(jù)

由于前文已對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率如何選擇進(jìn)行了分析，且已經(jīng)根據(jù)用戶實(shí)際運(yùn)行工況的需求特點(diǎn)確定匹配180ps的發(fā)動(dòng)機(jī)，結(jié)合現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)資源，確定發(fā)動(dòng)機(jī)外特性參數(shù)見(jiàn)表3發(fā)動(dòng)機(jī)外特性參數(shù)，其經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速區(qū)為1200～1800rpm。

3.3? ?傳動(dòng)系統(tǒng)速比選擇

在發(fā)動(dòng)機(jī)確定的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)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(chē)的爬坡性能和坡道起步性能。結(jié)合前文對(duì)用戶實(shí)際工況的分析，車(chē)輛運(yùn)行時(shí)對(duì)整車(chē)最大爬坡度和最大起步坡度要求不高，在匹配時(shí)需要按照整車(chē)特性定義需求進(jìn)行計(jì)算，從而確定傳動(dòng)系總速比? ? ? ?的范圍。整車(chē)最大爬坡和坡道起步時(shí)，車(chē)速一般較低，在計(jì)算中，風(fēng)阻可忽略不計(jì)。計(jì)算公式如式（2）。

（2）

Ⅰ檔傳動(dòng)比? ? ?應(yīng)為

將整車(chē)設(shè)計(jì)特性參數(shù)代入上述公式計(jì)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(dòng)系總速比范圍為：

31.3≤? ? ? ≤43.8

其次是根據(jù)最高車(chē)速確定傳動(dòng)系統(tǒng)最大速比。傳動(dòng)系速比偏大時(shí)，整車(chē)后備功率大，加速性好，但經(jīng)濟(jì)性會(huì)降低，一般匹配中，在滿足整車(chē)動(dòng)力性目標(biāo)的前提下，要求盡量降低傳動(dòng)系速比，以獲得較好的經(jīng)濟(jì)性。但若傳動(dòng)系速比過(guò)小，整車(chē)動(dòng)力性差時(shí)，用低擋跑高速，不但不能提高經(jīng)濟(jì)性，反而會(huì)使經(jīng)濟(jì)性變差。為此，在確定傳動(dòng)系速比時(shí)，要同時(shí)考慮以下因素進(jìn)行優(yōu)化匹配：①整車(chē)最高車(chē)速，②發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率/轉(zhuǎn)速，③發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速，④整車(chē)常用車(chē)速。

根據(jù)上述分析，結(jié)合現(xiàn)有資源以及主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手和潛在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手車(chē)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(qū)動(dòng)橋主減速比在4.1～5.13之間，現(xiàn)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(qū)動(dòng)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(jìn)行仿真后進(jìn)行確定。

4? ? 仿真分析

4.1? ?仿真說(shuō)明

根據(jù)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(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果按照四種工況的占比進(jìn)行加權(quán)，從而確定綜合運(yùn)行工況下的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配情況。變速箱換擋策略與用戶實(shí)際操作情況相同，以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速做為換擋依據(jù)，并結(jié)合整車(chē)常用車(chē)速以及發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速范圍做參考進(jìn)行確定。

4.2? ?仿真結(jié)果

對(duì)搭載180kW發(fā)動(dòng)機(jī)、8檔變速箱以及速比為4.1、4.33、4.56和4.875和驅(qū)動(dòng)橋，主要行駛在平原、丘陵地帶高速公路上的載貨車(chē)，基于Cruise仿真軟件開(kāi)展動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果如下：4.2.1最高車(chē)速

四種后橋速比配置下，最高車(chē)速仿真結(jié)果均大于105km/h，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2.2 各檔位最大爬坡度

最大爬坡度結(jié)果詳見(jiàn)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(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果見(jiàn)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(quán)重分別為40%、40%、10%和10%。從表6可以看出，在可以滿足整車(chē)動(dòng)力性的前提下，匹配4.56的后橋速比較4.875的速比更有經(jīng)濟(jì)性價(jià)值，故優(yōu)選匹配4.56的后橋速比。

4.2.5 仿真結(jié)果校驗(yàn)

按照4.56的后橋速比進(jìn)行校驗(yàn)，? ? ?=9.558x4.56

=43.58≤43.8，滿足傳動(dòng)系統(tǒng)總速比的要求，最高車(chē)速106km/h，最大爬坡度30.5%，滿足整車(chē)動(dòng)力性的要求。利用該速比進(jìn)行用戶實(shí)際使用工況仿真，并對(duì)所使用檔位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)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(shí)際需求。

5? ?試驗(yàn)驗(yàn)證

按照用戶實(shí)際使用情況進(jìn)行動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)驗(yàn)證，車(chē)輛最高車(chē)速可達(dá)到105.7km/h，最大爬坡度30%，爬坡車(chē)速9.3km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2250rpm，加速試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7和表8，經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)見(jiàn)表9，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出匹配4.56的后橋速比，動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果基本上與仿真結(jié)果相吻合，滿足用戶實(shí)際需求。

6? ? 結(jié)論

在車(chē)型開(kāi)發(fā)階段，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研并采集用戶實(shí)際使用工況數(shù)據(jù)，利用整車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行整車(chē)匹配計(jì)算，根據(jù)匹配計(jì)算結(jié)果進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱選型，避免出現(xiàn)選配的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱不能完全滿足用戶實(shí)際運(yùn)行工況需求，就能使整車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、加速性能都達(dá)到最優(yōu)。同時(shí)，通過(guò)本文的研究，提出了根據(jù)市場(chǎng)細(xì)分原則，根據(jù)目標(biāo)車(chē)型的需要，用Matlab語(yǔ)言編制仿真計(jì)算程序計(jì)算功率需求，并利用Cruise軟件對(duì)結(jié)合綜合工況下的整車(chē)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析，最終選擇出滿足市場(chǎng)需求的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)總成參數(shù)，達(dá)成了預(yù)期性能指標(biāo)，為后續(xù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了理論依據(jù)和匹配方法。

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