基于Cruise的專用車動(dòng)力匹配方案設(shè)計(jì)

喬 潔，劉湘安，劉永杰，王云坤，袁立青Qiao Jie，Liu Xiang’an，Liu Yongjie，Wang Yunkun，Yuan Liqing

基于Cruise的專用車動(dòng)力匹配方案設(shè)計(jì)

喬 潔1，劉湘安1，劉永杰1，王云坤1，袁立青2
Qiao Jie1，Liu Xiang’an1，Liu Yongjie1，Wang Yunkun1，Yuan Liqing2

（1.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.湖北省軍區(qū)數(shù)據(jù)信息室，湖北 武漢 430070）

為了提高重型礦用自卸車動(dòng)力性，利用AVL Cruise軟件進(jìn)行仿真模擬，選擇較優(yōu)的動(dòng)力匹配方案。首先，計(jì)算并確定整車基本設(shè)計(jì)參數(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)；然后，通過Cruise軟件構(gòu)建非公路礦用自卸車整車模型，對(duì)最大爬坡度、最大牽引力、穩(wěn)態(tài)行駛時(shí)的最高車速以及不同爬坡度下的最高車速進(jìn)行仿真和對(duì)比，確定較優(yōu)的動(dòng)力匹配方案。結(jié)果表明，動(dòng)力匹配方案滿足自卸車的動(dòng)力性設(shè)計(jì)要求，且具有一定的燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。

礦用自卸車；AVL Cruise；動(dòng)力性

0 引 言

礦用自卸車在我國發(fā)展迅速，市場需求量逐年增加[1]。礦用自卸車在礦區(qū)行駛，工作環(huán)境惡劣，其作業(yè)過程具有路況差、路面坡度大、超載嚴(yán)重、運(yùn)輸距離短、速度慢、油耗高等特點(diǎn)，這就要求動(dòng)力系統(tǒng)具有較高性能，其中發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力匹配至關(guān)重要，合理的匹配可以顯著提高整車動(dòng)力性[2]。

1 動(dòng)力性評(píng)價(jià)指標(biāo)

車輛的動(dòng)力性能主要取決于整車發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配。通常采用車輛動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及二者的綜合評(píng)價(jià)來評(píng)估動(dòng)力系統(tǒng)的匹配程度[3]。由于自卸車的運(yùn)行工況惡劣，其動(dòng)力性最為關(guān)鍵，所以本文只討論其動(dòng)力性能。

采用最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度來評(píng)價(jià)自卸車的動(dòng)力性，一般不考慮其加速性能。

最高車速可由發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速初步確定，即

式中：a max為最高車速；max為發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速；r為滾動(dòng)半徑；0為主減速比；g high為變速器最高擋傳動(dòng)比。

采用汽車加速時(shí)間來評(píng)價(jià)車輛的加速能力，即

式中：為加速時(shí)間；1為汽車加速的初速度；2為汽車加速的末速度；為汽車質(zhì)量；為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；t為汽車驅(qū)動(dòng)力；f為汽車滾動(dòng)阻力；w為空氣阻力。

汽車爬坡能力采用坡度的坡高與其水平距離之比（%）來表示，即

式中：為汽車所受重力；為坡度角；汽車的最大爬坡能力為c max，即采用1擋行駛時(shí)的爬坡能力。

2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 整車參數(shù)及性能要求

整車基本參數(shù)見表1。根據(jù)GB/T 35195—2017要求，自卸車滿載時(shí)最大車速不低于35 km/h，最大爬坡度不低于30%，性能要求見表2。

表1 整車參數(shù)

表2 整車性能要求

2.2 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)

當(dāng)汽車的最高車速越高、平均車速越高，則汽車動(dòng)力性越強(qiáng)，計(jì)算見式（5）。

式中：e max為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率；為重力加速度；a max取值為40 km/h。將表1中數(shù)據(jù)代入式（5）計(jì)算得

為滿足車輛行駛道路突然變壞或超載的可能，為自卸車動(dòng)力性增加12%左右功率冗余，則最大功率應(yīng)不低于405 kW，所選用的發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率為406 kW，滿足功率條件。

通過式（6）初步預(yù)估發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，即

式中：e max為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩；為轉(zhuǎn)矩適應(yīng)系數(shù)，取值為1.25；max為發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，對(duì)選用的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，測得其值為1 900 r/min。

將各數(shù)值代入式（6）計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩預(yù)估值。

用最小二乘法擬合所選用發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到其外特性曲線，如圖1、圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際最大轉(zhuǎn)矩為2 545 Nm，與式（6）計(jì)算得到的最大轉(zhuǎn)矩值相近，且滿足功率條件，因此所選用的發(fā)動(dòng)機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)功率-轉(zhuǎn)速外特性曲線

發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)見表3。

表3 所選用發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

2.2.2 傳動(dòng)系傳動(dòng)比參數(shù)設(shè)計(jì)

1）主減速器傳動(dòng)比

所選用的變速器最高擋傳動(dòng)比g high為0.61，則主減速比范圍見式（7）。

式中：取值為0.377～0.472。將各數(shù)值代入式（7）計(jì)算得

經(jīng)計(jì)算，0取值為16.09～20.14。

2）變速器1擋傳動(dòng)比

確定1擋傳動(dòng)比需要考慮兩個(gè)因素，即最大爬坡度和附著率。

為實(shí)現(xiàn)最大爬坡度為30%的設(shè)計(jì)目標(biāo)，1擋傳動(dòng)比計(jì)算見式（8）～（10）。

式中：max為道路阻力系數(shù)；max為道路的最大坡度角；g1a為滿足最大爬坡度30%所對(duì)應(yīng)的1擋傳動(dòng)比。

將各數(shù)值代入式（10）計(jì)算結(jié)果為5.23～6.54，即g1a大于6.54，并當(dāng)0取值為16.09～20.14時(shí)，汽車滿足最大爬坡度要求。

同時(shí)須滿足地面附著條件，使車輪不打滑，則1擋傳動(dòng)比計(jì)算見式（11）。

式中：g1b為滿足地面附著條件的1擋傳動(dòng)比；2為四個(gè)后驅(qū)動(dòng)輪總負(fù)荷，由于自卸車的后輪總負(fù)荷遠(yuǎn)大于前輪，設(shè)置后輪總負(fù)荷為汽車滿載質(zhì)量70%，即70%′a=70%′155 000 kg=108 500 kg。

將各數(shù)值代入式（11）計(jì)算結(jié)果為6.58～8.24，即g1b取值小于6.58，并當(dāng)0取值為16.09～20.14時(shí)，汽車滿足地面附著條件。

綜上，變速器1擋傳動(dòng)比須同時(shí)滿足最大爬坡度要求和地面附著條件。當(dāng)0取值為16.09，1擋傳動(dòng)比取值為6.54～8.24；當(dāng)0取值為20.14，1擋傳動(dòng)比取值為5.23～6.58；則1擋傳動(dòng)比取值6.54～6.58時(shí)，0取值為16.09～20.14，此時(shí)汽車滿足最大爬坡度要求和地面附著條件。為便于下一步比較主減速器傳動(dòng)比，設(shè)置1擋傳動(dòng)比為6.54～6.58。

3）變速器擋數(shù)與各擋傳動(dòng)比

所選用的變速器為8擋變速器，其1擋傳動(dòng)比為6.55，符合設(shè)計(jì)要求，其他各擋傳動(dòng)比見表4。

2.2.3 參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果

綜合上述各計(jì)算結(jié)果以及選用的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器參數(shù)，確定了傳動(dòng)系的參數(shù)取值，結(jié)果見表4。

表4 傳動(dòng)系參數(shù)

3 仿真建模

采用Cruise軟件構(gòu)建礦用自卸車整車模型，對(duì)整車動(dòng)力性進(jìn)行分析與評(píng)估。

將整車模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、變速箱模塊、車輪模塊等放入建模窗口，并建立各模塊間的機(jī)械連接、電氣連接以及信號(hào)連接，同時(shí)輸入對(duì)應(yīng)參數(shù)值和設(shè)置計(jì)算模式[4]。整車模型如圖3所示。

圖3 礦用自卸車整車模型

4 仿真結(jié)果

4.1 仿真試驗(yàn)

根據(jù)前文設(shè)計(jì)參數(shù)，選用1種發(fā)動(dòng)機(jī)模型、1種變速器模型、6種主減速器模型（A、B、C、D、E、F），共6種匹配方案，分別進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

仿真工況選用爬坡性能分析計(jì)算、穩(wěn)態(tài)行駛性能分析計(jì)算和最大牽引力計(jì)算共3種，分別對(duì)礦用自卸車的最大爬坡度、最大牽引力、穩(wěn)態(tài)行駛時(shí)最大車速進(jìn)行仿真，考慮自卸車工作道路坡度變化大，針對(duì)0%、6%、8%、10%、12%、14%共6種不同坡度的最大車速進(jìn)行計(jì)算，仿真結(jié)果見表5。

表5 不同動(dòng)力匹配的仿真結(jié)果

4.2 結(jié)果分析

表5中E、F方案的主減速比不滿足要求，0%坡度時(shí)，B、C、D方案的最大牽引力和最大爬坡度均大于A方案，即B、C、D方案的動(dòng)力性均強(qiáng)于A方案，由于動(dòng)力型與燃油經(jīng)濟(jì)性相互制約，則A方案的燃油經(jīng)濟(jì)性好于B、C、D方案；在坡度為8%和12%時(shí)，A方案的最高車速較B、C、D方案高，在這兩個(gè)坡度下其動(dòng)力性較強(qiáng)；在10%的坡度下，A方案最高車速與B、C、D方案相差不大。由于8%、10%和12%為礦區(qū)常見坡度，因此A方案在礦區(qū)工作環(huán)境下動(dòng)力性較強(qiáng)。

綜上所述，通過仿真計(jì)算得到的較優(yōu)動(dòng)力匹配方案為A方案，其最大爬坡度為31.77%，最高車速為42.05 km/h，滿足自卸車動(dòng)力性設(shè)計(jì)要求，并具有燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

通過Cruise軟件仿真計(jì)算礦用自卸車的各動(dòng)力匹配方案，提高了整車動(dòng)力匹配效率。

本文動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配過程對(duì)自卸車研發(fā)設(shè)計(jì)具有一定參考意義，但未對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行定量分析，這也是今后的研究內(nèi)容。

[1]孫博，胡順安，周俊，等. 國內(nèi)非公路礦用自卸車發(fā)展現(xiàn)狀研究[J]. 煤礦機(jī)械，2010，31（8）：15-16.

[2]趙金剛，劉金玉. 基于整車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的礦用自卸車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)研究[J].礦山機(jī)械，2015，43（7）：42-46.

[3]張攀. 非公路礦用自卸車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配研究[D].西安：長安大學(xué)，2013.

[4]朱彥云.純電動(dòng)城市物流車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與性能仿真[J].北京汽車，2017（4）：22-26.

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2023-JC-QN-0664）。

2022-09-28

1002-4581（2023）01-0005-04

U462.3+1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.01.002