王梁清，張育維

摘? 要：本文以一款經(jīng)濟(jì)型商用牽引車動力不足優(yōu)化開發(fā)為例，應(yīng)用AVL cruise及matlab 編程工具，深度分析了優(yōu)化車型的動力性表現(xiàn)，并結(jié)合國內(nèi)牽引車的使用工況和客戶需求，并同步分析經(jīng)濟(jì)性水平、客戶價值，最終找到動力匹配優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞： 優(yōu)化;工況;牽引車;動力不足;仿真分析

中圖分類號：U462.3+? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(nèi)商用車市場尤其是牽引車市場的快速發(fā)展，牽引車的保有量不斷攀升，運(yùn)輸效率逐漸成為商用車領(lǐng)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(yǎng)維護(hù)效率、可靠性。而車輛動力性是影響速度效率的關(guān)鍵因素之一，圍繞著汽車動力性提升商用車企業(yè)主要采取了以下措施：

1）匹配更大扭矩，更大功率的發(fā)動機(jī)：直接決定了整車動力性的最大能力。

2）提升發(fā)動機(jī)的扭矩響應(yīng)：使車輛響應(yīng)更加靈敏，提升城市工況和山區(qū)工況的加速能力。

3）調(diào)整傳動系統(tǒng)速比：匹配合適的速比，充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)的功率和扭矩輸出。

4）減少行駛阻力：降低風(fēng)阻、滾阻，在提升燃油經(jīng)濟(jì)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(tǒng)，可以提升下坡安全車速，進(jìn)一步提升車輛效率。

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

7）其他新技術(shù)。

1.2? ?本文研究的主要內(nèi)容

在產(chǎn)品開發(fā)過程中，存在發(fā)動機(jī)扭矩不足，或需要考慮經(jīng)濟(jì)成本等因素采用小功率發(fā)動機(jī)，匹配不當(dāng)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(yōu)化和評價車輛的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性。本文通過工況和客戶需求、成本等綜合因素整體優(yōu)化和評估方案。

通過運(yùn)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(nèi)某款牽引車動力不足改善開發(fā)為例，優(yōu)化傳動速比匹配達(dá)到用戶的動力需求水平，（充分考慮在優(yōu)化過程中的因素，比如，全方位考慮對動力性，燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，并進(jìn)行評估）并對車輛燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估。通過本課題的研究，學(xué)習(xí)掌握商用汽車動力性燃料經(jīng)濟(jì)性仿真計算方法，為以后工作當(dāng)中的應(yīng)用和自主知識產(chǎn)權(quán)的汽車整車性能仿真計算和分析軟件研究提出指導(dǎo)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(jīng)濟(jì)性一定要結(jié)合實(shí)際的路況和用戶需求來考慮，可以將中國的牽引車運(yùn)輸分為東西方向、南北方向散雜貨運(yùn)輸。兩者又有顯著的特點(diǎn)，東西向運(yùn)輸經(jīng)過高原，山區(qū)，所以對車輛的綜合性能要求較高，而南北向運(yùn)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(jīng)濟(jì)性。隨著國家法規(guī)執(zhí)行越來越嚴(yán)格，總重滿載49t。根據(jù)用戶的需求可將常用車速分為60～90km/h或70～95km/h。最后根據(jù)大量的數(shù)據(jù)采集整理出以下的工況特點(diǎn)：

2.2? ?工況條件

本文選取國內(nèi)一條典型運(yùn)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(shè)計應(yīng)匹配應(yīng)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(yōu)化分析

3.1? ?計算條件

在前一章節(jié)中道路工況下，需要針對低功率發(fā)動，優(yōu)化動力匹配，滿足客戶的動力需求。表1為標(biāo)桿車型及問題車型配置說明：

發(fā)動機(jī)外特性如圖3，具體參數(shù)本文不再列出。

其他車輛參數(shù)如表2：

根據(jù)以上參數(shù)通過AVL cruise軟件進(jìn)行建模，并分析計算，如圖4：

3.2? ? 現(xiàn)狀分析

通過AVL_cruise軟件的Climbing Performance任務(wù)計算標(biāo)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(yīng)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(dǎo)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(fā)動機(jī)扭矩1800Nm，相對E1發(fā)動機(jī)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(yōu)化分析

考慮該車型為低成本經(jīng)濟(jì)型車型，無法更換更大動力的發(fā)動機(jī)，所以通過增大后橋速比提高動力性。經(jīng)過匹配計算和驅(qū)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(yōu)化車型V2計算校核為例進(jìn)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(dá)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(yīng)能力，減少換檔，提高行駛效率。對比標(biāo)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(jìn)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(biāo)桿車V0、問題車V1、優(yōu)化車V2最高擋爬坡度計算結(jié)果，表5為具體的計算數(shù)據(jù)。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(qū)（90km/h以上），動力不及標(biāo)桿車型V0，但是該區(qū)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(yīng)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(xiàn)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(jìn)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(shù)按照表2設(shè)定。

（2）做出各擋發(fā)動機(jī)輸出功率圖

將發(fā)動機(jī)外特性數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)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(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)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(diǎn)即為在該車速、坡度、擋位下功率的情況，各參數(shù)之間也可相互對應(yīng)。

計算結(jié)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(yōu)化車型V2比標(biāo)桿車型V0差約6%。但商用車行駛以平穩(wěn)勻速行駛為主，若猛踩油門或超高轉(zhuǎn)速獲得最大動力輸出會導(dǎo)致油耗上升明顯，所以在不經(jīng)常出現(xiàn)的極限駕駛狀態(tài)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(xiàn)）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(fā)動機(jī)外特性圖下做具體校核：

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

（2）使用plot命令疊加到發(fā)動機(jī)外特性中即可得到如圖8計算結(jié)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(yōu)化后的V2兩者后備扭矩相當(dāng)（途中藍(lán)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(yīng)對坡道變化能力相當(dāng)。

（2）隨著車速繼續(xù)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(dǎo)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(jīng)濟(jì)性分析：

動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性是不可分割互相影響的 ，在優(yōu)化動力的同時，務(wù)必要考慮燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。而等速油耗不能反應(yīng)實(shí)際道路變化的情況誤差較大，故本文采用工況循環(huán)油耗進(jìn)行評估。

通過AVL cruise軟件cycle run任務(wù)，將該路線路譜、坡度信息導(dǎo)入并進(jìn)行計算分析如圖9，得出計算結(jié)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(dǎo)致常用發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)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(jié)約1.5小時的時間。按照平均每月10趟往返的運(yùn)輸時效要求，平均每月可節(jié)約20小時，相當(dāng)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(jìn)一步減少換擋，減少動力中斷，特別在丘陵、山區(qū)工況對經(jīng)濟(jì)性也是有益的。綜上，從客戶價值和體驗(yàn)的角度，動力提升帶來的收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油耗略微上升。

4? ? 結(jié)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(jīng)濟(jì)性，多角度分析和研究“優(yōu)化速比提升動力性”的方案，并結(jié)合客戶價值和場景提出分析利弊，結(jié)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(shí)現(xiàn)各擋位具有相當(dāng)?shù)呐榔露?，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(jù)公路運(yùn)輸客戶的調(diào)查與采樣，最高車速達(dá)到100km/h以上即可滿足用戶需求;

（3）對于燃油經(jīng)濟(jì)性因?yàn)樗俦仍龃螅瑢?dǎo)致常用發(fā)動機(jī)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(yùn)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(fā)動機(jī)動力不變的前提下做的最優(yōu)方案。所以，如果要滿足干線運(yùn)輸大企業(yè)的高時效運(yùn)輸需求，仍需要把發(fā)動機(jī)扭矩提升和匹配小速比作為車輛動力傳動技術(shù)的主要路線，可以進(jìn)一步提高動力性、燃油經(jīng)濟(jì)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(yè)于湖北汽車工業(yè)學(xué)院車輛工程專業(yè)，本科學(xué)歷，現(xiàn)就讀于同濟(jì)大學(xué)研究生并任職泛亞汽車技術(shù)中心，先后從事零件開發(fā)，工程質(zhì)量，項目管理等崗位工作。