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      基于重型商用車傳動系統(tǒng)效率的換擋策略研究*

      2021-11-06 08:47:18劉剛呂文芝朱江蘇周海磊
      汽車工程師 2021年10期
      關(guān)鍵詞:消耗率擋位傳動系統(tǒng)

      劉剛 呂文芝 朱江蘇 周海磊

      (1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室;2.濰柴動力股份有限公司發(fā)動機研究院)

      隨著人們對汽車舒適性的要求越來越高,相比于傳統(tǒng)的手動變速箱,綜合性能更優(yōu)越的自動變速箱越來越受到消費者的青睞。特別是近些年來,自動變速箱已經(jīng)能夠更好地兼顧操控性以及節(jié)能環(huán)保等因素,使其在國內(nèi)外的汽車中占有越來越大的裝備比例[1]。但節(jié)能降耗的目標(biāo)是永恒的,這就需要將汽車的各部件最大程度地運行在各自的最佳經(jīng)濟區(qū)內(nèi)。本文利用五軸動力總成試驗臺對發(fā)動機、變速箱及驅(qū)動橋構(gòu)成的動力總成系統(tǒng)性能進(jìn)行試驗研究,根據(jù)發(fā)動機燃油消耗率萬有特性和傳動系統(tǒng)效率,得到基于整車燃油消耗率的特性曲線,通過控制AMT自動變速箱換擋性能,使發(fā)動機運行在整車效率的最優(yōu)區(qū)域。

      1 現(xiàn)有技術(shù)分析

      由于重型商用車通常都是在滿載情況下行駛,作為長途運輸車輛,其燃油經(jīng)濟性也是此類產(chǎn)品追求的主要目標(biāo)。最佳燃油經(jīng)濟性換擋規(guī)律就是使自動變速箱能夠以最經(jīng)濟的換擋點進(jìn)行換擋操作,以達(dá)到降低燃油消耗的目的[2-4]。

      目前,自動變速箱上應(yīng)用的最佳燃油經(jīng)濟性換擋規(guī)律,包括2參數(shù)最佳燃油經(jīng)濟性換擋和動態(tài)3參數(shù)最佳燃油經(jīng)濟性換擋[5-7],主要是根據(jù)車速、油門及加速度進(jìn)行換擋操作的,都是僅通過使工況點落在發(fā)動機的最佳經(jīng)濟區(qū),卻沒有考慮變速箱、驅(qū)動橋和傳動軸等組成的傳動系統(tǒng)的傳動效率。也就是說,現(xiàn)有技術(shù)中基本沒有考慮整車的傳動系統(tǒng)損失,或者即使有考慮傳動效率也只是采用常數(shù)值代替,更沒有考慮不同擋位、不同工況對傳動系統(tǒng)效率的影響。

      實際上,變速箱、驅(qū)動橋和傳動軸組成的傳動系統(tǒng)的能量損失還是不小的[8-11],而且隨著工況的變化有很大的不同。由此在五軸動力總成臺架上進(jìn)行了傳動系統(tǒng)能量損失試驗研究。某型號變速箱和驅(qū)動橋的能量損失情況如圖1所示。

      圖1 某型號變速箱、驅(qū)動橋能量損失曲線

      從圖中可以看出,傳動系統(tǒng)的能量損失隨轉(zhuǎn)速升高呈單調(diào)遞增趨勢,從2~11 kW遞增,驅(qū)動橋的能量損失相對占比大,而且隨著轉(zhuǎn)速的升高,驅(qū)動橋的損失占比更大。

      而整車的實際運行工況更為復(fù)雜,由此產(chǎn)生的傳動系統(tǒng)能量損失也是不小的,從而導(dǎo)致了整車燃油經(jīng)濟性區(qū)域與單純發(fā)動機燃油經(jīng)濟性區(qū)域的差異,而在現(xiàn)有的換擋控制策略下,根本沒有考慮這部分的性能特性,使得車輛實際運行工況點偏離了實際的整車燃油消耗率的最佳區(qū)域。

      2 改進(jìn)的技術(shù)方案

      2.1 傳動系統(tǒng)效率特性研究

      在動力總成試驗臺架上進(jìn)行了傳動系統(tǒng)的各擋位傳動效率試驗研究。試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

      圖2 動力總成試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖

      研究對象選取市場上應(yīng)用較多的牽引車和自卸車2種車型的主流傳動系統(tǒng)配置,具體參數(shù)為:1)牽引車:變速箱型號為12TA;變速箱各擋傳動比分別為:12.1、9.41、7.31、5.71、4.46、3.48、2.71、2.11、1.64、1.28、1、0.78;驅(qū)動橋傳動比為3.7。2)自卸車:變速箱型號為12T;變速箱各擋傳動比分別為:15.53、12.08、9.39、7.33、5.73、4.46、3.48、2.71、2.1、1.64、1.28、1;驅(qū) 動 橋 傳 動 比 為5.73。

      試驗時,將變速箱和驅(qū)動橋潤滑油溫度設(shè)定在(80±5)℃,這也是實際車輛在25℃環(huán)境溫度下長期運行時,潤滑油的穩(wěn)定溫度值,液位為正常水平,控制輸入測功機的轉(zhuǎn)速和扭矩,測量各擋位下的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速,從而得到傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速-扭矩-傳動效率的萬有特性曲線。

      某牽引車與自卸車配置傳動系統(tǒng)效率曲線如圖3、圖4所示??傮w來看,在不同工況下,傳動效率還是有明顯的差別。

      從圖3可以看出,1~7擋,各工況點傳動效率變化平穩(wěn),所有工況點傳動效率均處于較高水平,為92.7%~96.5%,最大差值為2.83%,出現(xiàn)在6擋。8~12擋,各工況點傳動效率變化較大,最大差值為14.63%,出現(xiàn)在12擋,且隨著擋位的升高,差值越來越大。根據(jù)牽引車的常用工況區(qū),轉(zhuǎn)速為950~1 300 r/min,扭矩為1 000~1 400 N·m,傳動系統(tǒng)效率在90.3%~95.9%。

      圖3 某牽引車配置傳動系統(tǒng)效率曲線

      同理分析圖4自卸車配置傳動系統(tǒng)效率,1~9擋,各工況點傳動效率變化平穩(wěn),所有工況點均處于較高水平,為91.9%~95.6%,最大差值為2.2%,出現(xiàn)在9擋。10~12擋,各工況點傳動效率變化較大,最大差值為9.5%,出現(xiàn)在12擋,且隨著擋位的升高,差值越來越大。根據(jù)自卸車的常用工況區(qū),中高轉(zhuǎn)速,中高扭矩,傳動系統(tǒng)效率在92.1%~95.6%。

      圖4 某自卸車配置傳動系統(tǒng)效率曲線

      為了更直觀地理解各擋位的傳動效率差異,將每個擋位的效率最大值和最小值分別列出分析,如圖5、圖6所示??傮w來看,隨著擋位的升高,最大值呈遞增趨勢,而最小值在中間某個擋位出現(xiàn)拐點,且最高擋位的差值最大。

      圖5 牽引車配置各擋傳動效率極值圖

      圖6 自卸車配置各擋傳動效率極值圖

      綜上分析,各擋位的傳動效率在不同工況下存在一定差值,根據(jù)以往的經(jīng)驗,傳動效率相差1%,100 km油耗差值在0.13~0.3 L。因此,合理地應(yīng)用好這種差異對整車燃油消耗率的提升有很大幫助。

      2.2 整車燃油消耗率研究

      結(jié)合上述分析,整車燃油消耗率,即在發(fā)動機燃油消耗率萬有特性的基礎(chǔ)上,綜合考慮變速箱不同擋位效率以及驅(qū)動橋傳動效率,將發(fā)動機燃油消耗率去掉傳動系統(tǒng)損失的效率,得到整車燃油消耗率萬有曲線[12-13]。

      圖7示出在某一擋位下,整車燃油消耗率萬有特性曲線與發(fā)動機燃油消耗率萬有特性曲線的對比圖。由于變速箱在不同擋位時傳動效率不同,不同擋位的整車燃油消耗率也有差異,理論上每一擋位都應(yīng)有對應(yīng)的整車燃油消耗率曲線。

      圖7 某發(fā)動機燃油消耗率曲線與整車燃油消耗率曲線對比圖

      為達(dá)到整車運行效率最佳,即經(jīng)濟性最優(yōu),整車運行的工況點應(yīng)最大限度地保證在燃油消耗率最佳區(qū)域范圍內(nèi)。因此,換擋時機應(yīng)該綜合考慮發(fā)動機燃油消耗率、不同擋位變速箱效率以及驅(qū)動橋效率,從而實現(xiàn)整車最佳燃油經(jīng)濟性換擋控制。

      2.3 換擋策略研究

      該研究通過輸入發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油門開度、擋位等信號,控制器查詢整車燃油消耗率數(shù)據(jù),計算得到最佳換擋轉(zhuǎn)速。具體換擋算法如圖8所示。

      圖8 升擋、降擋曲線求取圖

      以同一油門下相鄰2擋燃油消耗率曲線的交點為換擋點,具體實施步驟如下:1)根據(jù)當(dāng)前擋位與下一擋位傳動系統(tǒng)效率,由發(fā)動機燃油消耗率和傳動系統(tǒng)效率,計算得到當(dāng)前擋位與下一擋位的整車燃油消耗率。2)利用插值計算得到同一油門開度下相鄰2擋的燃油消耗率曲線。3)當(dāng)前擋位與下一擋位的燃油消耗率的交點即為升擋點。4)將所求得的換擋點擬合成油門-車速的關(guān)系曲線,即為當(dāng)前擋位與下一擋位之間的最佳效率換擋規(guī)律曲線。5)同樣道理,可求得其它擋位間的換擋規(guī)律。6)為避免換擋循環(huán),得到升擋曲線后,給出一定的降擋速差,就可以求出降擋曲線。

      3 試驗驗證

      為了直觀地體現(xiàn)該策略對整車燃油經(jīng)濟性的效果,利用重型轉(zhuǎn)轂臺架進(jìn)行了牽引車型的試驗驗證分析。

      3.1 試驗條件

      3.1.1 測試設(shè)備

      轉(zhuǎn)轂使用Truck-CD-2.5-48"-4×4,油耗儀使用AVL-735。

      3.1.2 測試車型

      測試車型為牽引車,最大設(shè)計總質(zhì)量為49 000 kg。模擬載荷為滿載。行駛阻力按照文獻(xiàn)[14]中的規(guī)定測量得到。

      3.1.3 轉(zhuǎn)轂試驗

      采用CWTVC和CHTC 2種試驗方法進(jìn)行,CWTVC試驗方法按照文獻(xiàn)[14]要求進(jìn)行,CHTC試驗按照文獻(xiàn)[15]要求進(jìn)行,CWTVC數(shù)據(jù)處理方法按照文獻(xiàn)[14]要求加權(quán)計算,CHTC沒有規(guī)定數(shù)據(jù)處理方法,由于是對比分析,只要方法相同即可,故該CHTC試驗中用總油耗比總里程的方法得到結(jié)果。

      3.2 試驗結(jié)果分析

      1)試驗方法:CWTVC,原始油耗:39.1 L/100 km,優(yōu)化后油耗:38.7 L/100 km,優(yōu)化效果:1.02%。

      2)試驗方法:CHTC-TT,原始油耗:40.6 L/100 km,優(yōu)化后油耗:39.6 L/100 km,優(yōu)化效果:2.46%。

      4 結(jié)論

      本文通過對傳動系統(tǒng)效率萬有特性和整車燃油消耗率的深入分析,對變速箱換擋策略提出了新的影響因素??紤]到傳動系統(tǒng)效率隨轉(zhuǎn)速、扭矩變化而產(chǎn)生的差異,得到傳動系統(tǒng)效率萬有特性,繼而得到不同擋位的整車燃油消耗率特性。通過發(fā)動機和傳動系統(tǒng)性能的優(yōu)化匹配,使得發(fā)動機的最佳經(jīng)濟區(qū)與傳動系統(tǒng)的最佳效率區(qū)最大程度的重合,從而使得整車能夠最大限度的在最佳經(jīng)濟區(qū)域運行。

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