基于公交循环工况的LCK6105HGN动力系统匹配研究

张　红，郑泽亮（中通客车控股股份有限公司，山东 聊城　252000）

基于公交循环工况的LCK6105HGN动力系统匹配研究

张红，郑泽亮
（中通客车控股股份有限公司，山东 聊城252000）

动力系统匹配好坏直接关系到整车的动力性、经济性，并且与行驶路况密切相关。本文根据实测的公交路谱，运用相关理论和统计分析软件建立城市客车行驶循环工况，并基于该循环工况，利用Cruise软件进行动力系统匹配计算。

动力系统；匹配计算；城市客车；循环工况

动力传动系统匹配是整车设计开发过程中的重要环节，对提高整车性能至关重要。整车动力传动系统中影响整车动力性和经济性的主要部件包括发动机、变速器、后桥和轮胎等。动力系统匹配的好坏，对整车的动力性和经济性影响较大；整车的经济性和行驶的工况有很大关系，城市客车运行工况复杂多变，且不同运行路线的工况差别较大。为了更好地进行整车动力传动系统匹配，选取济南S路公交运营路线，采集该公交路线路谱，并构建S路城市客车循环行驶工况，利用Cruise软件，建立LCK6105HGN整车的仿真计算模型，并基于构建的循环工况进行动力传动系统优化匹配。

1　路谱采集及循环工况的构建

1.1路谱采集

试验设备：客车、计时器、卷尺、各种传感器、汽车综合性能测试仪、GPS测速仪、流量计、笔记本电脑等。

试验地点：本次选择路线为济南S路公交路线。该路段单程长度约20 km，单程运行时间50～60 min。S路线从重汽中心站到小岭村站基本为市区行驶路线，从兴隆二村站到侯家庄村委会站是盘山路线，道路狭窄，道路通行能力非常差，坡度大。

试验数据：试验数据可从DEVESoft软件直接读取，软件监测试验里程18 468.2 m。统计红绿灯数6个，平均停车次数32次，去程运行时间53 min 30 s，乘客量41人；回程运行时间46 min 52 s，乘客量39人。

为了保证测得的试验数据能够准确地反映车流高峰期、非高峰期、工作日、非工作日各时段的运行情况，从总体上反映试验车辆运行情况，并真实反映该公交路线交通行驶特征，在S路公交路线上，选取了不同的时间段多次采集数据。

1.2构建循环工况

将通过道路试验采集的试验数据进行汇总、处理，提取采集数据的行驶工况特征值，主要包括平均车速、最高车速、速度标准差、平均加速度［1-3］。选取一定步长的循环工况，提取相同的行驶工况特征值，选择相关性最好的一组数据作为该公交线路的循环行驶工况［4-7］。按照上述方法，提取的循环工况如图1所示。

图1　S路循环工况（速度-时间曲线）

2　LCK6105HGN动力系统匹配

针对城市客车的运行特点，LCK6105HGN底盘主要配置为发动机可选YC6G230N-50、WP7NG240E51、WP6NG210E50三种，发动机主要参数如表1所示。后桥速比可选5.13、4.88两种，变速器为QJ805，轮胎为275/70R22.5。此车型有以下几种匹配方案，如表2所示。

表1　发动机主要参数

表2　LCK6105HGN匹配方案

2.1模型搭建

LCK6105HGN整车布置形式为发动机后置，后轮驱动，利用Crusie软件建立整车模型，并输入整车外形尺寸、发动机、离合器、变速器、主减速器、差速器、车轮等相关参数，搭建好的整车模型如图2所示。

图2　LCK6105HGN整车模型

2.2仿真结果及分析

2.2.1经济性分析

评价汽车的燃油经济性指标主要有循环工况百公里燃料消耗和等速百公里燃料消耗。

1）循环工况百公里燃料消耗。利用Crusie软件中Cyle Run计算任务仿真S路公交循环工况及文献［8］中规定的C_WTVC市区循环工况燃料消耗［8-9］。6种方案的C-WTVC市区循环和S路公交循环工况仿真结果如表3所示，S路公交循环工况发动机运行工况点的分布如图3～图5所示。图中最上面的线为扭矩线，最下面的线为反拖扭矩线，中间圆圈周边数字代表发动机工作点的百分比分布，圆圈里的数字表示匹配方案号。

表3　循环工况百公里燃料消耗　kg/100 km

图3　方案①、方案②发动机运行工况点分布

图4　方案③、方案④发动机运行工况点分布

图5　方案⑤、方案⑥发动机运行工况点分布

图3为方案①、方案②，即发动机YC6G230N-50匹配两种后桥速比，运行在S路公交循环工况上发动机运行的工况点分布。从图可知：方案①（圆圈中标1区域）发动机运行工况点基本分布在经济区域；方案②（圆圈中标2区域）发动机工况点向右移动，向经济区域偏离。

图4为方案③、方案④，即发动机WP7NG270E51匹配两种后桥速比，运行在S路公交循环工况上发动机运行的工况点分布。从厂家提供的数据可知，WP7NG240E51经济运行区域为转速1 100～1 400 r/min。从图中可知：方案③（圆圈中标3的区域）发动机运行工况点基本分布在经济区域；方案④（圆圈中标4的区域）发动机运行工况点主要分布在转速1 400～1 600 r/min，偏离经济区域。

图5为方案⑤、方案⑥，即发动机WP6NG210E50匹配两种后桥速比，运行在S路循环工况上发动机运行的工况点分布。从厂家提供数据可知，WP6NG210E50经济运行区域为转速1 200～1 400 r/min。从图中可知：方案⑤（圆圈中标5的区域）发动机运行工况点基本分布在经济区域；方案⑥（圆圈中标6的区域）发动机运行工况点主要分布在转速1 300～1 800 r/min，偏离经济区域。

2）等速百公里燃料消耗。6种方案，4档、5档30～80 km/h等速百公里燃料消耗如表4所示。

表4　百公里燃料消耗　kg/100 km

由表4中方案①对比方案②，方案③对比方案④，方案⑤对比方案⑥燃料消耗可知，方案①、方案③、方案⑤各档等速百公里燃料消耗比方案②、方案④、方案⑥少。

通过以上经济性分析可知：方案①、方案③、方案⑤，运行在S路公交路线上，燃料发动机经济性相对较好。

2.2.2动力性分析

汽车的动力性评价指标主要有最高车速、最大爬坡度及加速时间［10］。发动机功率曲线与阻力曲线相交点对应的车速即是在良好水平路面上汽车的最高车速［10］。

利用Cruise软件仿真得到方案①-方案⑥对应功率平衡曲线如图6所示，爬坡度曲线如图7所示，最高车速及最大爬坡度数值如表5所示。

图6　方案①-方案⑥功率平衡曲线

图7　方案①-方案⑥爬坡度曲线

表5　各方案最高车速/最大爬坡度值

从现场调研的数据可知，在坡度最大的路段上，整车行进600 m的距离，海拔上升24.88 m，选取该坡度段分析超车加速性能。仿真整车在水平道路及该坡度路段上行驶，各方案对应的30 km/h超车加速时间如表6所示。

表6　超车加速时间s

以方案②为例，在水平道路上行驶和坡度路段上行驶，30 km/h超车加速性所对应的曲线如图8所示。从图中可知：在坡度路段30 km/h超车加速，开始时，速度上升慢，49s后速度上升快。这是由于在坡度路段上30km/h超车加速初始，发动机输出的动力一部分用于爬坡，一部分用于加速，当加速到49 s左右时，运行的距离为600 m左右，车辆爬上了该坡度，此后的动力主要用于加速。

图8　超车加速曲线

2.3确定最优匹配方案

优化目标函数是决定整个优化结果最重要的参数，优化目标函数选择的好坏直接影响到整个优化的结果是否合理。为了全面考虑整车动力性、经济性，采取线性加权组合的方法将其转换为单一目标函数进行对比分析。进行评价的优化目标函数采用综合性能因数P的表达式［11-12］：

式中：αd为动力性权系数，λd为动力性影响因子，αe为经济性权系数，λe为经济性影响因子。

权系数决定了整车动力性和燃油经济性所占的权重。一般来说，在匹配过程中，燃油经济性要比动力性更加重要一些，所以选择的动力性权系数要小于燃油经济性的权系数。本文选择动力性权系数αd=0.4，燃油经济性权系数αe=0.6。

由于动力性和燃油经济性的评价指标不同，单位和数量级也都不一样，如果通过权系数简单地把它们进行叠加来进行优化计算，评价指标不尽合理，很难综合评价汽车的总体性能。因此引入动力性影响因子λd和燃油经济性影响因子λe，来消除其他因素对整体评价的影响。

假设汽车在现有的匹配方案中，上文提到的理想的坡度路超车加速时间（30～60 km/h）为ti，而具体的各配置方案坡度上超车加速时间（30～60 km/h）为tf，则所建立的汽车动力性影响因子λd的表达式为

假设汽车在现有的匹配方案中，S路公交循环工况下，理想的燃油经济性的油耗为Qi，而具体各匹配方案S路公交循环工况百公里油耗为Qf，则所建立的燃油经济性影响因子λe的表达式为

表7　综合性能因数

由表7可知，各组合的综合性能因数最高为0.93，即匹配方案①综合性能最高。最终选择哪种方案，可根据客户需求、整车的成本并结合表7计算的综合性能因子而定。

3　结束语

根据实测路线路谱构建工况进行整车的动力系统匹配，对整车厂进行动力传动系统匹配研究具有重要的意义，对于一些运行工况复杂的公交路线，整车厂可以提前进行路谱采集，根据采集的路谱定制该公交路线的动力传动系统匹配方案。

［1］杜爱民，步曦，陈礼璠，等.上海市公交车行驶工况的调查和研究［J］.同济大学学报，2006（7）：943-946.

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修改稿日期：2016-04-19

Research on Matching of LCK6105HGN Powertrain System Based on Bus Driving Cycle

ZhangHong，ZhengZeliang
（ZhongtongBus HoldingCo.，Ltd，Liaocheng252000，China）

The matchingofpowertrain systemis directlyrelated tothe vehicle's power and economy，and alsoclosely related to the driving road conditions.According to the measured bus road spectrum，the authors establish the bus driving cycle by using the relevant theory and statistical analysis software，and match and calculate the powertrain systemwith Cruise software based on this cycle condition.

powertrain system；match and calculation；citybus；cycle condition

U461.2

A

1006-3331（2016）04-0004-05

张红（1986-），女，硕士；助理工程师；主要从事客车发动机周边布置设计及动力匹配研究工作。