重卡动力传动系统的匹配设计

冯 政

（中国重汽集团大同齿轮有限公司， 山西 大同 037005）

引言

随着现如今重卡运货量的增加和对经济效益的追求，对汽车动力性与燃油经济性的要求越来越高，而这些要求在很大程度上取决于动力系统参数的合理匹配，一个好的匹配的传动系统可以使发动机经常在其理想工作区附近工作，可有效减轻发动机磨损，减少燃油消耗，提高使用寿命。本文通过对重卡动力系统参数进行匹配计算分析，探索重型卡车动力传动系统匹配计算的通用方法。

1 汽车的动力传动装置概述

1.1 汽车传动系统简述

传动系统是与汽车发动机协同工作的，以保证汽车在不同的工况下正常行驶，并有良好的燃油经济性和动力性，具体见图1。

图1 汽车动力传动示意图

传动系统的布置方案通常为5种：发动机前置前轮驱动、前置后轮驱动、后置后轮驱动、中置后轮驱动和全轮驱动。通常重型卡车为发动机前置后轮驱动。

1.2 汽车的驱动力与行驶阻力

1.2.1 汽车的驱动力

汽车的驱动力即为驱动汽车的外力，由汽车发动机产生的转矩经传动系统传至驱动轮上，并在驱动轮上产生一对圆周力，此时地面对驱动轮产生反作用的外力，该外力为驱动汽车的动力故称为汽车的驱动力。其数值可用公式（1）来表达，即：式中：r为车轮半径；Ttq为发动机转矩；ig为变速器传动比；i0为主减速器传动比；ηT为传动系机械传动效率，取 0.85。

1.2.2 汽车的行驶阻力

汽车的总阻力表示为式为：

其中，对于重型卡车，空气阻力Ff可忽略不计，其他各阻力在动力性计算中相应的理论公式如下：

1）滚动阻力Fw=mgfcosα。式中f为滚动阻力系数，α为坡度角；m为卡车质量。

2）坡度阻力 Fi=mgsinα。

2 重型卡车动力参数的选择

发动机的动力参数指发动机的功率和传动系的传动比。

2.1 发动机功率的选择

重型卡车选择发动机时，根据重型卡车的最高车速确定应有的功率。因为最高车速越高，要求的发动机功率越大，汽车后备功率大，加速与爬坡能力必然较好。

选择发动机功率应约等于但不小于以最高车速行驶时行驶阻力功率之和，对于重型卡车，由于其最高车速及加速性要求都比较低，所以可忽略空气阻力，计算公式：

式中：m为汽车的质量；f为滚动阻力系数，一般取0.02；ηT为汽车传动系统的传动效率，取 0.82～0.85。当车速小于50 km/h时，f可取常数；当车速超过50km/h时，f则表示成车速ua的线性函数f=f0+kua。式中：f0表示滚动阻力系数中的常数项。uamax为汽车最高速度，即uamax=150 km/h。

最后结合重卡的使用用途即可得出发动机的应有功率，但是这样得出的发动机功率还不能完全满足重卡的使用，必须还得增加一部分储备功率，也就是要给发动机确定一定的负荷率，其范围一般在75%～90%之间，即可得出发动机的额定功率。

2.2 最小传动比的选择

传动系统总传动比是传动系统中各部件传动比的乘积[1]，即：

式中：i0为主减速器传动比；ic为分动器或副变速器的传动比。

假定变速器的最小传动比为1时，即直接挡。根据汽车功率平衡图2来讨论主减速器传动比，图中有水平路面行驶阻力功率曲线，并画了3种不同主减速器传动比情况下所确定的发动机功率。

首先先讨论最高车速uamax。先假设发动机功率曲线 1、2、3的最高点所对应的车速分别为 ua1、ua2、ua3，且 i1＜i2＜i3。当主传动比为 i2时，阻力功率曲线正好与发动机功率曲线2交在其最大功率点上。如把发动机最大功率时的车速称为ua2，则有uamax2=ua2。而装另外两种传动比的主减速器时的发动机功率曲线与阻力功率曲线的交点不在最高点处，且最高车速均小于uamax2。所以i0选择到汽车的最高车速相当于发动机最大功率点的车速时，此点车速为汽车的最高车速。

再讨论汽车的后备功率。当主传动比为i1时，发动机功率曲线1在曲线2的右方。uamax1＜uamax2，后备功率也比较小，即汽车的动力性比主传动比为i2时要差。不过发动机功率利用率较高，燃油经济性较好。当主传动比为i3时，发动机功率曲线3在曲线 2 的左方，此时 ua3＜uamax3，虽然 uamax3＜uamax2，但是汽车的后备功率却有较大的增加，即动力性加强，但燃油经济性较差。

图2 汽车功率平衡示意图

所以选定汽车的最小传动比的时候应根据车辆的使用条件来选定，对于重型卡车特别是矿上用车，应多注重汽车的动力性，即应选在与曲线3接近处，应有较大的后备功率。一般的重型卡车的主传动比在6～7之间，为分析方便将主减速器传动比i0定为6.72，即最小传动比。

2.3 最大传动比的选择

最大传动比在选择时，由于主减速器的传动比i0已经确定，故最大传动比的确定就是对变速器Ⅰ挡时传动比的确定。最大传动比的选择方法有三种。即：根据最大爬坡度确定变速器第I挡速比；根据驱动轮与路面的附着力确定第I挡速比；根据最低稳定车速确定第I挡速比。

该意见强调，发展海水淡化产业要重点做好以下几项工作：一是加强关键技术和装备研发，二是提高工程技术水平，三是培育海水淡化产业基地，四是组建海水淡化产业联盟，五是实施海水淡化示范工程，六是建设海水淡化示范城市，七是推动使用海水淡化水，八是完善海水淡化标准体系。

以上三种方法所得结果不相等时以最小值为最大传动比。

根据我国公路路线设计规范，预选定其爬坡度θ约为17°，发动机额定功率Pe为527 kW，额定功率下的转速为1 500 r/min。发动机输出额定转矩Ttqmax为3 355.2 N·m，额定扭矩时输出转速为1 500 r/min。可得：

式中：W为汽车重力做的功；i0为主减速器的传动比；θ为爬坡度。

3 变速器的设计

在变速箱设计中，不同类型的汽车具有不同的传动系挡位数，因为挡位数越多，增加发动机发挥最大功率附近高功率的机会，会提高发动机的加速与爬坡能力，并且还能增加发动机在低燃油消耗区工作的可能性，降低油耗。其中挡数的多少还影响到挡与挡之间的传动比值，比值过大会造成换挡困难，一般比值不宜大于1.7～1.8。因此最大传动比与最小传动比之比值越大，挡位数也应越多。大部分重型卡车上的变速器都采用6到十几挡，以适应复杂的使用条件，使汽车具有足够的动力性与良好的燃油经济性。

按主副箱分配形式确定分段式传动比。主箱传动比分配，令主箱ig5=1，取ig1=ig6=3.32。则为常数，也就是主箱传动比之间公比，q=

副箱传动比分配，低速挡if：

式中：S1为组合式变速器主箱各挡传动比的平均值。

if与q5计算所得数值相差不大，即副箱直接挡传动比为1。

各挡速比极差大小相近均小于1.8，换挡轻便，满足双中间轴变速器速比极差小的要求，见表1。

表1 速比极差

4 重型卡车的动力性分析

分析汽车的动力性，就是确定汽车沿行驶方向的运动情况。根据力的平衡关系可以得出一个平衡方程，即汽车的驱动力与行驶阻力的平衡方程（5）[2]。

式中：Ft为驱动力；∑F为行驶阻力之和。

方程建立以后即可估算出汽车的最高速度、加速度和最大爬坡度，见表2。

表2 发动机的参数

汽车行驶时,发动机功率和汽车行驶时的阻力功率也是相互平衡的,即在汽车行驶的每一瞬间,发动机发出的功率始终等于机械传动和全部运动阻力功率。

从以上的分析可以简单地得出评价汽车动力性指标的结果，即汽车的最高速度、最大爬坡度和最大加速度。在进行汽车的动力性计算时，先做如下分析。根据汽车的行驶特性方程可得式（6）[3]，即

式中：AD为汽车迎风面积；CD为风阻系数为加速阻力；f为滚动阻力系数；α为爬坡角；rd为车轮滚动半径；η为传动效率；μ为车速；n为转速。a、b、c为待定系数，可由下式得出，即：

式中：Ttqmax为最大输出扭矩；Tp为最大输出功率；nt为最大输出转速时的扭矩；np为最大输出功率时的转速。

δ为汽车旋转质量换算系数，δ＞1。根据公式（7）估算δ值。

把式（8）代入式（6）整理得式（9），即：

公式（9）可以反应汽车在克服外界其他阻力之后所具有的加速能力，可用来计算出评价车辆的动力性指标。

1）汽车的最高速度uamax=150 km/h，在实际汽车行驶过程中，最高车速低于150 km/h。

2）汽车的最大爬坡度imax。汽车的最大爬坡度一般都是在最低挡稳定车速时来进行测定的。为了简化，设 f=f0，则公式（6）可变成：

两边再分别以u为自变量求导，得：

当f0=0时，sinα=E。但事实滚动阻力总是存在的，并且滚动阻力系数愈大，汽车爬坡能力愈小。以此对上式中取负号可得汽车的最大爬坡角。即：

又因f0远小于1，1+f02≈1，上式可简化成：

经计算得最大爬坡度约为21°，即符合设计的要求。

3）最大加速度 jmax。运用公式（12）[4]并结合以上计算结果，可得

5 结语

随着现如今高速公路和经济快速发展，中国重卡市场需求量已居世界之首，而重卡动力性与燃油经济性的好坏，在很大程度上取决于发动机的性能和传动系统参数的选择。本文通过对重型卡车高速和多载需求情况的了解，确定卡车的空载质量、额定载荷和最高车速，完成发动机功率、各挡传动比的计算，设计出了重型卡车动力系统的匹配方法，该匹配能有效的满足重卡车辆作业的高效率、低成本、安全无损，寿命加长，实现了重卡的经济与多载并存，提升了市场竞争力。

（编辑：赵婧）