基于用户实际工况的商用车动力传动系统匹配研究

李朝乐 宋小宁 孟拓 张一超

摘  要：本文的研究主要是根据市场细分原则，目标车型的需要，用Matlab语言编制仿真计算程序计算功率需求，并利用Cruise软件对结合综合工况下的整车动力性、燃油经济性进行仿真分析，考虑用户的实际驾驶习惯，最终选择出满足市场需求的动力传动系统总成参数，使整车的动力性、经济性、加速性能都达到最优，达成预期性能指标，为相关产品开发提供了理论依据和匹配方法。

关键词：市场需求;用户习惯;动力传动系统匹配

中图分类号：U463.2     文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2020）01-0022-07

Research on matching of Power Transmission system of Commercial vehicle based on actual working condition of use

LI Chao-le， SONG Xiao-ning， MENG Tuo， ZHANG Yi-chao

（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL， Wuhan 430056， China ）

Abstract： The research of this paper is mainly based on the market segmentation principle and the needs of the target vehicle type， using MATLAB language to compile simulation calculation program to calculate the power demand， and using cruise software to simulate and analyze the vehicle dynamic performance and fuel economy under the comprehensive working condition， considering the actual driving habits of users， finally selecting the powertrain assembly parameters to meet the market demand， so as to make the whole The vehicle's power， economy and acceleration performance are all optimal， and the expected performance index is achieved， which provides theoretical basis and matching method for related product development.

1    概述

1.1   商用车动力传动系统匹配研究的背景

随着我国现代化进程的不断深入，我国整体的能源需求和环境压力也持续增加。而汽车产业既是化石能源消耗的“大户”，也是环境污染的重要来源之一，数据显示，道路交通部门CO2排放目前占我国总体排放的7%以上。另据中国石油企业协会、中国油气产业发展研究中心联合发布的《2017中国油气产业发展分析与展望报告蓝皮书》显示，2016年中国原油对外依存度升至65.4%，远超世界公认50%的安全线，而汽车产业消耗已经占到我国石油消耗总量的1/3左右。因此，持续降低汽车产品能源消耗，不仅是能源效率问题，更是能源安全問题。

1.2   商用车客户价值分析

客户价值分为增加客户收入和减少客户支出两大类，如：整车自重为增加客户收入类，用户可以通过增加货物装载量增加收入，整车经济性为减少客户支出类，用户可以节油燃油消耗减少支出。以年行驶里程25万公里的一款商用车为例，整车自重降低100kg，可带来4000元/年的客户收益增加，百公里燃油消耗降低1L，用户年支出减少14500元（燃油价格按照5.8元/L计算），因此，降低整车燃油消耗是提升客户价值的一个非常有效的手段。

1.3   商用车动力性、经济性提升的主要措施

目前整车动力性和燃油经济性提升主要措施有：

（1）行驶阻力：主要是通过改进驾驶室造型，改善驾驶室结构、增加导流装置等方式减少迎风面积和空气阻力;通过改进轮胎结构来减少滚动阻力。

（2）发动机性能：减少发动机附件的能耗，优化发动机万有特性曲线;主要是利用涡轮增压回收废气能量，提高附属装置的效率。通过改善燃烧，减少冷却损失以提高热效率，采用汽油电控燃料供给系统、柴油高压共轨燃料供给系统和ECU控制使发动机工作最优化。

（3）动力匹配：主要通过合适的速比匹配，确保发动机最大可能地工作在经济区域。

（4）效率提升：提高传动系统的传动效率。

1.4   商用车动力传动系统匹配原则及方法

商用车做为生产运输工具，具备动力强劲、装载货物量大、运行工况复杂等特点，因此商用车动力传动系统匹配的原则是：在满足整车不同运行工况动力需求的前提下，确保整车综合燃油消耗处于最低水平。传统整车匹配方法是根据整车最高行驶车速、最大爬坡度等指标，先确定发动机，然后再结合变速箱、驱动桥现有资源进行整车匹配计算，确定最佳的传动速比。本文提出一种基于用户实际使用工况的商用车动力传动系统匹配方法，结合用户的实际使用工况提出整车需求，首先保证动力性满足用户实际需求，然后再确定合适的发动机特性和传动系速比。

2    商用车市场用户实际需求分析

2.1   商用车行驶工况分析

商用车行驶工况比较复杂，按照其行驶道路不同主要分为高速和一般公路两种，按照地形条件又可分为平原、丘陵、山区等。本文重点针对平原高速、平原一般、丘陵高速和丘陵一般四种工况进行分析，采集的工况数据如图1所示，平原高速、平原一般、丘陵高速和丘陵一般四种工况下的车辆平均行驶车速分别为80～100km/h，70～90km/h，50～70km/h，30～50km/h。在进行动力传动系统匹配时，需要确保车辆在这几种常用车速下，发动机能够运转的经济区域内，最大可能地降低燃油消耗。

针对平原高速、丘陵高速、平原一般和丘陵一般工况数据的坡度分析，结果如图2所示，四种工况下，占比较大的坡度分别为0～0.5的坡度、2～3的坡度、0～1.5的坡度和3～10的坡度。在进行动力传动系统匹配时，需要考虑各种工况下的坡度，确保在满足动力性的情况下，换挡次数最少，经济性最佳。

2.2   商用车用户驾驶习惯分析

在进行动力传动系统匹配时还需要对商用车用户实际驾驶习惯进行分析，以便更好地满足用户实际需求，以中型商用车用户为例，通过市场调研，确定中型车（采用6档变速箱）驾驶员的驾驶习惯如表1所示：

从上表可以看出，驾驶员在实际的加速过程中，换挡频率较高，发动机转速基本不会超过1500rpm，升档后发动机转速都将下降至850rpm左右。此时，发动机转速较低，相应的最大扭矩也比较低，如果传动速比匹配不合理，将会给用户一种车辆动力不足的感觉，因此在动力传动系统匹配时必须考虑用户的实际驾驶习惯。

3    基于用户实际工况的动力传动系统匹配方法

3.1   发动机功率需求计算

汽车行驶时，发动机功率和汽车行驶的阻力功率间的平衡关系。功率平衡方程见公式（1）。发动机功率愈大，汽车的动力性愈好。发动机最大功率的选择必须保证汽车预期的最高车速。最高车速愈高，要求的发动机功率愈大，其后备功率也大，加速和爬坡能力必然较好。但发动机功率不宜过大，否则在常用条件下，发动机负荷率过低，油耗增加。

在进行动力系统匹配之前，首先要做的是根据用户实际使用工况，确定对发动机的功率需求。利用Cruise仿真软件发动机在各运行点的功率需求情况，计算方法如下：

（1）按照Cruise仿真软件的操作细则，搭建整车仿真模型，如图3所示，并在整车模型中定义好整车的基础参数，包括轴距、空满载重心位置、整备质量、最大总质量、迎风面积、风阻系数等参数。另外，发动机、离合器、变速器以及后桥、车轮等参数分别在整车模型中各对应的子模块中定义。

1.整车参数 2.发动机 3.离合器 4.变速器 5.主减速器 6.右前轮 7.左前轮 8.右后轮 9.左后轮 10.右前制动器11.左前制动器 12.右后制动器 13.左后制动器 14.差速器 15.驾驶控制

（2）将采集到的用户实际运行工况数据导入该软件中，以丘陵一般工况为例，数据导入后如图4所示：

（3）计算参数表

首先设置发动机模型参数，将发动机各转速下的最大扭矩均设置为10000Nm，确保在仿真计算过程中，发动机可以提供足够大的功率。其他参数按照下表2进行设置：

（4）仿真运行并将结果导出，利用Matlab软件进行数据处理分析，获得用户车辆实际运行过程中的功率分布情况，并绘制该行驶工况下的发动机功率需求图5。从发动机功率需求分布情况看，车辆在该工况下运行时，对发动机的功率需求基本上维持在160kw以下，根据此功率范围，在可选的发动机总成中，確定使用某一种发动机，该发动机的最大功率为180ps，同时参考主要竞争对手和潜在竞争对手同类型同级别汽车的发展趋势、市场环境以及法规要求，初步对所匹配的发动机提出了以下要求：①匹配180PS发动机;②发动机额定转速：1800rpm，③发动机主要工作转速：1200～1800rpm。

3.2   发动机参数数据

由于前文已对发动机功率如何选择进行了分析，且已经根据用户实际运行工况的需求特点确定匹配180ps的发动机，结合现有发动机资源，确定发动机外特性参数见表3发动机外特性参数，其经济转速区为1200～1800rpm。

3.3   传动系统速比选择

在发动机确定的情况下，发动机的扭矩特性已基本确定，首先是确定变速箱Ⅰ档速比，其大小决定了整车的爬坡性能和坡道起步性能。结合前文对用户实际工况的分析，车辆运行时对整车最大爬坡度和最大起步坡度要求不高，在匹配时需要按照整车特性定义需求进行计算，从而确定传动系总速比       的范围。整车最大爬坡和坡道起步时，车速一般较低，在计算中，风阻可忽略不计。计算公式如式（2）。

（2）

Ⅰ档传动比     应为

将整车设计特性参数代入上述公式计算后，可以得出满足最大爬坡度（30%）和最小起步坡度（20%）要求的传动系总速比范围为：

31.3≤      ≤43.8

其次是根据最高车速确定传动系统最大速比。传动系速比偏大时，整车后备功率大，加速性好，但经济性会降低，一般匹配中，在满足整车动力性目标的前提下，要求尽量降低传动系速比，以获得较好的经济性。但若传动系速比过小，整车动力性差时，用低挡跑高速，不但不能提高经济性，反而会使经济性变差。为此，在确定传动系速比时，要同时考虑以下因素进行优化匹配：①整车最高车速，②发动机最大功率/转速，③发动机经济转速，④整车常用车速。

根據上述分析，结合现有资源以及主要竞争对手和潜在竞争对手车辆的配置情况，初步推荐变速箱采用8档变速箱，头档速比在6～10之间;驱动桥主减速比在4.1～5.13之间，现有资源中，8档变速箱有两种速比，头档速比分别为9.558，最高挡速比为0.79，驱动桥主减速比分别由4.1、4.33、4.56和4.875四种，需利用Cruise软件进行仿真后进行确定。

4    仿真分析

4.1   仿真说明

根据用户使用特性情况，按照平原高速、丘陵高速、平原一般公路和丘陵一般公路4种工况进行仿真计算。计算结果按照四种工况的占比进行加权，从而确定综合运行工况下的动力传动系统匹配情况。变速箱换挡策略与用户实际操作情况相同，以发动机转速做为换挡依据，并结合整车常用车速以及发动机经济转速范围做参考进行确定。

4.2   仿真结果

对搭载180kW发动机、8档变速箱以及速比为4.1、4.33、4.56和4.875和驱动桥，主要行驶在平原、丘陵地带高速公路上的载货车，基于Cruise仿真软件开展动力性、经济性分析，结果如下：4.2.1最高车速

四种后桥速比配置下，最高车速仿真结果均大于105km/h，满足设计要求。

4.2.2 各档位最大爬坡度

最大爬坡度结果详见图6。从图6可知，4.11、4.33的速比，最大爬坡度不能满足不小于30%的要求，4.56和4.875的速比满足要求。

4.2.3 各档位加速性能

4.2.4 用户工况经济性

经济性仿真结果见表5，其中平原高速、平原一般、丘陵高速、丘陵一般公路所占权重分别为40%、40%、10%和10%。从表6可以看出，在可以满足整车动力性的前提下，匹配4.56的后桥速比较4.875的速比更有经济性价值，故优选匹配4.56的后桥速比。

4.2.5 仿真结果校验

按照4.56的后桥速比进行校验，     =9.558x4.56

=43.58≤43.8，满足传动系统总速比的要求，最高车速106km/h，最大爬坡度30.5%，满足整车动力性的要求。利用该速比进行用户实际使用工况仿真，并对所使用档位进行统计，结果见图7。其中最高档和次高档的档位利用率分别为76.79%和16.49%，满足用户大部分坡度不降档的实际需求。

5   试验验证

按照用户实际使用情况进行动力性经济性试验验证，车辆最高车速可达到105.7km/h，最大爬坡度30%，爬坡车速9.3km/h，发动机转速2250rpm，加速试验结果见表7和表8，经济性试验见表9，从试验结果可以看出匹配4.56的后桥速比，动力性经济性试验结果基本上与仿真结果相吻合，满足用户实际需求。

6    结论

在车型开发阶段，通过市场调研并采集用户实际使用工况数据，利用整车动力性、经济性匹配优化设计方法进行整车匹配计算，根据匹配计算结果进行发动机、变速箱选型，避免出现选配的发动机、变速箱不能完全满足用户实际运行工况需求，就能使整车的动力性、经济性、加速性能都达到最优。同时，通过本文的研究，提出了根据市场细分原则，根据目标车型的需要，用Matlab语言编制仿真计算程序计算功率需求，并利用Cruise软件对结合综合工况下的整车动力性、燃油经济性进行仿真分析，最终选择出满足市场需求的动力传动系统总成参数，达成了预期性能指标，为后续产品开发提供了理论依据和匹配方法。

参考文献：

[1]余志生. 汽车理论. 机械工业出版社.

[2]张洪欣. 汽车设计. 机械工业出版社.

[3]陈荫三，余强[译]. 汽车动力学. 清华大学出版社.