一种商用车动力不足改善方法研究

王梁清，张育维

摘  要：本文以一款经济型商用牵引车动力不足优化开发为例，应用AVL cruise及matlab 编程工具，深度分析了优化车型的动力性表现，并结合国内牵引车的使用工况和客户需求，并同步分析经济性水平、客户价值，最终找到动力匹配优化方案。

关键词： 优化;工况;牵引车;动力不足;仿真分析

中图分类号：U462.3+     文献标识码：A     文章编号：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    绪论

1.1   商用车动力改善研究的意义

随着国内商用车市场尤其是牵引车市场的快速发展，牵引车的保有量不断攀升，运输效率逐渐成为商用车领域核心竞争力之一，主要包括：速度效率（即时效）、载重效率、保养维护效率、可靠性。而车辆动力性是影响速度效率的关键因素之一，围绕着汽车动力性提升商用车企业主要采取了以下措施：

1）匹配更大扭矩，更大功率的发动机：直接决定了整车动力性的最大能力。

2）提升发动机的扭矩响应：使车辆响应更加灵敏，提升城市工况和山区工况的加速能力。

3）调整传动系统速比：匹配合适的速比，充分发挥发动机的功率和扭矩输出。

4）减少行驶阻力：降低风阻、滚阻，在提升燃油经济性的同时，对动力性也有一定的提升。

5）匹配缓速器：匹配高效的缓速器及散热系统，可以提升下坡安全车速，进一步提升车辆效率。

6）预见性驾驶辅助系统：预见性驾驶系统可以帮助驾驶员提前预知坡度及主动干预，减少操作不当造成的动力损失，提升车速。

7）其他新技术。

1.2   本文研究的主要内容

在产品开发过程中，存在发动机扭矩不足，或需要考虑经济成本等因素采用小功率发动机，匹配不当会造成挡位能力不足，上坡能力不足。

而以往的很多分析仅仅考虑爬坡度和等速油耗等单一因素优化和评价车辆的动力性、燃油经济性。本文通过工况和客户需求、成本等综合因素整体优化和评估方案。

通过运用自编的matlab程序和奥地利AVL公司Cruise车辆整车性能仿真平台，以国内某款牵引车动力不足改善开发为例，优化传动速比匹配达到用户的动力需求水平，（充分考虑在优化过程中的因素，比如，全方位考虑对动力性，燃油经济性的影响，并进行评估）并对车辆燃油经济性进行评估。通过本课题的研究，学习掌握商用汽车动力性燃料经济性仿真计算方法，为以后工作当中的应用和自主知识产权的汽车整车性能仿真计算和分析软件研究提出指导性意见。

2    牵引车工况特征分析

2.1    工况分析

研究整車动力性、经济性一定要结合实际的路况和用户需求来考虑，可以将中国的牵引车运输分为东西方向、南北方向散杂货运输。两者又有显著的特点，东西向运输经过高原，山区，所以对车辆的综合性能要求较高，而南北向运输，主要为平原、丘陵，通过匹配更小的后桥速比可以提高燃油经济性。随着国家法规执行越来越严格，总重满载49t。根据用户的需求可将常用车速分为60～90km/h或70～95km/h。最后根据大量的数据采集整理出以下的工况特点：

2.2   工况条件

本文选取国内一条典型运输路线做为参考，展开分析，如按图一为该爬坡度分布情况，图二为坡度概率累计的情况。可以看出，在该典型道路下，坡度小于3%道路长度占比92%，坡度小于1%道路的长度占比75%。所以设计应匹配应考虑1%（平路范围）、3%（一般坡道范围）坡度的动力需求。

3    动力优化分析

3.1   计算条件

在前一章节中道路工况下，需要针对低功率发动，优化动力匹配，满足客户的动力需求。表1为标杆车型及问题车型配置说明：

发动机外特性如图3，具体参数本文不再列出。

其他车辆参数如表2：

根据以上参数通过AVL cruise软件进行建模，并分析计算，如图4：

3.2    现状分析

通过AVL_cruise软件的Climbing Performance任务计算标杆车V0及需改善车型V1最大爬坡度情况，如表3。可以看出，V1最高挡爬坡度为0.74，参考图2，在该工况下最高挡仅能应对59%的工况，用户换挡频繁，驾驶感觉较差，同时频繁换挡也会导致油耗和行驶效率降低，判断为动力不足。

主要原因是，采用的E2发动机扭矩1800Nm，相对E1发动机扭矩低200Nm，同时动力及传动速比相同，在相同车速下轮端扭矩差距较大。

3.3    优化分析

考虑该车型为低成本经济型车型，无法更换更大动力的发动机，所以通过增大后桥速比提高动力性。经过匹配计算和驱动桥资源，分析计算3.9、4.11、4.44后桥速比，下边以3.9速比优化车型V2计算校核为例进行说明，其他速比本文暂不列举。

3.3.1 最高挡爬坡度分析

首先需要校核最核心问题：最高挡爬坡度。通过匹配分析，V2车型3.9后桥速比最高挡爬坡度达到0.97%，由图2坡度概率累计图可以得出，该路线小于0.97%坡度长度占比75%，即说明最高挡至少满足75%以上的道路的动力输出，大幅提高最高挡对道路的适应能力，减少换档，提高行驶效率。对比标杆车型V0最高挡爬坡度为0.93%，也可满足客户的动力需求。

3.3.2 车速能力分析

最高挡爬坡度需要进一步研究其车速能力，否则，光有爬坡度，没有车速，行驶效率仍然很低。图5展示了标杆车V0、问题车V1、优化车V2最高挡爬坡度计算结果，表5为具体的计算数据。可以看到在匹配3.9后桥速比的V2车型，相对于V1整体动力性有所提升，在用户常用的70～85km/h下，能够保持0.8%以上的爬坡度需求。在高车速区（90km/h以上），动力不及标杆车型V0，但是该区域用户不常用，所以整体影响较小。

3.3.3 最大动力性满足分析

常用工况动力需求满足情况下，需分析最大动力能力，评估车辆应对艰险工况的水平。本次采用轮端功率平衡分析方法，直接体现了车辆的最大速度特性，通过matlab编程计算车辆的轮端功率平衡图。步骤如下：

（1）做出各坡度下阻力功率图

做出采用功率平衡公式算出不同坡度下各车速需要的功率，并用plot命令形成曲线到车速—功率图，阻力功率公式如下：

其中：爬坡度i取0% 1% 3% 6%进行校核;车速ua取0～140km/h，步长为5km/h;因不考虑加速du/dt为0;其他参数按照表2设定。

（2）做出各挡发动机输出功率图

将发动机外特性数据（转速-功率），带入由汽车各档速度特性公式，即可得到各挡位不同车速下发动机功率，用plot命令形成曲线到车速—功率图。各档速度特性公式如下：

其中io为后桥速比，ig为变速箱各挡速比，r为轮胎滚动半径，n为发动机转速。

（3）将以上两个步骤车速-功率图叠加即可得到功率平衡图，交点即为在该车速、坡度、挡位下功率的情况，各参数之间也可相互对应。

计算结果如图6，图7可以看出： 0%坡道下（平路行驶）最高车速从116km/h下降到109km/h;在1%坡道下V2车最大车速为78km/h，V0车为85km/h，低7km/h;3%坡度下V2车最大车速为43km/h，V0车为48km/h，低5km。综上整体的极限能力，优化车型V2比标杆车型V0差约6%。但商用车行驶以平稳匀速行驶为主，若猛踩油门或超高转速获得最大动力输出会导致油耗上升明显，所以在不经常出现的极限驾驶状态车速约低6%可以接受。

极限动力情况校核完成后需要将主要平路工况下（即1%坡道动力表现）的动力性情况做再次做对比和评估。这里使用matlab软件编程在发动机外特性图下做具体校核：

（1）采用章节的两个公式（阻力功率公式、速度特性公式）即可推导出各挡位下发动机输出扭矩，其中选取坡度i0为1%;

（2）使用plot命令叠加到发动机外特性中即可得到如图8计算结果;

（3）同时还需要计算各车速下的功率需求曲线，由“阻力功率公式”可计算得出;该曲线为车速-需求功率的参考曲线，如图8黑色双曲线。

由图8可以看出：

（1）在70km/h车速下（常用车速），V0和优化后的V2两者后备扭矩相当（途中蓝色虚线与红色虚线长度），说明在1%坡度下且为常用车速70km/h时，两者的瞬时加速能力、应对坡道变化能力相当。

（2）随着车速继续升高，V2后备功率下降的速率更快（图8阴影部分面积），最终导致的1%坡度下最高车速有所差距;因此增大后桥速比的方案虽然可以保证客户在常用车速下的动力输出能力，但在90%～100%大油门情况下动力输出疲软。

3.3.4 燃油经济性分析：

动力性、燃油经济性是不可分割互相影响的 ，在优化动力的同时，务必要考虑燃油经济性的影响。而等速油耗不能反应实际道路变化的情况误差较大，故本文采用工况循环油耗进行评估。

通过AVL cruise软件cycle run任务，将该路线路谱、坡度信息导入并进行计算分析如图9，得出计算结果为表6，可以看出整车在该工况下行驶，油耗略有上升0.5L/100km左右。主要原因是增大后桥速比导致常用发动机转速上升约150rpm。

但是随着爬坡车速提升，平均车速可提升3～5 km/h。按照单趟1000km的路程计算，可节约1.5小时的时间。按照平均每月10趟往返的运输时效要求，平均每月可节约20小时，相当于每月可多跑一个往返，带来更高收益。同时，动力性的提升可进一步减少换挡，减少动力中断，特别在丘陵、山区工况对经济性也是有益的。综上，从客户价值和体验的角度，动力提升带来的收益远远大于油耗略微上升。

4    结论

通过研究市场工况，通过理论分析综合评估车辆的动力性、燃油经济性，多角度分析和研究“优化速比提升动力性”的方案，并结合客户价值和场景提出分析利弊，结论如下：

（1）本文论述通过采用相比3.62传动能力提升的3.9速比，可以实现各挡位具有相当的爬坡度，保证了车辆的坡道动力性;

（2）最高车速影响：3.9速比后，最高车速下降16%;從116km/h下降到109km/h。但根据公路运输客户的调查与采样，最高车速达到100km/h以上即可满足用户需求;

（3）对于燃油经济性因为速比增大，导致常用发动机船速提升150rpm，整体油耗提升约0.5%，但从综合收益角度评估，行驶效率提升带来更多运营收益，同时初期车辆采购成本未增加，其价值大于油耗略微上升;

（4）其他：本文分析的客户对车辆初期购买成本敏感，在发动机动力不变的前提下做的最优方案。所以，如果要满足干线运输大企业的高时效运输需求，仍需要把发动机扭矩提升和匹配小速比作为车辆动力传动技术的主要路线，可以进一步提高动力性、燃油经济性以及部分极限工况能力提升客户综合价值。

参考文献：

[1]余志生主编. 汽车理论[M]. 2006.第4版. 机械工业出版社.

[2]（德）Manfred Mitschke  Henning Wallentowitz 著 陈荫三，余强 译. 汽车动力学[M]. 2009. 第4版. 清华大学出版社.

[3]（美）Thomsa D. Gillespie 著 赵六奇，金达锋 译. 车辆动力学基础[M]. 2006. 清华大学出版社.

[4]周龙保主编. 内燃机学[M]. 第2版. 机械工业出版社.

[5]周良生，曲学春，周冬生，孙九龙，彭莫主编. 汽车动力传动系及动力性能计算[M]. 2020. 机械工业出版社.

王梁清

毕业于湖北汽车工业学院车辆工程专业，本科学历，现就读于同济大学研究生并任职泛亚汽车技术中心，先后从事零件开发，工程质量，项目管理等岗位工作。