商用卡车油耗节省与轻量化之间的相关性研究

陈向靡

摘 要：节能降耗是我国生态文明建设的重要理念，也是车辆设计与生产所关注的焦点，低排放、低油耗的车辆与节约型社会建设相适应，在未来拥有更加广阔的发展空间。轻量化设计车辆，对降低油耗、节约能源具有重要意义，本文基于此探究商用卡车轻量化和节省油耗之间的关系，利用仿真软件对某品牌商用卡车进行建模分析，探讨轻量化和油耗之间的关系，提出轻量化和油耗关系的评价区间。

关键词：商用卡车 油耗节省 轻量化

Abstract：Energy conservation and consumption reduction is an important concept of China's ecological civilization construction， and it is also the focus of vehicle design and production， and vehicles with low emissions and low fuel consumption are compatible with the construction of an energy-saving society， and have a broader development space in the future. Based on this， this paper explores the relationship between lightweight and fuel saving of commercial trucks， uses simulation software to model and analyze a brand of commercial trucks， discusses the relationship between lightweight and fuel consumption， and proposes an evaluation range for the relationship between lightweight and fuel consumption.

Key words：commercial trucks， fuel savings， lightweight

1 引言

在人口持續增长和新兴经济体人均收入攀升的助推下，世界能源需求持续提高，国际能源署依据当前发展趋势预测，全球能源体系在未来仍旧难以进入到可持续发展轨道，且在2035年，全球范围内的能源资源需求量会再次增长30%左右[1]。中国是能源资源需求大国，对于资源的需求极高，平衡资源供给和需求，向来是中国可持续发展战略的重点内容。在能源资源消耗中，石油是极为关键的，尤其在交通出行领域，柴油、汽油等占据全球石油消费的大多数，商用卡车保有量占全部汽车保有量的两成到三成，耗油量占全部汽车耗油量的七成及以上，在汽车节能降耗领域，商用卡车管理与控制是研究焦点[2]。

2 构建商用卡车模型

2.1 构建卡车模型

使用CRUISE软件构建商用卡车模型，在模型构建之前首先详细分析原车型的各个组成结构以及功能情况，将物理模型做简单化处理。以原车型作为基础，将所有的子模块予以明确，清楚划分功能模块关系。凭借正确的先后关系连接信号和结构。设置模型的轮胎、主减速器、变速箱和发动机等各类结构的参数值[3]。

按照分析得到的商用卡车布置形式和结构情况，选择机械手动变速箱模块（Gear Box）、车型模块（Vehicle）、发动机模块（Engine）、控制模块（Monitor）、单级减速器模块（Single Ratio）、防滑控制模块（ASC）、车轮模块（Wheel）、差速器模块（Differential）、机械式摩擦离合模块（Friction Clitch）等等，可使用风扇模块（Auxiliary）将传动系统、发动机系统以及其他能源消耗结构取而代之。

按照不同功能模块和前置前驱相互之间的上下级关系，在CRUISE软件界面中合理的完成排列，并划归到正常的位置中，为商用卡车模型组成提供支持。而后凭借Connect功能正确的连接所有的功能模块，在进行连接的时候，只凭借物理连接完成即可[4]。

2.2 设置模型参数

按照商用卡车模型的研究诉求，在CRUISE软件中自行展开车辆的所有功能模块功能设置。在本次分析中主要探求商用卡车的轻量化情况与油耗量之间的关系，设置模型参数的时候更加从质量角度进行优化处理，当卡车的整体质量出现变动以后，将会影响到车型动力性能。从控制变量的角度出发，把各类影响因素排除之后，只保留商用卡车的质量影响因素，始终保持商用卡车的动力学性能稳定不变[5]。发动机参数情况对动力学性能有直接影响，此时应维系发动机参数固定，将商用卡车各类装备做出改变的同时，将变速箱速比实施调整，保障动力学性能稳定不动[6]，见表1。

2.3 设置车辆工况

多个国家从上个世纪七十年代以后，基于典型的商用卡车运行情况研究设计出台多种类型的试验标准和检测规范，旨在对车辆正常形式情况做出模拟分析，以保证可对车辆的各项参数和运行舒适度、车辆服务质量等明确的判断。在布置完成商用车辆所有的部件以后，将车辆爬坡性能（Climbing Performance）分析结果和循环行驶工况（Cycle Run）添加到计算项目（Project）之下的任务文件夹（Task Folder）[7]。我国对商用卡车的油量消耗情况引发试验办法，明确指出商用卡车要兼顾经济性，试验分析时选择应用六工况试验法，试验数据如表2。

3 商用卡车基本情况分析

3.1 设置循环行驶工况

设置商用卡车工况的时候选择六工况模态，负荷（Load State）选择满载（full）状态，将六工况试验数据取代模型文件夹Project Date目录下的Cycle Run，如图1所示。

3.2 设置分析爬坡性能

根据图2商用卡车爬坡性能设置界面的显示，爬坡的时候选择的项目为原地起步（starting form rest），并且不将轮胎滑移（without slip）的现象纳入考虑范围内。道路模型和驾驶员都选择“标准”选项，设置仿真模式为“stationary”[8]。换挡和最大爬坡度之间并不存在直接关系，在设置的时候可以不用对换挡情况做出考虑。负荷（Load State）项目栏选择“满载（full）”[9]。

3.3 選择可轻量化质量范围

在商用卡车销售市场上，载货车辆大多为4*2驱动，6L-7L排量。市场销售量最好的几类商用卡车型号为“长春解放”的“J6L”和“J6G”、“东风”的“天锦KR系列”和“青岛解放”的“JK6”[10]。三种类型的商用卡车各类参数值如下表3所示。

在表3中的四种类型的商用卡车，包含了市场上质量最小的车型和质量最大的车型，以实际情况作为依据，在轻量化范围选择的时候，结果为1000kg。经过六工况循环试验得到，上述四种类型的商用卡车燃油消耗值为每100千米消耗25.31L，最大的爬坡度为42.31%。在商用卡车整车模块参数调整的时候，需要将“Cross Weight”项目的参数值和“Curb Weight”均降低100kg。

4 计算分析燃油消耗量

燃油消耗量计算的时候，只需要将数据信息录入到软件中，在软件的计算中心（Caculation Center）点击运算选项，就会对录入的数据参数展开准确的计算，同时还能够在结果管理器（Result Manager）中自动存储结果。输出的计算结果如图3所示。

根据图3装备轻量化与总质量参数图，在整车模块当中的“Cross Weight”项目的参数值和“Curb Weight”参数值均缩小100kg，此时的整备质量结果为7880kg，总质量结果为18000kg。对软件输出的结果再次展开适当性的优化与调整，在经过调试以后得到的结果如下：

在图4质量参数修改之后的计算结果图中，商用卡车爬坡的最大值为44.51%，在进行试验分析的时候，为了确保得到的结果能够与之前的42.31%保持相同，需要将其他的参数值做出修改调整，由此以保证商用卡车的动力性能不会在试验中出现变动，稳定动力性能。在本文的分析和研究期间，需要从变速器的参数角度着手，将变速器的速比做出合理化的调整与适配，将原来的变速器速比参数值逐渐降低，通过持续不断的调试，一直到爬坡的最大值为42.31%既可。以100kg作为梯度，将整备质量和总体质量值逐渐缩小，对主减速器速比的结果做出调试，从而保证商用卡车的最大爬坡度保持稳定，同时还可以将燃油的消耗量降到最低[11]。

根据表4商用卡车轻量化以后的对应燃油消耗值的结果得知，当商用卡车的整车重量下降100kg的时候，燃油消耗值的平均下降值为0.12L，由此可见，整车的质量情况与油耗量之间存在着正比关系，即当整车的质量下降，油耗量也会随之下降。但是整车质量下降的幅度和油耗量降低的幅度之间所表现出来的对应关系并不完全一致。对这种类型的问题展开分析，发现商用卡车与普通家用汽车是有所不同的，商用卡车主要是用于运输货物，为了满足货物运输需求，不能过量的轻量化处理，所以导致控制商用卡车质量以降低油耗的效果显著的低于家用汽车。除此之外，在进行试验测试的时候选择应用的是六工况循环法，这种方法对试验的结果也有一定程度的影响。总而言之，商用卡车的耗油量和质量之间存在着必然的联系，通过轻量化处理商用卡车以后，可使得商用卡车的装载质量利用系数提高，实现良好的社会效益。

5 结语

在低碳环保的理念影响下，汽车行业亟待转型升级，将节能减排作为汽车设计与制作的关键。通过本文的研究发现，想要提高车辆的节能减排能力，可利用轻量化处理的方案，我国商用卡车在整备质量相比较于国外的商用卡车而言，平均重量较高，在后续的车辆设计与研发阶段，要尤其关注轻量化的重要性，商用卡车的整车重量下降100kg的时候，燃油消耗值的平均下降值为0.12L，且污染排放量也会随之下降，在保护环境的同时，也可以维护车主的经济利益。

参考文献：

[1]张乐迪，程博彦，段耀东，曾超凡，董向峰. 新能源汽车碳纤维复合材料车门轻量化设计[J].农业装备与车辆工程，2023，61（01）：140-143+172.

[2]林启豪，刘萍萍，陈明福. 新能源汽车前盖内板轻量化成形设计及优化[J].新乡学院学报，2022，39（12）：44-48.

[3]王科学，王东波，黄勇，孟庆玉，张丽，董晓红.铝合金材料在汽车轻量化领域应用的研究现状[J].铝加工，2022，（06）：3-6.

[4]刘迪.智能网联环境下商用车油耗与排放协调控制方法研究[D].吉林大学，2022.

[5]马玉坤.混合动力客车动力耦合机构优化设计及能量管理策略研究[D].青岛理工大学，2022.

[6]詹钊涵.基于深度强化学习的油耗最小化车辆路径规划方法[D].广东工业大学，2022.

[7]常旭.基于节能和面向乘客服务的城市轨道交通车辆选型模型研究[D].长安大学，2018.

[8]康嘉. 超高速公路行驶油耗影响因素分析及预测研究[D].东北林业大学，2022.

[9]孙旺兵.增程式汽车控制策略研究及零部件敏感性仿真分析[D].重庆理工大学，2022.

[10]郝雷.智能网联汽车高速队列行驶气动特性与油耗排放相关性研究[D].厦门理工学院，2021.

[11]解来卿.基于结构共用的智能电动车辆传感器优选配置与节能控制[D].清华大学，2019.