一种通过驱动力进行的传动系校核方法

王守胜，何为

（江淮汽车股份有限公司重型商用车研究所，安徽 合肥 230601）

一种通过驱动力进行的传动系校核方法

王守胜，何为

（江淮汽车股份有限公司重型商用车研究所，安徽 合肥 230601）

文章以某4×2牵引车为研究对象，针对港口集装箱运输工况，探讨一种通过驱动力进行的传动系校核方法，并结合实际验证情况，为港口牵引车的开发提供数据支持.做到针对特定工况下的传动系最优匹配。

4×2牵引车；港口集装箱运输；传动系校核

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.043

CLC NO.:U469.5 Document Code:B Article ID:1671-7988(2016)01-125-04

前言

4×2牵引车，大部分用作港口集装箱货物运输，而港口运输的运输车辆具有运输货物质量相对固定、行驶车速相对较低的特点。用户在注重汽车整体外观的同时，更加关注整车的动力性和经济性。目前各整车生产厂家在匹配动力系统时所选择的发动机、变速器、主减速器等主要总成件逐步趋于一致，如何对这些总成件进行合理的匹配，得到最佳的动力性和经济性，就成为各整车厂的工作重点。而针对于港口运输市场，通过发动机扭矩正向传递至后桥的传动系校核的计算方法得出的传动系匹配结论，往往不能满足港口运输市场的实际使用需求，通常会出现油耗偏高或者动力不足的现象，本文通过研究从驱动力对传动系进行反向校核的方法，需求找到一种适合港口集装箱运输市场的传动系最佳匹配方案，并运用Cruise软件进行对比分析，最终通过实际市场验证情况，得出更合理地传动系匹配数据，找到最佳的匹配。

1、整车动力系统相关参数确定

1.1 整车质量

4×2集装箱运输牵引车，一般进行一个40英尺集装箱运输货两个20英尺集装箱运输，由于现在绝大多数整车厂的平台和大的总成件都是一致的，所以整车整备质量都非常接近。而由于集装箱规格的限制，整车总质量基本处于45t和62t两种规格，本文针对两个20英尺集装箱运输的工况进行分析，车货总重在62t以内。由于整车总质量较大，运输路线只能选择国道运输，且车速控制在60km/h～70km/h之间。

通过以上分析可知，整车总质量参数可以分两步得到：首先利用统计得到整车整备质量；然后根据市场调查情况计算出装载质量，再加上驾驶员质量就可得到整车总质量。

1.2 发动机的选择

发动机作为整个汽车的心脏，选择一个合适的发动机是整个设计工作的一个首要任务。但是由于整车所追求的动力性和经济性之间是一对相对矛盾的特性。根据不同的使用条件，一种汽车可以匹备两三种不同的发动机供用户选择。发动机的性能主要表现在额定功率、额定扭矩、与之相应的转速、燃料消耗特性、振动、噪声等等。发动机的功率越大，汽车的动力性越好，但功率过大会使发动机功率利用率降低，燃料经济性下降，动力传动系的质量也要加大。因此要合理选择发动机功率。发动机功率可以通过整车总质量M乘以汽车比功率来估算。

汽车比功率(发动机功率除以整车总质量)是一项汽车动力性的综合评价指标，它能综合地反映汽车的速度性能、加速性能和爬坡能力。目前国内各厂家4×2牵引车的平均比功率水平为3.77kw/t。而汽车比功率的发展趋势是逐渐增大，以满足高效的运输要求。

某4×2港口牵引车选择潍柴WP10.336E40国Ⅳ发动机，最大功率Pmax＝247kW，最大扭矩Tmax=1500Nm，汽车比功率为3.98kw/t，基本能够满足整车的功率需求。

同时，用户往往喜欢自己选择发动机，这时在尽量满足客户需求的同时应给予正确的引导。

1.3 轮胎滚动半径的计算

由于国内重卡牵引车存在的超载情况比较严重，用正常的轮胎行驶半径已经不能准确的描述轮胎的实际运行状况。本文引用匈牙利学者G.Komandi提出的经验公式来计算轮胎的变形量δ。

由公式（1）我们不难发现，轮胎的变形量不仅与其本身的参数有关，还决定于轮胎上承受载荷W和轮胎内气压P。所以合适的轴荷分配和轮胎气压也会对整车的动力性和经济性产生较大的影响。由于各轴的轴荷不同，以驱动轮的半径作为整车车轮的半径。

某4×2港口牵引车选择12.00R20的轮胎，驱动轴上的载荷为通过计算得到δ＝4.65cm，从而轮胎的行驶半径R＝D/2－δ＝516mm。

1.4 主减速器的选择

在给定发动机最大功率Pmax及其相应的转速np的情况下，所选择的主减速器减速比i0。应尽量能保证汽车有尽可能高的最高速度Vmax，即取尽可能小的后桥速比i0。这时i0由下式来确定[1]：

式中：np—－发动机最大功率时对应的转速；

Vmax—－汽车的设计最高速度；

igh—－变速器的最高挡速比，通常为1。

在主减速器数据库中选择多个减速比与计算出的i0相近的驱动桥主减速器，以便在后面的步骤中选择最优匹配方案。

某4×2港口牵引车，R＝0.516m，np＝1900r/min，igh＝1，Vmax=85-95km/h。通过公式（2）可得i0的取值范围为3.89～4.35之间，可以选择AK-BZ的4.2和3.86速比的驱动桥。

1.5 变速器的选择

变速器传动比的选择涉及到最低挡传动比、最高挡传动比和中间各挡传动比的分配。最低挡的传动比由汽车设计时参数（最大爬坡度）和地面与驱动轮的附着条件来确定；中间挡的传动比由最高挡和最低挡的传动比的等比级数确定。

通过“设计功率水平”[2]来评判发动机与变速箱匹配性能的优劣。研究表明速比范围大，挡位数多的变速箱，各挡位的设计功率水平差值不大，汽车在任一挡位运行都有较好的性能。就动力性而言，挡位多，增加了发动机发挥最大功率的机会，提高了汽车的加速性能和爬坡能力；就经济性而言，挡位多，增加了发动机在低油耗区工作的可能性，使油耗降低；就操纵性而言，挡位多，挡位级差小，换挡容易，操纵轻便、容易。但同时还需要考虑成本和操纵机构的复杂性，并不是越多越好。一般用户也会提出自己的需求。

某4×2港口牵引车，给予港口运输的特点，用户在国道行驶需要频繁换挡，因此选择选择陕西法士特9JSD150A，既满足发动机扭矩需求，又有效的减少挡位，满足用户需求。

2、通过驱动力的传动系校核方法

发动机、变速箱和驱动桥参数确定后，需要对驱动桥的输入扭矩进行校核，用以确定选用的驱动桥是否能满足整车传动系匹配要求，使得汽车的动力性和燃油经济性相互兼顾，并达到最优，即既有较好的动力性，又有较好的燃油经济性。在前面的分析计算中，确定了发动机、变速箱和驱动桥的参数，如果参数选用校核无法满足驱动桥扭矩的容量要求，在发动机和变速箱无法改变的情况下，就需要调整驱动桥速比，驱动桥速比变动，车速则会发生变化，整车就不能很好地满足用户的使用工况。

通过发动机扭矩传递至驱动桥时，驱动承受扭矩计算由下式来确定：

式中：Tg1=发动机正向传递至驱动桥扭矩；

Memax=发动机最大扭矩；

Ikmax =变速器一挡速比；

i0=驱动桥主减速比；

某4×2港口牵引车，Memax=1500N.m，Ikmax =12.65，i0=4.2，通过公式（3）可得Tg1=79695N.m，驱动桥主减速比为4.2时，AK-BZ桥最大输出扭矩仅有75306N.m，此时，从发动机正向传递至驱动桥扭矩已经超出后桥所能承受扭矩，此时的传动系匹配已经不能满足后桥最大扭矩要求。需要将驱动桥速比减小至3.86，后桥速比的减小，会降低整车动力性能。

由于车辆驱动是由地面摩擦力的反作用力推动车辆前进，当驱动桥所受的支撑力大于摩擦力时，驱动轮就会打滑，因此可以推论存在一种情况，当后桥承受扭矩还未达到发动机正向传递的扭矩时，驱动轮就已经打滑，因此，可以通过后桥驱动力计算驱动桥在打滑的极限情况下所受的扭矩，来校核此时后桥扭矩是否超扭。

式中：

Tg2=驱动力传递至后桥的输入扭矩；

G=驱动桥承受的最大载荷；

R =车轮滚动半径；

ψ=地面附着系数，常数0.8；某4×2港口牵引车，在运输两个20英尺集装箱时，整车总质量为62t，此时G=18500kg，采用12.00R20轮胎，R=516mm，通过公式（4）可得Tg2=74840N.m, 驱动桥主减速比为4.2时，AK-BZ桥最大输出扭矩为75306N.m。因此可以得出结论，当整车总质量为62t时，驱动桥承受地面极限情况下的力矩为74840N.m，小于选用的AK-BZ桥的最大承受输入扭矩75306N.m，可以使用。

3、应用示例

示例车型为某4×2港口牵引车，采用AVL_Cruise软件进行模拟仿真计算。该车有关参数、计算结果和试验数据如下。

3.1 有关参数

(1) 最大总质量：M=62000kg;

(2) 发动机型号WP10.336E40，其参数为：最大功率Pmax＝247kW，最大扭矩Tmax=1500Nm/1200rpm～1500rpm，万有特性曲线从略；

(3) 变速器型号9JSD150A，有9个前进挡，速比为：12.65 /8.38 /6.22 /4.57 /3.40 /2.46/1.83/1.34/1.00；

(4) 主传动器速比i0=3.86/4.2 (包括轮边减速比)；

(5) 轮胎规格12.00R20，滚动半径=0.516m；

(6) 迎风面积A =8.633m2，Cd=0.86（由滑行试验得到A ×Cd＝0.5393）；

3.2 计算结果

表1 计算结果

通过对表1中两组数据的对比，速比为4.2时，经济性与速比3.86时相当，但爬坡性能和加速性能均由于速比3.86。且在62t的两个小集装箱的港口集装箱运输时，司机驾驶习惯为保持车速在55km/h的车速下，速比4.2更加适合。

如果通过发动机正向计算发动机传递至后桥扭矩时，速比4.2已经不能满足后桥扭矩需求，但实际上在驱动轮即将产生滑动的临界点时，作用在驱动桥上的扭矩小于发动机正向传递的扭矩。通过驱动力传动至后桥扭矩的反向计算，可以发现速比4.2更加适合2个20英尺的集装箱运输。

3.3 计算结果与试验结果对比

为了验证理论分析的正确性，将某4×2港口牵引车发往试验场进行试验，试验结果对比见表2：

表2 试验结果与计算结果对比

通过对表2中试验结果和计算结果对比发现，试验结果和计算结果相吻合，因此证明了计算结果的准确性。足用户实际使用需求时，可以通过驱动力进行逆向校核来确认后桥输出扭矩是否到了驱动轮打滑的临界点。若逆向校核的扭矩小于正向校核的扭矩，则可以考虑应用逆向校核所采用的传动系配置。

4、结论

通过驱动力进行的传动系校核，可以更好地满足一些特殊工况下车型传动系的配置，并找到最适合用户实际使用需求的传动系匹配。从驱动力进行的传动系逆向校核，可以找到影响整车的传动系匹配的关键参数：

1）整车的运行工况和整车总质量是决定通过驱动力进行逆向校核的基本参数，在设计之初的市场调研中应准确定位。

2）当从发动机正向校核发现选取的传动系速比匹配不满

[1] 李高友、雷雨成.发动机和传动系的忧能匹配研究[J].设计与计算，2002.6.

[2] 张传社.汽车动力传动系统匹配性能分析[M].西安公路交通大学.

[3] 何仁、王建峰.汽车动力传动系统合理匹配的实用方法[N].中国公路学报.1999.1:100-108.

[4] 余志生、赵六奇等.汽车理论.第3版[M]，北京：机械工业出版社, 2000.10.

A drive system verification method based on driving force

Wang Shousheng, He Wei
( Research Institute Of Heavy Commercial Vehicle, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui hefei 230601)

In this paper, a 4 * 2 tractor is studied , for port container transportation condition, To investigate a method for checking the transmission system with the driving force, and to combine with the actual verification, provide data support for the development of port tractor. To achieve the optimal matching of the transmission system under the specific conditions. Keywords:4 * 2 tractor; Port container transportation; Transmission system verification

U469.5

B

1671-7988(2016)01-125-04

王守胜，就职于江淮汽车股份有限公司重型商用车研究所。