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摘要：动力性与燃油经济性作为商用车2个主要性能，受传动系匹配的影响较大。研究通过物流市场的重型商用车传动系统速比发展趋势、发动机特性及用户使用时效性特征，给出未来传动系匹配发展预测。依据传动系匹配对动力输出、发动机附件损失及传动效率的影响，提出各使用工况下的最佳经济行驶速比组合，为主机厂速比匹配及用户选择提供重要参考依据。
关键词：重型商用车;传动系统;速比匹配;物流市场
中图分类号：U464.238文献标识码：A
随着国内高速公路网陆续建成通车及物流市场的快速发展，物流用重型商用车时效性要求快速提高。车辆行驶阻力随着车速提升而增大，进而对商用车的动力性和燃油经济性指标产生较大影响。实际经验表明，同车型不同传动系匹配油耗差异可达20%以上。本文研究以物流市场主流的6X4牵引车为例，通过传动系匹配对动力性、燃油经济性潜在要素综合分析，给出在确保整车动力性前提下，达到最佳经济性的控制策略，并应用软件AVL-Cruise建模仿真验证研究成果的准确性。
1车辆基本参数定义及传动系趋势研究
1.1整车基本参数
采用某长途配货市场主流的6X4牵引车，行驶工况为：高速公路行驶，车速保持为60～100km/h。该车型部分关键参数有：整车总质量为49000kg;轴距为3300 1350mm;轮胎型号为12R22.5。结合表1发动机功率发展趋势，选取现在主流的550马力发动机及2015年之前主流的350马力发动机用于对比分析。
1.2发动机相关参数
2款发动机相关参数如表2所示。通过试验及软件计算得到如图1和图2所示2款发动机的万有曲线。对比发现发动机扭矩提升、比油耗降低及最大扭矩转速区间往低转速变化几个突出特征。这个变化与该领域传动系统技术突破及市场时效性需求有着强相关的联系。
1.3传动系发展趋势
2006-2019年面向物流市场的重型商用车传动系总速比变化，总体呈现出逐年下降的趋势，总速比最大降低幅度从5.26到2.64，降低约50%（图3）。形成上述趋势的原因总体可概括如下。
车辆行驶道路由国道向高速公路转变，道路限速放宽，道路条件优化，车速从以往的55～70km/h提升到80～90km/h甚至更高。在不提高发动机转速的情况下，必须采用更小的传动速比。而发动机技术提升使采用更小的传动速比成为可能。如上述350马力和550马力发动机，其额定扭矩从1500N·m增加到2550N·m，增幅度达1.7倍。
基于几方面客观因素，预计传动系速比在未来相当长的时间段内，会略有下降至趋于稳定，总速比达到2.4左右。其原因如下。
（1）性价比高而不是大功率的发动机通常是用户的首要选择。
（2）鉴于道路行驶安全，国家政策法规对车辆车速要求不会大幅放开。
（3）速比减少会使传动轴及后桥齿轮的负载增加，齿轮可靠性技术升级难度大。
2传动系匹配对燃油经济性影响
2.1不同速比下发动机运行工况及特点
发动机特性曲线中，最低比油耗区域被称为“经济蛋区”。对比上述350马力和550马力的万有特性曲线可知：对应横坐标发动机转速“经济蛋区”有所前移，从1500r/min前移到1100r/min左右的位置。根据公式（1）可知：时效性提升主要可通过降低传动系速比或提高发动机转速实现，轮胎受承载能力的影响可变动空间不大。
式中V为车速;R为车轮滚动半径;n为发动机转速;i为传动比。
如图4所示为80km/h车速下，速比2.66和3.42分别对应的发动机转速在万有特性曲线上的落点。2.66速比落点（红色标记）对应的比油耗为186g/kWh，3.42速比的落点（蓝色标记）对应比油耗192g/kWh，小速比的运行位置更接近“经济蛋区”。实践证明，在一定车速时，采用小速比则发动机转速会降低，因此“经济蛋区”必须朝低转速的位置调整优化。
2.2不同速比下效率损失
通过台架试验对各发动机附件损失结果进行统计（图5），从下到上分别为机构摩擦、风扇、油泵、压缩机、发电机、冷却水泵以及转向泵。对比分析可知：发动机运行转速越低，其附件消耗损失功率越少。采用小速比在相同车速下恰好可以获得更低的转速。
通过车桥传动效率台架试验结果，由于不同速比下车桥的输入扭矩不同，传动效率也出现了明显差异，而当输入扭矩越接近车桥的额定扭矩时其传动效率越高。以80km/h下3.42和4.11速比下某样桥进行试验得到结果如下，小速比的传动效率更好。
2.3传动系匹配仿真计算
选取0.78（变速器最高挡速比） 3.42（后桥速比）、0.78 3.7及0.78 4.11三种组合速比方案，使用AVL-cruise软件建立车辆的动力传动系统模型（图6），包含驾驶室模块、发动机模块、变速器模块、车桥模块和车轮模块等，进行机械和数据总线连接。同时选取V-BOX设备采集的实际道路平均车速分別为了0km/h和80km/h的路谱，通过仿真计算验证不同速比组合下的燃油经济性效果，计算结果与研究变化趋势一致，即采用小速比时的燃油经济性最优（图了）。不同速比组合下的百公里油耗见表4。
上述的分析可知，应用小速比能有效提升燃油经济性，符合速比应用发展的趋势。
3传动系匹配对动力性影响
中国地形多样，总体地势西高东低呈阶梯状分布，不同海拔下的空气含氧量不同，从而影响商用车动力性。将上述车辆基本参数定义再增加1%与1.5%两种坡度进行发动机运行在万有特性曲线上的落点分析。
将速比为0.78 3.42、道路坡度为1%及车速分别为70km/h、80km/h和90km/h条件下对应的发动机运行落点通过圆圈标记，其总体储备扭矩还略有富余。保持其余条件不变，当道路坡度为1.5%时得到的发动机运行落点通过方框标记，超出发动机额定扭矩，需进行降挡操作（图8）。降挡即增加传动系速比，带来远离“经济蛋区”、增加附件损失以及降低传动效率的结果。因此，不考虑动力性而一味追求小速比的策略行不通。
4传动系匹配策略建议
综合上述分析结果，给出面向物流市场的重型商用车传动系统匹配策略建议。将用户使用划分为偏动力性及偏经济性2种。优先根据车辆时效性及成本预算确定发动机的功率范围，再结合以下传动系匹配建议进行选择（图9）。
（1）当运行线路以东西为主，海拔存在一定上下起伏的，按偏动力性进行选择。选取对应常用车速在图8中推荐区（红色区域）偏中上区域的传动系匹配。
（2）当运行线路以南北为主，海拔变动不大，道路相对平缓时，按偏经济性进行选择，选取对应常用车速在图8推荐区（红色区域）偏中下区域的传动系匹配。
5结论
本文通过分析物流市场的重型商用车传动系统速比发展趋势、发动机特性及用户使用时效性特征，给出未来传动系匹配发展预测。依据传动系匹配对动力输出、发动机附件损失及传动效率的影响，提出各使用工况下的最佳经济行驶速比组合，为整车厂商对新车型的速比匹配及用户选择提供重要参考依据。同时，本文得出如下结论。
（1）在一定范围内，应用小速比传动系统能提升燃油经济性，符合当前重型商用车速比发展趋势。
（2）设计或选择商用车传动系统速比时，应综合考虑其使用条件及运行工况，以协调动力性及燃油经济性。
关键词：重型商用车;传动系统;速比匹配;物流市场
中图分类号：U464.238文献标识码：A
随着国内高速公路网陆续建成通车及物流市场的快速发展，物流用重型商用车时效性要求快速提高。车辆行驶阻力随着车速提升而增大，进而对商用车的动力性和燃油经济性指标产生较大影响。实际经验表明，同车型不同传动系匹配油耗差异可达20%以上。本文研究以物流市场主流的6X4牵引车为例，通过传动系匹配对动力性、燃油经济性潜在要素综合分析，给出在确保整车动力性前提下，达到最佳经济性的控制策略，并应用软件AVL-Cruise建模仿真验证研究成果的准确性。
1车辆基本参数定义及传动系趋势研究
1.1整车基本参数
采用某长途配货市场主流的6X4牵引车，行驶工况为：高速公路行驶，车速保持为60～100km/h。该车型部分关键参数有：整车总质量为49000kg;轴距为3300 1350mm;轮胎型号为12R22.5。结合表1发动机功率发展趋势，选取现在主流的550马力发动机及2015年之前主流的350马力发动机用于对比分析。
1.2发动机相关参数
2款发动机相关参数如表2所示。通过试验及软件计算得到如图1和图2所示2款发动机的万有曲线。对比发现发动机扭矩提升、比油耗降低及最大扭矩转速区间往低转速变化几个突出特征。这个变化与该领域传动系统技术突破及市场时效性需求有着强相关的联系。
1.3传动系发展趋势
2006-2019年面向物流市场的重型商用车传动系总速比变化，总体呈现出逐年下降的趋势，总速比最大降低幅度从5.26到2.64，降低约50%（图3）。形成上述趋势的原因总体可概括如下。
车辆行驶道路由国道向高速公路转变，道路限速放宽，道路条件优化，车速从以往的55～70km/h提升到80～90km/h甚至更高。在不提高发动机转速的情况下，必须采用更小的传动速比。而发动机技术提升使采用更小的传动速比成为可能。如上述350马力和550马力发动机，其额定扭矩从1500N·m增加到2550N·m，增幅度达1.7倍。
基于几方面客观因素，预计传动系速比在未来相当长的时间段内，会略有下降至趋于稳定，总速比达到2.4左右。其原因如下。
（1）性价比高而不是大功率的发动机通常是用户的首要选择。
（2）鉴于道路行驶安全，国家政策法规对车辆车速要求不会大幅放开。
（3）速比减少会使传动轴及后桥齿轮的负载增加，齿轮可靠性技术升级难度大。
2传动系匹配对燃油经济性影响
2.1不同速比下发动机运行工况及特点
发动机特性曲线中，最低比油耗区域被称为“经济蛋区”。对比上述350马力和550马力的万有特性曲线可知：对应横坐标发动机转速“经济蛋区”有所前移，从1500r/min前移到1100r/min左右的位置。根据公式（1）可知：时效性提升主要可通过降低传动系速比或提高发动机转速实现，轮胎受承载能力的影响可变动空间不大。
式中V为车速;R为车轮滚动半径;n为发动机转速;i为传动比。
如图4所示为80km/h车速下，速比2.66和3.42分别对应的发动机转速在万有特性曲线上的落点。2.66速比落点（红色标记）对应的比油耗为186g/kWh，3.42速比的落点（蓝色标记）对应比油耗192g/kWh，小速比的运行位置更接近“经济蛋区”。实践证明，在一定车速时，采用小速比则发动机转速会降低，因此“经济蛋区”必须朝低转速的位置调整优化。
2.2不同速比下效率损失
通过台架试验对各发动机附件损失结果进行统计（图5），从下到上分别为机构摩擦、风扇、油泵、压缩机、发电机、冷却水泵以及转向泵。对比分析可知：发动机运行转速越低，其附件消耗损失功率越少。采用小速比在相同车速下恰好可以获得更低的转速。
通过车桥传动效率台架试验结果，由于不同速比下车桥的输入扭矩不同，传动效率也出现了明显差异，而当输入扭矩越接近车桥的额定扭矩时其传动效率越高。以80km/h下3.42和4.11速比下某样桥进行试验得到结果如下，小速比的传动效率更好。
2.3传动系匹配仿真计算
选取0.78（变速器最高挡速比） 3.42（后桥速比）、0.78 3.7及0.78 4.11三种组合速比方案，使用AVL-cruise软件建立车辆的动力传动系统模型（图6），包含驾驶室模块、发动机模块、变速器模块、车桥模块和车轮模块等，进行机械和数据总线连接。同时选取V-BOX设备采集的实际道路平均车速分別为了0km/h和80km/h的路谱，通过仿真计算验证不同速比组合下的燃油经济性效果，计算结果与研究变化趋势一致，即采用小速比时的燃油经济性最优（图了）。不同速比组合下的百公里油耗见表4。
上述的分析可知，应用小速比能有效提升燃油经济性，符合速比应用发展的趋势。
3传动系匹配对动力性影响
中国地形多样，总体地势西高东低呈阶梯状分布，不同海拔下的空气含氧量不同，从而影响商用车动力性。将上述车辆基本参数定义再增加1%与1.5%两种坡度进行发动机运行在万有特性曲线上的落点分析。
将速比为0.78 3.42、道路坡度为1%及车速分别为70km/h、80km/h和90km/h条件下对应的发动机运行落点通过圆圈标记，其总体储备扭矩还略有富余。保持其余条件不变，当道路坡度为1.5%时得到的发动机运行落点通过方框标记，超出发动机额定扭矩，需进行降挡操作（图8）。降挡即增加传动系速比，带来远离“经济蛋区”、增加附件损失以及降低传动效率的结果。因此，不考虑动力性而一味追求小速比的策略行不通。
4传动系匹配策略建议
综合上述分析结果，给出面向物流市场的重型商用车传动系统匹配策略建议。将用户使用划分为偏动力性及偏经济性2种。优先根据车辆时效性及成本预算确定发动机的功率范围，再结合以下传动系匹配建议进行选择（图9）。
（1）当运行线路以东西为主，海拔存在一定上下起伏的，按偏动力性进行选择。选取对应常用车速在图8中推荐区（红色区域）偏中上区域的传动系匹配。
（2）当运行线路以南北为主，海拔变动不大，道路相对平缓时，按偏经济性进行选择，选取对应常用车速在图8推荐区（红色区域）偏中下区域的传动系匹配。
5结论
本文通过分析物流市场的重型商用车传动系统速比发展趋势、发动机特性及用户使用时效性特征，给出未来传动系匹配发展预测。依据传动系匹配对动力输出、发动机附件损失及传动效率的影响，提出各使用工况下的最佳经济行驶速比组合，为整车厂商对新车型的速比匹配及用户选择提供重要参考依据。同时，本文得出如下结论。
（1）在一定范围内，应用小速比传动系统能提升燃油经济性，符合当前重型商用车速比发展趋势。
（2）设计或选择商用车传动系统速比时，应综合考虑其使用条件及运行工况，以协调动力性及燃油经济性。