張　紅，鄭澤亮（中通客車控股股份有限公司，山東 聊城　252000）

基于公交循環(huán)工況的LCK6105HGN動力系統(tǒng)匹配研究

張紅，鄭澤亮
（中通客車控股股份有限公司，山東 聊城252000）

動力系統(tǒng)匹配好壞直接關(guān)系到整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性，并且與行駛路況密切相關(guān)。本文根據(jù)實測的公交路譜，運(yùn)用相關(guān)理論和統(tǒng)計分析軟件建立城市客車行駛循環(huán)工況，并基于該循環(huán)工況，利用Cruise軟件進(jìn)行動力系統(tǒng)匹配計算。

動力系統(tǒng)；匹配計算；城市客車；循環(huán)工況

動力傳動系統(tǒng)匹配是整車設(shè)計開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，對提高整車性能至關(guān)重要。整車動力傳動系統(tǒng)中影響整車動力性和經(jīng)濟(jì)性的主要部件包括發(fā)動機(jī)、變速器、后橋和輪胎等。動力系統(tǒng)匹配的好壞，對整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性影響較大；整車的經(jīng)濟(jì)性和行駛的工況有很大關(guān)系，城市客車運(yùn)行工況復(fù)雜多變，且不同運(yùn)行路線的工況差別較大。為了更好地進(jìn)行整車動力傳動系統(tǒng)匹配，選取濟(jì)南S路公交運(yùn)營路線，采集該公交路線路譜，并構(gòu)建S路城市客車循環(huán)行駛工況，利用Cruise軟件，建立LCK6105HGN整車的仿真計算模型，并基于構(gòu)建的循環(huán)工況進(jìn)行動力傳動系統(tǒng)優(yōu)化匹配。

1　路譜采集及循環(huán)工況的構(gòu)建

1.1路譜采集

試驗設(shè)備：客車、計時器、卷尺、各種傳感器、汽車綜合性能測試儀、GPS測速儀、流量計、筆記本電腦等。

試驗地點：本次選擇路線為濟(jì)南S路公交路線。該路段單程長度約20 km，單程運(yùn)行時間50～60 min。S路線從重汽中心站到小嶺村站基本為市區(qū)行駛路線，從興隆二村站到侯家莊村委會站是盤山路線，道路狹窄，道路通行能力非常差，坡度大。

試驗數(shù)據(jù)：試驗數(shù)據(jù)可從DEVESoft軟件直接讀取，軟件監(jiān)測試驗里程18 468.2 m。統(tǒng)計紅綠燈數(shù)6個，平均停車次數(shù)32次，去程運(yùn)行時間53 min 30 s，乘客量41人；回程運(yùn)行時間46 min 52 s，乘客量39人。

為了保證測得的試驗數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確地反映車流高峰期、非高峰期、工作日、非工作日各時段的運(yùn)行情況，從總體上反映試驗車輛運(yùn)行情況，并真實反映該公交路線交通行駛特征，在S路公交路線上，選取了不同的時間段多次采集數(shù)據(jù)。

1.2構(gòu)建循環(huán)工況

將通過道路試驗采集的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、處理，提取采集數(shù)據(jù)的行駛工況特征值，主要包括平均車速、最高車速、速度標(biāo)準(zhǔn)差、平均加速度［1-3］。選取一定步長的循環(huán)工況，提取相同的行駛工況特征值，選擇相關(guān)性最好的一組數(shù)據(jù)作為該公交線路的循環(huán)行駛工況［4-7］。按照上述方法，提取的循環(huán)工況如圖1所示。

圖1　S路循環(huán)工況（速度-時間曲線）

2　LCK6105HGN動力系統(tǒng)匹配

針對城市客車的運(yùn)行特點，LCK6105HGN底盤主要配置為發(fā)動機(jī)可選YC6G230N-50、WP7NG240E51、WP6NG210E50三種，發(fā)動機(jī)主要參數(shù)如表1所示。后橋速比可選5.13、4.88兩種，變速器為QJ805，輪胎為275/70R22.5。此車型有以下幾種匹配方案，如表2所示。

表1　發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

表2　LCK6105HGN匹配方案

2.1模型搭建

LCK6105HGN整車布置形式為發(fā)動機(jī)后置，后輪驅(qū)動，利用Crusie軟件建立整車模型，并輸入整車外形尺寸、發(fā)動機(jī)、離合器、變速器、主減速器、差速器、車輪等相關(guān)參數(shù)，搭建好的整車模型如圖2所示。

圖2　LCK6105HGN整車模型

2.2仿真結(jié)果及分析

2.2.1經(jīng)濟(jì)性分析

評價汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要有循環(huán)工況百公里燃料消耗和等速百公里燃料消耗。

1）循環(huán)工況百公里燃料消耗。利用Crusie軟件中Cyle Run計算任務(wù)仿真S路公交循環(huán)工況及文獻(xiàn)［8］中規(guī)定的C_WTVC市區(qū)循環(huán)工況燃料消耗［8-9］。6種方案的C-WTVC市區(qū)循環(huán)和S路公交循環(huán)工況仿真結(jié)果如表3所示，S路公交循環(huán)工況發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況點的分布如圖3～圖5所示。圖中最上面的線為扭矩線，最下面的線為反拖扭矩線，中間圓圈周邊數(shù)字代表發(fā)動機(jī)工作點的百分比分布，圓圈里的數(shù)字表示匹配方案號。

表3　循環(huán)工況百公里燃料消耗　kg/100 km

圖3　方案①、方案②發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況點分布

圖4　方案③、方案④發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況點分布

圖5　方案⑤、方案⑥發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況點分布

圖3為方案①、方案②，即發(fā)動機(jī)YC6G230N-50匹配兩種后橋速比，運(yùn)行在S路公交循環(huán)工況上發(fā)動機(jī)運(yùn)行的工況點分布。從圖可知：方案①（圓圈中標(biāo)1區(qū)域）發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況點基本分布在經(jīng)濟(jì)區(qū)域；方案②（圓圈中標(biāo)2區(qū)域）發(fā)動機(jī)工況點向右移動，向經(jīng)濟(jì)區(qū)域偏離。

圖4為方案③、方案④，即發(fā)動機(jī)WP7NG270E51匹配兩種后橋速比，運(yùn)行在S路公交循環(huán)工況上發(fā)動機(jī)運(yùn)行的工況點分布。從廠家提供的數(shù)據(jù)可知，WP7NG240E51經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域為轉(zhuǎn)速1 100～1 400 r/min。從圖中可知：方案③（圓圈中標(biāo)3的區(qū)域）發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況點基本分布在經(jīng)濟(jì)區(qū)域；方案④（圓圈中標(biāo)4的區(qū)域）發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況點主要分布在轉(zhuǎn)速1 400～1 600 r/min，偏離經(jīng)濟(jì)區(qū)域。

圖5為方案⑤、方案⑥，即發(fā)動機(jī)WP6NG210E50匹配兩種后橋速比，運(yùn)行在S路循環(huán)工況上發(fā)動機(jī)運(yùn)行的工況點分布。從廠家提供數(shù)據(jù)可知，WP6NG210E50經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域為轉(zhuǎn)速1 200～1 400 r/min。從圖中可知：方案⑤（圓圈中標(biāo)5的區(qū)域）發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況點基本分布在經(jīng)濟(jì)區(qū)域；方案⑥（圓圈中標(biāo)6的區(qū)域）發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況點主要分布在轉(zhuǎn)速1 300～1 800 r/min，偏離經(jīng)濟(jì)區(qū)域。

2）等速百公里燃料消耗。6種方案，4檔、5檔30～80 km/h等速百公里燃料消耗如表4所示。

表4　百公里燃料消耗　kg/100 km

由表4中方案①對比方案②，方案③對比方案④，方案⑤對比方案⑥燃料消耗可知，方案①、方案③、方案⑤各檔等速百公里燃料消耗比方案②、方案④、方案⑥少。

通過以上經(jīng)濟(jì)性分析可知：方案①、方案③、方案⑤，運(yùn)行在S路公交路線上，燃料發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性相對較好。

2.2.2動力性分析

汽車的動力性評價指標(biāo)主要有最高車速、最大爬坡度及加速時間［10］。發(fā)動機(jī)功率曲線與阻力曲線相交點對應(yīng)的車速即是在良好水平路面上汽車的最高車速［10］。

利用Cruise軟件仿真得到方案①-方案⑥對應(yīng)功率平衡曲線如圖6所示，爬坡度曲線如圖7所示，最高車速及最大爬坡度數(shù)值如表5所示。

圖6　方案①-方案⑥功率平衡曲線

圖7　方案①-方案⑥爬坡度曲線

表5　各方案最高車速/最大爬坡度值

從現(xiàn)場調(diào)研的數(shù)據(jù)可知，在坡度最大的路段上，整車行進(jìn)600 m的距離，海拔上升24.88 m，選取該坡度段分析超車加速性能。仿真整車在水平道路及該坡度路段上行駛，各方案對應(yīng)的30 km/h超車加速時間如表6所示。

表6　超車加速時間s

以方案②為例，在水平道路上行駛和坡度路段上行駛，30 km/h超車加速性所對應(yīng)的曲線如圖8所示。從圖中可知：在坡度路段30 km/h超車加速，開始時，速度上升慢，49s后速度上升快。這是由于在坡度路段上30km/h超車加速初始，發(fā)動機(jī)輸出的動力一部分用于爬坡，一部分用于加速，當(dāng)加速到49 s左右時，運(yùn)行的距離為600 m左右，車輛爬上了該坡度，此后的動力主要用于加速。

圖8　超車加速曲線

2.3確定最優(yōu)匹配方案

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)是決定整個優(yōu)化結(jié)果最重要的參數(shù)，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)選擇的好壞直接影響到整個優(yōu)化的結(jié)果是否合理。為了全面考慮整車動力性、經(jīng)濟(jì)性，采取線性加權(quán)組合的方法將其轉(zhuǎn)換為單一目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行對比分析。進(jìn)行評價的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)采用綜合性能因數(shù)P的表達(dá)式［11-12］：

式中：αd為動力性權(quán)系數(shù)，λd為動力性影響因子，αe為經(jīng)濟(jì)性權(quán)系數(shù)，λe為經(jīng)濟(jì)性影響因子。

權(quán)系數(shù)決定了整車動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性所占的權(quán)重。一般來說，在匹配過程中，燃油經(jīng)濟(jì)性要比動力性更加重要一些，所以選擇的動力性權(quán)系數(shù)要小于燃油經(jīng)濟(jì)性的權(quán)系數(shù)。本文選擇動力性權(quán)系數(shù)αd=0.4，燃油經(jīng)濟(jì)性權(quán)系數(shù)αe=0.6。

由于動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的評價指標(biāo)不同，單位和數(shù)量級也都不一樣，如果通過權(quán)系數(shù)簡單地把它們進(jìn)行疊加來進(jìn)行優(yōu)化計算，評價指標(biāo)不盡合理，很難綜合評價汽車的總體性能。因此引入動力性影響因子λd和燃油經(jīng)濟(jì)性影響因子λe，來消除其他因素對整體評價的影響。

假設(shè)汽車在現(xiàn)有的匹配方案中，上文提到的理想的坡度路超車加速時間（30～60 km/h）為ti，而具體的各配置方案坡度上超車加速時間（30～60 km/h）為tf，則所建立的汽車動力性影響因子λd的表達(dá)式為

假設(shè)汽車在現(xiàn)有的匹配方案中，S路公交循環(huán)工況下，理想的燃油經(jīng)濟(jì)性的油耗為Qi，而具體各匹配方案S路公交循環(huán)工況百公里油耗為Qf，則所建立的燃油經(jīng)濟(jì)性影響因子λe的表達(dá)式為

表7　綜合性能因數(shù)

由表7可知，各組合的綜合性能因數(shù)最高為0.93，即匹配方案①綜合性能最高。最終選擇哪種方案，可根據(jù)客戶需求、整車的成本并結(jié)合表7計算的綜合性能因子而定。

3　結(jié)束語

根據(jù)實測路線路譜構(gòu)建工況進(jìn)行整車的動力系統(tǒng)匹配，對整車廠進(jìn)行動力傳動系統(tǒng)匹配研究具有重要的意義，對于一些運(yùn)行工況復(fù)雜的公交路線，整車廠可以提前進(jìn)行路譜采集，根據(jù)采集的路譜定制該公交路線的動力傳動系統(tǒng)匹配方案。

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修改稿日期：2016-04-19

Research on Matching of LCK6105HGN Powertrain System Based on Bus Driving Cycle

ZhangHong，ZhengZeliang
（ZhongtongBus HoldingCo.，Ltd，Liaocheng252000，China）

The matchingofpowertrain systemis directlyrelated tothe vehicle's power and economy，and alsoclosely related to the driving road conditions.According to the measured bus road spectrum，the authors establish the bus driving cycle by using the relevant theory and statistical analysis software，and match and calculate the powertrain systemwith Cruise software based on this cycle condition.

powertrain system；match and calculation；citybus；cycle condition

U461.2

A

1006-3331（2016）04-0004-05

張紅（1986-），女，碩士；助理工程師；主要從事客車發(fā)動機(jī)周邊布置設(shè)計及動力匹配研究工作。