張宏超 朱玉剛 付永剛 張有祿 劉雙喜 高海洋

（中國汽車技術研究中心天津300300）

基于臺架的整車傳動系阻力梯度測試方法研究

張宏超 朱玉剛 付永剛 張有祿 劉雙喜 高海洋

（中國汽車技術研究中心天津300300）

汽車燃油經(jīng)濟性越來越成為消費者所關注的問題，同時，為解決環(huán)境污染和能源安全問題，我國已發(fā)布第四階段乘用車燃料消耗量限值法規(guī)，整車經(jīng)濟性成為法規(guī)約束指標。為了向整車經(jīng)濟性優(yōu)化提供研發(fā)數(shù)據(jù)支撐，基于四驅(qū)動力總成試驗平臺，在動力總成臺架試驗室內(nèi)還原了整車正常行駛狀態(tài)，通過階梯式分布測試方法，研究了車輛動力總成和傳動系中各個動力傳動單元在動力輸出過程中的阻力分布狀況，建立了整車傳動系阻力梯度測試方法。研究表明，該方法可以量化各部件對于傳動系自身阻力的影響，為解決傳動系中效率短板提供了數(shù)據(jù)與測試方法支持。

動力總成傳動系內(nèi)阻力測試

引言

隨著第四階段乘用車燃料消耗量限值法規(guī)的發(fā)布，汽車燃油經(jīng)濟性越來越成為汽車技術發(fā)展的焦點、難點。要求除了依傳統(tǒng)方法對發(fā)動機燃燒技術、變速器控制技術、動力總成以及整車匹配技術等大方向上進行技術改進外，傳動系自身效率也成為技術改進的重要環(huán)節(jié)。

車輛傳動系能量損耗大小直接影響到發(fā)動機的輸出功率能否順利傳遞到輪端，成為車輛前進的直接動力[1]。本文基于四驅(qū)動力總成臺架，建立了虛擬整車環(huán)境，通過臺架測試整車傳動系統(tǒng)中各個組分阻力變化規(guī)律及在傳動系所占比重，了解車輛在行駛過程中發(fā)動機輸出功率在傳動系統(tǒng)中的損失情況。

1 基于臺架的整車測試平臺

1.1 車輛傳動系能量損耗

節(jié)能減耗已成為當前汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向。圖1所示為整車能量損失示意圖，其中，發(fā)動機損失占62.4%，傳動系損失占5.6%。隨著發(fā)動機技術的不斷成熟，依托發(fā)動機技術提升燃油經(jīng)濟性的成本越來越高。隨著新能源車輛逐漸進入市場，發(fā)動機使用率占比會有所降低，此時，整車傳動系統(tǒng)的能量損耗必然成為人們關注的重點[2]。

圖1 傳動系統(tǒng)損失

1.2 四驅(qū)動力總成臺架

目前，國內(nèi)關于車輛傳動系統(tǒng)阻力測試的研究力度不足。已有的測試方法中，被測對象僅限于相對獨立的測試單元，如單獨的傳動軸效率及阻力損失測試、單獨的變速器傳動效率測試、單獨的發(fā)動機倒拖阻力測試等。

本文基于AVL而改造的四驅(qū)動力總成測試平臺如圖2所示，在實驗室中還原整車原始狀態(tài)，使車輛傳動部件測試環(huán)境更加真實、有效。在完整的車輛狀態(tài)下完成測試過程，了解各個部件的阻力分配狀況，得到阻力分配比例[3]，分析動力傳動系零部件開發(fā)、改善潛力。

圖2 動力總成測試平臺

本四驅(qū)動力總成臺架可用于輕型汽車變速器、動力總成的性能試驗、開發(fā)試驗，整車燃料消耗量、排放、動力性試驗以及整車傳動系統(tǒng)阻力測試等；試驗臺架系統(tǒng)可測試獨立的變速器系統(tǒng)，也可對發(fā)動機+變速器組成的動力總成進行試驗。它可以連接發(fā)動機、變速器電子控制系統(tǒng)，使動力總成處于虛擬車輛環(huán)境中，模擬汽車道路試驗工況，為自動變速器的開發(fā)試驗、自動變速器控制系統(tǒng)驗證試驗等提供了豐富的測試手段。

主動測功機系統(tǒng)采用AVL Dyno Prime模塊，它可以模擬發(fā)動機的動態(tài)工況，根據(jù)自動變速器CAN總線命令對其輸出扭矩、轉(zhuǎn)速進行實時調(diào)整，以真實地模擬車輛行駛過程中發(fā)動機與變速器的互動機制[4]。負載測功機系統(tǒng)采用AVL Dyno Train模塊，包括四個測功機，以模擬四驅(qū)車輛的四驅(qū)工況。它可以靈活調(diào)整工作模式，如只用兩個電機進行兩驅(qū)車用自動變速器測試等。

1.3 虛擬整車環(huán)境的建立

基于動力總成臺架，根據(jù)整車參數(shù)建立目標車輛的動力學模型，通過車輪支撐軸承實現(xiàn)傳動系各軸承在實際道路狀態(tài)下負載模擬，建立基于車速的通風系統(tǒng)以模擬道路環(huán)境下的整車散熱環(huán)境。

1.3.1 道路阻力仿真測試方法

道路阻力仿真測試方法，即通過基于臺架的虛擬車輛環(huán)境，對車輛油門大小進行控制來實現(xiàn)對發(fā)動機運行狀態(tài)的監(jiān)控，同時，車輛動力學模型實時運算車輛運行中的行駛阻力并通過負載電機加載到車輛輪轂上，此模式能夠較好地還原車輛在道路上的行駛狀態(tài)，完成車輛動力性、經(jīng)濟性評價及匹配任務。

1.3.2 基于整車環(huán)境的阻力梯度測試方法

阻力梯度測試方法，即通過分段式測量基于整車重量承載狀態(tài)下的傳動系各部件自身阻力，基于數(shù)據(jù)分析建立傳動系的內(nèi)阻阻力鏈，并通過控制負載電機轉(zhuǎn)速來達到測試車輛在不同車速下的機械阻力損失水平。

2 基于整車的傳動系阻力梯度測試

試驗采取反拖模式，通過測功機反拖動力總成系統(tǒng)，用輪端扭矩法蘭測量反拖阻力大小。測試工況分布見表1。

表1 測試工況分布

為了能夠使所有的測試數(shù)據(jù)具有橫向可比性，測試工況同時選取發(fā)動機轉(zhuǎn)速為：1000r/min、2000r/min、3 000 r/min、4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min，如表1中○所表示的工況點。當測試單元不涉及發(fā)動機轉(zhuǎn)速時，通過速比換算為相應的輪端轉(zhuǎn)速，如表1中●所表示的工況點。

3 傳動系阻力試驗及分析

車輛動力總成及傳動系統(tǒng)阻力按部件可分為發(fā)動機內(nèi)阻力、變速器阻力、傳動軸阻力、輪轂阻力等。通過使用阻力梯度的概念，解析各部件在不同工況下的阻力情況，為提高系統(tǒng)效率提供數(shù)據(jù)支撐。

3.1 動力總成系統(tǒng)阻力

試驗過程中，使離合器處于結(jié)合狀態(tài)，不同的變速器分別掛入相應檔位[5]。動力總成系統(tǒng)阻力變化趨勢如圖3所示。

圖3 發(fā)動機+傳動系阻力

由圖3可知，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增大，動力總成系統(tǒng)阻力損失隨之增大；隨著擋位的增大，動力總成系統(tǒng)的傳動阻力損失亦隨之增大。由系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)速升高導致各軸承連接處的摩擦損失和變速器箱體內(nèi)攪油阻力損失增大，成為影響動力總成系統(tǒng)內(nèi)部阻力變化的重要因素。

3.2 傳動系阻力

傳動系阻力損失即為能量由發(fā)動機輸出之后的能量消耗。試驗過程中完全踩下離合器踏板，使變速器完全脫離發(fā)動機[6]。傳動系統(tǒng)阻力變化趨勢如圖4所示。

圖4中的傳動系阻力變化趨勢與圖1的趨勢基本相同，此時的能量損失基本在變速器攪油阻力損失以及變速器內(nèi)的齒輪嚙合引起的能量損失上。

以上二者的阻力損失差即為發(fā)動機內(nèi)的反拖阻力損失。

3.3 輪轂及制動殘余阻力

圖4 傳動系阻力

將驅(qū)動軸卸下，使輪轂與變速器脫離開，單純地測量出輪轂阻力。輪轂阻力主要由輪轂軸承內(nèi)阻力以及輪轂與剎車片之間的制動殘余力組成，因此，需測量出輪轂卸下剎車片的阻力以及帶有剎車片的輪轂阻力，二者之差即為車輛輪轂上損失的制動殘余阻力。輪轂軸承阻力的變化趨勢如圖5所示，輪轂與剎車片之間的制動殘余力的變化趨勢如圖6所示。

圖5 輪轂軸承阻力

圖6 制動殘余力

圖5 與圖6分別表示各個檔位下車輛輪轂軸承及制動殘余力損失功率特性，其中輪轂軸承損失規(guī)律較為明顯且與之前趨勢相一致；由于制動殘余力相對較小，測量誤差占比相對較大，導致?lián)p失曲線相對紊亂，但基本趨勢依然明顯。

圖7-圖11分別表示一至五檔時各阻力（摩擦功）占比的變化趨勢。

圖7 一檔摩擦功占比

圖8 二檔摩擦功占比

圖9 三檔摩擦功占比

圖10 四檔摩擦功占比

圖11 五檔摩擦功占比

從這些圖中可見，各個檔位下，發(fā)動機摩擦阻力遠遠大于其他阻力，其中在一檔下的阻力占比均超過80%，部分轉(zhuǎn)速下甚至達到90%。但隨著檔位的增大，發(fā)動機摩擦阻力所占的比重逐漸降低，其他各阻力占比隨之增大，其中變速器+驅(qū)動軸阻力變化最為明顯，此阻力成為除發(fā)動機阻力外最大的阻力。輪轂軸承阻力變化不大，但在五檔低轉(zhuǎn)速下依然占到10%左右的比重。作為傳動系阻力中最小的阻力，制動殘余力與其他傳動系阻力相比微乎其微,僅占總阻力的2%左右，基本可以忽略。

4 結(jié)論

1）建立了基于動力總成臺架的整車傳動系阻力測試平臺，為整車傳動系阻力測試及阻力梯度分析提供了必要的測試手段。

2）整車傳動系各部件阻力大小均隨檔位及轉(zhuǎn)速的增大而變小，但制動殘余力存在測試誤差。

3）傳動阻力占比大小為：發(fā)動機摩擦阻力＞變速器+驅(qū)動軸阻力＞輪轂軸承阻力＞制動殘余力。發(fā)動機摩擦阻力在傳動系阻力中占有絕對比重（超過75%），制動殘余力阻力相對較小，可以忽略。

1余志生.汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009

2楊立昆，李和言，馬彪，等.車輛傳動系統(tǒng)分類與演變規(guī)律研究[J].機械設計與研究，2013，29（4）：42-47

3Chris Manzie,Harry Watson,Saman Halgamuge，etl.Fuel economy improvements for urban driving：Hybrid vs.intelligent vehicles.Transportation Research Part C,2007,15：1-16

4李宗帥，董春，劉顏，等.國內(nèi)外電力測功機發(fā)展現(xiàn)狀[J].電機與控制應用，2007，34（5）：1-4

5葛勝迅，汪旭明，白俊超，等.發(fā)動機阻力矩測試方法研究[J].汽車科技，2013（5）：29-32

6Zhan Zhangsong,Yang Zhengjun,Liu Xingchun,et al.Optimization design and match research of vehicle powertrain parameters[J].Automobile Technology,2007(3):17-20

Research on Resistance Test Method of Vehicle Drive System

Zhang Hongchao,Zhu Yugang，F(xiàn)u Yonggang,Zhang Youlu,Liu Shuangxi,Gao Haiyang
China Automotive Technology and Research Center(Tianjin,300162,China)

Automobile fuel economy became an issue consumers concerned and China has published the fourth stage passenger car fuel consumption limits for environmental issues and energy security.In order to provide data to optimize the vehicle economy performance,this paper simulated the normal vehicle driving state in 4WD powertrain bench lab and studied the resistance distribution in powertrain system and drive line with cascade test methods.The research shows that this method can quantify the self-resistance contributions of transfer unit in driveline system and provide the data and testing support for vehicle economy optimization.

Powertrain,Drive line,Self-resistance,Test

U463.21

A

2095-8234（2016）05-0008-04

2016-07-29）

張宏超（1981—），男，博士，主要研究方向為內(nèi)燃機與動力總成電控技術及測試技術。