馮 政

（中國重汽集團(tuán)大同齒輪有限公司， 山西 大同 037005）

引言

隨著現(xiàn)如今重卡運貨量的增加和對經(jīng)濟效益的追求，對汽車動力性與燃油經(jīng)濟性的要求越來越高，而這些要求在很大程度上取決于動力系統(tǒng)參數(shù)的合理匹配，一個好的匹配的傳動系統(tǒng)可以使發(fā)動機經(jīng)常在其理想工作區(qū)附近工作，可有效減輕發(fā)動機磨損，減少燃油消耗，提高使用壽命。本文通過對重卡動力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行匹配計算分析，探索重型卡車動力傳動系統(tǒng)匹配計算的通用方法。

1 汽車的動力傳動裝置概述

1.1 汽車傳動系統(tǒng)簡述

傳動系統(tǒng)是與汽車發(fā)動機協(xié)同工作的，以保證汽車在不同的工況下正常行駛，并有良好的燃油經(jīng)濟性和動力性，具體見圖1。

圖1 汽車動力傳動示意圖

傳動系統(tǒng)的布置方案通常為5種：發(fā)動機前置前輪驅(qū)動、前置后輪驅(qū)動、后置后輪驅(qū)動、中置后輪驅(qū)動和全輪驅(qū)動。通常重型卡車為發(fā)動機前置后輪驅(qū)動。

1.2 汽車的驅(qū)動力與行駛阻力

1.2.1 汽車的驅(qū)動力

汽車的驅(qū)動力即為驅(qū)動汽車的外力，由汽車發(fā)動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系統(tǒng)傳至驅(qū)動輪上，并在驅(qū)動輪上產(chǎn)生一對圓周力，此時地面對驅(qū)動輪產(chǎn)生反作用的外力，該外力為驅(qū)動汽車的動力故稱為汽車的驅(qū)動力。其數(shù)值可用公式（1）來表達(dá)，即：式中：r為車輪半徑；Ttq為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩；ig為變速器傳動比；i0為主減速器傳動比；ηT為傳動系機械傳動效率，取 0.85。

1.2.2 汽車的行駛阻力

汽車的總阻力表示為式為：

其中，對于重型卡車，空氣阻力Ff可忽略不計，其他各阻力在動力性計算中相應(yīng)的理論公式如下：

1）滾動阻力Fw=mgfcosα。式中f為滾動阻力系數(shù)，α為坡度角；m為卡車質(zhì)量。

2）坡度阻力 Fi=mgsinα。

2 重型卡車動力參數(shù)的選擇

發(fā)動機的動力參數(shù)指發(fā)動機的功率和傳動系的傳動比。

2.1 發(fā)動機功率的選擇

重型卡車選擇發(fā)動機時，根據(jù)重型卡車的最高車速確定應(yīng)有的功率。因為最高車速越高，要求的發(fā)動機功率越大，汽車后備功率大，加速與爬坡能力必然較好。

選擇發(fā)動機功率應(yīng)約等于但不小于以最高車速行駛時行駛阻力功率之和，對于重型卡車，由于其最高車速及加速性要求都比較低，所以可忽略空氣阻力，計算公式：

式中：m為汽車的質(zhì)量；f為滾動阻力系數(shù)，一般取0.02；ηT為汽車傳動系統(tǒng)的傳動效率，取 0.82～0.85。當(dāng)車速小于50 km/h時，f可取常數(shù)；當(dāng)車速超過50km/h時，f則表示成車速ua的線性函數(shù)f=f0+kua。式中：f0表示滾動阻力系數(shù)中的常數(shù)項。uamax為汽車最高速度，即uamax=150 km/h。

最后結(jié)合重卡的使用用途即可得出發(fā)動機的應(yīng)有功率，但是這樣得出的發(fā)動機功率還不能完全滿足重卡的使用，必須還得增加一部分儲備功率，也就是要給發(fā)動機確定一定的負(fù)荷率，其范圍一般在75%～90%之間，即可得出發(fā)動機的額定功率。

2.2 最小傳動比的選擇

傳動系統(tǒng)總傳動比是傳動系統(tǒng)中各部件傳動比的乘積[1]，即：

式中：i0為主減速器傳動比；ic為分動器或副變速器的傳動比。

假定變速器的最小傳動比為1時，即直接擋。根據(jù)汽車功率平衡圖2來討論主減速器傳動比，圖中有水平路面行駛阻力功率曲線，并畫了3種不同主減速器傳動比情況下所確定的發(fā)動機功率。

首先先討論最高車速uamax。先假設(shè)發(fā)動機功率曲線 1、2、3的最高點所對應(yīng)的車速分別為 ua1、ua2、ua3，且 i1＜i2＜i3。當(dāng)主傳動比為 i2時，阻力功率曲線正好與發(fā)動機功率曲線2交在其最大功率點上。如把發(fā)動機最大功率時的車速稱為ua2，則有uamax2=ua2。而裝另外兩種傳動比的主減速器時的發(fā)動機功率曲線與阻力功率曲線的交點不在最高點處，且最高車速均小于uamax2。所以i0選擇到汽車的最高車速相當(dāng)于發(fā)動機最大功率點的車速時，此點車速為汽車的最高車速。

再討論汽車的后備功率。當(dāng)主傳動比為i1時，發(fā)動機功率曲線1在曲線2的右方。uamax1＜uamax2，后備功率也比較小，即汽車的動力性比主傳動比為i2時要差。不過發(fā)動機功率利用率較高，燃油經(jīng)濟性較好。當(dāng)主傳動比為i3時，發(fā)動機功率曲線3在曲線 2 的左方，此時 ua3＜uamax3，雖然 uamax3＜uamax2，但是汽車的后備功率卻有較大的增加，即動力性加強，但燃油經(jīng)濟性較差。

圖2 汽車功率平衡示意圖

所以選定汽車的最小傳動比的時候應(yīng)根據(jù)車輛的使用條件來選定，對于重型卡車特別是礦上用車，應(yīng)多注重汽車的動力性，即應(yīng)選在與曲線3接近處，應(yīng)有較大的后備功率。一般的重型卡車的主傳動比在6～7之間，為分析方便將主減速器傳動比i0定為6.72，即最小傳動比。

2.3 最大傳動比的選擇

最大傳動比在選擇時，由于主減速器的傳動比i0已經(jīng)確定，故最大傳動比的確定就是對變速器Ⅰ擋時傳動比的確定。最大傳動比的選擇方法有三種。即：根據(jù)最大爬坡度確定變速器第I擋速比；根據(jù)驅(qū)動輪與路面的附著力確定第I擋速比；根據(jù)最低穩(wěn)定車速確定第I擋速比。

該意見強調(diào)，發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)要重點做好以下幾項工作：一是加強關(guān)鍵技術(shù)和裝備研發(fā)，二是提高工程技術(shù)水平，三是培育海水淡化產(chǎn)業(yè)基地，四是組建海水淡化產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，五是實施海水淡化示范工程，六是建設(shè)海水淡化示范城市，七是推動使用海水淡化水，八是完善海水淡化標(biāo)準(zhǔn)體系。

以上三種方法所得結(jié)果不相等時以最小值為最大傳動比。

根據(jù)我國公路路線設(shè)計規(guī)范，預(yù)選定其爬坡度θ約為17°，發(fā)動機額定功率Pe為527 kW，額定功率下的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。發(fā)動機輸出額定轉(zhuǎn)矩Ttqmax為3 355.2 N·m，額定扭矩時輸出轉(zhuǎn)速為1 500 r/min?？傻茫?/p>

式中：W為汽車重力做的功；i0為主減速器的傳動比；θ為爬坡度。

3 變速器的設(shè)計

在變速箱設(shè)計中，不同類型的汽車具有不同的傳動系擋位數(shù)，因為擋位數(shù)越多，增加發(fā)動機發(fā)揮最大功率附近高功率的機會，會提高發(fā)動機的加速與爬坡能力，并且還能增加發(fā)動機在低燃油消耗區(qū)工作的可能性，降低油耗。其中擋數(shù)的多少還影響到擋與擋之間的傳動比值，比值過大會造成換擋困難，一般比值不宜大于1.7～1.8。因此最大傳動比與最小傳動比之比值越大，擋位數(shù)也應(yīng)越多。大部分重型卡車上的變速器都采用6到十幾擋，以適應(yīng)復(fù)雜的使用條件，使汽車具有足夠的動力性與良好的燃油經(jīng)濟性。

按主副箱分配形式確定分段式傳動比。主箱傳動比分配，令主箱ig5=1，取ig1=ig6=3.32。則為常數(shù)，也就是主箱傳動比之間公比，q=

副箱傳動比分配，低速擋if：

式中：S1為組合式變速器主箱各擋傳動比的平均值。

if與q5計算所得數(shù)值相差不大，即副箱直接擋傳動比為1。

各擋速比極差大小相近均小于1.8，換擋輕便，滿足雙中間軸變速器速比極差小的要求，見表1。

表1 速比極差

4 重型卡車的動力性分析

分析汽車的動力性，就是確定汽車沿行駛方向的運動情況。根據(jù)力的平衡關(guān)系可以得出一個平衡方程，即汽車的驅(qū)動力與行駛阻力的平衡方程（5）[2]。

式中：Ft為驅(qū)動力；∑F為行駛阻力之和。

方程建立以后即可估算出汽車的最高速度、加速度和最大爬坡度，見表2。

表2 發(fā)動機的參數(shù)

汽車行駛時,發(fā)動機功率和汽車行駛時的阻力功率也是相互平衡的,即在汽車行駛的每一瞬間,發(fā)動機發(fā)出的功率始終等于機械傳動和全部運動阻力功率。

從以上的分析可以簡單地得出評價汽車動力性指標(biāo)的結(jié)果，即汽車的最高速度、最大爬坡度和最大加速度。在進(jìn)行汽車的動力性計算時，先做如下分析。根據(jù)汽車的行駛特性方程可得式（6）[3]，即

式中：AD為汽車迎風(fēng)面積；CD為風(fēng)阻系數(shù)為加速阻力；f為滾動阻力系數(shù)；α為爬坡角；rd為車輪滾動半徑；η為傳動效率；μ為車速；n為轉(zhuǎn)速。a、b、c為待定系數(shù)，可由下式得出，即：

式中：Ttqmax為最大輸出扭矩；Tp為最大輸出功率；nt為最大輸出轉(zhuǎn)速時的扭矩；np為最大輸出功率時的轉(zhuǎn)速。

δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，δ＞1。根據(jù)公式（7）估算δ值。

把式（8）代入式（6）整理得式（9），即：

公式（9）可以反應(yīng)汽車在克服外界其他阻力之后所具有的加速能力，可用來計算出評價車輛的動力性指標(biāo)。

1）汽車的最高速度uamax=150 km/h，在實際汽車行駛過程中，最高車速低于150 km/h。

2）汽車的最大爬坡度imax。汽車的最大爬坡度一般都是在最低擋穩(wěn)定車速時來進(jìn)行測定的。為了簡化，設(shè) f=f0，則公式（6）可變成：

兩邊再分別以u為自變量求導(dǎo)，得：

當(dāng)f0=0時，sinα=E。但事實滾動阻力總是存在的，并且滾動阻力系數(shù)愈大，汽車爬坡能力愈小。以此對上式中取負(fù)號可得汽車的最大爬坡角。即：

又因f0遠(yuǎn)小于1，1+f02≈1，上式可簡化成：

經(jīng)計算得最大爬坡度約為21°，即符合設(shè)計的要求。

3）最大加速度 jmax。運用公式（12）[4]并結(jié)合以上計算結(jié)果，可得

5 結(jié)語

隨著現(xiàn)如今高速公路和經(jīng)濟快速發(fā)展，中國重卡市場需求量已居世界之首，而重卡動力性與燃油經(jīng)濟性的好壞，在很大程度上取決于發(fā)動機的性能和傳動系統(tǒng)參數(shù)的選擇。本文通過對重型卡車高速和多載需求情況的了解，確定卡車的空載質(zhì)量、額定載荷和最高車速，完成發(fā)動機功率、各擋傳動比的計算，設(shè)計出了重型卡車動力系統(tǒng)的匹配方法，該匹配能有效的滿足重卡車輛作業(yè)的高效率、低成本、安全無損，壽命加長，實現(xiàn)了重卡的經(jīng)濟與多載并存，提升了市場競爭力。

（編輯：趙婧）