賈文靜

(四川南駿汽車集團(tuán)有限公司，四川資陽(yáng) 641300)

0 引言

目前，市場(chǎng)上存在“大噸小標(biāo)”以及輕卡不輕等現(xiàn)象，其中影響最深的是兩軸的藍(lán)牌自卸車，由于較難通過(guò)降重來(lái)達(dá)到合規(guī)的上牌噸位，目前市面上基本已經(jīng)絕跡。為了解決這些問(wèn)題，各廠家目前都在積極采取行動(dòng)，就目前的趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)會(huì)向兩個(gè)方向發(fā)展，一是向合規(guī)的輕量化藍(lán)牌自卸車發(fā)展，二是向大噸位兩軸、三軸黃牌自卸車發(fā)展。而兩軸黃牌因?yàn)檐囕v自重大，在總質(zhì)量18 t的情況下載質(zhì)量有限，此種情況下自重較輕、總質(zhì)量25 t的輕量化三軸車必將受到市場(chǎng)及用戶的青睞。為此，本文作者開發(fā)了適應(yīng)市場(chǎng)需求的6×2輕量化三軸自卸車。

1 配置校核

1.1 配置需求

在以市場(chǎng)為導(dǎo)向的大背景下選用市場(chǎng)認(rèn)可度高的配置能有效占領(lǐng)市場(chǎng)先機(jī)。這套配置就是公司根據(jù)大量市場(chǎng)調(diào)研與用戶走訪并綜合分析而提出的，但這種給出的需求只是大的開發(fā)方向，具體的匹配設(shè)計(jì)還需要根據(jù)現(xiàn)有資源進(jìn)行分析、計(jì)算，最終形成完整設(shè)計(jì)方案。配置需求見表1。

表1 配置需求

1.2 動(dòng)力配置分析

1.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇

動(dòng)力總成的選擇主要參考競(jìng)品中同類型同級(jí)別汽車的發(fā)展趨勢(shì)、市場(chǎng)環(huán)境以及法規(guī)要求，初步對(duì)所匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)提出了以下要求：(1)需匹配200PS以上發(fā)動(dòng)機(jī)；(2)發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速：2 400 r/min；(3)發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作轉(zhuǎn)速：1 200～1 800 r/min。根據(jù)此要求，在公司可選的發(fā)動(dòng)機(jī)資源中，確定用YC4EG220-50發(fā)動(dòng)機(jī)。 該發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力參數(shù)見表2。

表2 動(dòng)力參數(shù)

1.2.2 變速箱的選擇

在發(fā)動(dòng)機(jī)確定的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩特性就同時(shí)確定，接下來(lái)分析變速箱的選擇。

變速箱最低擋最大速比對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系總速比影響較大，更是決定了整車的爬坡性能和坡道起步性能。從影響整車的燃油經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，傳動(dòng)系總速比igli0偏大時(shí)，整車后備功率就大，加速性較好，但這樣的話發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率會(huì)降低，隨著負(fù)荷率的減少，整車的百公里油耗量增加。一般匹配中，在滿足整車動(dòng)力性目標(biāo)的前提下，要求盡量降低傳動(dòng)系總速比，以獲得較好的經(jīng)濟(jì)性。但若傳動(dòng)系速比過(guò)小，整車動(dòng)力性又會(huì)變差，爬坡性能也會(huì)降低，而且容易造成用低擋跑高速，這樣反倒會(huì)使經(jīng)濟(jì)性惡化。一般的自卸汽車最大爬坡度要求在35%以上，可以根據(jù)此要求計(jì)算傳動(dòng)系總速比igli0的范圍。計(jì)算公式為

Fmax=Ff+Fimax，即

那么將整車設(shè)計(jì)需求35%爬坡度及相關(guān)設(shè)計(jì)特性參數(shù)代入后，計(jì)算結(jié)果為

igli0≥65.8

設(shè)計(jì)結(jié)合現(xiàn)有資源以及主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手和潛在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手車輛的配置情況，選用了法士特10擋變速器，各擋位速比見表3。

表3 各擋傳速比

在變速器各擋速比確定的情況下，對(duì)于傳動(dòng)系總速比的決定就由后橋主減速比來(lái)決定，后面將對(duì)速比選擇進(jìn)行分析計(jì)算。

1.2.3 后橋及后橋速比的選擇

要確定后橋速比，需先確定后橋型號(hào)，再根據(jù)資源確定主減速比。根據(jù)驅(qū)動(dòng)形式及競(jìng)品車輛數(shù)據(jù)，初步布置整車方案，具體尺寸外形如圖1所示。

圖1 尺寸外形

根據(jù)整車布置，預(yù)估滿載時(shí)整車質(zhì)心位置，初步計(jì)算整車軸荷情況。由計(jì)算結(jié)果可知，在總質(zhì)量24.5 t時(shí)后橋載荷17.1 t左右。本設(shè)計(jì)預(yù)給的457后橋額定載荷為13 t，此時(shí)超載系數(shù)為17.1/13=1.31，此數(shù)值滿足廠家對(duì)于此鑄鋼后橋允許超載135%的要求。

457橋匹配的速比資源中適用中重型自卸車的有5.286、5.833、6.33幾種。前面已經(jīng)計(jì)算得知傳動(dòng)系總速比igli0≥65.8，而變速器Ⅰ擋速比為12.09，那么i0≥5.44，所以適用此次設(shè)計(jì)的后橋速比為5.833以及6.33兩種，以下將針對(duì)此兩種速比以及前述動(dòng)力配置進(jìn)行仿真分析。除上述動(dòng)力配置外，其他參數(shù)按表4進(jìn)行設(shè)置。

表4 參數(shù)設(shè)置

2 動(dòng)力性計(jì)算

一般重型商用車動(dòng)力性能主要由滿載情況下的最高車速、加速時(shí)間、最大爬坡度3個(gè)指標(biāo)決定。

2.1 最高車速

最高車速是指無(wú)風(fēng)條件下，在水平良好的瀝青或者水泥路面上，行駛阻力與驅(qū)動(dòng)力達(dá)到平衡(功率平衡)時(shí)的穩(wěn)定車速。根據(jù)驅(qū)動(dòng)力-行駛阻力平衡原理，直接擋或最高擋驅(qū)動(dòng)力與車輛行駛阻力曲線相交點(diǎn)處的車速，便是重型商用車的最高車速。仿真的功率平衡曲線如圖2所示。

圖2 功率平衡曲線

對(duì)比結(jié)果見表5。

表5 最高車速對(duì)比結(jié)果

由結(jié)果可以看出，滿載時(shí)最高車速都達(dá)到80 km/h以上，滿足整車公路運(yùn)輸速度需求。(空載時(shí)都達(dá)到了105 km/h以上)。

2.2 加速性能

汽車的加速性能指汽車在各種使用條件下迅速增加其行駛速度的能力，一般用加速時(shí)間來(lái)表示，加速時(shí)間越短說(shuō)明加速性能越好。實(shí)際上加速性能除了原地起步加速到一定車速時(shí)間，還有超越加速性能，即一般由直接擋或超速擋從一定車速加速到某一車速的時(shí)間，表示加速性能。仿真計(jì)算從0～60 km/h所用的加速時(shí)間，結(jié)果如圖3所示。

圖3 加速時(shí)間

對(duì)比結(jié)果見表6。

表6 加速時(shí)間對(duì)比結(jié)果

兩者加速時(shí)間及加速距離差距不大，都基本符合用戶實(shí)際應(yīng)用需求。

2.3 汽車的最大爬坡度

最大爬坡度一般是汽車在滿載時(shí)在良好路面上能爬上的坡度正切值，單位為%。 因我國(guó)幅員遼闊，地勢(shì)區(qū)域差別比較明顯，為了保證汽車能正常行駛，必須使它具有一定的爬坡能力。一般規(guī)定最大爬坡度不能小于30%，對(duì)于自卸車因有工地路段，工況更加復(fù)雜，一般要求爬坡度應(yīng)不小于35%。由于變速器置于一擋時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比是最大的，所以人們通常所指的最大爬坡度都是在一擋下試驗(yàn)得出結(jié)果。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真結(jié)果

由圖可見，變速器Ⅰ擋速比一定時(shí)，后橋速比6.33情況下的爬坡度42%稍優(yōu)于5.833后橋速比下的爬坡度38%，但都滿足爬坡要求。

2.4 燃油經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)整車來(lái)講，不能完全脫離動(dòng)力性來(lái)談提高燃油經(jīng)濟(jì)性，也不能只想著提高動(dòng)力性而不顧燃油經(jīng)濟(jì)性，它們是一對(duì)矛盾體。設(shè)計(jì)時(shí)只有統(tǒng)籌考慮，均衡利弊，使汽車在保證充足動(dòng)力性的前提下有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

燃油經(jīng)濟(jì)性是指汽車在保證動(dòng)力性的前提下，以盡可能小的燃油消耗量保證整車行駛的能力，通常用一定運(yùn)行條件下車輛單位里程內(nèi)的燃油消耗量或者單位燃油消耗量?jī)?nèi)汽車的續(xù)駛里程數(shù)來(lái)衡量。

設(shè)計(jì)模擬等速百公里燃油消耗情況，即滿載情況下以高擋在良好水平路面上等速行駛 100 km的燃油消耗值，單位為 L/100 km。計(jì)算的等速百公里油耗曲線如圖5所示。

由圖可知，6.33速比下的百公里油耗為35.31，稍優(yōu)于5.833速比下的35.97。

圖5 等速百公里油耗曲線

2.5 后橋速比的確定

通過(guò)以上分析，兩種后橋主減速比的選擇對(duì)結(jié)果影響差別不是非常大，綜合結(jié)果6.33稍優(yōu)于5.833。但針對(duì)457后橋還要考慮一個(gè)比較重要的問(wèn)題就是超扭問(wèn)題。457后橋額定輸入扭矩為40 000 N·m，根據(jù)整車動(dòng)力鏈傳動(dòng)關(guān)系，后橋輸入扭矩的計(jì)算公式為

Tt=Ttqigi0μT

據(jù)此計(jì)算出的結(jié)果見表7。

表7 計(jì)算結(jié)果

考慮到6.33超扭系數(shù)較大，遠(yuǎn)大于廠家所給的極限超扭系數(shù)，綜合權(quán)衡，該設(shè)計(jì)選擇5.833后橋速比。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上選擇的動(dòng)力總成設(shè)計(jì)整車并制作了試制樣車，根據(jù)國(guó)家相關(guān)試驗(yàn)規(guī)定進(jìn)行了整套性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)照見表8。

表8 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

從表8的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比可以看到，計(jì)算結(jié)果存在一定誤差但比較小，是處于可接受范圍?？梢姺抡嬗?jì)算結(jié)果可應(yīng)用于設(shè)計(jì)指導(dǎo)，與設(shè)計(jì)目標(biāo)值比較接近。

4 結(jié)論

文中通過(guò)對(duì)6×2小三軸自卸車的設(shè)計(jì)匹配進(jìn)行仿真模擬，以使整車的動(dòng)力性匹配能達(dá)到最優(yōu)，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果比較可靠。后此車型公司進(jìn)行了批量生產(chǎn)并成功上市，至今已銷售將近三千余臺(tái)，并未有用戶對(duì)整車動(dòng)力性提出抱怨，可見整車匹配比較合理，也為后期開發(fā)類似車型提供了較好的方法提供借鑒。