汽车动力性与经济性开发及其影响因素

2015-09-04王国军王磊李远

汽车工程师 2015年7期

王国军王磊李远

（海马轿车有限公司）

近年来，中国原油产量相对平稳，而需求增长较快，进口石油数量逐年增加，能源供需矛盾日益突出，对进口石油依存度连年提高。随着中国汽车保有量的不断增长，汽车燃料消耗量在中国石油消耗中的比例还会继续提高。随着汽车油耗法规的日益严格和能源危机的加剧，在兼顾汽车动力性的前提下如何改善汽车经济性显得格外迫切，因此，动力性经济性开发工作在整车开发过程中也占据着越来越重要的地位。文章就动力性经济性的定义、评价指标、动力性经济性开发流程及动力性经济性影响因素做简要阐述，以便指导动力性经济性开发工作，为同行提供参考。

1 汽车的动力性经济性定义及其评价指标[1]

1.1 汽车的动力性

汽车的动力性系指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的、所能达到的平均行驶速度，其是汽车各种性能中最基本、最重要的性能。

1）从获得尽可能高的平均行驶速度的观点出发，汽车动力性主要可由3方面的指标来评定，即：1）汽车的最高车速；2）汽车的加速时间；3）汽车的最大爬坡度。

1.2 汽车的经济性

在保证动力性的条件下，汽车以尽量少的燃料消耗量经济行驶的能力，称为汽车的经济性。

汽车的经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃料消耗量或一定燃料消耗量能使汽车行驶的里程来衡量，常用评价指标：1）循环工况百公里燃料消耗量；2）等速行驶百公里燃料消耗量。

国内OEM乘用车常用动力性经济性评价指标，如表1所示。

表1 动力性经济性指标

2 汽车的动力性经济性开发流程

动力性经济性开发贯穿整车开发的始末，以传动系的匹配为主线，动力性经济性目标开发流程，如图1～图2所示。

1）根据市场定位、燃料消耗量限值、企业平均燃料消耗量规划等制定动力性经济性初版目标，结合对标车benchmark分析、备选发动机性能、变速器性能等确定传动匹配初步方案；

2）参考对标车变速器效率、速比、滚阻、风阻、整备质量解析、电气件能耗等，结合动力性经济性仿真分析，适当调整动力性经济性目标，修订传动匹配方案；

3）在风阻系数、迎风面积目标确定、发动机性能确认、底盘性能目标确认、电气能耗目标确认、整备质量目标及分解指标确认等工作完成以后，结合动力性经济性最终目标仿真分析，适当调整动力性经济性目标，确定最终传动匹配方案；

4）mule car（骡子车）阶段，进行发动机性能、风阻系数CFD仿真分析验收，量化目标不合格项要列入整改计划，组织mule car车动力性经济性验证，完成mule car车传动匹配报告；

5）工装样车阶段，进行底盘性能数据试验、发动机定标数据、电喷定标数据（含电气能耗）、整备质量数据、风阻系数验收，量化目标不合格项要列入整改计划，结合验收数据进行动力性经济性仿真分析、动力性经济性试验，完成工装车传动匹配报告；

6）标定数据优化、分解目标不合格项整改后，安排工装样车的第2轮动力性经济性试验，完成传动匹配验收报告，并做好量产车一致性检查，维护动力性经济性开发成果。

3 汽车的动力性经济性影响因素分析

汽车的动力性经济性影响因素主要有：整车质量、发动机转速特性、发动机附件功率消耗、传动系速比及机械效率、轮胎尺寸、车辆的行驶阻力及道路附着条件等。

3.1 整车轻量化

轻量化是改善汽车动力性经济性的重要途径之一，研究表明车重降低10%，能耗下降约6%～8%。轻量化设计主要有以下途径：轻金属、高强度钢、碳纤维等新材料的应用；汽车结构优化设计，在满足功能和性能的前提下，尽可能减少材料使用；激光拼焊、内高压成型、热冲压成型、激光焊接等先进工艺的应用。

3.2 发动机

等功率发动机具有理想的发动机特性曲线，但迄今为止还只是停留在理论层面。活塞式内燃机体积小、质量轻、价格便宜且燃料供应方便，仍是目前最适用的汽车发动机。

汽车能否获得良好的动力性经济性，发动机的技术含量往往起着决定性的作用。发动机功率的大小是发动机动力输出的最直接反映，其直接影响着车辆最高车速的高低。发动机扭矩也是衡量发动机动力输出的参数，扭矩大小影响着车辆的加速和爬坡性能[2]。

汽车的经济性跟发动机的万有特性图和各个挡位功率平衡图有关，发动机在同样转速输出同等功率情况下，燃料消耗率越低说明发动机的经济性越好。

3.3 变速器

变速器要保证在宽广的车速范围内，实现从发动机动力向汽车驱动力的最优转换，以获得在车速、爬坡性能、加速性能及经济性之间的平衡[3]。

一般来讲，汽车的动力性与经济性是统一的。若汽车动力性差，发动机就不得不经常在较大负荷下运行，这时就需要调整速比（对于自动挡，需要调整换挡点），适当提高动力性使得发动机的工作区域转向比较经济的中等负荷。若动力性过剩，发动机负荷率低，经济性差，这时就要适当降低动力性以获得汽车经济性与动力性的统一。因此，在进行动力匹配时，变速器的匹配承担着挖掘发动机动力性、经济性潜能的工作，如何协调发动机动力和车辆输出的驱动，变速器的匹配至关重要。

在进行乘用车变速器的速比设计时，通常会采用渐变速比级差，挡位越高，级差越小，这样可以尽可能降低换挡时发动机的转速波动，以获得良好的换挡舒适性、加速性和经济性。另外，变速器的挡位数越多，动力性经济性越好，通常挡位数的设置与车辆类型、布置、成本、选换挡操纵机构复杂程度、发动机性能指标等有关。

应当指出，同一车型，在不同的载荷、路况下的表现也会有差异，具体问题要具体分析。因此，在对工作在高原山区市场的车型进行动力匹配时，相对平原而言要适当提高动力性，以适应山路复杂路况，在保证动力性的同时，获得较好的经济性。

3.4 发动机附件功率消耗

发动机附件功率消耗主要包括进排气阻力损失、电气件功率消耗、转向泵功率消耗、空调系统功率消耗。发动机附件功率消耗在车辆使用中占比很大，在10%～20%左右，尤其空调系统消耗。一般在空调系统性能匹配时要求：空调系统消耗发动机功率比例不超过10%，空调系统能耗主要与空调压缩机排量、制冷量需求、曲轴皮带轮与压缩机皮带轮的传动比有关。

以某乘用车为例，空调压缩机开关空调的3个方案，其油耗数据（NEDC工况）对比，如表2所示。

表2 不同空调压缩机方案下的油耗数据

由于空调关闭工况下压缩机是不吸合的，各方案消耗差异不大，仅对方案3进行了验证。方案1的空调能耗1.9L/100km，明显过高，而方案3空调能耗1.0L/100km，属于主流水平，最终被采纳。由此可见，空调系统性能匹配时，空调系统的功率消耗是不容忽视的。

另外，液压转向系统的功率消耗也不容忽视。在国内，自主品牌由于自身或配套供应商开发的EPS电子助力转向技术还不够成熟，大部分车型还是标配液压助力转向。以某乘用车为例，该车型在拆除液压助力泵皮带前后的综合油耗（NEDC工况）数据，如表3所示。

表3 带与不带液力转向皮带的能耗对比

从测试数据来看，液压助力系统的功率消耗基本占发动机功率消耗的3%～4%左右，且是不打转向的状态。目前，合资品牌乘用车基本标配EPS，这也是节能减排技术应用趋势之一。

3.5 行驶阻力

车辆的行驶阻力包括滚动阻力、空气阻力、加速阻力及坡道阻力。通常，空气阻力主要跟迎风面积、风阻系数有关，受限乘坐空间，迎风面积很难有突破。目前空气阻力优化主要集中于风阻系数的优化，主要措施有：1）改善底盘平整度，减小发动机舱的内循环阻力；2）加速阻力，主要跟整车质量、飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量和传动系的传动比有关，整车质量组成因素较多，这里不做赘述，飞轮的转动惯量不能太小，要保证发动机运转平稳，防止怠速和起步时熄火，也不能太大，以免不必要的加速损耗，车轮的转动惯量主要受轮胎、轮辋质量影响，在保证承载的情况下，应尽可能轻量化；3）滚动阻力主要跟车重和滚阻系数有关，在综合了车辆承载能力、制动操稳性能、成本等因素后，应尽可能选用滚阻系数小的轮胎。

以某两款轿车行驶阻力优化为例，行驶阻力分别降低16.7%，13.1%；油耗分别降低5.4%，4.5%。由此可见，行驶阻力优化对经济性的改善效果非常明显。