传动系对工程车辆整车性能的影响

周 洋，张福生，郝楠楠

(太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024)

传动系对工程车辆整车性能的影响

周 洋，张福生，郝楠楠

(太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024)

通过积分的方法分析了传动系中主减速器传动比对工程车辆整车的动力性和燃油经济性的影响，给设计人员提升车辆燃油经济性提供理论参考。

传动系；主减速比；燃油经济性；工程车辆

0 引言

随着国内工程车辆使用量的持续增长，市场对其的认可度也显著增加，为市场提供高动力低油耗的工程车辆成为当今企业的核心目标。因此，在保证工程车辆满足工作动力的前提下，降低其燃油消耗量，可以降低车辆的使用费用、节约资源，并且减少车辆的尾气排放，净化空气，有利于操作人员的健康。车辆的主减速器传动比影响着工程车辆整车的动力性能和燃油经济性，为了给设计人员提供有效的依据，本文分析了传动系对工程车辆整车的动力性和燃油经济性的影响。

1 工程车辆动力的总体匹配

在工程车辆的设计和使用过程中，并不是选用动力性能良好的发动机和传动精度高的部件就能有效地提高车辆的性能，而是需要通过良好的匹配来有效地利用车辆的各部件才能更好地提高车辆的性能。车辆动力的总体匹配主要包括发动机与液力变矩器的匹配，以及与变速箱各档位速比的匹配。车辆的动力来源于发动机所产生的能量，通过车辆各部件的相互配合来完成相应的工作，发动机的动力传递到传动系统、工作液压系统和转向系统等。在设计工程车辆时，常通过计算出的数据来选取市场上相应的发动机等部件，这样虽然能满足动力上的需求，但是往往耗油量比较大[1]。

2 工程车辆的动力性和燃油经济性能

工程车辆动力性能的评定指标包括：车辆在水平路面的最高车速、百公里加速时间、允许的最大爬坡度。要确定车辆的动力性就要确定其行驶方向的运动状况，通过车辆受到的各种外力，可以建立车辆行驶的力平衡方程：

FT=∑F=Ff+Fw+Fi+Fj.

(1)

其中：FT、Ff、Fw、Fi、Fj分别为驱动力、滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力。

车辆燃油经济性是指在满足动力的前提下，车辆尽可能少地使用燃油而行驶的能力。车辆在行驶过程中遇到的工况有起步、等速行驶、加减速行驶以及怠速行驶等，由于外部环境对工程车辆起步与加减速工况的耗油和动力性能影响比较大，模拟总结的数据不够真实，所以本文只对等速行驶的工况耗油和动力性能进行比较与分析。车辆等速行驶工况燃油消耗量Q(mL/s)的计算公式为：

(2)

其中：P为发动机的功率，kW；ge为燃油消耗率，g/(kW·h)；va为车辆行驶的速度，m/s；ρ为燃油密度，g/mL；g为重力加速度。

3 主减速器传动比的选择及对车辆的影响

主减速器的功能是对发动机输出的转矩与转速在驱动桥内进行第二次减速增矩，可以有效地增加车辆驱动轮的转矩与转速的工作范围，使车辆能够在复杂的工作环境下运行自如。但是需要考虑动力性能与燃油经济性能，所以主减速器在匹配的过程中需要满足以下条件：

(1) 在车辆允许的最高稳定车速vmax内，主减速器传动比i0需要满足：

(3)

其中：r为车轮的半径，m;np为发动机在最高稳定车速下的转速，r/min；vmax为车辆能够达到的最高车速，km/h。

(2) 在发动机最大转速内能够发挥最大功率时，主减速器传动比i0需要满足：

(4)

其中：ne为发动机在最大输出功率点对应的转速，r/min；vemax为最大输出功率点对应的车速，km/h。

主减速器传动比需要满足式(3)和式(4)的约束条件来确定其初步的范围[2]。

主减速器传动比对车辆的整体动力性能和燃油经济性影响极大，主减速器传动比不同，发动机的输出功率也有所不同，当外部阻力功率曲线交于发动机功率曲线的最大功率点上时，该车辆的动力性能和燃油经济性是最好的，即：

(5)

其中：v为车速，km/h。

当主减速器传动比变化之后，要保证车辆还能够满足相应的速度，发动机的转速必定发生改变，导致其转矩和输出功率都有所改变。图1为主减速器传动比i0不同时车辆功率平衡图。由图1发现，当主减速器传动比的值增加时，发动机的后备功率相对增加，油耗增加，燃油经济性变差[3]。相反，当主减速器传动比的值变小时，发动机的利用功率比较高，后备功率减小，燃油经济性得到改良，但是动力性能有所降低。

图1 主减速器传动比i0不同时车辆功率的平衡图

4 工程车辆油耗和动力性能的分析

工程车辆大多是在低速或怠速状态下进行施工作业的，由于在车辆工作状态下，施工强度无法进行预测和判断，因此本文主要论述其在低速状态下行走或工作时单位时间内额定油耗。

车辆等速工作时在单位时间内油耗Qx(mL/s)的经验计算公式为：

(6)

其中：t为车辆稳定时间，s 。

车辆在稳定工作时，车速由v1提高到v2的燃油消耗量通过积分的方法可以表示为：

(7)

其中：n1为车速在v1下发动机的转速，r/min;n2为车速在v2下发动机的转速，r/min；n为发动机的额定转速，r/min。

车辆在这段提速过程中工作时的动力性能通过积分的方法可以表示为：

(8)

其中：F为车辆的牵引力，N。

图2 为主减速器传动比为i0时发动机的外特性曲线。其中，M为发动机的转矩，Q1的面积(阴影部分)代表在v1～v2之间的燃油消耗，P1(阴影部分)代表其输出功率及动力性能。

图2 主减速器传动比为i0时发动机的外特性曲线

主减速器传动比的值i0减小时,要保证车速的稳定性，由式(5)可知需要减小发动机的转速，这样就得到了如图3所示的曲线。其中，Q2和P2为i0改变之后的燃油消耗量和输出功率。对比图2与图3发现，Q2的面积比Q1减小了，P2的面积也小于P1的，说明该车辆的经济性有所改良,动力性能有所减弱。

图3 主减速器传动比i0变小后发动机的外特性曲线

5 结论

工程车辆由于不像普通轿车能够在良好的路况下行走，因此在考虑工程车辆的燃油经济性时，不能依靠百公里耗油来进行评估，而大多数是靠小时耗油来进行分析的。

车辆的主减速器传动比影响着工程车辆的动力性能和燃油经济性，当主减速器传动比减小时，发现其动力性能是有所下降的，但经济性能却有所提高。当主减速器传动比增加时，车辆的后备功率有所增加，相对动力性能有所提高，发动机的燃油消耗增加，经济性降低。所以可以考虑通过降低主减速器的传动比来提高工程车辆的经济性，降低工作成本，提高工程的收益。

[1] 林慕义，张福生.车辆底盘构造与设计[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[2] 陈继龙.汽车动力传动系统仿真的研究[D].西安:西安科技大学,2013：17-18.

[3] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2006.

Influence of Transmission System on Construction Vehicle Performance

ZHOU Yang, ZHANG Fu-sheng, HAO Nan-nan

(School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of China, Taiyuan 030024, China)

The effect of drive train on the construction vehicle performance is analyzed using the integral method, which reveals the influence of main reducer gear ratio on power performance and fuel economy of vehicles. This work provides a reference to the design personnel for improving fuel economy in the future.

drive train; main reduction ratio; fuel economy; construction vehicle

1672- 6413(2015)06- 0019- 02

2015- 05- 04；

2015- 10- 12

周洋(1989-)，男，山西临汾人，在读硕士研究生，主要研究方向为机械工程。

U461.8∶U461.2

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