大马力水泥搅拌车匹配大扭矩六档箱技术研究

陈林，章应雄，代祥波，王金胜（东风商用车有限公司商用车技术中心，武汉，430056）



大马力水泥搅拌车匹配大扭矩六档箱技术研究

陈林，章应雄，代祥波，王金胜
（东风商用车有限公司商用车技术中心，武汉，430056）

摘 要：利用Cruise软件创建了适合大马力水泥搅拌车的武汉工况仿真模型，进行了大六档箱的优化匹配仿真计算分析，同时从档位利用率和级差排布及离合器系统匹配角度，研究了大马力水泥搅拌车匹配大六档箱的可行性，然后对优选方案进行试验验证，试验数据证明优配后的两种大六档箱，比原配九档箱要省油，同时动力性也满足使用要求，可以匹配使用。

关键词：水泥搅拌车；武汉工况模型；大六档箱；仿真分析；级差排布；优化匹配

陈 林毕业于武汉理工大学车辆工程专业，本科学历，现任东风商用车技术中心底盘部总布置项目工程师、高级工程师，研究方向：底盘总布置及设计。曾获东风公司科技进步一等奖2项。

前言

一方面是城市大规模旧城区改造和以大城市为中心的城市群发展战略的实施，一方面是可持续发展战略要求：环境保护和经济建设要同步、协调发展。在筑路和建筑施工过程中，为保障混凝土质量，同时保护环境，规定施工工地禁止露天人工混凝土搅拌作业[1]，常设有专门的混凝土搅拌站，然后利用水泥搅拌车运输混凝土，在运输过程中不断搅拌，保证混凝土质量，到工地后可以直接浇注。正是基于这样的市场环境，大容积、大马力水泥搅拌车的需求近年来不断增长。作为重型汽车的一种，需要考虑怎样才能既满足用户市场的需求，又能提高燃料利用率，以减少对环境的污染，这是大马力水泥搅拌车设计过程中要考虑的问题。要动力性好，只要发动机有足够大的马力和扭矩就容易实现，可是要燃油经济性好，除了要求发动机本身燃油消耗率小之外，还要求发动机在实际行驶中能尽量多的处于燃油消耗率较低的经济区，而想要达到这个目标，选择合适的发动机和匹配最优的传动系参数，才能实现整车动力性和燃油经济性的的目标，而在目前国内大马力发动机资源有限的情况下，研究如何合理的匹配动力传动系统，则成为改善汽车动力性，提高燃料利用率的重要措施。

1　国内外发展现状

国外从上世纪七十年代开始相关方面的研究，陆续推出一些应用软件，如通用的GPSIM，福特的TOFEP，Cummins的VMS，日产的CSVFEP等，目前大家公认比较成熟的商业软件还是奥地利的AVL-Cruise和美国GAT公司的GTDRIVE[2]。国内上世纪八十年代开始部分高校与企业合作在汽车动力匹配上做了一些研究，国内汽车厂家如东风汽车公司、重汽集团、陕汽等采用了AVL-Cruise和GT-DRIVE软件应用到整车开发中，积累了一些经验，收到一定效果，但还有些问题有待研究解决，比如国外软件里定义的工况都是针对欧美国家汽车使用市场而研究定义的，与国内实际使用工况差异很大，国内车企无法直接借用，还需要依据各自的实际工况进行研究分析，对于水泥搅拌车的使用工况更是如此，甚至连国外的商业软件也鲜有论述，因此更值得深入研究。

2　大马力水泥搅拌车动力传动系统优化匹配的研究内容

大马力水泥搅拌车动力传动系统优化匹配是根据整车使用条件和要求，如路况条件、载重量、最高车速、常用车速等，通过选择合适的发动机型号及排量、变速箱型式（速比范围档位数、速比级差）、驱动桥速比，轮胎类型及尺寸等，以得到较好的整车动力性和燃油经济性。

2.1 鉴于国内车用大马力发动机资源有限，一旦选定合适的发动机型号及排量，优化匹配工作主要在动力传动系统中开展。

2.1.1首先建立目标函数，取大马力水泥搅拌车的多工况燃油消耗和最高挡及次高档的等速百公里油耗作为目标函数。然后选定变速箱各档速比、后桥速比作为设计变量；设定整车动力性要求如最大爬坡度，变速箱速比级差分布规律，道路附着条件作为约束条件；应用AVL-Cruise软件分析、比较动力性、经济性指标的计算结果。搭建模型如图1所示：6X4水泥搅拌车模型。

图1　6X4水泥搅拌车模型

对于普通的公路用车（如牵引车、载货车）一般的六工况就可以作为典型多工况燃油消耗的模拟工况，然而对于水泥搅拌车，根据对武汉市区水泥搅拌车实际使用工况的跟踪记录，跟踪测试水泥搅拌车分别选择国外进口车和国内车企生产车辆（采用两种不同的变速箱，其余配置完全相同）。可以发现依据现有六工况油耗评价方法计算的油耗与实测值差距很大，最大差值达28%，详见表1，显然已不适合水泥搅拌车的工况，有必要结合水泥搅拌车工地实际运行情况，构建一个新的循环工况油耗评价模型[3]，以下简称武汉工况模型。

首先对一款进口大马力水泥搅拌车进行跟踪研究，在整个循环工况，测量了一个完整的用户运营工作循环。包含：在水泥搅拌站装水泥、运输到工地、等待和卸载水泥、空载返程。

分析后发现如下特点：

从表1水泥搅拌车不同运行工况耗时统计值可以看出，怠速运行时间很长，道路运输时间很短（此次试验怠速运行时间占86%，道路运输时间占14%）。怠速低的发动机会有很大的燃油经济性优势。

表1　水泥搅拌车不同运行工况耗时统计表

基于上述分析建立了水泥搅拌车武汉模拟工况模型，充分考虑水泥搅拌车怠速工况用时在整个运行时长中占的比例较大（约占80%）的特点，详见图2：

图2　武汉工况模型简图

依据武汉工况模型进行的仿真分析计算结果与实测值误差在1%~6%左右，而依据六工况进行的仿真分析结果和实测值相差13%~28%，说明与六工况相比，武汉工况模型与实际工况更接近，详见表2两种仿真工况计算油耗比较。

2.1.2变速箱档位匹配分析

国内大马力（300马力以上）水泥搅拌车一般都匹配8档及8档以上变速箱，一般情况下档位数多，增加了发动机发挥高功率、大扭矩的机会，提高了加速与爬坡能力，也增加了发动机在经济区工作的机会。但对水泥搅拌车而言，由于最高车速法规要求不超过50 km/h，受罐体限制也不存在严重超载，因此水泥搅拌车对动力性要求不象其它运输车辆那样高，同时比较进口大马力水泥搅拌车，分析其普遍匹配6档变速箱，与国内明显不同。而且匹配的这种6档变速箱，比普通6档变速箱最大允许输入扭矩更大，速比覆盖范围更广，以下简称这种6档变速箱为大六档变速箱。虽然与普通6档箱有所不同，但仍比匹配8档、9档箱操纵更方便（因为档位更少，不存在高低档转换装置），同时由于减少了2~3个档位，价格也更便宜，是否值得借鉴，下面将展开详细的研究分析。

在正常行驶情况下，如图3所示是大马力水泥搅拌车匹配9档变速箱时的档位使用图。经过数据统计处理，得到表3各档使用时间百分比，可见：9档箱中1档与5档使用频率极低(红色区域)，分别为1.2%和1.9%，对应速比分别为12.65和3.4，若去掉这两个使用率很低的速比，则常用速比范围为8.31~1.00，大6档箱要应对的速比范围就缩小许多。

图3　水泥搅拌车档位使用图

表2　两种仿真工况计算油耗比较

表3　各档位使用时间百分比

2.1.3初步确定变速箱速比范围及后桥速比

初选6种不同型号的大六档变速箱（变速箱最大允许输入扭矩都大于发动机最大输出扭矩的六档箱），分别以A、B、C、D、E、F型为代号，匹配8种后桥速比，通过Cruise软件分别进行经济性、动力性仿真分析计算，与原配的G型9档箱对比分析。

进行经济性仿真分析计算的多工况模型采用前面定义的武汉工况模型。

由表4可见：配G型箱（原9档箱）时油耗最高(红色区域)，配头档速比小于8的变速箱时经济性较好(绿色区域)。

考虑到水泥搅拌车对爬坡能力和最高车速要求不高，若以最大爬坡度大于20%，车速大于78 Km/h作为动力性指标，如表5匹配不同变速箱、后桥速比时最高车速（Km/h）、最大爬坡度(%)对比所示，蓝色区域同时满足经济性及动力性的要求，即头档速比小于8，带超速档的大6档变速箱，后桥速比在5.571~6.83之间匹配较合理。

依据上述的仿真分析计算结论--头档速比小于8（带超速档的）的大六档变速箱,后桥速比在5.571~6.83之间匹配较合理。结合现有变速箱资源，选定了两种型号的大六档箱，头档速比分别为7.66和7.43，都带超速档，分别以H型、I型表示，进行仿真分析计算，结果如表6所示：在修正后的武汉工况下仿真计算比较，配G型箱时油耗最高(红色区域)，配H型箱最省油，其次为I型箱，后桥速比5.571时（试验车原配速比），与G型箱相比，H型箱油耗低14.5%，I型箱油耗低13%。

表4　匹配不同变速箱、后桥速比时武汉工况油耗对比(L/100Km)

表5　匹配不同变速箱最高车速（Km/h）、最大爬坡度(%)对比

表6　修正后的武汉工况下三种变速箱

考虑到水泥搅拌车对爬坡度的要求不是很高，若以爬坡度大于20%,车速大于78Km/h为标准，同时结合武汉工况的综合考虑，表7中蓝色区域同时满足经济性及动力性的要求。

表7　最高车速(Km/h)/最大爬坡度(%)

2.2 变速箱级差排布分析

变速箱各档之间的传动比比值简称级差，级差过大会造成换档困难，一般认为不宜大于1.7~1.8[4]，虽然按等比级数分配传动比有利于充分利用发动机功率，提高了汽车的动力性，但考虑到各档位利用率差别很大，汽车主要是用较高档行驶，如表8所示某水泥搅拌车9档箱各档位利用率显示，2、3、5、7档总利用率仅为12.35%，因此较高档位相邻两档间的传动比间隔应小些，实际上各档传动比常按下面关系分布：

从表9中六档箱的级差排布对比,可见H、I型变速箱速比级差排布基本满足要求，但H型箱4、5档级差为1.651，与竞品的1.495和1.592相比略大，初步判断会影响换挡操作的舒适性及便利性[5]。在后续用户使用试验中也反映出：H型箱从4档进到5档时，感觉动力下降过快，要猛轰油门，而从5档退到4档时要等待片刻，才能挂上档，不顺畅，建议以1.59为准调整。

2.3 离合器系统匹配计算

从表10中计算结果可以看出优化匹配的H型、I型两款变速箱匹配5.571～6.5后桥速比范围内，1、2、3档起步，离合器系统滑摩功的不同数值，如果以摩擦功≤0.25 J/mm2为限，则后桥速比调整到6.5时，两款变速箱都可满足要求，如果后桥速比采用5.571，则2、3档时离合器系统滑摩功已超过0.25 J/mm2，所以必须要以1档起步。

表8　水泥搅拌车各档位使用时间

表9　变速箱级差排布对比

3　样车试验验证

将初选的H、I型大六档箱与样车原配9档变速箱进行换装，然后进行样车测试实验，试验工况如下：

图4　试验路线图

图4所示是试验路线说明，用户反馈大六档箱操纵更简便，动力性也满足要求。燃油经济性试验结果见表11：可以看出H型箱、I型箱大六档箱分别比原配G型9档箱省油。同时在武汉工况模型下进行的仿真分析结果与实测值误差在7%以内，说明武汉工况模型较为适合作为武汉地区水泥搅拌车综合工况的仿真分析模型。

表11　样车测试油耗数据对比

4　结束语

通过对进口大马力水泥搅拌车的使用工况的跟踪调查分析，利用Cruise软件创建了适合大马力水泥搅拌车的武汉工况仿真模型，进行了大六档箱的优化匹配仿真计算分析，同时从档位利用率和级差排布及离合器系统匹配角度,研究了大马力水泥搅拌车匹配大六档箱的可行性，然后对优选方案进行试验验证，试验数据证明优配后的两种大六档箱,比原配九档箱要省油，同时动力性也满足使用要求，可以合理匹配使用。武汉工况仿真模型的建立方法值得在其它专业性用途较强的车辆工况仿真模型上推广应用。

参考文献：

[1]马书会.小型混凝土搅拌车市场浅析及产品开发[J].重型汽车,2015.双月刊.总第145期.

[2]苏绍丹.重型汽车动力传动系统优化匹配综述[J].重型汽车,2015.双月刊.总第145期.

[3]任师飞.重型商用车燃料消耗量标准体系经济性和动力性研究[J].重型汽车,2015.双月刊.总第146期.

[4]余志生. 汽车理论[M].机械工业出版社,2008.

[5]李超.乘用车手动变速箱静态档位品质分析研究[J].汽车科技.2015第1期.

中图分类号：U462.2

文献标识码：A

文章编号：1005-2550（2016）02-0014-06

doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2016.02.002

收稿日期：2015-05-21

The Technology Research of High-powered Cement Mixer Matching High Torque Six-speed Gearbox

CHEN Lin, ZHANG Ying-xiong, DAI Xiang-bo, WANG Jin-sheng
( Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFCV, Wuhan 430056, China )

Abstract:Using Cruise software to create a simulation model of Wuhan working condition for the high-powered cement mixer. Simulation calculation analysis of the optimized matching of six-speed gearbox is carried out. The feasibility of high-powered cement mixer matching the six-speed gearbox is studied from transmission utilization, the differential arrangement and clutch system matching. Then the optimal scheme is verified by test, and the test data proved that two kinds of optimized six-speed gearbox can save more fuel than the original nine-speed gearbox. While the power performance also meet the requirements, which can be used for matching.

Key Words:Cement mixer; Wuhan working condition model; Six-speed gearbox; Simulation analysis; Differential arrangement; Optimization matching