高速牵引车冲坡特性影响因子研究

侯建军，王卓，张国庆，徐龙，赵娜

(1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊　261061；2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊　261061)

引言

随着国家建设发展的需求，高速公路上的牵引车比例逐年增加，在能源危机加重和运输效率要求提高的情况下，高速牵引车的运输效率、燃油经济性以及驾驶员换挡操作次数成为衡量司机或者辅助驾驶系统是否合格的重要标志，而高速公路上坡路段对其的影响尤为突出，上坡路段影响车辆的通行能力[1]。因此有必要对高速牵引车的冲坡特性的影响因素进行分析研究。目前国内对高速牵引车冲坡特性的研究很少，本研究通过设置不同的道路路况和驾驶方法，对影响经济性、运输效率及驾驶员疲劳的影响因素进行研究分析。

1　模型建立及主要影响因子分析

1.1　计算背景

为了对各方面影响因素进行系统的研究分析，选取整个物流运输中影响较大的高速牵引车为研究对象，对于不同的路面情况，从运输效率、燃油经济性等方面研究和探讨不同的通过方法。

表1　动力总成配置

6轴重型载货车的高速牵引车具体的动力总成计算配置见表1。

1.2　模型建立

AMESim软件是一款工程应用的系统仿真软件[2]，利用AMESim软件搭建一款6×4高速牵引车的整车模型，主要包括发动机、ECU、整车、变速箱、路况和信号等模块，如图1所示。

1.3　主要影响因子分析

图1　AMESim仿真模型

高速牵引车的行驶路况、行驶状态以及驾驶员的操作习惯各有不同，冲坡的方法多种多样，如果考虑所有影响因子，实际的模型将非常复杂，甚至无法实现。从对计算结果的影响和计算效率考虑，计算中将只考虑对车辆的冲坡特性有较大影响的主要影响因子，涉及的主要影响因子包括车速、满载质量、发动机排量、坡度、坡道长度、降档转速、挡位等因素，这些影响因子均会对车辆的冲坡特性产生较大影响[3]。

1.3.1车速

国外对高速公路的车辆运行速度的研究较早，美国的道路通行能力手册[4]提出了各纵坡情况下卡车行驶曲线图。但国内外对大型重载运行货车的车速研究较简单，研究的应用性不强，也不适用于中国道路条件。

合适的初始车速冲坡不仅可以提高运输效率，还可以提高经济性和驾驶员的操作感受。高车速可以提高车辆的通过性，而且挡位保持高挡位，司机不用换挡。目前国内高速公路大型车的最高车速限制为100 km/h，最低车速为60 km/h。一些研究机构或学者建立了高速公路车辆的运行速度模型[5-7]，结合实际道路行驶速度，将计算车速分别定义为90 km/h、80 km/h、70 km/h。本研究基于以上数据结合实际运行车速，在不考虑车流量影响的情况下，选取若干合适的车速点进行计算。

1.3.2满载质量

相同功率的发动机装载不同质量的货物，通过同样道路条件的高速公路，运行的车速、所克服的坡度、司机的换挡操作都不同。装载质量小的车辆通过性高于装载质量大的，不仅运输效率高，而且油耗低。根据文献[8]要求，6轴车辆的最大满载质量为49 000 kg，基于以上考虑计算时的满载质量包设置为49 000 kg。

1.3.3坡度及坡道长度

高速公路的设计之初就考虑到坡度以及坡道长度，这两方面关系到整车的爬坡性能，表面上分析只是动力性，实际也会影响到经济性。

根据国外对坡道长度的研究，当道路坡道的平曲线半径超过400 m时，对车辆的行驶速度几乎没有影响[9]，高速公路的最小平曲线半径一般都大于400 m。因此将纵坡的路面简化为直线，建立模型时，只考虑纵坡的坡度和坡道长度。

高速公路设计参数如表2。

表2　高速公路设计参数

在实际的高速公路建造中，一些地方由于环境所限，坡长会有所增加，比如云南墨江公路(以一段)的坡度为6%，坡长达到27 km。考虑到尽量接近实用状况计算采用的坡长比表2所示的坡长略微增加。

1.3.4降挡转速及挡位

上坡过程中，挡位不变的情况下车速随着发动机转速的降低而降低，当发动机降至一定转速时，司机就会降低挡位，否则发动机容易熄火以致引起安全事故。降挡时机是否合适直接影响车辆的通过能力，降挡过早或过晚都会超出发动机的大扭矩区域，导致车辆不能以合适的车速和最佳的经济性通过坡道[10-11]。计算时根据该车型的经验值设置降挡转速。

为简化计算，计算车辆运行过程中的初始挡位为最高挡，不考虑初始挡位为次高挡的情况。

2　计算结果及分析

表3所示为主要影响因子相应的计算结果，影响高速牵引车冲坡特性的关键影响因素为初始车速、坡度、坡道长度。

表3　计算结果

2.1　车速对冲坡特性的影响

研究中对车速的定义是车辆位于坡底的初始车速，当冲坡的车速大于该坡度下的平衡车速时，车速随着坡长降低到平衡车速，车速的降低速率随着初始车速的不同而不同，初始车速与平衡车速差值越大，车速降低越快。

不同的初始速度对运输效率以及经济性的影响不同。不同初始车速在2%坡度下的车速冲坡曲线如图2所示。

从表3结果中可以看出，对于3%的坡度，坡道长度为5 000 m的路况，车速为90 km/h的冲坡车速最佳，时间较70 km/h的冲坡车速提高通过时间15%，节约燃油7.5%。

不同冲坡速度的工况分布如图3～5所示。

在一定程度上，3%的坡度，冲坡车速越高，不仅通过时间短，而且经济性高。对于司机来讲，动力性和经济性可以兼顾；而对于2%及以下的坡度，高的冲坡车速可满足动力性需求，但经济性不高。

图2　车速下降速率

图3　70 km/h冲坡工况分布

图4　80 km/h冲坡工况分布

图5　90 km/h冲坡工况分布

2.2　坡度和坡道长度对冲坡特性的影响

坡度和坡道长度反映了道路的纵向和横向变化，这两项客观因素对车辆的通过时间和经济性有着重大的影响。

表3结果显示，以90 km/h为例，同样的初始车速和的坡道长度，3%的坡度较2%的坡度的通过时间延长5.4%，百公里燃油增加3%。以90 km/h和3%的坡度为例，同样的冲坡车速和坡度，5 000 m的坡道长度较2 000 m的坡道长度通过时间延长197%，百公里燃油增加15.9%。同样以90 km/h和1%的坡度为例，5 000 m的坡道长度较2 000 m的坡道长度通过时间延长150%，百公里燃油增加0.1%。随着坡度的减小，坡道长度对经济性的影响减小，1%的坡度情况下可以忽略对经济性的影响。

3　结论

基于以上的计算和分析，高速牵引车的最佳冲坡车速随着坡度和坡道长度的变化而变化。随着坡度的增加，最佳的冲坡车速减小。一定的条件下，3%的坡度，最佳冲坡初始车速为90km/h；2%的坡度，最佳冲坡初始车速为80km/h；1%的坡度，最佳冲坡初始车速为70 km/h。

对于高速牵引车的冲坡特性，以往的发动机厂和整车厂考虑不足，随着智能驾驶的发展，高速牵引车冲坡的动力性和经济性将会受到重视，相应的研究也需要提早开展。

参考文献：

[1]吴刚兵.山区高速公路长陡坡路段行车安全性分析[D].杭州: 浙江大学,2011.

[2]LMS AMESim Rev 13 User Guide，2010.

[3]美国各州公路与运输工作者协会.公路与城市高速公路几何设计[M].西安:西北工业大学出版社,1988．

[4]JESSEN D R, SCHURR K S, MCCOY P T, et al.Operating speed prediction on crest vertical curves of rural two-lane highways in Nebraska[J].Transportation Research Record，2001.

[5]交通部公路科学研究所．高速公路运行速度设计方法与标准[R].北京:交通部公路科学研究所,2003.

[6]交通部公路科学研究所．公路纵坡坡度和坡长的限制标准研究报告 [R].北京:交通部公路科学研究所,2002．

[7]钟小明，刘小明，荣建，等．基于高速公路路线设计一致性的中型卡车运行速度模型研究[J].公路交通科技,2005,22(3):92-96.

[8]中华人民共和国工业和信息化部．汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值：GB1589-2016[S]．北京：中国标准出版社.

[9]李莉莉．山区高速公路长大上坡路段通行能力分析和安全改善措施研究[D].西安: 长安大学，2011.

[10]曹亚斌，梁海顺．电控自动变速器换档规律[J].交通运输工程学报，2009,9(3):56-59.

[11]余荣辉，孙东野，秦大同.机械自动变速系统动力性换挡控制规律[J].农业机械学报，2006,37(4):1-4.