牵引车动力匹配方案的应用思考

强鸽鹏

摘 要：文章通过对特定工况下牵引车不同动力配置的分析研究，探讨“超速档+大速比”，与“直接档+小速比”对于特定工况的动力性、传动效率及燃油消耗率对比，从而得出针对特定工况的动力配置的结论。常年来，在客户中存在一种观点“总速比相同，同马力时车辆的动力，后桥速比小的动力性较差”，对于此观点，文章将进行分析，探讨此观点的科学性和局限性。最后，就此基础上，得到指导相应工况下的动力配置的合适方案。

关键词：牵引车；动力配置；超速档+大速比；直接档+小速比；动力性；燃油消耗

中图分类号：U472.3 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）17-223-04

Abstract： This article discusses the "overspeed plus large speed ratio" and the "direct speed plus small speed ratio" for specific conditions of power， transmission efficiency and fuel consumption by analyzing the different power configurations of tractors under specific working conditions. The ratio is compared to the conclusion of the power configuration for a particular operating condition. Over the years， there is a view among customers that the total speed ratio is the same as that of the vehicle at the same horsepower. For this point of view， this paper will analyze and explore the scientific nature of this viewpoint and limitations. Finally， on this basis， a suitable solution to guide the power configuration under the corresponding working conditions is obtained.

Keywords： tractor； power configuration； overspeed + large speed ratio； direct gear + small speed ratio； power； fuel consumption

CLC NO.： U462.3 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-223-04

前言

近年來随着牵引车市场的持续增长，大马力、高效的需求越来越明显，如果客户在选择产品时缺乏相应的汽车相关知识，仅凭别人推荐和感官认知进行选择，有可能会出现动力不足，油耗高等问题，这样久而久之造成客户对于动力配置的一些认知误差乃至偏差。尤其针对“超速档+大速比”和“直接档+小速比”上，大多数客户的认知还停留在小速比就一定动力性差的错误认识上。所以对于“超速档+大速比”和“直接档+小速比”的研究就显得尤为重要，通过具体的动力性和燃油经济性分析，针对特定工况选择合理的配置就显得具有重要的现实意义。通过本文的结论对用户的选择做以引导，将对精准产品推荐，提高客户的运营收益具有重要作用。

1 车速与速比的关系

我们都知道，车速、加速性能、爬坡性能是衡量动力性的几个关键性能。相对于日用工业品细分市场而言，属于长途标载运输，客户比较关注的是车速，对于时效性比较看重。而决定车速的三个因素，发动机转速、轮胎直径、总速比。其满足如下关系[1]：

从上式可以得出，在转速，车轮半径一定的情况下，决定车速得主要取决于总速比的大小，即变速箱各档位速比与后桥速比的乘积。

对于长途标载而言，常用车速为80～90km/h，我们以康明斯ISM11E5 440为例，其经济转速区间为1100～1300r/ min。为了使其在最高经济转速时车速达到90km/h，此时发动机转速应为经济区间最大转速n=1300r/min，由式1可以计算出需要的总速比最小值为igi0=1300×0.377×0.525÷90= 2.859，这样，后桥速比2.846，变速箱速比为1时即可满足，此时任何直接档变速箱的最高档（12档直接档变速箱为12档）或超速档变速箱的次高档（12档超速档变速箱的11档）均可满足需求。除此之外，后桥速比为3.7，选择12档超速档也可以满足。

2 “直接档+小速比”和“超速档+大速比”总速比分析

上文提到，在转速、轮胎半径一定的情况下，车速取决于总速比。在下文中我们就“直接档+小速比”和“超速档+大速比”展开讨论，将以12JSD200TA+3.7和12JSD200T+ 2.846为例，进行分析。

2.1 直接档和超速档速比分析

以国内知名变速箱厂法士特12档直接档和超速档为例，其各档位速比如下表所示：

从上表可以发现一个规律，两款变速箱很多档位速比相同，但是差一个档，例如F12A的11档和F12的12档速比一样，都是1，F12A的10档和F12的11档速比相同，都是1.28，等等。

2.2 总速比分析

由式1，我们可以看出车速是和车辆总速比有关系，成反比关系，总速比越大，车速越慢，总速比越小，车速越快。我们将12JSD200TA+3.7和12JSD200T+2.846的总速比计算出来，列出入下表所示。

从上表可以看出，F12+2.846和F12A+3.7两种配置的各档位总速比基本接近（尤其是高挡位速比差值0.04-0.09），同样发动机在匹配的总速比接近的前提下，不会存在所说的小速比动力不足的问题。

2.3 车速分析

为了更直观的观察两种方案在动力性上的差异，我们计算发动机在n=1300r/min时的各档位车速，得到如下表结果。

从上表可以得出结论， 对于“12JSD200TA+3.7”和“12JSD200T+2.846”，各个挡位的车速基本上一致，也就是说动力不存在太大差异，在低档位时车速差值较小为0.1～0.2km/h；在较高档位时速度差值变大，但最大时仅为1.2km/h，对于车速90km/h而言，可以忽略不计（如上表所示）。然而，直接挡和超速挡变速器的传动效率会在最高挡位和次高挡位上表现出来差异，从而会影响车辆的动力性和燃油消耗率，在下文中我们将做重点分析。

3 传动效率分析

3.1 整车传动效率

我们知道，在机械传动过程由于各种因素的影响，会有能量的损失，效率不可能达到1。对于整车而言，整个传动系统由四大系统构成：发动机+变速箱+传动轴+驱动桥。在每一个环节都存在能量、功率损失，针对不同的组合方式而言，发动机的传动效率基本上比较稳定，为98%，传动轴传动效率也比较稳定保持在98%～99%，后桥根据单级减速桥和双极减速桥传动效率有所不同。对于变速箱而言，由于各个档位齿轮啮合对数不同，传动效率上差别较大。总而言之，整车传动效率满足如下公式：

3.2 各分系统传动效率

根据试验测算，各分系统传动效率如下表所示[2]：

根据上图可以测算整车传动效率的范围：

最高：发动机0.98×变速箱0.99×传动轴0.99×后桥0.96=87%；

最低：0.98×0.96×0.98×0.92×0.92=78%

不同的动力总成配置由于效率不一，会造成整车在动力上的差异。

3.3 超速档变速箱和直接档变速箱档位传动效率

在上文中讲到变速箱的传动效率受啮合齿轮对数的影响而差异较大。每款发动机都有速比为1的档位，也就是直接档，对于12JSD200TA而言，是11档；对于12JSD200T而言是12档。对于超速档和直接档的变速箱而言，最高档的差异主要是传动效率的差异，其区别如下：

从上图可以清晰的看出，在低速挡时副箱工作，四对齿轮啮合，传动效率降低，只有94%；在直接档时，无啮合齿轮传动效率最高，在超速档或高速挡时，只有两对齿轮啮合，传动效率相对降低在96%～97%。

3.4“12JSD200TA+3.7”和“12JSD200T+2.846”在车速相同情况下的传动效率差异

在第二节中，我们已经就“12JSD200TA+3.7”和“12JSD 200T+2.846”的车速进行了讨论，现在我们就其在特定车速下的传动效率展开讨论。

针对第二节的案例，存在两种情况：

①在工况简单、路况较好时，车速、吨位稳定。常用最高车速可以保证时（档位基本上保持在12档时），“12JSD 200T +2.846”动力配置由于在12档时，变速箱档位属于直接档，传动效率最高，发动机功率、扭矩损失最少而动力性强；

②在工况相对复杂，车速、吨位复杂，尤其是一空一满时，通过动力匹配使其重车常用档位11档，空车常用档位12档，这时“12JSD200TA+3.7”动力总成更加适合。在重车时，变速箱档位11档，传动效率最高，发动机功率、扭矩损失更小而动力性更好，而对于“12JSD200T+2.846”而言，11档为高速挡，传动效率相比直接档降低2%，功率、扭矩损失更大，在爬坡、加速性能上均有所降低，在重车时动力性明显与“12JSD200TA+3.7”存在差距；而在空车时，档位基本保持在12档。由于吨位小、负荷率较低，对于“12JSD200TA+3.7”动力配置，负荷率相对提高而燃油经济性更好。

为了验证以上分析结论，在下文中我们将就特定工况下两种动力配置的燃油消耗率进行计算。

4 工况下两种动力配置方案燃油消耗率计算案例

我们根据工况不同，提供了两种路谱，分别是东部平原高速，西部山地丘陵。在两种路谱上，以康明斯ISM11E5 440为例，对“12JSD200TA+3.7”和“12JSD200T+2.846”燃油消耗率进行模拟计算，其结果在下文计算讨论。

4.1 平原高速路谱下两种动力配置分析

下图为平原高速路谱，海拔平均在120米左右，坡度不超过5%，海拔高度变化比较平稳。两种动力配置分析计算结果如下（车货总重49吨）：

跟上边分析结论一致，在起步能力上和爬坡能力上，12JSD220TA+3.7配置要更胜一筹。

从以上数据可以证明上文的分析结论，在路况较好情况下，车速可达到90km/h，档位在12档（直接档效率高），这时12JSD220T+2.846油耗比12JSD220TA+3.7低0.81L；车速70km/h时，档位在11档，这时12JSD220TA+3.7传动效率更高，油耗明显低于12JSD220T+2.846，低0.52L。

4.2 山区谱下两种动力配置分析

下图为山区路谱，海拔平均在250米左右，最大落差接近300米，最大坡度达7%，海拔高度变化较大。两种动力配置分析计算结果如下（车货总重49吨）：

ISM11E5 440+12JSD220T+2.846 ISM11E5 440+12JSD 220TA+3.7

通過以上分析，在山区高速工况下，12JSD220TA+3.7的油耗低于12JSD220T+2.846，低0.2L，工况适应性更强，这就证明了上文的分析结论。

在本章节中，我们通过不同工况下的模拟分析计算，对理论分析提供了可靠的数据支撑，验证了理论的正确性。

5 结语

通过以上理论分析和案例计算，我们得出结论，对于简单工况，车速、吨位稳定，我们采用“直接档+小速比”；对于工况比较复杂，车速、吨位不稳定，尤其是单趟放空的工况，选择“超速档+大速比”。本文通过车速、总速比、传动效率、燃油消耗率的分析，对于两种动力总成配置方案给出了适合相应工况的指导性结论，对于指导客户选择适合工况的动力总成方案具有重要意义。为客户选择合适的配置方案，对于提高动力性，提高运输效率，降低油耗有很大帮助。客户使用的得心应手，客户通过合理的配置提高收入是我们的出发点。我们也需要逐渐去对客户进行引导，提高客户的认知，只有更“懂车”，方能“用好车”。

参考文献

[1] 余志生.汽车理论[J].高等工科教育.2000.10（6）.

[2] 余志生.汽车理论[J].高等工科教育.2000.10（6～7）.

[3] 卞学良.专用汽车结构与设计[M].北京：机械工业出版社2008.