基于WLTC 油耗的某车型机械阻力优化分析

2022-05-13明玲玲丛日振周延瑞卢振东孙旭东

小型内燃机与车辆技术 2022年2期

明玲玲丛日振周延瑞卢振东孙旭东

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司浙江宁波 315336）

引言

影响整车油耗的因素有很多，总的来说，提升整车的燃油经济性可以从以下三个方面入手，一是继续挖掘提升发动机本体的热效率；二是通过动力总成的标定匹配和控制策略的优化来使发动机运行在经济油耗区；三是降低整车的能耗[1-2]。整车的能耗包括克服行驶阻力的能量损失和电器附件消耗的能量，其中整车行驶阻力的一个重要组成部分就是机械阻力。本文以整车机械阻力为优化对象，分析机械阻力的构成和优化方法，通过实车WLTC 循环工况油耗测试验证，达到降低整车油耗的目的。

1 WLTC 循环介绍

WLTP 测试全程为World Light Vehicle Test Procedure，即世界轻型汽车测试规程，由日本、美国、欧盟等共同制定，其严格度来说比NEDC 高了不少。该测试分为低速、中速、高速与超高速四部分，其对应的持续时间为589 s、433 s、455 s、323 s，对应的最高速度分别为56.5 km/h、76.6 km/h、97.4 km/h、131.3 km/h。详细路谱如图1 所示。

图1 WLTC 循环路谱

2 整车机械阻力的构成

整车在水平道路上匀速行驶受到的阻力有空气阻力、滚动阻力和机械阻力。空气阻力主要受到迎风面积及整体造型的影响，其理论计算公式为

式中：CD为空气阻力系数，A 为迎风面积，u 为汽车行驶速度。

滚动阻力主要与轮胎的材料和规格相关，计算公式为

式中：G 为整车行驶过程中所受重力，f 为滚动阻力系数。

整车的机械阻力本质上就是底盘传动系统自身的摩擦损耗，是动力传递过程中形成的阻力损失，也叫底盘的内阻，包括变速箱的拖曳力、传动轴的机械损失，制动卡钳的拖滞力和轮毂轴承的阻力。

2.1 变速箱的拖曳力

变速箱的拖曳力就是影响变速箱内部运动件转动的所有阻力之和，如齿轮在变速箱油中搅动受到的阻力、轴承的阻力、箱体的空气阻力，还有动力在传递的过程中未能达到同步转速的打滑损失。某自动变速箱怠速拖曳转矩如图2 所示。

图2 拖曳转矩

2.2 传动轴的机械损失

传动轴的机械损失主要指的是万向节球头与保持架的摩擦功，可以通过传动轴的传动效率来体现，传动效率越高，机械损失越小。一般情况下，十字轴万向节的传动效率在97%～99%之间。

2.3 制动卡钳的拖滞力

分析盘式制动器的工作原理，结构如图3 所示。当踩刹车踏板时，刹车油在管路中建立压力，压力传送到刹车卡钳上的刹车分泵活塞，卡钳活塞在受到压力后，会向外移动并推动刹车片去夹紧刹车盘，使刹车片与刹车盘发生摩擦，降低车轮转速，使车辆减速或停止。可以看出，制动卡钳的拖滞力主要分为两个部分，一是卡钳与制动盘的摩擦力，另一个是活塞滑动阻力。卡钳活塞设有回位装置保证踩刹车后活塞回位；摩擦片分带回位弹簧和不带回位弹簧结构，因车型而异。

图3 盘式制动器结构图

2.4 轮毂轴承的阻力

轮毂轴承的阻力就是车轮旋转时的摩擦损失，其构成的要素及其占比如表1 所示。

表1 轮毂轴承阻力的构成

3 整车机械阻力的优化和测试验证

以一款A 级车为例，进行整车底盘相关件的设计优化，并通过整车转鼓机械阻力测试和油耗测试，验证优化效果[3]。

3.1 整车基本参数

整车基本参数如表2 所示。

表2 整车基本参数

3.2 机械阻力的优化方法

依据机械阻力的构成，降低整车机械阻力可以针对变速箱、传动轴、制动卡钳和轮毂轴承来进行优化设计。结合变更的周期和成本，选择以下优化方案：

1）制动卡钳活塞回位角由0.8×30°更改为1×30°；

2）八字簧更改为主动回位弹簧，如图4 所示；

图4 带回位弹簧的制动卡钳

3）卡钳弹簧片采用特氟龙处理；

4）卡钳的关键尺寸加严控制，优化后尺寸测试结果如表3 所示；

表3 优化后卡钳关键尺寸测试 mm

5）轮毂轴承密封圈的结构优化，将三唇改为两唇。

优化后，样件经过单体的阻力测试，制动卡钳单体的拖滞力由原来的3 N·m 下降到1.5 N·m，轮毂轴承的阻力由原来的1.5 N·m 下降到1 N·m

3.3 机械阻力测试验证

使用转鼓进行整车机械阻力测试，将车辆固定在转鼓上，变速箱置于空挡。预热完成后，测试不同车速下的轮边机械阻力，从15 km/h 至135 km/h，以5 km/h 为间隔，每个车速测试3 个阻力数据取平均值作为该车速下的整车机械阻力值。测试结果如图5所示。

图5 优化前后整车机械阻力测试结果

从测试结果分析，卡钳和轮毂轴承优化后整车的机械阻力整体降低，15～135 km/h 车速区间的平均机械阻力由优化前的182 N 下降到171 N。

3.4 整车油耗测试验证

整车在转鼓上模拟实际道路进行循环工况油耗测试时，整车行驶阻力包括两个方面：一是整车本身的机械阻力，另一个是转鼓加载的阻力。转鼓加载的阻力需要通过实车的滑行试验数据进行拟合，如图6所示。本次试验首先基于优化前原车的滑行阻力数据拟合出转鼓需加载的阻力，原车的WLTC 油耗测试完成后，保持转鼓加载阻力不变，直接进行优化后的整车WLTC 工况油耗测试。