装载智能启停系统的公交车性能研究

汪 伟 ，贝绍轶 ，张 良 ，张兰春

（1.江苏理工学院 汽车与交通工程学院，江苏 常州 213001；2.江苏省高性能材料绿色成形技术与装备重点建设实验室，江苏 常州 213001）

1 引言

随着国内汽车数量的不断增加，城市交通拥堵状况日益严重，公交出行越来越受到人们的支持[1]。目前，我国的公交车以大型柴油车为主，随着载重质量的不断增加，公交车性能问题也越发明显。众所周知，公交车性能的好坏直接影响公交车在城市道路上的使用情况[2-3]。为了解决公交车的性能问题，很多汽车厂商只是一味的对动力系统进行改造，带来的结果是成本的增加和环境的污染。然而，智能启停系统的出现能够很好的解决这一问题。公交智能启停系统基于原有部件进行改造优化，改造成本低，并且能够显著改善公交车性能。但是，在国内很少有搭载智能启停系统的公交车投入使用。随着公交车性能需求越来越高，智能启停系统的研究开发将成为公共交通领域车辆性能改善的重要课题。

2 智能启停系统分析

2.1 智能启停系统操作过程

手动挡车辆搭载的智能启停系统操作十分简便[4]，如图1所示。当需要停车等待时，驾驶人员松开加速踏板和离合器踏板，踩下制动踏板，将挡位回至空挡，稍作等待后，发动机自动关闭。需要再次起动车辆时，驾驶人员踩下离合器踏板，便可启动发动机，挂上挡位，踩下加速踏板，车辆便可以快速起动。

图1 手动挡汽车智能启停系统操作图Fig.1 Operation Chart of Intelligent Stop-Start System on Manual Car

2.2 公交车智能启停系统电子控制单元

智能启停系统电子控制单元主要用来控制系统的信号输入和输出。该控制单元主要有六个输入信号，分别为：

（1）启停主开关信号：控制智能启停系统的打开与关闭；

（2）离合器开关信号：判断离合器踏板是否被踩下；

（3）挡位开关信号：判断驾驶员是否有挡位操作；

（4）车门开关信号：检测公交车前后车门是否关闭；

（5）制动器信号：检测制动真空度是否满足要求；

（6）电池信号：检测蓄电池电量是否满足要求。

车辆的爬坡度是关键的性能参数之一，爬坡能力的好坏与启动机有着紧密的联系。车辆爬坡时的驱动力为：

由此可见，启动机的扭矩大小直接影响车辆的爬坡能力。

由于公交车平稳行驶过程中空气阻力很小，几乎可以忽略不计，因此，车辆行驶过程中的驱动力为：

3 仿真测试

而在车辆加速的过程中，其驱动力一行驶阻力平衡式则变为：

3.1 公交车整车模型建立

以传统公交车模型作为参考，在此基础上，添加智能启停系统模块、监视器模块等，并充分考虑了公交车的驱动方式：一般公交车采用发动机后置，后轮驱动。详细分析了公交车各部件之间的连接方式以及数据总线的连接方法，考虑了驾驶人员的操作难度，在此基础上，在AVL-Cruise软件中，建立了装载智能启停系统的公交车的整车模型[5-8]。与未采用智能启停系统的传统公交车模型相比，该模型只多出一个智能启停模块和监视器模块，在驱动方式、各部件连接方式、总线连接方式等均与传统公交车相同，以这种方式建立的公交车整车模型，能够成功的运用到实际中去，适合推广普及。公交车整车仿真模型，如图2所示。

一般情况下，传统公交车的发动机与离合器通过机械部件相连，离合器与变速箱直接连接。公交车主减速器位于驱动桥内，其主要作用是将变速器输出的动力进一步降低转速，增大转矩，并改变旋转方向，然后传递给驱动轮，以获得足够的汽车牵引力和适当的车速。驱动桥主要由桥壳、主减速器、差速器和半轴组成。因此主减速器需要与差速器通过机械部件直接连接，差速器连接公交车后轮以及相应的制动器，带动前轮，实现车辆驱动。在分析了公交车传动系统的基础上，还充分考虑了安装智能启停的公交车结构、布置模式以及驾驶人员的习惯和方便程度等因素之后，建立了安装智能启停系统的公交车整车模型，如图2所示。由此可见，启动机的最大扭矩决定了车辆的加速能力。

3.3 最大传动比选择

确定最大传动比需要考虑三大因素：车辆的最低车速、最大爬坡度以及附着率。就公交车而言最大传动比为变速器1挡时的传动比与主减速器传动比的乘积。

车辆爬坡时，由于行驶速度很低，可以基本忽略空气阻力，因此，根据爬坡时的驱动力可以得出最大传动：

式中：ig1—1挡时的传动比。

3.4 公交车主要部件参数

公交车整车主要参数，如表1所示。

图2 公交车整车仿真模型Fig.2 Bus Simulation Model

表1 公交车整车主要参数Tab.1 Main Parameters of Bus

公交车变速器主要参数，如表2所示。

3.2 增强型起动电机

由于安装智能启停系统后，车辆需要频繁启动，因此需要采用特殊的起动机—增强型起动机。

增强型起动机是公交车智能启停系统的主要部件之一，也是能量输出的关键部件之一。

增强型起动机的最高转速与车辆的最高车速之间的关系为[9]：

表2 变速器主要参数Tab.2 Main Parameters of Transmission

3.5 公交车载重质量对于油耗的影响

由于公交车需要长时间载人运行，运载质量也是影响公交车耗油量的一个重要因素。因此，公交车载客人数的多少直接影响了燃油的消耗。通过改变CRUISE软件中公交车的载重质量，模拟实际情况中载客人数的变化，得出公交车载重质量变化对于油耗的影响，如表3所示。

H社区的资金受到区政府限制，并且资金的审批过程复杂，时间长，效率低，导致许多老旧小区的消防安全设施无法得到有效完善，存在一定的安全隐患，对居民的人身安全具有潜在的威胁。

表3 公交车载重质量变化对油耗的影响Tab.3 The Influence of the Change of Bus Load Quality on Fuel Consumption

3.6 原地起步性能对比

加速时间是评估车辆性能的重要指标之一，公交车的加速能力通常通过其加速时间来反映，公交车原地起步加速时间的计算公式为[10]：

式中：T0—起步时间；u0—最小稳定车速；u1—加速结束时的车速。

在恰当的时刻及时更换挡位能够减少燃油的消耗，并提高车辆的加速性能。根据驾驶人员一般的习惯及换挡速度，设定了相应的换挡时间。公交车原地起步时的加速换挡的挡位示意图，如图3所示。

图3 公交车原地起步换挡挡位图Fig3 Shift Bitmap of Bus Starting

传统公交车和装载智能启停系统的公交车起步时的发动机转速，如图4所示。通过对比可见：装载智能启停系统的公交车能够在短时间内快速启动发动机，在起步时能在很短的时间内使发动机转速达到峰值，并且在起步过程中发动机转速明显高于传统公交车。由此可见，安装智能启停系统后的公交车原地起步加速性能要好于传统公交车。

图4 公交车起步时发动机转速对比图Fig.4 Contrast Chart of Engine Speed

传统公交车和装载智能启停系统的公交车原地起步时的速度对比图，如图5所示。通过对比可见：从起步至达到最高车速这段时间内，装载智能启停系统的公交车车速都高于传统公交车，并且达到最高车速所需的时间要比传统公交车短。由此可见，装载智能启停系统后，公交车原地起步时的速度有所提高。

图5 公交车原地起步速度对比图Fig.5 Contrast Chart of Bus Starting Speed

3.7 公交车动力因数

动力因数是衡量车辆驱动力的一个重要标准，是车辆牵引性能的指标之一，是车辆剩余牵引力和总重之比。车辆的动力因数越大，则代表车辆的加速、爬坡和克服道路阻力的能力越大。

对于公交车而言，动力因数是一个十分重要的指标，为了使公交车具有良好的二挡起步能力和加速能力，在计算公交车动力性时，必须考虑其一挡、二挡和五挡时的动力因数。传统公交车与装载智能启停系统的公交车在各挡位时的动力因数，如图6所示。

通过对比可见：传统公交车与一挡时动力因数都在（0.24～0.32）之间，装载智能启停系统的公交车一挡时的动力因数则在（0.27～0.335）之间，安装智能启停系统后，公交车一挡时的驱动力显著提高；而且在二挡和五挡时装载智能启停系统的公交车的动力因数明显高于传统公交车，由此可见，安装智能启停系统后，公交车行驶过程中的动力因数有所提高，驱动力明显改善。

图6 公交车各挡位动力因数曲线图Fig.6 Dynamic Factor Curve Chart of Bus Each Block

4 结论

为了对公交车性能进行研究分析，以安装智能启停系统的公交车为载体，对智能启停系统在公交车上的应用开展了深入的研究。利用AVL-CRUISE软件建立了公交车整车模型，计算了公交车载重质量对油耗的影响、公交车起步时的发动机转速、行驶速度以及公交车在行驶过程中的动力因数。计算结果显示：启用智能启停系统后的公交车在性能方面有显著改善。由此可见，从上述角度考虑的智能启停系统能够成功地应用到实际当中，对于公交车性能的改善具有积极的作用。

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