劉偉，雷穎?，張衡，李冀（東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢，430056）

?

基于層次分析法的商用車經(jīng)濟(jì)性主要影響因素權(quán)重分析

劉偉，雷穎?，張衡，李冀
（東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢，430056）

摘 要：燃油經(jīng)濟(jì)性是車輛使用特性中的重要指標(biāo)之一。本文首先從特性正向開發(fā)的角度，利用層次分析法，確定燃油經(jīng)濟(jì)性影響因素間的層次關(guān)系，建立判斷矩陣，對影響車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的主要因素權(quán)重進(jìn)行分解。然后以某車型為研究對象，通過cruise軟件仿真加以驗證，結(jié)果表明：車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的主要因素權(quán)重分解合理，為燃油經(jīng)濟(jì)性開發(fā)目標(biāo)分解提供了理論和實踐依據(jù)，提升了整車經(jīng)濟(jì)性開發(fā)的工作效率。

關(guān)鍵詞：經(jīng)濟(jì)性；權(quán)重；層次分析法

劉 偉畢業(yè)于湖北汽車工業(yè)學(xué)院，大學(xué)本科學(xué)歷?，F(xiàn)任東風(fēng)商用車技術(shù)中心商品開發(fā)部主管工程師，從事整車特性分解和達(dá)成研究、整車總布置和動力性經(jīng)濟(jì)性匹配。主要完成東風(fēng)天錦平臺載貨類車型開發(fā)、D530項目協(xié)調(diào)管理和QCDF達(dá)成工作。

1 概述

隨著國家《重型商用車輛燃油消耗量限值》等法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的頒布實施，商用車用戶燃油支出占車輛使用費(fèi)用的比例上升，導(dǎo)致用戶對車輛經(jīng)濟(jì)性訴求的提高，促使各汽車生產(chǎn)企業(yè)需要就如何提升汽車經(jīng)濟(jì)性降低燃油消耗進(jìn)一步采取措施。

汽車等速百公里燃油消耗量為：

式中，C 為常數(shù)；F為行駛阻力，F(xiàn)=FT+FW；ηT為總傳動效率。

由上式可知，等速百公里燃油消耗量與等速行駛時的行駛阻力和發(fā)動機(jī)燃油消耗率成正比，與傳動效率成反比。車輛勻速行駛是主要行駛阻力包括滾動阻力和空氣阻力。下面就影響商用車經(jīng)濟(jì)性主要影響因素加以綜述及分析，檢討各因素所占權(quán)重。

2　經(jīng)濟(jì)性主要影響因素分析

2.1 發(fā)動機(jī)及系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)是車輛正常運(yùn)行的核心部件。燃油燃燒所產(chǎn)生總的化學(xué)能以及發(fā)動機(jī)機(jī)械和熱能的損耗所占比例，都對車輛的燃油消耗產(chǎn)生重大的影響，故發(fā)動機(jī)對車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的好壞起著決定性作用。另外發(fā)動機(jī)附件功的大小是影響車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的一個方面。

2.2 滾動阻力

滾動阻力是車輛行駛阻力之一，大約消耗發(fā)動機(jī)燃油燃燒發(fā)出功率的6%[1]。主要是由于輪胎結(jié)構(gòu)的遲滯損失引起的，輪胎滾動阻力越小，燃油經(jīng)濟(jì)性越好。輪胎滾動阻力主要受輪胎類型、輪胎胎壓、輪胎花紋等的影響。

2.3 空氣阻力

車輛在運(yùn)行過程中所需的驅(qū)動力很大一部分是用來克服空氣阻力，空氣阻力是車輛運(yùn)動時車身與空氣發(fā)生摩擦所產(chǎn)生的阻力。

式中，CD為空氣阻力系數(shù)，A 為迎風(fēng)面積，ua為無風(fēng)時汽車行駛車速。

由式可知，車輛的空氣阻力受車身面積、風(fēng)阻系數(shù)和車速等的影響。為了提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，需優(yōu)化車身設(shè)計，降低空氣阻力。

2.4 傳動系統(tǒng)

商用車的傳動系統(tǒng)主要包括離合器、變速器、驅(qū)動橋等。傳動系效率越高，傳遞動力的過程中能量損失就越小，車輛的經(jīng)濟(jì)性就越好。保證良好的潤滑，可減少傳動系運(yùn)動部件之間的摩擦而增加傳動效率，降低燃油消耗量。

2.5 車輛自重

商用車等速百公里燃油消耗量與行駛時的行駛阻力成正比， 而行駛時行駛阻力可以表示為：

式中，G 為車輛自重，f 為滾動阻力系數(shù)，i為坡度，CD為空氣阻力系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，ua為無風(fēng)時汽車行駛車速。

由式可以看出，車輛等速行駛時的坡度阻力和空氣阻力與車輛總質(zhì)量有關(guān)。車輛總質(zhì)量越大，車輛所受的坡道、滾動阻力越大，車輛運(yùn)行時所需克服的阻力就越大，消耗的燃油也就越多。

當(dāng)然，車輛GVW（汽車總質(zhì)量）一定的情況下不影響整車經(jīng)濟(jì)性，但更低的車輛自重會給用戶帶來更多的載貨量，降低單位載貨量的燃油消耗，提升運(yùn)輸效率降低運(yùn)輸成本。

2.6 駕駛能力

駕駛員是車輛的操縱者，車輛的起步、加速、選換擋以及速度控制等都與駕駛員的駕駛習(xí)慣和技術(shù)有決定性的關(guān)系，因此駕駛員的駕駛能力也是決定車輛燃油經(jīng)濟(jì)性好壞的重要因素之一。研究表明：駕駛員的駕駛操作行為對汽車燃油消耗量的影響非常顯著，即使是職業(yè)駕駛員，不同的駕駛操作行為也會導(dǎo)致汽車燃油消耗量相差7%～25%[1]。

3　影響因素權(quán)重分析

影響經(jīng)濟(jì)性的因素眾多，各種因素之間關(guān)系錯綜復(fù)雜，那么確定出主要影響因素的權(quán)重對于商用車經(jīng)濟(jì)性的正向開發(fā)具有重要意義。

3.1 層次分析法

在本文中，采用層次分析法[5]來對經(jīng)濟(jì)性主要影響因素的權(quán)重來進(jìn)行確定。

層次分析法是一種系統(tǒng)分析方法，它適用于將結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜、模糊不清的相互關(guān)系轉(zhuǎn)化為定量分析。其特點(diǎn)是在對復(fù)雜決策問題的本質(zhì)、影響因素以及內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行深入分析之后，構(gòu)建一個層次結(jié)構(gòu)模型，然后利用較少的定量信息，把決策的思維過程數(shù)學(xué)化，從而為求解多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問題提供一種簡便方法。在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)權(quán)重的設(shè)定中，可以通過選定典型的干系人專家，采用層次分析法AHP(Analytic Hierarchy Process)對其進(jìn)行主觀評價。評價過程主要包括如下兩個步驟。

3.1.1 評價人選擇

采用項目管理中干系人分析法選擇3-5個專家參與指標(biāo)權(quán)重的評價。干系人指積極參與項目或其利益可能受項目實施或完成的積極或消極影響的個人或組織[4]。在商用車整車經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計過程中，干系人通常包括整車開發(fā)人員、系統(tǒng)開發(fā)人員、試驗人員。在確定評價人員時，可以在這3個領(lǐng)域中選擇。

3.1.2 權(quán)重計算

通常層次分析法把所要研究的問題分解為不同的組成因素，然后根據(jù)總目標(biāo)要求，按照各個因素之間的相互關(guān)聯(lián)影響以及隸屬關(guān)系將因素按不同層次聚集組合，形成一個多層有序遞階的層次結(jié)構(gòu)圖。然后兩兩比較每一層次中各因素相對于上一層目標(biāo)的相對重要程度，構(gòu)造出兩兩比較的判斷矩陣。層次分析法包括如下步驟：

1) 根據(jù)具體指標(biāo)之間重要性的相對程度，設(shè)定判定矩陣標(biāo)度，包括標(biāo)度范圍和極差，見表1。

2) 分析系統(tǒng)中各因素之間關(guān)系，建立層次結(jié)構(gòu)模型。

表1　判斷矩陣標(biāo)度及其意義

請專家針對每個層級中的指標(biāo)進(jìn)行打分，構(gòu)建出判斷矩陣A，并進(jìn)行一致性檢驗。判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI與同階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI之比稱為隨機(jī)一致性比率，記作CR，即CR = CI/RI規(guī)定當(dāng)CR<0.1時，認(rèn)為判斷矩陣具有令人滿意的一致性；否則，就需要調(diào)整判斷矩陣，使其滿足CR<0.1。一致性檢驗的步驟如下：

① 矩陣的元素按列歸一化計算：

② 將按列歸一化后的元素按行相加計算：

③ 同理將按行相加計算得到的列元素歸一化，計算權(quán)重系數(shù)：

④ 計算矩陣的最大特征值 λmax；

⑤ 計算一致性指標(biāo)：

從表2中查找隨機(jī)一致性指標(biāo)RI[6]，計算相對一致性指標(biāo)CR = CI/RI。

表2　平均一致性隨機(jī)RI表

對每位專家的打分進(jìn)行加權(quán)平均，形成最終的目標(biāo)權(quán)重。

3.2 主要影響因素權(quán)重分解

3.2.1 因素分級

根據(jù)影響車輛經(jīng)濟(jì)性6大主要因素和子因素進(jìn)行分級，見表3。

3.2.2 因素權(quán)重分解

根據(jù)從事經(jīng)濟(jì)性開發(fā)和試驗干系人分析結(jié)果，在整車開發(fā)人員中選擇了兩位專家，試驗人員中選擇了一位專家進(jìn)行因素權(quán)重的層次分析。

其中一位專家的的判斷矩陣及按前述方法計算的權(quán)重如表4~表12所示。并計算一致性比率CR，進(jìn)行一致性檢驗。

表3　車輛經(jīng)濟(jì)性主要影響因素分級

表4　一級要因判斷矩陣及權(quán)重

表5　發(fā)動機(jī)及系統(tǒng)因素判斷矩陣及權(quán)重

表6　空氣阻力因素判斷矩陣及權(quán)重

表7　傳動系統(tǒng)判斷矩陣及權(quán)重

表8　駕駛能力判斷矩陣及權(quán)重

表9　發(fā)動機(jī)總成判斷矩陣及權(quán)重

表10　發(fā)動機(jī)系統(tǒng)及附件判斷矩陣及權(quán)重

表11　車輪總成判斷矩陣及權(quán)重

表12　駕駛室風(fēng)阻系數(shù)判斷矩陣及權(quán)重

同理計算其他專家單一因素下各指標(biāo)的相對權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗。然后對同一指標(biāo)下的三位工程師的評分取算術(shù)平均作為單個指標(biāo)的權(quán)重，得到表13：

表13　經(jīng)濟(jì)性主要影響因素權(quán)重表

4　驗證及應(yīng)用

由于試驗誤差在3%左右，第三級部分要因缺少相應(yīng)試驗條件和數(shù)據(jù)，故下面主要以第一、二要因方面進(jìn)行仿真驗證。

在2.5節(jié)中說明GVW一定的情況下，車輛自重對經(jīng)濟(jì)性沒有影響，這里不再進(jìn)行驗證，因此調(diào)整一級要因權(quán)重，結(jié)果見表14：

表14　調(diào)整一級要因判斷矩陣及權(quán)重

某車型在開發(fā)之初設(shè)定經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)在基礎(chǔ)車型水平上提升6%。將一二級要因權(quán)重整合后，確定主要因素分解指標(biāo)見下表15：

表15　某車型經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分解

4.1 動機(jī)總成影響

以200g/kw·h比油耗線為基準(zhǔn)優(yōu)化2.3%，即將200 g/k w·h比油耗線擴(kuò)大至2 0 4g/kw·h范圍，見圖1。在cruise中仿真得到表16，可見油耗可優(yōu)化2.21%。

表16　發(fā)動機(jī)比油耗線優(yōu)化后經(jīng)濟(jì)性提升效果

圖1　比油耗優(yōu)化建議

4.2 發(fā)動機(jī)附件功影響

以采用電控風(fēng)扇為例，降低功率消耗對油耗的貢獻(xiàn)見表17，可見功耗降低10%可提升經(jīng)濟(jì)性0.55%。

表17　附件功對經(jīng)濟(jì)性貢獻(xiàn)效果

4.3 滾動阻力影響

只調(diào)整輪胎的滾動阻力系數(shù)進(jìn)行仿真，分別優(yōu)化10%，20%，30%對油耗貢獻(xiàn)見圖2，可見滾動阻力系數(shù)優(yōu)化約6.5%，80km/h等速油耗可提升1.2%。

圖2　滾動阻力對經(jīng)濟(jì)性影響趨勢

4.4 空氣阻力影響

只調(diào)整整車空氣阻力系數(shù)進(jìn)行仿真，優(yōu)化0.5%，1.5%，3%對油耗貢獻(xiàn)見圖3，可見空氣阻力系數(shù)優(yōu)化約1.78%，80km/h等速油耗可提升0.5%。

圖3　空氣阻力對經(jīng)濟(jì)性影響趨勢

4.5 傳動系統(tǒng)影響

以某車型常用檔位，常用車速下，在cruise軟件中不改變傳動系統(tǒng)匹配條件下調(diào)整傳動系統(tǒng)效率仿真得到表18的數(shù)據(jù)，可見效率每提升1%，可獲得約0.8%的油耗改善。

表18　傳動效率提升對經(jīng)濟(jì)性影響效果

4.6 駕駛能力影響

前面第2.6節(jié)中已經(jīng)指出相關(guān)研究表明同的駕駛操作行為會導(dǎo)致汽車燃油消耗量相差7%～25%，這里通過層次分析法的打分將其權(quán)重確定為16.3%，為平均水平。表19是某車型對發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷特性進(jìn)行優(yōu)化對用戶駕駛習(xí)慣干預(yù)后統(tǒng)計得到的節(jié)油效果。

表19　某車型干預(yù)駕駛習(xí)慣后的節(jié)油效果

經(jīng)過以上仿真分析和驗算，證明按主要因素權(quán)重對該車型的經(jīng)濟(jì)性提升指標(biāo)的分解是合理并可行的。

基于國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)水平，針對以上經(jīng)濟(jì)性影響因素，可采用表20中列舉技術(shù)進(jìn)行商用車經(jīng)濟(jì)性的改善和提升。

表20　針對經(jīng)濟(jì)性影響因素的改善和提升技術(shù)列舉

5　結(jié)論

車輛經(jīng)濟(jì)性是整車特性開發(fā)中較為重要的特性之一，從特性正向開發(fā)角度，在接收到用戶對車輛經(jīng)濟(jì)性（油耗）訴求的輸入后，如何有效的科學(xué)的進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性開發(fā)目標(biāo)的轉(zhuǎn)化和分解，是正向開發(fā)流程中較為重要的一個環(huán)節(jié)。本文針對商用車整車動經(jīng)濟(jì)性主要影響因素，采用管理學(xué)、統(tǒng)計學(xué)的相關(guān)理論進(jìn)行了較為系統(tǒng)性的研究，確定了各要因的權(quán)重指標(biāo)，可為達(dá)成經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)指出有效的工作方向，改善整車經(jīng)濟(jì)性開發(fā)的工作效率。

由于試驗精度目前不能對全部影響因素進(jìn)行權(quán)重的確定和驗證，同時相關(guān)提升經(jīng)濟(jì)性技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)除了滿足特性的需求外，還需要考慮技術(shù)的實施難度和對整車成本的影響，所以后續(xù)需要就各因素的提升技術(shù)難易度和成本進(jìn)行綜合研究，以尋找更加高效、更加有成本競爭力的綜合性權(quán)重分解。

參考文獻(xiàn)：

[1]孟興凱、張志芳、曾誠、陽冬波，影響貨運(yùn)車輛燃料經(jīng)濟(jì)性因素分析，交通節(jié)能與環(huán)保,2013(5):79-81.

[2]（德）米奇克、瓦倫托維茲(著)，陳萌三、余強(qiáng)(譯)，汽車動力學(xué)(第四版)，北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[3]余志生，汽車?yán)碚?第5版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4](美)項目管理協(xié)會 ，項目管理知識體系指南(PMBOK指南)第四版 ，北京 ：電子工業(yè)出版社，2009 :23-24.

[5]劉新憲、朱道立，選擇與判斷—AHP(層次分析法)決策[M]，上海：上?？茖W(xué)普及出版社，1990:44-55.

[6]刑如飛、管欣、田承偉、宗長富、劉立國，汽車操縱穩(wěn)定性主觀評價指標(biāo)權(quán)重確定方法[J]，吉林大學(xué)學(xué)報，2009(3):33-37.

中圖分類號：U462.3+4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-2550（2016）02-0029-08

doi:10.3969/j.issn.1005-2550.2016.02.005

收稿日期：2015-11-16

Weight Analyse Of Comercial Vehicle Economy Factors Based on AHP

LIU Wei, LEI Ying-jie, ZHANG Heng, LI Ji
( Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center, Wuhan 430056, China )

Abstract:Fuel economy is one of the important indexes in the use characteristics for the vehicle. In this paper, firstly the hierarchy relation between influence factors for fuel economy was determined by the analytic hierarchy process from the angle of the positive characteristic development, and the judgment matrix was built, and the main factors weight for the vehicle’s fuel economy was decomposed. And the simulation software cruise was used to verify the influence factors weight for certain kind of vehicle. The results showed that the main factors weight decomposition for vehicle’s fuel economy was reasonable, which provided the theoretical & practical basis for the development target decomposition of fuel economy, and the work efficiency of the vehicle fuel economy was promoted.

Key Words:Fuel economy; Factor weight; AHP