變速箱速比設(shè)計(jì)及優(yōu)化

丁光輝，張 敏

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230601）

變速箱速比設(shè)計(jì)及優(yōu)化

丁光輝，張 敏

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230601）

變速箱最基本的作用是滿足整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和良好的換擋舒適性，其中變速箱速比的合理分配是變速箱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，文章是從基于滿足以上要求出發(fā)，對變速箱各檔速比的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行分析，并結(jié)合AVL-Cruise軟件仿真計(jì)算，使得出的速比能夠達(dá)到匹配整車性能的最佳狀態(tài)。

速比；匹配；動(dòng)力性；經(jīng)濟(jì)性；Cruise

隨著能源的緊缺，燃油價(jià)格的不斷上漲，人們對汽車燃油經(jīng)濟(jì)性關(guān)注越來越高，同時(shí)駕駛舒適性也逐步成為顧客選擇購買何種汽車時(shí)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。而變速箱作為汽車傳動(dòng)系中的重要組成部分，其對整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和換擋舒適性等影響至關(guān)重要，因此匹配一款合適的變速箱是汽車匹配工程師重要研究內(nèi)容。

文章以一款乘用車為例，結(jié)合整車參數(shù)，通過重新分配各擋速比進(jìn)而開發(fā)的一款六檔手動(dòng)變速箱，在保證動(dòng)力性的前提下，經(jīng)濟(jì)性提升5%，換擋舒適性穩(wěn)步提升。

1 整車參數(shù)及動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)的設(shè)定

在確定整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性之前，需要首先確定影響整車性能的整車參數(shù)如表1所示和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)如表2所示。該目標(biāo)車基本型搭載的變速箱為5速手動(dòng)變速箱，其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。根據(jù)目標(biāo)要求，搭載新開發(fā)的六檔變速箱后經(jīng)濟(jì)性至少提升5%以上，同時(shí)動(dòng)力性不能降低。

表1 整車參數(shù)

表2 滑行阻力

表3 動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

2 初步設(shè)定各檔速比

2.1 最大速比的設(shè)定方法

整車最大速比（1檔總速比）需要滿足三個(gè)條件，即最大爬坡度、最低穩(wěn)定車速和坡道起步。

（1）滿足最大爬坡要求。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義的最大爬坡度要求，需要滿足30%最大爬坡條件（由于車速較低，不考慮空氣阻力的影響）：

式中：f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；Tmax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩；ηT為傳動(dòng)效率。

當(dāng)坡度為30%時(shí)，即16.7°，代入公式（2），此時(shí)i1g≥13.02。

實(shí)際上整車不考慮附著能力，因此按照上述理論公式計(jì)算得出的速比，其結(jié)果偏小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)定義的整車最大爬坡能力要求是：整備質(zhì)量+200kg條件下，最大爬坡度大于等于50%，即α≥26.6°，代入公式（3）：

此時(shí)i1g≥15.355

（2）滿足坡道起步的能力。坡道起步要求滿足開空調(diào)、發(fā)動(dòng)機(jī)2000rpm起始轉(zhuǎn)速、20%坡道能夠起步。使用Cruise軟件進(jìn)行仿真，變速箱速比進(jìn)行多次嘗試，當(dāng)i1g≥16.5時(shí)滿足要求（判斷條件：離合器經(jīng)過一次半聯(lián)動(dòng)后汽車可以正常爬坡，如圖1所示。

圖1 離合器半聯(lián)動(dòng)圖示

（3）滿足最低穩(wěn)定車速的要求。一檔最低車速越小，表征汽車在交通擁擠的道路上行駛時(shí)越有利，根據(jù)最低穩(wěn)定車速目標(biāo)值小于等于6.5km/h，計(jì)算公式：

其中：nidle為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速，Vidle為最低車速，打入帶入上式求出i1g≥15.822。

綜合以上所有約束條件，得出i1g≥16.5。

2.2 高檔位速比的確認(rèn)方法

（1）最高檔位速比的確認(rèn)。隨著國內(nèi)道路狀況的不斷改善，高速公路的普及，高檔位使用率在逐漸增高，因此設(shè)置經(jīng)濟(jì)檔也叫超速檔（檔位速比小于1），成為一種趨勢，一般出現(xiàn)在最高檔。為了充分利用經(jīng)濟(jì)檔的優(yōu)勢，應(yīng)使整車在經(jīng)常使用車速范圍內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保證在最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)域，此時(shí)經(jīng)濟(jì)性最佳。

圖2 中國行駛環(huán)境特點(diǎn)（高速公路）

按照圖2統(tǒng)計(jì)信息可知，中國高速公路汽車行駛車速段集中于100km/h～140km/h。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)萬有特性可知，此車搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)域在2500rpm～3500rpm之間，根據(jù)公式：

計(jì)算得：i6=3.21時(shí)，車速為100km/h時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2500rpm，車速為140km/h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速正好是3500rpm，同時(shí)考慮到車速在140km/h以上時(shí)的使用頻率遠(yuǎn)小于車速在100km/h以下的使用率，為了同時(shí)保證在100km/h以下的高速段仍具有良好的經(jīng)濟(jì)性，建議i6≤3.21。

（2）直接檔位的確認(rèn)。由于直接檔位效率高，同時(shí)高檔位的使用頻率高，因此一般將直接檔位設(shè)置在高檔，考慮到變速箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素，現(xiàn)將直接檔設(shè)置在5檔。定義其檔位速比為1。

2.3 中間檔位速比設(shè)定方法

中間檔位速比的確認(rèn)方法有以下三種：①等比級數(shù)法，即相鄰檔位速比之比恒等于一個(gè)常數(shù)，此方法在高檔位加速度較小，適合于常駛于良好路面且比功率較大的汽車。②等差級數(shù)法，即相鄰檔位加速終了的車速差恒等于一個(gè)常數(shù)，此方法在低檔換擋時(shí)轉(zhuǎn)速降低過快，容易熄火，適合于常駛于惡劣環(huán)境且比功率較低的汽車，特別適合坦克車輛。③根據(jù)具體情況靈活設(shè)定，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般汽車變速器中間檔位的實(shí)際速比，處于等差級數(shù)值和等比級數(shù)值之間，這種方法適合大部分小型汽車。

文章選擇第三種方法，進(jìn)行靈活設(shè)定。這種方法設(shè)計(jì)出的變速箱速比更加合理，能夠更加有效的利用各個(gè)檔位，充分發(fā)揮整車在低檔位的動(dòng)力性和高檔位的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也符合駕駛員經(jīng)常使用高檔位的駕駛習(xí)慣，提升換擋舒適性。相鄰兩個(gè)變速箱檔位速比i之間的比值為一介比q，兩個(gè)相鄰一介比之間的比值為二階比q'，用公式表示為：

據(jù)統(tǒng)計(jì)該類型的變速箱二階比近似存在以下關(guān)系：

其中λ為修正系數(shù)，λ=0.95～0.99

由公式（5）（6）（7）可推算出各一介比、二階比與總檔位數(shù)n以及二階比修正系數(shù)λ之間的關(guān)系。

根據(jù)公式（9），可知在確定q1和qn-1后可求出二階比，進(jìn)而求出中間檔位的一介比，再根據(jù)五檔速比已知，最后可求出所有的速比。

可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇最高檔和最低檔的一介比。一檔一介比直接影響起步換擋脫檔問題，駕駛員在1500rpm轉(zhuǎn)速換到二檔后轉(zhuǎn)速不能低于怠速轉(zhuǎn)速（一般在700～800rpm），否則出現(xiàn)車子抖動(dòng)或熄火現(xiàn)象，因此q1一般小于1.9為宜。次高檔換到最高檔后要求此時(shí)具有一定的后備功率，以保證良好的加速性能，一般qn-1≤1.3。

同時(shí)統(tǒng)計(jì)市場上主流的同類型的六檔變速箱速比，可以得出一介比的大致變化范圍，如表4所示：

表4 主流6速變速箱一介比范圍

表5 目標(biāo)變速箱速比初步計(jì)算

如表5所示，知道速比范圍越大，有助于提升整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，通過與原5MT變速箱速比對比，前五檔速比設(shè)計(jì)合理，六檔速比偏大，故將q5修正為1.25，此時(shí)i6為0.8。

2.4 主減速比的確認(rèn)

根據(jù)前文速比的分析匯總?cè)绫?所示：

表6 主減速比選擇范圍

由表6可知，滿足上述要求的主減速比選擇范圍為3.66～4.01之間，考慮到搭載新變速箱后的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性不能低于原車型，經(jīng)過Cruise軟件仿真，主減速比在3.4～4.2之間時(shí)主要指標(biāo)能夠達(dá)到基本型水平?，F(xiàn)根據(jù)C曲線的方法從3.66～4.01之間選擇合適的速比，利用Cruise軟件進(jìn)行仿真，在不同主減速比下根據(jù)每一次計(jì)算出的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性結(jié)果進(jìn)行綜合評價(jià)，得出C曲線，如圖3所示。

圖3 動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性的C曲線

C=Δt+Δf之和最小時(shí)表示此時(shí)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性綜合性能最佳，即同時(shí)兼顧到較好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，此時(shí)主減速比在3.8左右。根據(jù)C曲線原則，主減速比初步選擇3.8。

3 速比優(yōu)化

變速箱最終的速比需要結(jié)合整車具體要求以及變速箱制造等因素進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3.1 根據(jù)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性曲線優(yōu)化速比

最佳燃油經(jīng)濟(jì)曲線的確認(rèn)方法：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性曲線，利用Matlab軟件進(jìn)行插值，得出發(fā)動(dòng)機(jī)不同功率下的燃油量，功率曲線與萬有特性等高線的切點(diǎn)即為最佳燃油曲線。如圖4所示。

圖4 最佳燃油經(jīng)濟(jì)線

如果整車在常用工況下經(jīng)常行駛在最佳燃油經(jīng)濟(jì)線曲線附近，則經(jīng)濟(jì)性較好，速比分配合理，否則調(diào)整速比，盡量使常用工況靠近最佳燃油經(jīng)濟(jì)曲線。將前文分析得出的速比帶入Crusie計(jì)算模型中，查看仿真結(jié)果下的 cycle run-NEDC-Condensation的圖表，將最佳燃油經(jīng)濟(jì)曲線添加到油耗分配圖中：

圖5 NEDC油耗分配區(qū)域

圖5中圓圈數(shù)值表示在NEDC工況（綜合工況）下的所在區(qū)域內(nèi)的整車油耗分配（百分比表示）。由圖5可知，大部分運(yùn)行工況分布在曲線附近，說明該主減速比分配比較合理，但是低轉(zhuǎn)速低扭矩較多區(qū)域處于最佳經(jīng)濟(jì)線以下，而高扭矩區(qū)域處于曲線以上，根據(jù)速比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，以及NEDC工況曲線和檔位的關(guān)系，適當(dāng)降低前三檔的速比以及增大高檔速比，可使汽車行駛工況靠近經(jīng)濟(jì)性曲線。

3.2 變速箱速比根據(jù)生產(chǎn)條件進(jìn)行修正

變速箱速比由內(nèi)部齒輪齒數(shù)決定，齒數(shù)的設(shè)計(jì)參考以下原則：

（1）齒輪齒數(shù)選擇時(shí)，一般一對齒輪中至少有一個(gè)齒輪取13、17、19、31這種沒有公約數(shù)的質(zhì)數(shù)，如果無法取，盡量不取2個(gè)齒輪齒數(shù)都是偶數(shù)和2個(gè)齒輪齒數(shù)擁有公約數(shù)的數(shù)字。這樣可以提升齒輪壽命，降低公差對齒輪的影響。消除可能存在的異響。

（2）一般不改變齒輪的模數(shù)、壓力角，小范圍變化變位系數(shù)，以保證刀具可以借用，如果僅僅是齒數(shù)和螺旋角變化對刀具的影響不大，一般都可以借用原刀具（螺旋角的變化影響齒輪嚙合的平穩(wěn)性，齒輪的大小變化）。變位系數(shù)可以小范圍變化。根據(jù)以上所有要求最終優(yōu)化后的變速箱速比如表7所示。

表7 最終變速箱速比

4 結(jié)語

根據(jù)文章分析出的變速箱速比，開發(fā)變速箱，搭載在整車上進(jìn)行動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)，并與原車型進(jìn)行對比，如表8所示。

表 8 動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性對比

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，在不更換發(fā)動(dòng)機(jī)和優(yōu)化整車參數(shù)的前提下，僅通過更換變速箱即實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性7%的提升，同時(shí)整車油耗滿足第三階段標(biāo)準(zhǔn)（≤10.6L/100km）。

綜上所述，變速箱速比設(shè)計(jì)是否合理的最直接體現(xiàn)就是滿足整車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的要求，同時(shí)保證較好的換擋舒適性，文章通過理論分析和軟件模擬仿真計(jì)算，得出一組較為合理的變速箱速比，使整車性能提升明顯。在以后開發(fā)整車進(jìn)行性能匹配時(shí)，如果條件允許優(yōu)先考慮選擇多檔位變速箱，以及對變速箱速比進(jìn)行合理的分配，可以實(shí)現(xiàn)車、機(jī)、箱三者之間最佳的匹配。

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Design and Optimization of Transmission Ratio

DING Guang-hui，ZHANG Min

（Anhui Jianghuai Automobile Group Co.，Ltd.，Hefei，Anhui 230601，China）

The effect of transmission is the most basic meet the vehicle power，economy and good shifting comfort，and reasonable distribution of the transmission ratio is the key of the gearbox design.This paper begins with meeting the above requirements based on the analysis of the design theory of transmission ratios,and combing with simulation of AVL-Cruise software the calculation to make the final ratio reach the best state of the performance of the vehicle.

speed ratio；matching；dynamic property；economy；Cruise

U463.212

A

2095-980X（2017）01-0049-03

2017-12-11

丁光輝（1989-），男，山東金鄉(xiāng)人，工程師，主要研究方向：動(dòng)力匹配。