某MPV車型手動變速器選型分析

關鍵詞：手動變速器；選型；技術要求；中心距；速比；漏斗模型

0引言

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，國內汽車零部件行業(yè)也從建國初期的起步階段，發(fā)展到目前的快速發(fā)展階段[1]。變速器廠家也從最初只能與規(guī)定主機廠配套，發(fā)展到配合整車主機廠同步開發(fā)新車型的系統(tǒng)或零部件的協同開發(fā)。很多變速器生產廠家能夠根據自身研發(fā)能力和企業(yè)優(yōu)勢，陸續(xù)研發(fā)成功了不同型式、不同規(guī)格的平臺化、系列化的變速器總成供主機廠配套選型。

汽車更新換代迅速，產品的快速迭代能夠解決問題，減少客戶抱怨，同時也符合事物更新變化發(fā)展的規(guī)律。因此，為了適應日益激烈的市場競爭，主機廠致力于縮短整車研發(fā)周期，提高有利競爭力以搶占市場。對于核心零部件之一的變速器，選用現有成熟的平臺，通過較小幅度設計更改以滿足主機廠開發(fā)周期要求，可以有效縮短變速器零部件的研發(fā)周期。本研究針對某款家用MPV車型進行了手動變速器的選型，選型過程科學、規(guī)范，為后續(xù)車型手動變速器的選型提供了很好地參考示例。

1選型前技術信息梳理及分析

1.1車型整車信息

該車型研發(fā)設定目標為家庭使用為主、宜家宜商的MPV車型，發(fā)動機前置前輪驅動。發(fā)動機橫向布置，采用手動換擋模式，擋位設定為5個前進擋加一個倒擋，整車相關技術參數如表1所示。

1.2發(fā)動機信息

該MPV車型采用B15系列前置前驅發(fā)動機，發(fā)動機排量為1.5L，配置雙連續(xù)可變氣門正時系統(tǒng)（DVCP）。發(fā)動機主要參數和性能指標如表2所示。

1.3發(fā)動機艙總布置要求

按照該MPV車型的發(fā)動機艙總布置物理集成方案，對變速器的外形輪廓尺寸需控制在520.0mm×470.0mm×380.0mm之內。變速器外形輪廓及附件可根據實際發(fā)動機艙布置，進行相應的調整。

1.4整車性能要求

按照整車性能理論分析，匹配B15發(fā)動機的MPV車型，通過模擬工況，分析整車的動力性和燃油經濟性等因素，初步推薦了變速器理論速比，如表3所示。

2變速器主要技術要求

2.1變速器擋位要求

根據整車性能分析要求，該MPV車型的變速器采用5個前進擋加1個倒擋設計。根據整車總布置方案，操縱機構的換擋手柄的擋位布置參考傳統(tǒng)車型的換擋習慣，倒擋位置放在5擋下方或在1擋左側。為避免誤操作換入倒檔，變速器內部設置倒擋鎖機構（倒擋在5擋下方時），或手動換擋器上設置防倒擋誤換機構（倒擋在1擋左側時）。擋位布置形式推薦如圖1所示。

2.2變速器的中心距

手動變速器的中心距是變速器很重要的參數，它對變速器整體尺寸及質量有很大影響，通常根據經驗公式初選中心距。該MPV車型設計類型參考乘用車，根據轎車的經驗公式選取變速器中心距A。變速器中心距經驗公式如下[2]：

式中：A為變速器中心距的數值，單位mm；KA為變速器中心距系數的數值，對于轎車KA取8.9～9.3，對于載貨汽車KA取8.6～9.6；Temax為發(fā)動機最大扭矩的數值，單位N·m；i1為變速器第1擋速比的數值；ηg為變速器傳動效率的數值，取0.95。

由于發(fā)動機最大扭矩為147N·m（3600～4000r/min），車型推薦的1擋理論速比3.538，KA參考轎車設計要求，根據公式（1）可計算出變速器中心距A的理論推薦值為70.3～73.4mm。

2.3變速器1擋速比

依據汽車理論，根據汽車最大爬坡度來確定1擋傳動比。當車輛在最大上坡路面上行駛時，最大驅動力應能克服輪胎與路面間滾動阻力及上坡阻力，由汽車行駛方程得[3]：

根據整車參數和發(fā)動機參數，計算車輛所需的1擋速比和主減速比。車輛設計最大爬坡度30%，換算為道路最大阻力系數Ψ為0.30；前置前驅汽車傳動總系數η的經驗值為0.8；理論主減速比為4.111，由此可計算其1擋傳動比，i1≥3.507。由于前置前驅變速器總成帶主減速比，因此1擋速比和主減速比可根據實際進行優(yōu)化調整，即要求滿足最大傳動比[4]。該車最大傳動比itmax≥14.416。

2.4變速器齒輪、齒軸、軸承強度要求

根據《變速箱承載能力分析評價標準》，按我司載荷譜分析，當發(fā)動機最大扭矩為147N·m時，變速器各軸承的損傷率須在安全范圍之內。

2.5變速器總成模態(tài)要求

根據該MPV車型整車技術的要求，匹配的變速器總成須滿足最低固有頻率≥210Hz。

2.6變速器總成的其他技術要求

環(huán)境要求：變速器總成必須完全滿足下列環(huán)境下的正常使用。

（1）周圍環(huán)境溫度的變化（-40～52℃）及發(fā)動機散發(fā)的熱量。

（2）周圍環(huán)境相對濕度變化（從0～100%）。

（3）在飛濺的雨水、泥漿、暴雪或鹽堿環(huán)境中。

（4）發(fā)動機振動。

（5）與底盤使用的化學物質接觸（例如發(fā)動機冷卻液、機油、制動液或潤滑脂等）。

傳動效率要求：變速器總成的傳動效率不得低于95%。

換檔性能要求：參考GM汽車公司測試程序，手動擋變速器所有擋位（包括倒擋）進行的主觀評估要求如下。

（1）選擋精確性能≥8分。

（2）選擋舒適性能≥8分。

（3）換擋噪聲水平≥8分。

（4）正常行駛跳擋≥10分。

噪聲要求：變速器總成的噪聲要求：前進擋齒輪（除超速擋）噪聲水平不應超過85dB，超速擋和倒車擋齒輪噪聲水平不應超過87dB。噪聲試驗依照國家試驗標準細則QC/T568-1999《汽車機械式變速器臺架試驗方法》。

密封性要求：變速器總成在使用過程中不得出現任何變速器油泄漏、滲漏或水滲入等現象。

耐久性要求：變速器總成須滿足10年或17.0萬km之內無故障（以先到的為準）。

3變速器選型漏斗模型及應用

變速器選型不同于全新變速器總成的零部件開發(fā)。選型是通過整車技術參數確定對變速器的基本參數要求，探尋現有供應鏈廠商和行業(yè)內成熟變速器平臺，通過小范圍的技術更改，以較短的零件開發(fā)周期實現滿足整車的應用需求。由此構建了變速器選型漏斗模型，用于指導快速選型工作。變速器選型模型簡圖如圖2所示。

3.1潛在供應商選擇

結合現有供應鏈系統(tǒng)的變速器總成供應商，以及潛在的變速器總成供應商資源，變速器供應商反饋或推薦的可供選擇變速器機型/平臺如表4所示。

經與4家變速器供應商就技術及商務方面進行溝通，得到如下結果。

（1）供應商D沒有可適用于該車型的變速器機型，且目前暫無研發(fā)近似規(guī)格的變速器平臺的計劃，因此供應商D不符合此車型開發(fā)要求。

（2）供應商C擁有65.0mm中心距的變速器平臺，通過齒輪齒軸及殼體材料加強，基本能夠滿足該車型的發(fā)動機扭矩。經與供應商溝通交流，其公司產品設計權限在合資方，目前暫無技術能力進行較大技術改動，最終決定放棄。

（3）供應商B擁有68.0mm中心距的變速器平臺，與推薦值較為接近。供應商技術確認，可以通過齒輪齒軸的材料加強，確保能夠滿足該車型的發(fā)動機扭矩。且該平臺變速器可根據整車需求更改或優(yōu)化速比以及周邊零部件布置。因此可將供應商B列入潛在供應商名單。

（4）供應商A擁有72.0mm中心距的變速器平臺，可滿足該車型的變速器使用需求。且可根據整車需求更改或優(yōu)化速比以及周邊零部件布置，因此可將供應商A列入潛在供應商名單。

3.2具體技術指標評判

3.2.1變速器速比分析

由于供應商的變速器中心距不同，2家供應商分別推薦了實配速比（表5）。對2家供應商提供的實配速比進行分析如下。

（1）供應商A推薦的變速器，其速比與理論速比較為接近，1擋總速比為14.804，滿足最大傳動比itmax≥14.416。經整車性能分析，供應商A推薦的變速器可以滿足該MPV車型對動力性和燃油經濟性的設計要求。

（2）供應商B推薦的變速器平臺中心距較小，考慮變速器及齒軸強度，變速器總成增大了主減速比。其他各擋位速比適當減小，一擋總速比為14.535，滿足最大傳動比itmax≥14.416的要求。經整車性能分析，供應商B推薦的變速器平臺也可以滿足該MPV車型對動力性和燃油經濟性的設計要求。

3.2.2變速器齒輪、齒軸、軸承和殼體強度分析

通過專業(yè)軟件模擬理論分析，根據《變速箱承載能力分析評價標準》，按我司載荷譜分析，供應商A和供應商B推薦的變速器總成輸入軸、輸出軸、主減速齒輪強度及各擋齒輪均滿足強度要求。當最大扭矩為147N·m時，變速器各軸承的損傷率在安全范圍內，滿足強度要求。

3.2.3變速器總成模態(tài)分析

供應商A的變速器總成模態(tài)≥270Hz，供應商B的變速器總成模態(tài)≥210Hz，均滿足技術要求。

3.2.4變速器總成噪聲分析

通過軟件模擬分析，供應商A和供應商B推薦的變速器總成，均滿足該車型的噪聲要求。1～4擋的噪聲均低于85dB；超速擋（5擋）和倒擋齒輪噪聲均低于87dB。

3.3變速器商務定點

該MPV車型的變速器選型，通過對整車的功能、性能、質量、成本貢獻、維修便利性以及其他各方面綜合因素的評估，最終變速器總成零件商務定點為供應商B，該MPV車型匹配MF515平臺變速器總成。應用變速器選型漏斗模型，最終的選型結果如表6所示。

4變速器實際應用情況

4.1變速器速比確定

通過理論速比匹配的變速器速比進行軟工裝樣件實車驗證，結合動力性和燃油經濟性，變速器定型速比確定值如表7所示。

4.2變速器試驗驗證

變速器詳細設計由變速器供應商完成，確定最終速比之后的正式工裝變速器總成，分別進行了變速器總成臺架試驗、整車4.0萬km道路可靠性試驗以及動力總成3.2萬km可靠性試驗等零部件及整車驗證。驗證結果證明，MF515平臺變速器完全滿足該MPV整車的各項技術指標要求。

4.3變速器應用結論

在整車開發(fā)周期內，供應商B完成了MF515變速器總成的研發(fā)任務。整機的功能和性能完全滿足該MPV的整車要求，允許在整車上集成應用。通過100萬輛已售車型的市場反饋，MF515平臺變速器滿足車輛使用的功能要求。同時，匹配該MPV車型的MF515變速器在整車表現出換擋準確、符合人機工程要求等特性，有效地提高了駕駛舒適性，降低了駕駛員疲勞強度，提高了顧客的滿意度。最終，達到企業(yè)的設計宗旨：設計面向顧客。

5結束語

汽車市場競爭也越來越激烈，新車型更新換代的周期越來越短，而全新變速器平臺的開發(fā)周期較長，在新車型研發(fā)項目上開發(fā)全新變速器總成很難滿足整車研發(fā)時間要求。同時，為了降低油耗并提高駕駛樂趣，傳遞轉矩逐級增大，手動變速器中6擋位變速器將成為主流[5]。手動變速器在中國乃至全球的份額下降已成必然，但并不代表手動變速器就是夕陽產業(yè)，以后相當長一段時間內，它仍將具有自己的發(fā)展空間[6]。

因此，在未來整車研發(fā)中，采用現有手動變速器平臺開發(fā)適用于新車型需求的手動變速器總成，將成為主機廠的更好選擇方案。應用變速器選型漏斗模型，結合整車研發(fā)實際場景需求，快速合理地選定恰當的手動變速器平臺，可以縮短變速器總成的研發(fā)周期，對整車項目縮短研發(fā)周期具有實際的指導意義。