乘用車動力選型技術

翟洪軍 劉毅

（浙江吉利汽車研究院有限公司）

據(jù)中汽協(xié)發(fā)布的2014年汽車銷量數(shù)據(jù)，截止到2014年底，中國汽車銷量已經突破2 349.19萬輛。在這眾多的乘用車中，傳統(tǒng)動力車所占比重超過95%，對于如此龐大的數(shù)字，汽車企業(yè)在新車型開發(fā)時如何選擇合適的動力總成，才能兼顧整車動力性與經濟性，文章將通過乘用車動力總成發(fā)展趨勢、重扭比初選及速比優(yōu)化進行闡述。

1 動力總成發(fā)展趨勢

我國油耗法規(guī)正逐漸加嚴，尤其是2014年年底第4階段油耗限值和目標值發(fā)布。法規(guī)要求，對于新認證車型，要在2016年1月1日實施，對于現(xiàn)生產認證車型，在2018年1月1日實施。通過法規(guī)倒逼，很多排量較大、油耗值較高的車型，已經到了能不能銷售的兩難境地。

不同區(qū)域和客戶群對汽車動力性和經濟性的要求也不一樣。所以要根據(jù)不同的環(huán)境需求，選擇盡可能通用的動力總成。但用戶普遍需要動力性強和燃油經濟性好的車型。只有選擇合適的動力總成，才能對這2個性能做均衡的匹配，而采用標定優(yōu)化等輔助措施來達到性能均衡有一定的難度。

小型化、小排量及高效率的增壓直噴發(fā)動機和多擋位DCT變速器在近幾年較為流行。動力總成規(guī)劃總體上按照整車規(guī)劃的方向進行，同時需按照目前動力總成的發(fā)展趨勢預測未來動力總成的發(fā)展趨勢，以規(guī)劃整車不同階段的動力總成，且不同階段的動力總成規(guī)劃應符合不同階段的法律法規(guī)的要求。圖1示出VVT，TC，GDI發(fā)動機的發(fā)展情況。

1.1 發(fā)動機發(fā)展趨勢

2007—2014年，轎車發(fā)動機排量方面的變化不大，部分SUV和MPV均有向小排量發(fā)展的現(xiàn)象。這主要是國家出臺的燃油限值法規(guī)起了較大作用，各車企對于油耗壓力較大的車型（SUV，MPV）適當降低動力性，燃油消耗會有一定的降低。圖2示出發(fā)動機排量發(fā)展歷程。

1.2 變速器發(fā)展趨勢

圖3示出變速器應用的發(fā)展歷程。從圖3中可以看出，手動擋變速器從2012年開始基本就不再增長，AT變速器有較大幅度的增長，DCT和CVT增長幅度次于AT。按中國變速器行業(yè)現(xiàn)有條件看，DCT型式應該是后面增長較快的。

由于轎車和SUV主要以家用為主，對經濟性要求較高，自動擋增幅有限。而MPV對舒適性的要求會高一些，所以自動擋應用比例比轎車和SUV高，如圖4所示。

2 初選動力總成

根據(jù)動力總成發(fā)展趨勢，首先要進行市場調研，了解用戶需求，得出要做什么樣的車型，同時調查同類車型都采用什么樣的動力總成（是否采用VVT，TC等技術）。然后通過重扭比初步選擇發(fā)動機。

重扭比即整車整備質量和發(fā)動機額定扭矩的比值，是可以直觀看出該車型動力性能的重要參數(shù)之一。該值越小，動力性越好。以乘用車為例，文章通過對不同排量的乘用車進行統(tǒng)計，得到了不同排量重扭比的分布區(qū)間。排量為1.0 L的A0級車型的重扭比平均在9.75左右；排量為1.2～1.3 L的A0～A-級車型的重扭比在8.37左右；排量為1.6 L的A級車型的重扭比在8.12左右；排量為1.8 L的A～A+級車型的重扭比在7.58左右；排量為2.0 L的B級車型的重扭比與1.8 L的相當，重扭比在7.8左右；排量為2.4～2.5 L的B級車型的重扭比在6.69左右；最近幾年，帶T車型很多，為顯示其動力性能，帶T車型的重扭比在6.06左右。不同排量車型重扭比趨勢，如圖5所示。

從圖5可以看出，排量越大，重扭比越小，動力性越強。帶T的車型動力性要求更高，所以重扭比也最小。

重扭比平均值可作為參考，作為公差中值，公差帶為±0.5。超過公差帶的上公差將會造成動力過剩，反之將會造成動力不足。

3 動力性與經濟性開發(fā)

根據(jù)重扭比初選出動力總成，對于更換動力總成的項目來說，在整車質量、風阻及滾阻等參數(shù)無法改變的情況下，為達到最佳的動力性與經濟性水平，需要進行傳動比設計。

設計原則：在動力性、經濟性及排放性能指標中，取某一項指標為約束條件（如：動力性指標之一），以該車型某一項指標為目標（如：經濟性指標之一），兼顧另一項性能指標（如：排放性指標之一）進行優(yōu)化匹配。

設計方法：傳動系速比的確定分高擋總速比的確定、低擋總速比的確定及變速器擋位數(shù)和中間擋速比的選擇3個方面[1]。

3.1 高擋總速比

高擋總速比的選擇是否合理，關系著所選動力是否能夠得以充分發(fā)揮，它不僅影響最高車速和加速時間，還影響燃油經濟性等，因此必須認真加以分析。

首先，根據(jù)車型定位確定最高車速所出現(xiàn)的擋位。由于后備功率與燃油經濟性互相矛盾，因此在對經濟性不重視的年代，多數(shù)汽車將最高車速設定在最高擋。近年來，為了提高燃油經濟性，出現(xiàn)了減小最高擋總速比的趨勢。最高車速出現(xiàn)在次高擋的情況越來越多。甚至有的6擋變速器的最高車速出現(xiàn)在4擋。最高車速一旦出現(xiàn)在次高擋，最高擋需要滿足3條要求：1）最高車速要求；2）高溫開空調時的最高車速要求；3）最高擋在100 km/h時的最大爬坡度要求。

其次，為降低發(fā)動機振動和噪聲，要求最高擋在120 km/h時發(fā)動機轉速≯3 000 r/min。

再有，燃油經濟性方面需要滿足等速油耗要求。

3.2 低擋總速比

主要考慮因素：最大爬坡度、附著率及汽車最低穩(wěn)定車速。

對于乘用車而言，國內要求在平路起步能爬到30%以上坡度即為滿足要求。而對于出口到南美等山地較多的國家，該要求顯然太低。他們的測試要求和國內有所不同。一般需滿足一定坡道起步能力（如：滿載、關閉空調的坡起坡度不低于30%）。

最大爬坡度和最大坡起坡度的確定還需要檢查附著條件是否滿足，必要時，只能從汽車總體布置和結構著手，改善汽車的附著能力。

最低穩(wěn)定車速可以通過發(fā)動機最低穩(wěn)定轉速折算，乘用車一般≯10 km/h。

3.3 擋位數(shù)及各擋傳動比的確定

3.3.1 擋位數(shù)的確定

一個多擋變速器，若在發(fā)動機、主減速比、車輪滾動半徑和最大總負荷等均已選定的情況下，變速器的擋位數(shù)則是越多越好。然而，擋位數(shù)超過5個（指前進擋）會使結構大為復雜，同時操縱機構也相應復雜。因此，一般乘用車普遍采用5擋或6擋變速器。

3.3.2 中間擋位速比的確定

變速器1擋速比和擋數(shù)被確定之后，從原則上說，所選中間擋位速比應保證發(fā)動機在加速過程中始終處于高效的工作狀態(tài)，保證最大的加速強度和最短的加速時間。具體方法有2種。

1）等比級數(shù)法。即相鄰擋位速比之比恒等于一個常數(shù)。按照等比級數(shù)法可以在汽車需要大功率時，較好地利用發(fā)動機特性曲線功率比較大的一段來增加汽車的后備功率，提高汽車的加速或上坡能力。故等比級數(shù)的速比比較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。即相鄰擋位加速終了的車速差恒等于一個常數(shù)。按等差級數(shù)法確定的變速比值比按等比級數(shù)法確定的要小，越到高擋小得越多。加速過程中，各擋發(fā)動機的轉速區(qū)間越到高擋越小，相應的加速平均功率越來越大。因而，各擋平均加速度變化小，有利于高擋加速，提高平均車速和燃油經濟性。按等差級數(shù)確定中間擋位速比的方案，較為適合于常駛于惡劣環(huán)境且比功率較低的汽車。

根據(jù)統(tǒng)計，汽車變速器中間擋位的實際速比，處于等差級數(shù)值和等比級數(shù)值之間，且偏于等比級數(shù)值。因此，建議以等比級的速比值為基礎，乘以一個修正系數(shù)λ，λ=0.90～0.98。取下限，是向等差級數(shù)靠近，是加強；取上限，則是向等比級數(shù)靠近，是削弱。比功率低，且常駛于壞路的車輛，應取下限；比功率高，且常駛于良好路面的車輛應取上限。低擋位應取上限，高擋位應取下限。值得注意的是，速比是通過齒輪來實現(xiàn)的，計算數(shù)值尚需進行適當?shù)恼{整。為方便計算，也可把λ取一個平均值（λ=0.94）來計算各擋速比。

3.4 液力變矩器的匹配計算[2]

液力變矩器是一種動液傳動的無極變速器。活塞式內燃機裝上高效率的液力變矩器后，可克服特性上的缺陷，使汽車獲得近于功率發(fā)動機一樣的驅動功率，改善汽車的動力性能。

在發(fā)動機和裝用車型確定之后，選配液力變矩器，必須遵循的選配原則為：1）充分發(fā)揮發(fā)動機和變矩器的特性，以獲得良好的汽車動力性能。2）應使變矩器的最大輸入轉速與發(fā)動機的最大功率轉速接近，且前者不得小于后者。3）應使變矩器的最大輸入扭矩與發(fā)動機的最大凈扭矩接近，且前者不得小于后者。4）應選擇啟動變矩系數(shù)（k0）與工況轉速比（i0）之積較大的變矩器。5）選擇k0時，應視汽車傳動系低擋總速比（ig1）的大小而定，ig1值大者，k0值可小，ig1值小者，k0值應大；變速器擋位數(shù)多者，k0值可小，擋位數(shù)少者，k0值應大。6）變矩器與發(fā)動機的共同工作區(qū)間不應太小，即泵輪的開鎖轉速最好小于發(fā)動機的最大扭矩轉速，泵輪的閉鎖轉速最好大于發(fā)動機的最大功率轉速。

4 結論

通過對前瞻技術的研究，了解未來發(fā)動機和變速器及整車的發(fā)展趨勢，結合自身車型的特點，可根據(jù)重扭比初選出合適的動力總成。

對于初選的動力總成，要根據(jù)整車動力性與經濟性目標的具體要求，對影響整車的重要因素進行管控，例如對變速器傳動比進行優(yōu)化設計，以達到動力總成的最優(yōu)化匹配。