變速箱速比設計及優化

丁光輝，張 敏

（安徽江淮汽車集團股份有限責任公司，安徽 合肥 230601）

變速箱速比設計及優化

丁光輝，張 敏

（安徽江淮汽車集團股份有限責任公司，安徽 合肥 230601）

變速箱最基本的作用是滿足整車的動力性、經濟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計的關鍵，文章是從基于滿足以上要求出發，對變速箱各檔速比的設計理論進行分析，并結合AVL-Cruise軟件仿真計算，使得出的速比能夠達到匹配整車性能的最佳狀態。

速比；匹配；動力性；經濟性；Cruise

隨著能源的緊缺，燃油價格的不斷上漲，人們對汽車燃油經濟性關注越來越高，同時駕駛舒適性也逐步成為顧客選擇購買何種汽車時的一項重要指標。而變速箱作為汽車傳動系中的重要組成部分，其對整車動力性、經濟性和換擋舒適性等影響至關重要，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容。

文章以一款乘用車為例，結合整車參數，通過重新分配各擋速比進而開發的一款六檔手動變速箱，在保證動力性的前提下，經濟性提升5%，換擋舒適性穩步提升。

1 整車參數及動力性、經濟性目標的設定

在確定整車動力性和經濟性之前，需要首先確定影響整車性能的整車參數如表1所示和發動機參數如表2所示。該目標車基本型搭載的變速箱為5速手動變速箱，其動力性和經濟性試驗數據如表3所示。根據目標要求，搭載新開發的六檔變速箱后經濟性至少提升5%以上，同時動力性不能降低。

表1 整車參數

表2 滑行阻力

表3 動力性和經濟性指標

2 初步設定各檔速比

2.1 最大速比的設定方法

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

（1）滿足最大爬坡要求。根據行業標準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為滾動阻力系數；Tmax為發動機最大扭矩；ηT為傳動效率。

當坡度為30%時，即16.7°，代入公式（2），此時i1g≥13.02。

實際上整車不考慮附著能力，因此按照上述理論公式計算得出的速比，其結果偏小，根據經驗定義的整車最大爬坡能力要求是：整備質量+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i1g≥15.355

（2）滿足坡道起步的能力。坡道起步要求滿足開空調、發動機2000rpm起始轉速、20%坡道能夠起步。使用Cruise軟件進行仿真，變速箱速比進行多次嘗試，當i1g≥16.5時滿足要求（判斷條件：離合器經過一次半聯動后汽車可以正常爬坡，如圖1所示。

圖1 離合器半聯動圖示

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

其中：nidle為發動機怠速轉速，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 高檔位速比的確認方法

（1）最高檔位速比的確認。隨著國內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，因此設置經濟檔也叫超速檔（檔位速比小于1），成為一種趨勢，一般出現在最高檔。為了充分利用經濟檔的優勢，應使整車在經常使用車速范圍內的發動機轉速保證在最佳經濟區域，此時經濟性最佳。

圖2 中國行駛環境特點（高速公路）

按照圖2統計信息可知，中國高速公路汽車行駛車速段集中于100km/h～140km/h。

根據發動機萬有特性可知，此車搭載的發動機最佳經濟區域在2500rpm～3500rpm之間，根據公式：

計算得：i6=3.21時，車速為100km/h時發動機轉速為2500rpm，車速為140km/h時，發動機轉速正好是3500rpm，同時考慮到車速在140km/h以上時的使用頻率遠小于車速在100km/h以下的使用率，為了同時保證在100km/h以下的高速段仍具有良好的經濟性，建議i6≤3.21。

（2）直接檔位的確認。由于直接檔位效率高，同時高檔位的使用頻率高，因此一般將直接檔位設置在高檔，考慮到變速箱內部結構設計的因素，現將直接檔設置在5檔。定義其檔位速比為1。

2.3 中間檔位速比設定方法

中間檔位速比的確認方法有以下三種：①等比級數法，即相鄰檔位速比之比恒等于一個常數，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等差級數法，即相鄰檔位加速終了的車速差恒等于一個常數，此方法在低檔換擋時轉速降低過快，容易熄火，適合于常駛于惡劣環境且比功率較低的汽車，特別適合坦克車輛。③根據具體情況靈活設定，根據統計，一般汽車變速器中間檔位的實際速比，處于等差級數值和等比級數值之間，這種方法適合大部分小型汽車。

文章選擇第三種方法，進行靈活設定。這種方法設計出的變速箱速比更加合理，能夠更加有效的利用各個檔位，充分發揮整車在低檔位的動力性和高檔位的燃油經濟性，同時也符合駕駛員經常使用高檔位的駕駛習慣，提升換擋舒適性。相鄰兩個變速箱檔位速比i之間的比值為一介比q，兩個相鄰一介比之間的比值為二階比q'，用公式表示為：

據統計該類型的變速箱二階比近似存在以下關系：

其中λ為修正系數，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n以及二階比修正系數λ之間的關系。

根據公式（9），可知在確定q1和qn-1后可求出二階比，進而求出中間檔位的一介比，再根據五檔速比已知，最后可求出所有的速比。

可根據經驗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轉速換到二檔后轉速不能低于怠速轉速（一般在700～800rpm），否則出現車子抖動或熄火現象，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。

同時統計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 目標變速箱速比初步計算

如表5所示，知道速比范圍越大，有助于提升整車的動力性和經濟性，通過與原5MT變速箱速比對比，前五檔速比設計合理，六檔速比偏大，故將q5修正為1.25，此時i6為0.8。

2.4 主減速比的確認

根據前文速比的分析匯總如表6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力性和經濟性不能低于原車型，經過Cruise軟件仿真，主減速比在3.4～4.2之間時主要指標能夠達到基本型水平。現根據C曲線的方法從3.66～4.01之間選擇合適的速比，利用Cruise軟件進行仿真，在不同主減速比下根據每一次計算出的動力性和經濟性結果進行綜合評價，得出C曲線，如圖3所示。

圖3 動力性經濟性的C曲線

C=Δt+Δf之和最小時表示此時動力性和經濟性綜合性能最佳，即同時兼顧到較好的動力性和經濟性，此時主減速比在3.8左右。根據C曲線原則，主減速比初步選擇3.8。

3 速比優化

變速箱最終的速比需要結合整車具體要求以及變速箱制造等因素進行優化調整。

3.1 根據最佳燃油經濟性曲線優化速比

最佳燃油經濟曲線的確認方法：根據發動機的萬有特性曲線，利用Matlab軟件進行插值，得出發動機不同功率下的燃油量，功率曲線與萬有特性等高線的切點即為最佳燃油曲線。如圖4所示。

圖4 最佳燃油經濟線

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

圖5 NEDC油耗分配區域

圖5中圓圈數值表示在NEDC工況（綜合工況）下的所在區域內的整車油耗分配（百分比表示）。由圖5可知，大部分運行工況分布在曲線附近，說明該主減速比分配比較合理，但是低轉速低扭矩較多區域處于最佳經濟線以下，而高扭矩區域處于曲線以上，根據速比與轉速的關系，以及NEDC工況曲線和檔位的關系，適當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濟性曲線。

3.2 變速箱速比根據生產條件進行修正

變速箱速比由內部齒輪齒數決定，齒數的設計參考以下原則：

（1）齒輪齒數選擇時，一般一對齒輪中至少有一個齒輪取13、17、19、31這種沒有公約數的質數，如果無法取，盡量不取2個齒輪齒數都是偶數和2個齒輪齒數擁有公約數的數字。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、壓力角，小范圍變化變位系數，以保證刀具可以借用，如果僅僅是齒數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性，齒輪的大小變化）。變位系數可以小范圍變化。根據以上所有要求最終優化后的變速箱速比如表7所示。

表7 最終變速箱速比

4 結語

根據文章分析出的變速箱速比，開發變速箱，搭載在整車上進行動力性和經濟性試驗，并與原車型進行對比，如表8所示。

表 8 動力性經濟性對比

通過試驗驗證，在不更換發動機和優化整車參數的前提下，僅通過更換變速箱即實現了動力性和經濟性7%的提升，同時整車油耗滿足第三階段標準（≤10.6L/100km）。

綜上所述，變速箱速比設計是否合理的最直接體現就是滿足整車動力性和經濟性的要求，同時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。在以后開發整車進行性能匹配時，如果條件允許優先考慮選擇多檔位變速箱，以及對變速箱速比進行合理的分配，可以實現車、機、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，山東金鄉人，工程師，主要研究方向：動力匹配。