一種變速器傳動效率數據分析方法研究

楊金民，于忠貴，馬 靜，王 君，張新亮

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

引言

國家油耗法規日益嚴苛，降油耗已成為各大汽車企業最重要的攻關項目。降油耗，最根本方法就是提高發動機的熱效率和變速器的傳動效率，也就是提高動力總成整體的效率。

在變速器產品開發階段，變速器的傳動效率試驗是一項非常重要的測試項目[1]，除了能夠分析變速器產品的效率水平、為優化設計提供數據支持外，還可以與發動機萬有特性試驗結果結合分析，為優化動力總成的控制策略提供支持。

1 變速器傳動效率數據用途

變速器的傳動效率試驗一個最重要的目的，就是將傳動效率試驗數據與發動機的萬有特性試驗數據結合分析，用于優化TCU的換擋線，從而提高動力總成的燃油經濟性，降低整車油耗。

變速器傳動效率反應的是變速器在不同擋位下，變速器工作在不同轉速、不同輸入扭矩時的動力傳遞效率，如果能夠讓變速器盡量工作在傳動效率較高的區域，同時發動機能工作在燃油消耗率最低的區域，將是整個動力總成最理想的工作區域。

2 變速器傳動效率常規數據處理方法

通常，進行變速器傳動效率測試時，使用的是變速器整機作為被測件，在變速器性能試驗臺上進行測試[2]。測試結束后，以變速器輸入轉速（也就是發動機轉速）為X軸，變速器輸入扭矩（也就是發動機扭矩）為Y軸，變速器效率為Z軸，繪制等高線圖，每個檔位分別繪制。圖1和圖2為某6AT變速器3擋、5擋的傳動效率等高線圖。

圖1 某6AT變速器3擋傳動效率等高線圖

由以上等高線圖可以看出，在圖示測試范圍內，大致表現為變速器的輸入扭矩越大，傳動效率越高。但是，在變速器的高效率區間內，與其匹配的發動機并不一定是燃油消耗率最優的區域[3]。圖3為與該變速器匹配的發動機的萬有特性曲線圖。

圖3 配套發動機燃油消耗率等高線圖

從上圖可以看出，發動機的最優經濟工作區間大約是轉速2 500～3 500 rpm，扭矩120～150 Nm區間，這與變速器各個擋位的最高效區域并不重合。因此，僅通過分析變速器各個擋位的傳動效率數據，并不能確定出變速器工作的最合適工作區間。

3 動力總成效率數據處理方法

試驗測得的變速器各擋位傳動效率，需要與匹配發動機的萬向特性試驗結果進行綜合處理分析，才能用于確定變速器的最優工作區間。

首先，讀取變速器傳動效率各試驗工況對應的發動機燃油消耗率。發動機萬有特性試驗時的發動機轉速、扭矩與變速器傳動效率試驗時的輸入轉速、扭矩并不一致，因此需要使用發動機萬有特性試驗后繪制的燃油消耗率等高線圖，按照變速器傳動效率試驗時的輸入轉速、扭矩讀取響應工況的燃油消耗率結果，用于后續計算。表1是根據圖1所示的燃油消耗率等高線圖讀取的所需各工況的燃油消耗率結果。

表1 匹配發動機各工況燃油消耗率

第二步，計算總成的燃油消耗率。變速器的輸入功率計算公式為：

式中：Pin為變速器輸入功率，kW；Nin為變速器輸入轉速，rpm；Tin為變速器輸入扭矩，Nm。

變速器的輸出功率計算公式為：

式中：Pout為變速器輸入功率，kW；Nl：左半軸轉速，rpm；Tl：左半軸扭矩，Nm；Nr：右半軸轉速，rpm；Tr：右半軸扭矩，Nm。

等效的總成燃油消耗率計算公式為：

式中：BSFCpt為等效的總成燃油消耗率，g/kWh；BSFCice：發動機燃油消耗率（表1中結果），g/kWh；

Pin：變速器輸入功率，kW；Pout：變速器輸入功率，kW。

第三步，計算總成的效率。計算公式為：

式中：η為總成效率，%；BSFCpt為等效的總成燃油消耗率，g/kWh；q為燃油熱值，kJ/g。

最后，繪制動力總成的效率等高線圖。以前述6AT變速器為例，經計算處理后，繪制的3擋、5擋的總成效率等高線圖見圖4和圖5。

圖4 某6AT變速器3擋總成效率等高線圖

圖5 某6AT變速器5擋總成效率等高線圖

4 動力總成效率數據應用

4.1 常規動力總成效率應用

對比圖1和圖4，可以發現，動力總成的綜合效率與變速器的傳動效率相比，其高效區發生了變化，進一步說明，變速器傳動效率最高的區域并不一定是動力總成整體綜合效率最高的區域。

對總成綜合效率等高線圖進行進一步優化，橫坐標變更為車速（或是半軸轉速），縱坐標變更為輸出軸扭矩和，仍然以前述6AT變速器為例，優化后3擋、5擋的總成效率等高線圖如圖6和圖7所示。 變速器各個擋位分別按照上述方法繪制車速-半軸扭矩和-總成效率的等高線圖，則能表示出該套動力總成所有工作工況的總成綜合效率分布，可以用于優化變速器的控制策略，使動力總成能夠盡量工作在整體效率最優的區間，降低車輛的油耗[4]。

圖6 優化后3擋總成效率等高線圖

圖7 優化后5擋總成效率等高線圖

4.2 混合動力總成效率應用

對于混合動力總成產品，由于增加了一個或多個電機參與工作，其動力來源除了有發動機外，還有電機，也就是能量來源于汽油燃燒的化學能和車輛電池儲存的電能。為了評價混合動力總成整體的效率，可以以該混合動力總成的平均油電轉化率（也就是每發一度電平均消耗的汽油量）為基礎，計算總成整體的效率。某混合動力總成純電模式、混動模式總成效率等高線圖如圖8和圖9所示。

圖8 某混合動力總成純電模式效率等高線圖

圖9 某混合動力總成混動模式效率等高線圖

按照上述方式對混合動力總成的整體效率數據進行處理后，可以更好地應用于混合動力總成的能量管理策略優化和標定中去，提高燃油經濟性。

5 結語

通過對變速器傳動效率試驗結果的分析，結合所匹配發動機的萬有特性數據進行綜合計算，得出變速器各擋位下動力總成的整體效率，能更好地反映出動力總成的實際工作狀態，進而用于優化變速器的換擋控制策略，提高燃油經濟性，降低油耗。