汽車發動機和傳動系的匹配分析和設計

王廣逸 龔清陽

摘 要：隨著我國經濟的發展，能源矛盾問題日益突出，要保證汽車動力性提高燃料利用率。車輛動力性能是汽車的根本性能，車輛發動機參數確定下合理匹配動力傳動系可提高燃油經濟性。發動機與傳動系匹配計算是車輛開發設計的前提，汽車傳動系優化匹配目的使發動機運行在理想工作區，提高發動機使用壽命，對緩解汽車保有量增長帶來燃油供應量不足矛盾具有重要意義。分析汽車發動機傳動系優化模型，進行汽車發動機傳動系模擬計算，提出發動機與傳動系匹配設計。

關鍵詞：汽車發動機 傳動系 匹配分析設計

Abstract：With the development of China's economy， the problem of energy contradiction is becoming increasingly prominent， and it is necessary to ensure the power of automobiles and improve fuel utilization. Vehicle dynamic performance is the fundamental performance of automobiles， and reasonable matching of the power train under the determination of vehicle engine parameters can improve fuel economy. Engine and drive train matching calculation is the premise of vehicle development and design， and the purpose of automobile drive train optimization matching is to make the engine run in the ideal working area， improve the service life of the engine， and alleviate the contradiction of insufficient fuel supply caused by the growth of automobile ownership. The optimization model of automobile engine drive train is analyzed， the simulation calculation of automobile engine drive train is carried out， and the matching design of engine and driving train is proposed.

Key words：automobile engine， driving train， match the analysis design

隨著我國經濟的不斷發展，汽車工業得到快速發展，當前我國石油對外依存度超過55%，現有汽車保有量達3億輛，汽車尾氣排放一氧化碳等有害物嚴重污染空氣，降低汽車燃油量成為節能減排亟待解決的問題。汽車傳動系對車輛動力傳動性有很大影響，改善傳統汽車動力裝置是提高汽車經濟性的有效途徑，主要措施包括優化匹配傳動系統等。匹配優化汽車動力系統是傳統汽車節能技術，與發動機合理匹配傳動系統可以提高汽車傳動效率，汽車傳動系統匹配優化可以減輕發動機磨損，有助于控制汽車尾氣排放造成環境污染，研究汽車發動機與傳動系統匹配設計技術具有重要意義。

1 汽車發動機傳動系性能分析

當前汽車成為人們出行的重要交通方式，人們追求車輛行駛速度更快同時希望車輛省油，行駛相同距離燃油消耗量小會降低能耗，可以通過不降低汽車動力下提高經濟性。汽車動力性是汽車重要的參數，發動機性能與傳動系統匹配是影響汽車動力性的關鍵因素。汽車動力性取決于發動機選型，與引擎合理匹配的傳動系可以使其在理想工作區運行，減輕引擎磨損提高使用壽命[1]。大多數生產廠商采用傳統方法，尋求有效的優化法使汽車動力傳動系參數合理匹配是具有重要意義的課題。

汽車使用性能是發揮最大工作效率的能力，汽車傳動系影響汽車動力性，發動機工況以發出功率Pe與轉速n表示，發動機性能特性包括負荷速度等，汽車動力方針計算需要使用發動機外特性[2]。汽車應用中大部分情況油門部分開啟，發動機負荷特性對計算汽車負荷性能具有重要意義。汽車運輸效率取決于動力性，動力性評價指標反映汽車可達到極限行駛能力，汽車最高車速是在良好路面達到最高行駛速度，對汽車各檔最高車速比較得到最大值μmax，最大爬坡度代表汽車極限爬坡能力[3]。由于汽車設計不合理導致提供動力大于地面附著力，計算最大爬坡度應考慮汽車行駛驅動條件。汽車理想牽引力與實際牽引特性見圖1。

車輛接入變矩器后輸出特性不同于發動機輸出特性，車輛傳動系統中將變矩器后形成系統視為動力源，發動機與液力傳動系優化匹配計算要對部件參數精確計算，對匹配作出評價與優化設計[4]。液力傳動車輛性能與發動機等性能有關，發動機與液力變矩器組合為新動力裝置，二者匹配是進行傳動車輛牽引特性計算基礎，發動機外特性曲線是研究與液力變矩器匹配的基礎，為提高車輛行駛速度，充分利用發動機最大有效功率，希望變矩器與發動機工作范圍處于比燃油消耗量最低處[5]。汽車經濟性是為完成運輸產品產量支付最少費用工作性能，燃油經濟性反映汽車行駛工況對發送機使用性能影響。等速行駛百公里燃油消耗量是汽車以最高檔等速行駛百公里油耗量，等速油耗經濟性不能全面評價汽車運行燃油經濟性，多工況循環實驗包括等加速行駛等工況，計算方法與燃油經濟性仿真相同。

2 汽車發動機傳動系統優化數學模型

汽車整車性能主要考慮動力性與經濟型，發動機與傳動系參數匹配確定成為汽車設計的重要部分。隨著汽車工業專業分工細化，傳統參數優化法存在設計周期長等不足，整車廠設計生產存在參數匹配不合理現象[6]。汽車動力性與燃油經濟同發動機參數匹配相關，可以通過優化設計使發動機與傳動系參數最佳匹配，合理選擇發動機與傳動系有關參數。汽車動力傳動系優化模型設計需要建立發動機特性數學模型，與液力變矩器匹配特性模型。

發動機性能數學模型是車輛動力性計算的重要依據，描述發動機性能特性方法包括經驗公式法，數學模型描述法。采用三次樣條函數插值法具有靈活計算處理方便等優點，利用穩態工況發動機特性實驗數據代替瞬態特性數據。發動機特性數學模型適用外特性描述，外特性區段凈轉矩為Md=Me-Mf-Mg，Me為發動機發出轉矩N·m，Mg為發動機輔助機構液壓油泵消耗轉矩和，Md為發動機輸出凈轉矩，Mf為發動機攜帶附件消耗轉矩和。發動機輔助機構功率損失可由油泵特性數據計算求得[7]。發動機調速特性區段凈轉矩與轉速關系可描述為直線。發動機臺架實驗得到轉速與轉矩實驗數據，采用三次樣條函數插值法擬合函數描述實驗數據，凈轉矩與轉速采用公式描述關系，凈輸出功率Pd變化公式Pd=Md×ne/9549。發動機萬有特性圖如圖2。

汽車液力變矩器特性曲線表示系列不同轉速幾何相似變矩器特性，可通過計算獲得液力變矩器外特性。根據液力變矩器原始特性派生出變矩比K和效率n液力變矩器性能特性可用泵輪變矩系比k=g（i）隨轉速比i變化曲線表示。液力變矩器原始特性圖采集數據點，擬合精度由節點個數決定。發動機與變矩器工作輸入特性是不同轉速比時共同工作轉矩與轉速變化特性，是研究共同輸入特性的基礎。給定液力變矩器重力加速度g，泵輪有效直徑D為常數，泵輪轉矩系數可確定，液力變矩器與發動機工作時，對應泵輪轉矩拋物線與發動機使用外特性曲線有交叉點。發動機與變矩器共同工作點確定是傳動系統匹配計算關鍵，確定共同工作點是求解發動機轉矩特性曲線與變矩器泵輪負荷拋物線交點。

汽車發動機與變矩器共同工作輸出特性是輸出功率與渦輪轉速關系，共同工作高效范圍內應有較低平均油耗量，發動機功率一定調速器形式決定工作輸出特性。由于穿透性不同，輸出特性高效率工作范圍不同。正穿透液力變矩器高效率工作區最大，增加傳動系統平均效率。負透穿變矩器平均輸出購率低，具有不同有效直徑變矩器影響共同工作輸出特性。牽引特性廣泛用于研究發動機等工作裝置參數匹配合理性，液力傳動車輛牽引特性是根據傳動參數與變矩共同工作輸出特性參數。計算理論行駛速度V，比油耗gkp等參數隨牽引力Pk變化關系，Nkp=Pkp×V/3.6，gkp=B/Nkp×100。

3 汽車發動機傳動系統選型匹配分析

汽車動力性與排放性取決于發動機性能，發動機匹配合理的傳動系可以減少燃油消耗，隨著我國城市建設的發展，我國機動車輛以每年15%的速度遞增，導致城市大氣環境污染嚴重。為促進汽車燃油經濟性提高，控制汽車尾氣排放對環境的影響，需要將排放性作為評價汽車性能指標，通過對汽車動力性影響因素研究，提高汽車燃油經濟性，汽車設計階段考慮影響因素的作用降低成本縮短設計周期。

汽車動力性指標計算需要將運行工況轉化為行駛工況，計算汽車燃油消耗量。性能分析計算要研究汽車換擋規律采用不同換擋模式，計算動力性需要保證汽車加速性能最佳。最佳經濟性換擋模式是汽車在高檔行駛降低油耗。大多數企業根據使用條件要求選擇適合發動機，如何選擇發動機型號成為汽車生產企業關注的問題。利用系統可以根據汽車動力性要求選擇適合的匹配方案，建立汽車動力傳動系統選型匹配系統，對匹配方案評價是對汽車動力性綜合考慮新的指標。利用層次分析法計算各級評價因素基準權重集，需根據汽車使用條件確定主要性能參數，減少計算工作量。

4 基于經濟性的汽車傳動參數優化

當前汽車工業發展水平成為衡量國家綜合經濟實力的標志，近年來全國形成汽車生產基地，對汽車動力性能要求不斷提高，能源需求增加對燃油經濟性要求提高。動力性直接影響汽車運輸生產率，要想使汽車燃油經濟性好要求發動機處于燃油消耗率最小經濟區域工作。汽車動力性取決于發動機性能，發動機合理匹配傳動系經常工作在理想工作區附近，可以減輕發動機磨損，通過合理匹配動力系統降低燃料消耗具有較大潛力。如何選擇市場發動機型號獲得最佳匹配成為汽車設計的重要任務。

汽車動力性最好要求燃油消耗率比排放量小，可以通過對發動機與傳動系統部件選型匹配，對動力傳動系統參數優化設計，汽車傳動系參數優化設計要建立數形模型，優化模型中有些參數需要不斷調整，建立優化模型選擇傳動比為設計變量。傳動系統參數模型建立后要選擇適合的計算方法求解，研究選用懲罰函數法求解計算模型，借助懲罰函數將約束問題轉化為無約束問題求解。懲罰項函數內外點法各有優缺點，通過對最大爬坡度要求確定一檔傳動比值，根據優化模型對汽車最大爬坡度要求計算確定一檔傳動比，通過研究最高檔傳動比變化燃油經濟性改變確定最高檔傳動比。表1為傳動系傳動比。

研究某低速貨車繪制最高車速隨最高檔傳動比變化曲線圖，最高檔比在[0.5，0.83]范圍內增大，最高檔比i5取值為0.6左右達到最低值。某客車滿載質量17680kg，對整車動力性方針計算，對根據最高車速百公里油耗與最高檔傳動比變化關系圖。客車在發動機不變下最高車速提高7.8%。以燃油經濟性為目標對傳動系統參數優化設計，利用軟件對貨車動力性等分析計算，以燃油經濟性指標對傳動系數優化，優化汽車達到動力性要求。

5 公共汽車發動機與傳動系合理匹配

汽車發動機負荷率影響動力與經濟學，合理匹配發動機與傳動系降低尾氣碳氫排放量是汽車廠家關注的問題。汽車動力與經濟性只能根據發動機技術參數分析選購，需要研究發動機與傳動系匹配是否適合城市道路行駛工況，可以用負荷率分析城市公共汽車發動機與傳動系合理匹配。公共汽車發動機與傳動系匹配關系到實際乘客等，不同使用狀況下汽車使用不一定符合要求。

研究收集有關資料給出某型中客技術參數，203路公交車規定乘客數不多，車上乘客人數最多達50人，有時超過中客規定額定成員數，導致故障率高增加維修費用，主要原因是發動機未與傳動系合理匹配。發動機最大功率小傳動系傳動比大提高汽車負荷率，發動機在高負荷下運轉易出現噪聲振動。某些長途客車改裝為公共汽車后動力性是否適合城市道路行駛工況需要由使用單位分析。根據外特性計算不同乘客數負荷率，使用外特性曲線功率較臺架實驗外特性功率比轉速為0.5nemax時小5%，通常汽車行駛速度在30km/h，某中客規定乘客數22人負荷率為同車速乘客的2倍。

中客用于加速與爬坡功率為同車速車輛的1/2，汽車正常行駛下發動機功率比外特性曲線最高轉速時功率小，汽車等速油耗在中速時最低，高速時隨車速增長。由于道路擴建等原因使平均車速低，發動機長期處于高負荷下運行造成溫度上升，易引起系列故障。公交車動力經濟性提高要在購置前全面分析，建立汽車良好調度機制。公交公司要做好開發路線調研，如對達到乘客量，未來發展狀況等全面分析，用負荷率分析行駛路線公交車動力經濟性，可用多目標規劃法分析公交車路線行駛道理經濟性，保證汽車動力經濟性在最佳區域范圍。

6 結語

汽車產品大批量生產后，汽車為人類社會進步作出巨大貢獻。21世紀汽車行業呈現技術高新化等新特點，我國加入WTO后汽車產業出現爆發性增長，汽車產業成為國民經濟的重要支柱產業。傳統內燃機汽車占據汽車生產主導地位，改善燃油經濟性可以保護地球環境。本文對汽車動力傳動系統選型匹配設計研究，分析汽車動力傳動系統選型匹配方法，研究汽車最佳動力性換擋；對汽車傳動系參數優化設計。以汽車燃油經濟性為目標函數，對模型尋優計算設計相應選型匹配優化數學模型；對客貨車動力參數優化設計實現對軟件系統驗證。

參考文獻：

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[5]汪洋，朱洪前，胡昌佐.貨車傳動系參數優化匹配分析[J]. 現代機械，2017，（05）：75-79.

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[7]劉猛.基于ADAMS的動力傳動系振動研究與優化[D].上海交通大學，2017.

作者簡介

王廣逸：（1990.07—），男，漢族，江蘇淮安人，學士，中級。研究方向：汽車發動機技術、汽車底盤技術。

龔清陽：（1991.10—）女，漢族，江蘇淮安人，學士，中級。研究方向：汽車發動機技術、汽車運用與維修技術。