变速箱速比设计及优化

.44 .1

VolNo

TIMES AGRICULTURAL MACHINERY

时代农机

2017年1月

.2017

Jan

变速箱速比设计及优化

丁光辉，张敏

(安徽江淮汽车集团股份有限责任公司，安徽合肥230601)

摘要：变速箱最基本的作用是满足整车的动力性、经济性和良好的换挡舒适性，其中变速箱速比的合理分配是变

速箱设计的关键，文章是从基于满足以上要求出发，对变速箱各档速比的设计理论进行分析，并结合AVL-Cruise软件 仿真计算，使得出的速比能够达到匹配整车性能的最佳状态。

关键词：速比；匹配；动力性；经济性；Cruise中图分类号:U463.212

文献标识码:A

文章编号:2095-980X(2017)01-0049-03

Design and Optimization of Transmission Ratio

DING Guang-hui，ZHANG Min

(Anhui Jianghuai Automobile Group Co.,Ltd.,Hefei,Anhui 230601,China)

Abstract ：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.

Key words:speed ratio；matching；dynamic property；economy；Cruise

随着能源的紧缺，燃油价格的不断上涨，人们对汽车燃油 经济性关注越来越高，同时驾驶舒适性也逐步成为顾客选择 购买何种汽车时的一项重要指标。而变速箱作为汽车传动系 中的重要组成部分，其对整车动力性、经济性和换挡舒适性等 影响至关重要，因此匹配一款合适的变速箱是汽车匹配工程 师重要研究内容。

文章以一款乘用车为例，结合整车参数，通过重新分配各 挡速比进而开发的一款六档手动变速箱，在保证动力性的前 提下，经济性提升5%，换挡舒适性稳步提升。

车速（km/h)

10203040506070

表2

阻力/N236.84259.82292.56335.06387.32449.34521.12

滑行阻力

车速 /(km/h)

8090100110120130140

阻力 /N602.66693.96795.02905.841026.421156.761296.86

表3

项目

动力性和经济性指标

单位%-km/hkm/hsssL/100kmL/100kmL/100km

基本型试验值

為30

OK

1整车参数及动力性、经济性目标的设定

最大爬坡度2000rpm 20%坡道起步

最低稳定车速

动力性

最高车速0~100km/h加速时间4档80~120km/h加速时间5档80~120km/h加速时间

城市循环

经济性

城郊循环综合循环

在确定整车动力性和经济性之前，需要首先确定影响整 车性能的整车参数如表1所示和发动机参数如表2所示。该 目标车基本型搭载的变速箱为5速手动变速箱，其动力性和 经济性试验数据如表3所示。根据目标要求，搭载新开发的 六档变速箱后经济性至少提升5%以上，同时动力性不能降 低。

表1

项目整备质量满载质量发动机最大扭矩发动机最大功率发动机怠速转速轮胎型号轮胎滚动半径

6.217117.217.423.314.19.311.5

整车参数

单位

kgkgNmkWrpm

参数21502800250120800225/60 R17

341

2

2.1

初步设定各档速比

最大速比的设定方法

整车最大速比（1档总速比)需要满足三个条件，即最大

爬坡度、最低稳定车速和坡道起步。

(1)满足最大爬坡要求。根据行业标准定义的最大爬坡度 要求，需要满足30%最大爬坡条件（由于车速较低，不考虑空 气阻力的影响）

Fmax ^ mg( sina+f * cosa )

—

mm

( 1)(2)

收稿日期= 2017-12-11作者简介：丁光辉（1989-)，男，山东金乡人，工程师，主要研究方向：

动力匹配。

ax _

_ Tmaxi1g n T

^017年第

时代

49

设计研究

式中：为滚动阻力系数;Tmax为发动机最大扭矩；nT为 传动效率。

当坡度为30%时，即16.7。，代入公式（2)，此时i1g多13.02。

实际上整车不考虑附着能力，因此按照上述理论公式计 算得出的速比，其结果偏小，根据经验定义的整车最大爬坡能 力要求是：整备质量+200kg条件下，最大爬坡度大于等于 50%，即琢彡26.6。，代入公式(3):

i

(m+200 ) XgX ( sina+f x cosa )

3)

r

x ni

此时i1g彡15.355

(2)满足坡道起步的能力。坡道起步要求满足开空调、发 动机2000rpm起始转速、20%坡道能够起步。使用Cruise软件 进行仿真，变速箱速比进行多次尝试，当i1g^ 16.5时满足要求 (判断条件：离合器经过一次半联动后汽车可以正常爬坡，如 图1所示。

图1离合器半联动图示

(3)满足最低稳定车速的要求。一档最低车速越小，表征 汽车在交通拥挤的道路上行驶时越有利，根据最低稳定车速

目标值小于等于6.5km/h，计算公式：

i1g=0.377 xrx》V

⑷

idle

其中:nidle为发动机怠速转速，VM1e为最低车速，打入带入 上式求出i1g彡15.822。

综合以上所有约束条件，得出i1g多16.5。2.2

高档位速比的确认方法

(1)最高档位速比的确认。随着国内道路状况的不断改

善，高速公路的普及，高档位使用率在逐渐增高，因此设置经济档也叫超速档(档位速比小于1)，成为一种趋势，一般出现 在最高档。为了充分利用经济档的优势，应使整车在经常使用 车速范围内的发动机转速保证在最佳经济区域，此时经济性 最佳。

s

180

Vehicle Speed (km/h)

图2中国行驶环境特点(高速公路）

按照图2统计信息可知，中国高速公路汽车行驶车速段

50

丁光辉，张敏：变速箱速比设计及优化

集中于 100km/h~140km/h。

根据发动机万有特性可知，此车搭载的发动机最佳经济 区域在2500rpm~3500rpm之间，根据公式：

i = 0.377 xrx n

(5)

ifi= v

计算得：6=3.21时，车速为100km/h时发动机转速为 2500rpm，车速为140km/h时，发动机转速正好是3500rpm，同 时考虑到车速在140km/h以上时的使用频率远小于车速在 100km/h以下的使用率，为了同时保证在100km/h以下的高

速段仍具有良好的经济性，建议i6 $3.21。

(2)直接档位的确认。由于直接档位效率高，同时高档位 的使用频率高，因此一般将直接档位设置在高档，考虑到变速 箱内部结构设计的因素，现将直接档设置在5档。定义其档位 速比为1。

2.3中间档位速比设定方法

中间档位速比的确认方法有以下三种:①等比级数法，即 相邻档位速比之比恒等于一个常数，此方法在高档位加速度 较小，适合于常驶于良好路面且比功率较大的汽车。②等差级 数法，即相邻档位加速终了的车速差恒等于一个常数，此方法 在低档换挡时转速降低过快，容易熄火，适合于常驶于恶劣环 境且比功率较低的汽车，特别适合坦克车辆。③根据具体情况 灵活设定，根据统计，一般汽车变速器中间档位的实际速比， 处于等差级数值和等比级数值之间，这种方法适合大部分小 型汽车。

文章选择第三种方法，进行灵活设定。这种方法设计出的

变速箱速比更加合理，能够更加有效的利用各个档位，充分发 挥整车在低档位的动力性和高档位的燃油经济性，同时也符 合驾驶员经常使用高档位的驾驶习惯，提升换挡舒适性。相邻 两个变速箱档位速比i之间的比值为一介比q，两个相邻一介 比之间的比值为二阶比q'，用公式表示为：

q’=qkAk+1 (7)据统计该类型的变速箱二阶比近似存在以下关系： q'k=姿 *q'k+1

(8)

其中姿为修正系数，姿=0.95~0.99

由公式(5)(6)(7)可推算出各一介比、二阶比与总档位数 n以及二阶比修正系数姿之间的关系。

q1=qn_1.q'n-2n-2.姿 2

(9)

根据公式(9)，可知在确定q1和qn_1后可求出二阶比，进 而求出中间档位的一介比，再根据五档速比已知，最后可求出 所有的速比。

可根据经验选择最高档和最低档的一介比。一档一介比 直接影响起步换挡脱档问题，驾驶员在1500rpm转速换到二 档后转速不能低于怠速转速(一般在700~800rpm)，否则出现 车子抖动或熄火现象，因此q1 —般小于1.9为宜。次高档换到 最高档后要求此时具有一定的后备功率，以保证良好的加速 性能，一■般 qn-1$1.3。

同时统计市场上主流的同类型的六档变速箱速比，可以

得出一介比的大致变化范围，如表4所示：

丁光辉，张敏：变速箱速比设计及优化

表4

主流6速变速箱一介比范围

挡位间一阶比

目标下限目标上限q11.7541.887q21.4291.613q31.3161.370q41.2201.282q5

1.124

1.225

表4中q:和q5的变化范围均在经验数值以内，初步选择中间值进行计算：

表5

目标变速箱速比初步计算

变速箱6MT速比

计算条件qi=1.82,5=1.18,姿=0.98

原5MT速比i

档位二阶比q' —阶比q

速比i

11.149 1.8205.1784.27121.126 1.5842.8452.28331.103 1.4071.7961.41441.081 1.2761.2761.05- 1.1801.0000.8136

-

-

0.847

-如表5所示，知道速比范围越大，有助于提升整车的动力 性和经济性，通过与原5MT变速箱速比对比，前五档速比设 计合理，六档速比偏大，故将q5修正为1.25,此时i6为0.8。2.4主减速比的确认

根据前文速比的分析汇总如表6所示：

表6

主减速比选择范围

档位

限制因素

速比要求(总速比）主减速比要求1档(满载)最大爬坡度(企标）>30%i1g>13.02ig>2.897

(整备+200)最大爬坡度>50%i1g>15.355ig>3.417最低稳定车速要求（1档）ilg>15.822ig>3.521坡道起步能力（1档）ilg>16.466

ig>3.664

5档受变速箱内部结构限制，设为直

接档

等于主减速比

—

6档

保证高车速下的燃油经济性

i6 彡3.21

ig^4.01

主减速比范围

3.66在ig^4.01

由表6可知，满足上述要求的主减速比选择范围为 3.66〜4.01之间，考虑到搭载新变速箱后的动力性和经济性 不能低于原车型，经过Cruise软件仿真，主减速比在3.4~4.2 之间时主要指标能够达到基本型水平。现根据C曲线的方法 从3.66~4.01之间选择合适的速比，利用Cruise软件进行仿 真，在不同主减速比下根据每一次计算出的动力性和经济性 结果进行综合评价，得出C曲线，如图3所示。

图3动力性经济性的C曲线

C=At+Af之和最小时表示此时动力性和经济性综合性

能最佳，即同时兼顾到较好的动力性和经济性，此时主减速比

在3.8左右。根据C曲线原则，主减速比初步选择3.8。

3速比优化

变速箱最终的速比需要结合整车具体要求以及变速箱制

_________________________设计研究

造等因素进行优化调整。

3.1根据最佳燃油经济性曲线优化速比

最佳燃油经济曲线的确认方法：根据发动机的万有特性

曲线，利用Matlab软件进行插值，得出发动机不同功率下的 燃油量，功率曲线与万有特性等高线的切点即为最佳燃油曲 线。如图4所示。

爱动机转速.

发动机转速

图4最佳燃油经济线

如果整车在常用工况下经常行驶在最佳燃油经济线曲线 附近，则经济性较好，速比分配合理，否则调整速比，尽量使常 用工况靠近最佳燃油经济曲线。将前文分析得出的速比带人 Crusie计算模型中，查看仿真结果下的cycle run- NEDC-Condensation的图表，将最佳燃油经济曲线添加到油

耗分配图中：

图5中圆圈数值表示在NEDC工况(综合工况)下的所在 区域内的整车油耗分配(百分比表示）。由图5可知，大部分运 行工况分布在曲线附近，说明该主减速比分配比较合理，但是 低转速低扭矩较多区域处于最佳经济线以下，而高扭矩区域

处于曲线以上，根据速比与转速的关系，以及NEDC工况曲 线和档位的关系，适当降低前三档的速比以及增大高档速比， 可使汽车行驶工况靠近经济性曲线。3.2变速箱速比根据生产条件进行修正

变速箱速比由内部齿轮齿数决定，齿数的设计参考以下 原则：

(1)

齿轮齿数选择时，一般一对齿轮中至少有一个齿轮取

13、17、19、31这种没有公约数的质数，如果无法取，尽量不取 2个齿轮齿数都是偶数和2个齿轮齿数拥有公约数的数字。

这样可以提升齿轮寿命，降低公差对齿轮的影响。消除可能 存在的异响。

(2)

—般不改变齿轮的模数、压力角，小范围变化变位系

数，以保证刀具可以借用，如果仅仅是齿数和螺旋角变化对刀 具的影响不大，一般都可以借用原刀具(螺旋角的变化影响齿 轮啮合的平稳性，齿轮的大小变化)。变位系数可以小范围变

化。根据以上所有要求最终优化后的变速箱速比如表7所示。

(下转第53页）

2qt7年第51

杨安园，朱悦云：多尺度SIFT特征匹配的足迹图像拼接方法 [0.484,0.499]和[0.50,1]。实验结果如图1所示。图1(a)实验 表明，选取T1=0.493，T2=0.55时，所匹配关键点对数最多，匹 配、融合、配准所需时间最少。

实验首先对图1(b)的两幅图像直接进行特征点匹配后 利用RANSAC方法求解单应矩阵，最后用加权平滑算法进行 图像融合，拼接后的图像如图1(a)所示。接着用本文改进方 法对图像1 (b)中的两幅图像进行小波变换，滤除近似部分并 对细节系数进行非线性调整。对其进行反变换后得到图1 (c)再用以上方法进行拼接得到结果如图1(d)所示。实验证 明，文章拼接方法得到的图像精度更高。

(c)小波变换后的图像

设计研究

(d)结果对比 图1

4

结语

文章在对SIFT特征匹配算法的基础上，提出了一种适合 足迹采样的自动拼接算法。图像通过小波变换，直接消除低 频信息和噪声，增强边缘细节，使匹配精度更高，从而得到更

(a )改变阈值关键点个数和配对数

实验结果

多有用的足迹信息。©

参考文献

[1 ]Lowe.D G,Distinctive Image Features from Scale -Invariant Key

points[j].International Journal of Computer Vision, 2004,60(2) ：91- 110.

[2 ]Mallat.S, Zhong.S.Characterization of signals from multiscale edges.IEEE Trans.Pattern Anal.Machine Intell, 1992,14(7) ：710-732. [3]Szeliski R. Image mosaicing for tele-reality applications. IEEE Com­puter Society on Applications of Computer Vision, Sarasota, Florida,

1994：44-53.

(b)原图像

(上接第51页）

档位

123456

表7最终变速箱速比

一阶比q1.8281.4901.3521.3081.211

-速比i4.8182.6361.7691.30810.826

通过试验验证，在不更换发动机和优化整车参数的前提 下，仅通过更换变速箱即实现了动力性和经济性7%的提升， 同时整车油耗满足第三阶段标准（矣10.6L/100km)。

综上所述，变速箱速比设计是否合理的最直接体现就是 满足整车动力性和经济性的要求，同时保证较好的换挡舒适 性，文章通过理论分析和软件模拟仿真计算，得出一组较为合 理的变速箱速比，使整车性能提升明显。在以后开发整车进行 性能匹配时，如果条件允许优先考虑选择多档位变速箱，以及 对变速箱速比进行合理的分配，可以实现车、机、箱三者之间 最佳的匹配。©

参考文献

[1 ]余志生.汽车理论[M ].北京：机械工业出版社，2009.

[2 ]彭莫，刁增祥.汽车动力系统计算匹配及评价[M ].北京：北京理工

大学出版社，2009.

[3] 李晏，李炎，陈辛波，等.双离合器变速器速比的设计计算与分析

[J].机械传动，2011，35( 12)42-45.

[4] 杨立.变速箱速比的合理确定[J].汽齿科技，2008,(1).

[5 ]陈斐雅，刘祚时.基于CRUSE研究不同主减速比对汽车动力性的

影响[J].科学技术与工程，2010,10(33): 8321-8325.

[6 ]陈春菊，王文林.越野汽车动力性和燃油经济性建模与仿真分析

[J].南昌大学学报,2010,32(4)339-343.

4 结语

根据文章分析出的变速箱速比，开发变速箱，搭载在整车上进行动力性和经济性试验，并与原车型进行对比，如表8所示。

表8

类别

动力性经济性对比

单位

%

km/hkm/hsssL/100kmL/100kmL/100km

试验项目最大爬坡度

2000rpm 20%坡道起步

最低稳定车速

动力性最高车速

0~100km/h加速时间4档80~120km/h加速时间5档80~120km/h加速时间经济性

城市循环

城郊循环综合循环

基本型试验值目标车试验值

為30為30

OK

OK

6.217117.217.423.314.19.311.55.818415.916.220.712.99.110.6

53