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）

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）

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。

速比；匹配；动力性；经济性；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。

1 整车参数及动力性、经济性目标的设定

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 整车参数

表2 滑行阻力

表3 动力性和经济性指标

2 初步设定各档速比

2.1 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）：

式中：f为滚动阻力系数；Tmax为发动机最大扭矩；ηT为传动效率。

当坡度为30%时，即16.7°，代入公式（2），此时i1g≥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α≥26.6°，代入公式（3）：

此时i1g≥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：

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

综合以上所有约束条件，得出i1g≥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。

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：

计算得：i6=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：

据统计该类型的变速箱二阶比近似存在以下关系：

其中λ为修正系数，λ=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λ之间的关系。

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q1一般小于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：

表4 主流6速变速箱一介比范围

表5 目标变速箱速比初步计算

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

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=Δt+Δf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。

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入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 NEDC油耗分配区域

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）一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。

表7 最终变速箱速比

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 动力性经济性对比

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（≤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。

［1］余志生.汽车理论［M］.北京：机械工业出版社，2009.

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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

丁光辉（1989-），男，山东金乡人，工程师，主要研究方向：动力匹配。