汽車研發:動力總成匹配設計與開發!

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　　動力總成匹配設計與開發

　　漫談君說

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　　一、動力總成匹配的任務

　　根據汽車的基本參數，通過計算選擇一款發動機，以及與之匹配的輪胎、離合器、變速箱、傳動軸和驅動橋。並且對各個部件進行驗算，是否各個部件匹配的良好，最後畫出一張整車總體布置草圖。電動汽車採用電動輪驅動時，傳動裝置的多數部件常常可以忽略。因為電動機可以帶負載啟動，所以電動汽車上無需傳統內燃機汽車的離合器。因為驅動電機的旋向可以通過電路控制實現變換，所以電動汽車無需內燃機汽車變速器中的倒檔。

　　二、整車動力匹配的結構

　　1

　　發動機

　　2

　　離合器

　　3

　　變速箱

　　4

　　傳動軸

　　三、整車動力系統的性能要求

　　1

　　加速特性

　　加速特性可以通過改進發動機的功率和燃油經濟性來實現，方法如下：

　　2

　　換擋特性

　　1）換擋反應：換擋延遲和延續；

　　2）換擋質量：發動機速度改變扭矩改變能夠平穩的傳遞；

　　3）換擋進程：提供平穩的，連續的和可預見的發動機運行狀態。匹配動力系統的動力輸出和加速要求。

　　3

　　聲音質量（NVH）

　　使來自動力系統的聲音與顧客所希望聽到的聲音一致。

　　4

　　汽車性能開發

　　以目標區域標準法規為基本要求，通過對市場顧客語言研究與benchmark研究，以競爭策略為指導，結合公司技術生產能力設定整車性能目標。

　　要保證性能指標的真正實現，必須將性能分解指標體現在相關系統部件結構設計上，並在系統及部件中最終體現，作為系統及部件性能指標驗收的依據。

　　同時，對整車各系統及零部件選型報告進行確認，各系統模塊按目標分解要求對零部件進行質量特性控制，保證滿足整車及系統要求。

　　四、動力系統各部件的選型

　　1

　　發動機的選擇

　　1）發動機最大功率確定

　　汽車的動力性能很大程度上取決於發動機的最大功率。要設計的載貨汽車最高車速是 90 / u km/h，那麼發動機的最大功率應該大於或者等於該車速行駛時，滾動阻力功率與空氣阻率之和，即

　　式中：

　　Pemax——發動機最大功率

　　ητ——傳動系效率（包括變速器、傳動軸主減速器效率）

　　ma——汽車總質量，kg

　　f——滾動阻力係數

　　CD——空氣阻力係數

　　Uamax——最大行車速度

　　2）發動機最大轉矩及轉速確定

　　當發動機最大功率和其相應的轉速確定後，可通過下式確定發動機的最大轉矩。

　　式中：

　　Temax——發動機最大轉矩 ，N·m

　　α——轉矩適應性係數，標誌著當行駛阻力增加時，發動機外特性曲線自動增加轉矩的能力

　　Pemax——發動機最大功率

　　np——最大功率時的轉速，r/min

　　一般用發動機適應性係數，

　　表示發動機轉速適應行駛工況的程度， 越大說明發動機的轉速適應性越好。採用Φ值大的發動機可以減少換擋次數，減輕司機疲勞、減少傳動系的磨損和降低油耗。 通常，汽油機取 1.2~1.4 ，柴油機取 1.2~2.6 ，以保證汽車具有適應的最低穩定車速。

　　2

　　輪胎的選擇

　　輪胎的尺寸和型號是進行汽車性能計算和繪製總布置圖的重要原始數據， 因此，在總體設計開始階段就應選定。選擇的依據是車型、使用條件、輪胎的額定負荷以及汽車的行駛速度。 為了提高汽車的動力因數、 降低汽車質心的高度、對公路用車在其輪胎負荷係數以及汽車離地間隙允許的範圍內，應儘量選取尺寸較小的輪胎。 同時還應考慮與動力—傳動系參數的匹配和對整車尺寸參數的影響。

　　3

　　傳動系最大傳動比的確定

　　傳動系最大傳動比為變速器的 I 擋傳動比ig1與主減速比i的乘積。ig1應根據汽車最大爬坡度、驅動車輪與路面的附著條件、汽車的最低穩定車速以及主減速比和驅動車輪的滾動半徑等綜合確定。

　　汽車爬坡度時車速不高，空氣阻力可以忽略，則最大驅動力用於克服輪胎與路面間的滾動阻力及爬坡阻力。故有

　　則由最大爬坡度要求的變速器 I 擋傳動比為

　　式中：

　　ma——汽車總質量，kg

　　Ψmax——道路最大阻力係數

　　根據驅動車輪與地面附著條件

　　求得變速器的 I 擋傳動比為

　　式中：

　　φ——道路的附著係數，在良好的路面上去 φ=0.8

　　G2——汽車滿載靜止於水平路面時驅動橋承受的載荷

　　4

　　離合器的初步選型

　　離合器所能傳遞的最大靜摩擦力矩與發動機最大轉矩之比，必須大於 1。

　　後備係數 β是離合器設計時用到的一個重要參數，它反映了離合器傳遞發動機最大轉矩的可靠程度。在選擇時，應考慮以下幾點：

　　1）摩擦片在使用中磨損後，離合器還應能可靠地傳遞發動機最大轉矩；

　　2）要防止離合器滑磨過大；

　　3）要能防止傳動系過載。

　　顯然，為可靠傳遞發動機最大轉矩和防止離合器滑磨過大， β不宜選取太小；為使離合器尺寸不致過大，減少傳動系過載，保證操縱輕便，β又不宜選取太大；當發動機後備功率較大、使用條件較好時，β可選取小些；當使用條件惡劣，需要拖帶掛車時，為提高起步能力、減少離合器滑磨，β應選取大些；貨車總質量越大，β也應選得越大；採用柴油機時，由於工作比較粗暴，轉矩較不平穩，選取的β值應比汽油機大些；發動機缸數越多，轉矩波動越小， β可選取小些；膜片彈簧離合器由於摩擦片磨損後壓力保持較穩定， 選取的 β值可比螺旋彈簧離合器小些；雙片離合器的 β值應大於單片離合器。

　　各類汽車β值的取值範圍通常為：

　　轎車和微型、輕型貨車： β=1.20～1.75

　　中型和重型貨車：β=1.50～2.25

　　越野車、帶拖掛的重型汽車和牽引汽車：β=1.80～4.00

　　5

　　變速器的選擇

　　由於重型汽車的裝載質量大，使用條件複雜，同時中型貨車滿載與空載的質量變化極大，要保證重型汽車具有良好的動力性、經濟性和加速性，需要採用多檔變速器。因為，檔位越多，發動機發揮最大功率附近高功率的機會就越大，可以提高汽車的加速與爬坡能力；同時也能增加發動機在地燃油消耗率的轉速範圍工作的機會，可以提高汽車的燃油經濟性。目前，組合式機械變速器已經成為重型汽車的主要形式，即以一到兩種 4-6 擋變速器為主體，通過更換系列齒輪副和配置不同的副變速器，得到一組不同的擋數、不同傳動比範圍的變速器系列。

　　6

　　傳動軸的選型

　　當傳動軸分段時，需要加設安裝在車架橫梁上的彈性中間支撐，以補償傳動軸軸向和角度方向的安裝誤差，以及車輛行駛過程中由於彈性支承的發動機的傳動和車架等變形所引起的位移。彈性元件能吸收傳動軸的震動，降低噪聲。這種彈性中間支撐不能傳遞軸向力，它只要承受傳動軸因動不平衡，偏心等因素引起的徑向力，以及萬向節上的附加彎矩所引起的徑向力。一般驅動橋傳動軸均採用一對十字軸萬向節。十字萬向節兩軸的夾角不宜過大，當由4°增至16°時，滾針軸承壽命將下降至原壽命的1/4 。十字軸萬向節夾角的允許範圍如表所示：

　　選擇傳動軸時應注意，當變速器為 I 擋時，發動機最大轉矩經過變速器的減速增扭後。 輸出的扭矩的是否大於傳動軸的工作扭矩。

　　7

　　驅動橋的選型

　　驅動橋處於傳動系的末端，其基本公用是增大由傳動軸傳來的轉矩，將轉矩分配給左、右驅動車輪，並使左、右驅動輪具有差速功能；同時，驅動橋還要承受作用於路面和車價之間的垂向力、縱向力和橫向力。

　　1）驅動橋結構形式和布置形式的選擇

　　驅動橋的結構形式與驅動車輪的懸架形式有關。絕大多數載重貨車的驅動車輪採用非獨立懸架，相應的採用非斷開式車橋。現代多橋驅動汽車都採用貫通式驅動橋的布置。

　　在貫通式驅動橋的布置中，各橋的傳動布置在同一個縱向垂直平面內，且相鄰的兩橋的傳動軸是串聯的布置。 其優點是不僅減少了傳動軸的數量， 而且提高了各種驅動橋零件的互通性，並且簡化了結構，減少了體積和質量，成本較低。

　　2）主減速器結構形式選擇

　　主減速器形式的選擇與汽車的類型及使用條件有關，主要取決與動力性、經濟性等整車性能所要求的主減速比i的大小以及驅動橋的離地間隙、驅動橋的數目及減速形式等。

　　雙級主減速器有兩集齒輪減速組成，結構複雜、質量大，製造成本也顯著增加，僅用於主減速比較大且採用單節減速器不能滿足既定的減速比和離地間隙要求的重型汽車上。目前，轎車和一般的輕、中型貨車採用單級主減速器，即可滿足汽車動力性要求。它具有結構簡單、體積小、質量輕和傳動效率高等優點。

　　五、整車性能計算驗證

　　通過初始的性能指標要求，進行了各大總成的初步選型。先根據某車型的基本動力性指標的計算入手，來校核整車的動力性。

　　1

　　基本參數的選擇

　　1）某發動機外特性參數

　　2）某變速器各檔速比

　　I1=6.35 I2=3.27 I3=1.77 I4=1.0 I5=0.81

　　3）整車參數

　　2

　　動力性計算

　　1）汽車各擋速度特性

　　V的單位為km/h。計算結果見下表，v1為變速器1擋時車速，以此類推。

　　2）汽車驅動力

　　Ft單位N，F1為變速器一檔時汽車輪胎上的驅動力，以此類推。計算結果見下表。

　　3）汽車各檔動力因數

　　計算結果見下表，D1為變速器一檔時汽車動力因數以此類推。

　　4）汽車爬坡度

　　設坡度較為α，則i=tgα

　　則有：

　　式中i1為一檔時汽車爬坡度，以此類推，計算結果見下表：

　　5）各檔加速性能

　　計算結果見下表，其中J1為一檔時汽車加速度。

　　6）汽車驅動功率的計算

　　汽車常遇到的阻力功率為

　　取車速為10~112，計算結果見下表：

　　以上所有計算均通過計算機完成，這樣既減少了計算量,也提高了計算的準確度。通過以上計算，得出了該車的動力性指標值。從這些指標值中可知，該車具有良好的動力性。從汽車功率平衡圖中可發現，汽車的行駛阻力所消耗的功率屍阻遠遠小於汽車發動機所發出的功率P，這也表明該匹配使得該車具有足夠大的後備功率，保證了汽車的良好動力性。同時，從該圖中也可看出，汽車在行駛時發動機的負荷率並不大，這就保證了汽車發動機性能的穩定性，提高了整車的可靠性。總之，通過以上分析可知，該車動力匹配是合理的，此次設計是成功的。

　　六、結語

　　不論是發動機、變速箱、還是離合器等動力總成系統部件本身的性能只是汽車動力性的一個基礎，關鍵還是在於系統的匹配和匹配後的不斷的調教和優化；簡單來講匹配做得較好的車在踩油門後會積極地降檔來給到你更好的扭矩輸出，從而獲得大的加速度來去完成起步，超車和急加速等動作。

　　隨著新能源汽車的發展，動力系統的匹配重要性在EV車上更為突出，對「三電」系統部件的合理選型以及在不同工況下的匹配校核需要更為細化，尤其在技術方面目前還存在一些瓶頸下，動力總成系統的匹配更是研究重點中的重點。

　　說明：文中部分圖片、信息來源於網絡，

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