汽車發動機與傳動系匹配的優化方法介紹
摘要：本文在考慮變速器檔位利用率時，以驅動功率損失率作為動力性評價指標，有效效率利用率作為燃油經濟性評價指標，以兩者的加權值作為目標函數，以確定的主減速器傳動比和變速器的各檔傳動比，試圖定量反映汽車動力傳動系統匹配程度，使汽車動力性和燃油經濟性都能得到充分發揮。 
關鍵詞：傳動比；匹配；優化方法 
 
1．問題的提出 
 
在設計和汽車改進時，當汽車的總質量、質量分配、空氣陰力及輪胎滾動阻力等已經確定后，如何進行發動機與動力傳動系統的合理匹配，對保證汽車的動力性和燃油經濟性是非常重要的。 
近年來圍繞發動機與傳動系的匹配，各國學者進行很多探討。一般采用汽車原起步連續換檔加速時間作為動力性評價指標，多工況燃油消耗量或實際工作區與經濟工作區的接近系數作為燃油經濟性評價指標，用汽車原起步連續換檔加速時間與多工況燃油消耗量或接近系數的加權值作為目標函數，而這些指標實際上是汽車基本性能指標的綜合。 
作為汽車動力系統的*匹配評價指標和目標函數，應該能定量反映汽車動力傳動系統匹配程度，能反映汽車動力性與燃油經濟性的發揮程度，能夠提出動力系統改善的潛力和可能途徑，本文以驅動功率損失率作為動力性評價指標，有效效率利用率作為燃油經濟性評價指標，以兩者的加權值作為目標函數，試圖解決上述問題。 
 
2．汽車的動力性評價指標 
 
2.1 汽車的驅動力 
作用于車輪上的轉矩是由發動機產生并經傳動系傳至驅動輪上的。若Ｔe表示發動機的轉矩(Nm)，igj表示變速器的傳動比，i０表示主減速器傳動比，ηtj表示傳動系各檔的傳動效率，rr表示驅動輪的滾動半徑（m），則對于n檔變速器，第j檔的汽車驅動力Ftj為 
 
2.2 發動機外特性轉矩 
發動機制造廠提供的發動機轉矩特性曲線常是試驗臺上未帶空氣濾清器、水泵、風扇、清聲器、發電機等條件下測得的。帶上全部附件設備時的發動機特性曲線稱為使用外特性曲線。使用外特性曲線的功率小于外特性的功率。一般汽油發動機使用外特性的Z大功率比外特性的Z大功率約小15%；貨車柴油機的使用外特性Z大功率約小5%；轎車與輕型汽車柴油機約小10%，在加速過程的不穩定工況下，發動機所能提供的功率一般要較穩定工況時下降5%-8%。為了便于設計,常采用多項式來描述由試驗臺測得的發動機外特性轉矩,即 
 
式中,n為發動機轉速（r/min）,發動機轉矩模型中的多項式系數由a0、a1、…amZ小二乘法來確定，m隨特性而異，一般在3，4，5中選取。 
 
圖1為裝有內燃機和4檔變速器汽車與裝有理想動力傳動系汽車的驅動特性曲線。雙曲線為理想動力傳動系汽車的驅動力曲線，曲線上方的區域因發動機功率所限為汽車不能達到的范圍。 
第j檔時驅動力Ft曲線與橫坐標（車速ua）所圍成為的面積為 

           
驅動功率損失率反映實際汽車動力傳動系統特性與理想動力傳動系的差距,它反映了發動機動力性能發揮程度,其值越小,發動機與傳動系在動力性能方面匹配就越好。 
3．汽車的燃油經濟性評價指標 
3.1 發動機的實際燃消耗率 
發動機燃油消耗率表示發動機將燃油化學能轉化為發動機有效功的效率,發動機的有效效率ηe與燃油ge消耗率之間存大如下關系: 
 
式中: Hu燃油的低熱值(kJ/kg),汽油43961.4kj/kg,柴油42496KJ/Kg。 
發動機有效效率的Z大值出現在萬有特性的理想工作區,也就是在燃油消耗率Z低區.而在實際行駛條件下,發動機能否工作在理想工作區(經濟區)與汽車行駛工況、偉動系參數和發動機特性有關。
假定汽車實際行駛狀況為車速uai，驅動力Fti,則由下式可推知發動機的工況為轉速ni和轉矩Tei。 
 
查萬有特性曲線可得此時發動機的實際燃消耗率。 
3.2 有效效率利用率 
本文采用發動機有效效率利用率作為燃油經濟性評價指標。 
發動機有效效率利用率ηθ為發動機的實際燃油消耗率ge與發動機理想工作區有效燃消耗率ge比值的平均數，即 
 
發動機的實際工作狀況受發動機的技術狀況、道路條件、運行條件、交通狀況、裝載情況、氣候條件和地理信置的影響，同一汽車在不同的條件下，實際工作狀況不同。它可以通過工況統計測定和隨機模擬獲得。 
4．驅動功率損失率和有效效率利用率的修正 
考慮到變速器各檔使用率的不同，為了反映不同實際使用條件對傳動比的要求，我們對驅動功率損失率和有效效率利用率進行修正。 
發動機的萬有特性曲線是在穩定工況下測得的,在不穩定工況下,數值是不同的,而汽車除等速工況處,還有加速、減速、怠速等工況。在加速過程的不穩定工況下,發動機所提供的功率要較穩定工工況下降5-10%。我們采用系數ζ對驅動功率損失率進行修正,汽油機的修正系數ζ=0.9，柴油機修正系數ξ=0.95,等速行駛時ξ=1.0。 
變速器各檔的使用率可用于確定汽車的實際行駛狀態，由于怠速情況對傳動系參數的影響較小，而減速行駛時油門松開，并進行輕微制動，發動機處于強制怠速狀態，其油耗量即為正常怠速油耗。故僅考慮汽車等速、加速兩種情況，因此，為便于計算和分析，我們認為其等速工況所占的比例與該檔的實際利用率相同，并據此確定了汽車的工作狀況及發動機在（Nei,Tei）時的工作時間ti，并對加速工況按修正系數ζ進行修正。 
修正后的有效效率利用率為： 

         
5．目標函數 
 
基于對汽車動力性和經濟性的不同考慮，目標函數可有三種方式： 
（1）對于要求高動力性能汽車，如越野車、轎車，則宜選用動力性Z值的傳動比，即 
（2）對于要求高燃料經濟性的汽車，如城市公共汽車，低排量家用轎車，則選用燃油經濟性Z值的傳動比，即λ１＝０，λ２＝1.0 
（3）對于大多數汽車而言，即要求有良好的燃油經濟性，又能保證足夠的動力性。此時可對動力性和燃油經濟性作同等重要的考慮，即λ１＝0.5，λ２＝0.5 
綜合上述各項條件，即可得考慮變速器檔位利用率時，使汽車動力性和燃油經濟性都能得到充分發揮的主減速器傳動比和變速器各檔的傳動比。