1.2.6 傳動系統性能設計

傳動系統用于確保驅動單元的實際運行特性盡可能地靠近理想運行特性。以下分析離合器、液力變矩器、變速器和主減速器等傳統系統元件的性能設計。

1.離合器性能設計

基于動力性進行離合器的設計時主要考慮離合器的最大傳遞轉矩的能力。當外部施加的轉矩超過最大傳遞轉矩的能力時，離合器會打滑。因此一般在設計離合器時，要求其傳遞的最大轉矩大于或等于內燃機轉矩。離合器最大傳遞轉矩能力的計算如圖1-33所示。

離合器最大傳遞轉矩的計算公式如下：

式中 T_cap——離合器最大傳遞轉矩（N·m）；

z——離合器盤片數；

μ——摩擦系數；

r₁——離合器摩擦片內徑（mm）；

r₂——離合器摩擦片外徑（mm）；

F_a——離合器盤片所受正壓力。

2.液力變矩器性能設計

液力變矩器選型中，為滿足整車性能要求，對其提出表1-10所列的一般要求。這些要求有時是相互矛盾的，這就為平衡設計要求提供了空間。

（1）基本參數 液力變矩器的運行特性是選型工作最重要及最先用到的參數，其對于液力變矩器選型工作有很大的影響。

液力變矩器的運行特性可通過以下四個參數來描述：

轉速比i：

轉矩比K：

效率η：

容量系數（尺寸因數）K_tc：

典型液力變矩器的運行特性如圖1-34所示。圖中描繪了轉矩比、效率和輸入端容量系數相對于轉速比的關系。

（2）液力變矩器模型的構建 液力變矩器通過液體路徑和機械離合器路徑將驅動單元的轉矩傳遞給變速器。這兩條路徑是并聯的。液體路徑中，液力變矩器的作用類似于液力耦合器，使驅動單元不受輪邊轉矩通過傳動鏈傳遞至渦輪輸出軸上的轉矩的影響而獨立轉動，這也是自動變速器提高了駕駛舒適性的一大原因。

液力變矩器的工作原理圖如圖1-35所示。

（3）液力變矩器的工作狀態 液力變矩器根據其離合器的狀態，分為以下三種工作狀態：

1）打開。離合器完全分離，泵輪轉矩通過液壓油傳動傳遞到渦輪，渦輪與變速器輸入軸剛性連接，故而轉矩被傳遞到變速器。泵輪與渦輪存在較大的轉速差，轉速比和轉矩比通過查表得到。

2）滑摩。離合器處于半離合狀態，內燃機轉矩部分通過離合器傳遞到變速器。泵輪與渦輪存在較小的轉速差，轉速比和轉矩比通過查表得到。

3）鎖止。離合器完全鎖止，此時泵輪與渦輪之間的轉速差很小（一般≤20r/min），同時內燃機轉矩通過離合器直接傳遞到變速器輸入軸。轉速比和轉矩比均為1，此時自動變速器的功能類似于手動變速器。

（4）基本參數 AVL Cruise進行仿真計算時需用到的液力變矩器特性參數見表1-11，其中T_p2000為在臺架試驗中，泵輪試驗轉速為2000r/min下測得的泵輪轉矩。

3.變速器與主減速器性能設計

變速器和主減速器均為齒輪系（主減速器可以看成是只有一對齒輪的單檔變速器），對于前輪驅動車型而言，主減速器一般集成在變速器中。本書以前輪驅動車型為例，后文中若無特殊說明，所稱變速器均包含了主減速器。

變速器和主減速器的設計要點均在于傳動比和傳動效率。無論是手動變速器（MT）還是自動變速器（AMT/AT/DCT/CVT），均擁有若干套齒輪用于傳遞驅動單元的轉矩。變速器的作用是將驅動單元的輸出特性盡可能轉化為理想的輸出特性。

（1）傳動比的設計

1）最小傳動比的選擇。最小傳動比的選擇對于汽車的最高車速、后備功率和駕駛性能有很大的影響。下面以最高車速目標來定義最小傳動比。

傳動系統的總傳動比是傳動系統中各部件傳動比的乘積，即

式中 i_g——變速器的傳動比；

i₀——主減速器的傳動比；

i_c——分動器或副變速器的傳動比。

理論上，i_gi₀i_c選擇到汽車的最高車速u_max相當于內燃機最大功率點的車速u_p時，最高車速是最大的，即

此時汽車達到功率平衡，即

式中 P_max——汽車最高車速時的內燃機功率（kW）；

P_r——汽車的阻力功率（kW）。

近年來，為了提高燃油經濟性，最小傳動比有減小的趨勢，即令u_p稍大于u_max。

這里為簡化計算，可定義i_g=1、i_c=1（無分動器），則此問題變成選擇最優的主減速器傳動比i₀。

在選定主減速器傳動比i₀后，可采用AVL Cruise的Matrix Calculation計算功能，分別以i_g、i_c值為單變量變化計算得到滿足最高車速目標的i_g、i_c值。這兩個值作為變速器選型的參考依據之一。

2）最大傳動比的選擇。最大傳動比的選擇對于汽車的最大爬坡度、附著率及汽車最低穩定車速有很大的影響。下面以最大爬坡度目標來定義最大傳動比。

汽車爬坡時，汽車的最大驅動力與阻力平衡時，爬坡度是最大的，此時

即

則

式中 F_c——滑行阻力（N），通過滑行試驗測得，這里考慮車速為20km/h時的滑行阻力；

m——滿載質量（kg）；

i_max——最大爬坡度（%）；

T_m——內燃機最大轉矩（N·m）。

3）變速器檔位數和各檔傳動比的選擇。雖然增加檔位數會改善汽車的動力性和經濟性，但是對于手動變速器來說，檔位數不宜過多，否則會導致結構復雜，換檔困難。一般多采用5MT和6MT。自動變速器因為有自動變速器控制單元（TCU）控制換檔，不需要駕駛人手動操作，故而目前的趨勢是檔位數越來越多，如8AT、9AT，甚至是10AT。

變速器中間檔位傳動比通過各檔傳動比來確定，它們可保證內燃機在汽車的加速過程中擁有最大的加速強度和最短的加速時間，同時還需兼顧經濟性。一般有以下兩種確定的方法：

① 等比級數法。等比級數的傳動比比較適合于常行駛于良好路面且比功率較大的汽車。其缺點是高檔利用率低，平均加速速度較低，油耗增加。

等比級數的傳動比如下：

式中 i_g1、i_g2、i_g3…——各檔傳動比；

q——常數。

最大、最小傳動比已經確定，故可按以下公式計算等比級數的傳動比q_g：

式中 n——變速器檔位數；

i_g1——變速器最大傳動比；

i_gn ——變速器最小傳動比。

② 等差級數法。等差級數的傳動比比較適合于常行駛于惡劣環境且比功率較低的汽車。

最大、最小傳動比已經確定，故可按以下公式計算等差級數的傳動比q_a：

式中 n——變速器檔位數；

i_g1——變速器最大傳動比；

i_gn ——變速器最小傳動比。

上述兩種方法均基于理想的加速過程，實際的加速過程更復雜，汽車變速器中間檔位的實際傳動比處于等比級數值和等差級數值之間，且偏向于等比級數值。故可在確定等比級數的傳動比之后，按以下公式修正：

式中 λ——修正系數，一般在0.90～0.98之間：比功率低，且常行駛于壞路的車輛，應取下限；比功率高，且常行駛于良好路面的車輛應取上限。

以修正系數為單變量（在0.90～0.98之間，步長為0.01），變化生成9種變速器，利用AVL Cruise的Component Calculation計算功能，得到G1～G9這9種變速器的動力性和經濟性仿真數據，從中選出最優方案。

（2）變速器模型的構建

1）變速器的工作狀態。變速器根據其齒輪系的轉動方向，可以分為正轉和反轉兩種工作狀態。

① 正轉。前進檔位齒輪嚙合，變速器將驅動單元的轉矩傳遞到傳動軸并最終輸出到輪邊。

② 反轉。后退檔位齒輪嚙合，變速器將驅動單元的轉矩傳遞到傳動軸并最終輸出到輪邊。

上述兩種工作狀態，要求主減速器既能正轉，也能反轉。在校核其承扭能力時，要注意這兩種工作狀態下的差異。

2）變速器的工作原理。以自動變速器為例，其工作原理圖如圖1-36所示。