乘用車動力選型技術

翟洪軍 劉毅

（浙江吉利汽車研究院有限公司）

據中汽協發布的2014年汽車銷量數據，截止到2014年底，中國汽車銷量已經突破2 349.19萬輛。在這眾多的乘用車中，傳統動力車所占比重超過95%，對于如此龐大的數字，汽車企業在新車型開發時如何選擇合適的動力總成，才能兼顧整車動力性與經濟性，文章將通過乘用車動力總成發展趨勢、重扭比初選及速比優化進行闡述。

1 動力總成發展趨勢

我國油耗法規正逐漸加嚴，尤其是2014年年底第4階段油耗限值和目標值發布。法規要求，對于新認證車型，要在2016年1月1日實施，對于現生產認證車型，在2018年1月1日實施。通過法規倒逼，很多排量較大、油耗值較高的車型，已經到了能不能銷售的兩難境地。

不同區域和客戶群對汽車動力性和經濟性的要求也不一樣。所以要根據不同的環境需求，選擇盡可能通用的動力總成。但用戶普遍需要動力性強和燃油經濟性好的車型。只有選擇合適的動力總成，才能對這2個性能做均衡的匹配，而采用標定優化等輔助措施來達到性能均衡有一定的難度。

小型化、小排量及高效率的增壓直噴發動機和多擋位DCT變速器在近幾年較為流行。動力總成規劃總體上按照整車規劃的方向進行，同時需按照目前動力總成的發展趨勢預測未來動力總成的發展趨勢，以規劃整車不同階段的動力總成，且不同階段的動力總成規劃應符合不同階段的法律法規的要求。圖1示出VVT，TC，GDI發動機的發展情況。

1.1 發動機發展趨勢

2007—2014年，轎車發動機排量方面的變化不大，部分SUV和MPV均有向小排量發展的現象。這主要是國家出臺的燃油限值法規起了較大作用，各車企對于油耗壓力較大的車型（SUV，MPV）適當降低動力性，燃油消耗會有一定的降低。圖2示出發動機排量發展歷程。

1.2 變速器發展趨勢

圖3示出變速器應用的發展歷程。從圖3中可以看出，手動擋變速器從2012年開始基本就不再增長，AT變速器有較大幅度的增長，DCT和CVT增長幅度次于AT。按中國變速器行業現有條件看，DCT型式應該是后面增長較快的。

由于轎車和SUV主要以家用為主，對經濟性要求較高，自動擋增幅有限。而MPV對舒適性的要求會高一些，所以自動擋應用比例比轎車和SUV高，如圖4所示。

2 初選動力總成

根據動力總成發展趨勢，首先要進行市場調研，了解用戶需求，得出要做什么樣的車型，同時調查同類車型都采用什么樣的動力總成（是否采用VVT，TC等技術）。然后通過重扭比初步選擇發動機。

重扭比即整車整備質量和發動機額定扭矩的比值，是可以直觀看出該車型動力性能的重要參數之一。該值越小，動力性越好。以乘用車為例，文章通過對不同排量的乘用車進行統計，得到了不同排量重扭比的分布區間。排量為1.0 L的A0級車型的重扭比平均在9.75左右；排量為1.2～1.3 L的A0～A-級車型的重扭比在8.37左右；排量為1.6 L的A級車型的重扭比在8.12左右；排量為1.8 L的A～A+級車型的重扭比在7.58左右；排量為2.0 L的B級車型的重扭比與1.8 L的相當，重扭比在7.8左右；排量為2.4～2.5 L的B級車型的重扭比在6.69左右；最近幾年，帶T車型很多，為顯示其動力性能，帶T車型的重扭比在6.06左右。不同排量車型重扭比趨勢，如圖5所示。

從圖5可以看出，排量越大，重扭比越小，動力性越強。帶T的車型動力性要求更高，所以重扭比也最小。

重扭比平均值可作為參考，作為公差中值，公差帶為±0.5。超過公差帶的上公差將會造成動力過剩，反之將會造成動力不足。

3 動力性與經濟性開發

根據重扭比初選出動力總成，對于更換動力總成的項目來說，在整車質量、風阻及滾阻等參數無法改變的情況下，為達到最佳的動力性與經濟性水平，需要進行傳動比設計。

設計原則：在動力性、經濟性及排放性能指標中，取某一項指標為約束條件（如：動力性指標之一），以該車型某一項指標為目標（如：經濟性指標之一），兼顧另一項性能指標（如：排放性指標之一）進行優化匹配。

設計方法：傳動系速比的確定分高擋總速比的確定、低擋總速比的確定及變速器擋位數和中間擋速比的選擇3個方面[1]。

3.1 高擋總速比

高擋總速比的選擇是否合理，關系著所選動力是否能夠得以充分發揮，它不僅影響最高車速和加速時間，還影響燃油經濟性等，因此必須認真加以分析。

首先，根據車型定位確定最高車速所出現的擋位。由于后備功率與燃油經濟性互相矛盾，因此在對經濟性不重視的年代，多數汽車將最高車速設定在最高擋。近年來，為了提高燃油經濟性，出現了減小最高擋總速比的趨勢。最高車速出現在次高擋的情況越來越多。甚至有的6擋變速器的最高車速出現在4擋。最高車速一旦出現在次高擋，最高擋需要滿足3條要求：1）最高車速要求；2）高溫開空調時的最高車速要求；3）最高擋在100 km/h時的最大爬坡度要求。

其次，為降低發動機振動和噪聲，要求最高擋在120 km/h時發動機轉速≯3 000 r/min。

再有，燃油經濟性方面需要滿足等速油耗要求。

3.2 低擋總速比

主要考慮因素：最大爬坡度、附著率及汽車最低穩定車速。

對于乘用車而言，國內要求在平路起步能爬到30%以上坡度即為滿足要求。而對于出口到南美等山地較多的國家，該要求顯然太低。他們的測試要求和國內有所不同。一般需滿足一定坡道起步能力（如：滿載、關閉空調的坡起坡度不低于30%）。

最大爬坡度和最大坡起坡度的確定還需要檢查附著條件是否滿足，必要時，只能從汽車總體布置和結構著手，改善汽車的附著能力。

最低穩定車速可以通過發動機最低穩定轉速折算，乘用車一般≯10 km/h。

3.3 擋位數及各擋傳動比的確定

3.3.1 擋位數的確定

一個多擋變速器，若在發動機、主減速比、車輪滾動半徑和最大總負荷等均已選定的情況下，變速器的擋位數則是越多越好。然而，擋位數超過5個（指前進擋）會使結構大為復雜，同時操縱機構也相應復雜。因此，一般乘用車普遍采用5擋或6擋變速器。

3.3.2 中間擋位速比的確定

變速器1擋速比和擋數被確定之后，從原則上說，所選中間擋位速比應保證發動機在加速過程中始終處于高效的工作狀態，保證最大的加速強度和最短的加速時間。具體方法有2種。

1）等比級數法。即相鄰擋位速比之比恒等于一個常數。按照等比級數法可以在汽車需要大功率時，較好地利用發動機特性曲線功率比較大的一段來增加汽車的后備功率，提高汽車的加速或上坡能力。故等比級數的速比比較適合于常駛于良好路面且比功率較大的汽車。

2）等差級數法。即相鄰擋位加速終了的車速差恒等于一個常數。按等差級數法確定的變速比值比按等比級數法確定的要小，越到高擋小得越多。加速過程中，各擋發動機的轉速區間越到高擋越小，相應的加速平均功率越來越大。因而，各擋平均加速度變化小，有利于高擋加速，提高平均車速和燃油經濟性。按等差級數確定中間擋位速比的方案，較為適合于常駛于惡劣環境且比功率較低的汽車。

根據統計，汽車變速器中間擋位的實際速比，處于等差級數值和等比級數值之間，且偏于等比級數值。因此，建議以等比級的速比值為基礎，乘以一個修正系數λ，λ=0.90～0.98。取下限，是向等差級數靠近，是加強；取上限，則是向等比級數靠近，是削弱。比功率低，且常駛于壞路的車輛，應取下限；比功率高，且常駛于良好路面的車輛應取上限。低擋位應取上限，高擋位應取下限。值得注意的是，速比是通過齒輪來實現的，計算數值尚需進行適當的調整。為方便計算，也可把λ取一個平均值（λ=0.94）來計算各擋速比。

3.4 液力變矩器的匹配計算[2]

液力變矩器是一種動液傳動的無極變速器。活塞式內燃機裝上高效率的液力變矩器后，可克服特性上的缺陷，使汽車獲得近于功率發動機一樣的驅動功率，改善汽車的動力性能。

在發動機和裝用車型確定之后，選配液力變矩器，必須遵循的選配原則為：1）充分發揮發動機和變矩器的特性，以獲得良好的汽車動力性能。2）應使變矩器的最大輸入轉速與發動機的最大功率轉速接近，且前者不得小于后者。3）應使變矩器的最大輸入扭矩與發動機的最大凈扭矩接近，且前者不得小于后者。4）應選擇啟動變矩系數（k0）與工況轉速比（i0）之積較大的變矩器。5）選擇k0時，應視汽車傳動系低擋總速比（ig1）的大小而定，ig1值大者，k0值可小，ig1值小者，k0值應大；變速器擋位數多者，k0值可小，擋位數少者，k0值應大。6）變矩器與發動機的共同工作區間不應太小，即泵輪的開鎖轉速最好小于發動機的最大扭矩轉速，泵輪的閉鎖轉速最好大于發動機的最大功率轉速。

4 結論

通過對前瞻技術的研究，了解未來發動機和變速器及整車的發展趨勢，結合自身車型的特點，可根據重扭比初選出合適的動力總成。

對于初選的動力總成，要根據整車動力性與經濟性目標的具體要求，對影響整車的重要因素進行管控，例如對變速器傳動比進行優化設計，以達到動力總成的最優化匹配。