（机械工程专业论文）某型汽车变速器设计研究.pdf

j d e s i g na n dr e s e a r c ho fo n et y p ea u t ot r a n s m i s s i o n b y y ul e b e ( h u n a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y j 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：7 灸吾：、 日期：汐1 7 年夕月冲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 斟吖 g 多 年年 伊 驴 潞 、 订、。觚嗽 某型汽车变速器设计研究 摘要 变速器是汽车传动系最重要的组成部分之一，其主要用来改变汽车的车速和 转矩、使汽车反方向行驶、实现空挡滑行等。手动机械式变速器因其制作工艺简 单，制造成本低廉和工作性能可靠在各类汽车上得到了广泛地应用。变速器的各 参数对汽车动力性和燃油经济性有直接的影响。一台好的发动机配上一台性能差 的变速器就不能充分发挥发动机应有的性能。因此，如何合理选择变速器的参数 就显得至关重要。 汽车的车速和扭矩与交速器的传动比直接相关，所以传动比的选择关系到汽 车的动力性和燃油经济性的好坏。本文针对传统靠经验设计变速器的方法，利用 m a t l a b 软件，以汽车加速时间和燃油消耗量为目标函数对变速器传动比进行了优 化设计，使得优化后的传动比在满足汽车动力性的条件下获得较好的燃油经济性。 根据优化后的传动比，对变速器关键零部件进行了设计计算。并对变速器齿轮进 行了受力分析。 建立了变速器齿轮啮合的动力学模型，并对齿轮啮合力进行了动力学仿真计 算。在此基础上建立了变速器轴和齿轮的三维c a d 模型，并将实体模型导入到大 型有限元软件a n s y s 中对其输入、输出和中间轴进行了有限元分析，包括轴的 振动模态分析和有限元刚度、强度分析。分析了齿轮的啮合受力情况，介绍了最 恶劣加载线的定义。在a n s y s 中对齿轮强度进行了计算分析。结果证明，所设 计的结构合理，刚度、强度满足要求。建立了常啮合齿轮动力学仿真模型，对齿 轮啮合力进行动力学仿真，得到了较满意的结果。 关键词：变速器；传动比；优化设计；有限元分析 n 工程硕士学位论文 i i a b s t r a c t t r a n s m i s s i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r to fv e h i c l ep o w e rt r a i n ，i ti sm a i n u s e dt oc h a n g et h es p e e da n dt o r q u eo ft h ec a r 、m a k ec a r sr u n n i n gi nt h eo p p o s i t e d i r e c t i o n 、r e a l i z en e u t r a lg l i d e ，e t c b e c a u s eo fi t ss i m p l em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，l o w m a n u f a c t u r i n g c o s t sa n dr e l i a b l e w o r k i n gp e r f o r m a n c e ， m a n u a lm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o nh a db e e nw i d e l yu s e di na l lk i n d so fc a r s t h ep a r a m e t e r so ft h e t r a n s m i s s i o nh a dad i r e c t l yi n f l u e n c eo fd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n df u e le c o n o m yt oa c 盯ag o o de n g i n ec a n tg i v ef u l lp l a yd u ep e r f o r m a n c ei fm a t c h e dw i t hap o o r t r a n s m i s s i o n s o ，i ti s v e r yi m p o r t a n t t os e l e c tt h ep a r a m e t e r so ft h eg e a r b o x r e a s o n a b l y t h es p e e da n dt o r q u eo ft h ec a ri sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h et r a n s m i s s i o nr a t i o ，s ot h e s e l e c t i o no ft h er a t i op a r a m e t e r sh a sag r e a ti n f l u e n c ef o rt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n d f u e l e c o n o m yt o ac a r t h i sp a p e ro p t i m i z e dt h et r a n s m i s s i o nr a t i ou s cm a t l a b s o f t w a r ew i t ht h ec a ra c c e l e r a t e dt i m ea n df u e lc o n s u m p t i o na st h eo b je c t i v ef u n c t i o n ， t h eo p t i m i z e dr a t i oi nt h ec o n d i t i o n so fa u t o m o t i v ed y n a m i ca c h i e v e db e t t e rf u e l e c o n o m y d e s i g n e dt h ek e yp a r t so ft h et r a n s m i s s i o na c c o r d i n gt ot h eo p t i m i z e dr a t i o a n d a n a l y s i s e dt h ef o r c eo ft h et r a n s m i s s i o ng e a r e s t a b l i s h e dt h ed y n a m i cm o d e lo ft r a n s m i s s i o ng e a re n g a g e m e n ta n da n a l y s i s e d t h ee n g a g e m e n tf o r c e e s t a b l i s h e dt r a n s m i s s i o ns h a f t a n dg e a r3 dc a dm o d e lb a s e d o nt h ed e s i g n ，a n di m p o r tp h y s i c a lm o d e lt oa n s y s ，d i m e n s i o n a la n a l y s i si n p u t 、 o u t p u ta n di n t e r m e d i a t es h a f tb yf i n i t ee l e m e n t ，i n c l u d ev i b r a t i o nm o d a la n a l y s i s 、 s t i f f n e s sa n a l y s i sa n ds t r e n g t ha n a l y s i s a n a l y s i s e dt h ef o r c eo fg e a re n g a g e m e n t ， i n t r o d u c e dt h ed e f i n i t i o no ft h ew o r s tl o a dl i n e ，c a l c u l a t e dt h eg e a rs t r e n g t hi na n s y s r e s u l t ss h o wl h a tt h ed e s i g no ft h es t r u c t u r ei sr e a s o n a b l ea n dt h es t i f f n e s s ，s t r e n g t h ， m e e tt h er e q u i r e m e n t s e s t a b l i s h e dd y n a m i c ss i m u l a t i o nm o d e lo fc o n s t a n tm e s hg e a r a n da n a l y z e dg e a rm e s h i n gf o r c e ，s a t i s f a c t o r yr e s u l t sa r eo b t a i n e d k e y w o r d s ：t r a n s m i s s i o n ；g e a rr a t i o ；o p t i m a ld e s i g n ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 一 某型汽车变速器设计研究 目录 学位论文版权使用授权书i 摘j 要i l a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 选题背景。1 1 2 变速器概述2 1 2 1 变速器的种类和发展：2 1 2 2 变速器的主要功能3 1 3 国内外研究现状。3 1 3 1 速比优化研究现状3 1 3 2 有限元研究现状4 1 4 本文研究的主要内容4 第2 章变速器传动比设计优化6 2 1 变速器档位的分析、计算6 2 1 1 档位数的确定。6 2 1 2 一档和最高档传动比的计算6 2 1 3 其余各档传动比的分配。7 2 1 4 等比级数分配的缺点。8 2 2 汽车动力性及燃油经济性评价。8 2 2 1 汽车动力性评价8 2 2 2 燃油经济性评价指标9 2 3 汽车动力性和发动机特性数学模型的建立1 1 2 3 1 发动机外特性数学模型建立1 1 2 3 2 汽车动力性数学模型建立1 2 2 3 3 发动机万有特性数学模型建立1 6 2 4 变速器传动比优化1 7 2 4 1 设计变量的选取1 8 2 4 2 目标函数的建立。1 8 2 4 3 优化计算及结果分析2 2 2 5 本章小结：2 3 第3 章变速器关键零部件的结构设计2 5 i v 一 工程硕二七学位论文 3 1 中心距选择2 5 3 2 变速器轴的尺寸设计2 5 3 3 变速器齿轮的设计2 6 3 4 变速器齿轮受力分析。3 1 3 5 本章小结3 2 第4 章变速器动力学仿真及关键部件有限元分析3 3 4 1 变速器齿轮啮合动力学仿真3 3 4 1 1 变速器动力学仿真建模3 3 4 1 2 接触力参数分析3 3 4 1 3 仿真结果分析3 5 4 2 变速器齿轮强度分析3 6 4 2 1 最恶劣加载线分析3 6 4 2 2 齿轮强度分析。3 7 4 3 变速器轴的有限元模态及刚度、强度分析3 9 4 3 1 变速器轴的三维模型建立。3 9 4 3 2 变速器轴的有限元模态分析4 0 4 3 3 变速器轴的有限元刚度、强度分析4 4 4 4 本章小结4 9 总结展望“。5 0 参考文献5 2 致 射5 5 v 一 工程硕士学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 随着经济社会的发展，人们在日常政治、经济、文化等领域中，时时刻刻都 伴随着人的行动和货物的运输，人们的生活节奏越来越快，生活质量越来越高， 这一切的人类活动都依赖着交通工具，人们不断的研发着新的交通运输工具。其 中，汽车就是人类发明出来的先进交通工具之一，并对人们日常的生产生活有着 巨大的影响。自从汽车发明以来就成为了人们生活中的必需品。2 0 世纪后，世界 上汽车的数量越来越多，特别在二次世界大战后汽车的保有量增快速增长。目前 大部分的汽车仍然使用石油产品作为燃料，随着经济社会的发展，对交通运力的 需求也在日益增大，但是石油燃料是不可再生的，燃料的供给日趋紧张。而在汽 车的运输成本中，燃料消耗占至t j 2 0 3 0 。所以，提高汽车的动力性和降低汽车的 i 燃油消耗率就成为了汽车业急需解决的问题。 变速器是汽车传动系统中的关键部件之一，变速器的好坏直接关系到整车的 使用性能，也直接关系到汽车的动力性和燃油经济性。现有车辆大部分仍然使用 的是机械式变速器，机械式变速器以其自身的优势得到了生存和发展，国内大多 数经济型轿车生产厂家都是使用的机械式变速器，虽然机械式变速器有很多的缺 点和不足，比如说体积大，振动和噪声大，换挡冲击大，操纵复杂等，但是它的 传动效率高，使用寿命长，制造工艺成熟，工作可靠而且价格便宜。纵观当前市 场需求和实用角度，机械式变速器仍然会在很长一段时间内占据着汽车市场大半 壁江山。前人对变速器的设计做了大量的工作，也创造出了许多的理论参考，但 其中大部分都只是经验公式，如何对变速器传动比进行合理有效的分配还没有一 种较为成熟的计算方法。比较传统的做法都是参考同类型的车或者根据经验来确 定传动比，这种方法与人的主观因素关系比较大，明显具有不足之处，且缺乏有 效的指标来评价变速器的好坏。使用传统方法设计的变速器，开发周期，成本， 使用等方面还存在着许多问题。 近年来，汽车技术飞速发展，汽车保有量不断增大，对汽车各零部件要求也 在不断提高，变速器设计中关键部件的刚度、强度对传动性能影响重大。如变速 器齿轮，齿轮直接传递着输入变速器的扭矩，其工作状况异常恶劣，如果强度不 够的话将会造成齿轮轮齿断裂，降低齿轮寿命，使变速器工作时产生较大的噪声 等诸多不利影响。在变速器发明以来，很多工程师对变速器性能的改进做出了不 可磨灭的贡献，甚至耗费毕生的心血来研究如何改进变速器的性能。目前多数汽 车变速器生产厂家依然是按照传统计算方法对齿轮齿根的弯曲强度进行计算口】。 某型汽车变速器设计研究 这种方法计算过程较为繁琐、复杂。耗时长，而且再次设计时又需要重新手动进 行计算。随着计算机设计技术的发展，设计者在对齿轮参数进行设计时，可以利 用计算机技术将质量指标相关数据进行动态计算显示，供其根据实际情况选择， 从而达到预期的设计效果口1 。本文来源于工程实际，为某公司某微型轿车设计一 款与整车性能匹配的变速箱。 1 2 变速器概述 汽车在当今社会是一种很重要的交通运输工具，汽车产业是国民经济的支柱 产业，是集资金、技术、人才于一体的高综合性产业。世界各工业强国都把汽车 产业作为国民经济支柱产业，汽车的研制、生产，以及以后的营运等环节都对经 济、社会科学等领域起着极大的推动作用。而今，汽车也成为了各国人们物质生 活水平的标志，由于科学技术的发展，汽车走进了千家万户，极大地改变着人们 的生活方式。但是，1 8 8 6 年第一辆汽车诞生时却没有装变速器，一直到1 9 0 2 年 法国人制造出了第一辆带有变速器的汽车。因为汽车上广泛采用活塞内燃机，此 内燃机转矩转速范围变化很小，但是复杂条件要求汽车驱动力和速度能在较大范 围变化，因此在汽车上加入了变速器。随着科学技术的快速发展，变速器技术也 得到很大的提高，目前，一些新型变速器如a t 、a m t 、d c t 和c v t 也相继问世。 但是，这些新型变速器技术还不够成熟，造价仍然比较昂贵。机械式变速器，由 于其结构简单，操作方便，价格低廉而被广泛地应用在汽车上。 1 2 1 变速器的种类和发展 ， ， 1 手动变速器m t 手动变速器也称为机械变速器，顾名思义，手动变速器在换挡时需要驾驶员 人为地操纵变速杆将变速器内各档齿轮变换到正确的位置，实现换挡。从而达到 改变传动系速比的目的。自从汽车发明之后，手动变速器一直得到了广泛地应用。 直到2 0 世纪6 0 年代，大部分的汽车变速器都只有3 个档位，且只有高速档才具 备同步器。汽车的驾驶员需要有很好的驾驶技术才能够顺利操作变速器换挡。经 历了半个多世纪的发展，大多数的汽车使用了五档，甚至更多档位的变速器。档 位数的增加有利于节约燃料。且大多数档位都配备了同步器。 2 自动变速器a t 自动变速器自2 0 世纪4 0 年代由美国制造商发展起来。当时，只能利用液压 系统来控制相关的装置。随着科学技术的发展，电子装置逐渐利用到自动变速器 的控制上来，并且挡数也像手动变速器一样逐渐增加了。新的5 档或6 档自动变 速器；利用新的控制系统，使其传递扭矩的能力大大提高，但是重量与老产品相 当。且采用小速比，多档位。以此来减少燃油消耗量，提高汽车行驶平顺性。 2 工程硕士学位论文 3 无极变速器c v t 无极变速器出现在上世纪中叶。当时，因为没有缺乏自动化操控装置，所有 的机械化控制装置都没能成功应用到汽车使用中。此时，驾驶员操控汽车行驶的 经验和能力决定了汽车发动机的效率。一直到2 0 世纪8 0 年代末，c v t 终于成功 应用到批量生产的汽车上。依靠链条传递动力的c v t ，需要启动液力变矩器或离 合器。还需要一套齿轮组来实现倒车。c v t 的能量是经轮盘和链之间的摩擦来传 递的。为了避免轴之间打滑，只有使用专门的润滑剂。由于c v t 对扭矩比较敏感， 要升级为更大扭矩的发动机就对变速器提出了更高的要求。发展到今天，c v t 能 传递的扭矩极限大约为3 5 0 到4 0 0 n m 。 4 自动变速的手动变速器a m t 最初，a m t 很受车主的欢迎，因为它的价格比a t 和c v t 要便宜很多。特别 是在档位较多的重型卡车上。a m t 在欧洲和北美占有很大的市场份额，但是对于 小型的轿车来说，a m t 在换挡时将会造成汽车动力的中断，所以在轿车中，这种 变速器是不被大家认可的。a m t 的选用主要考虑的因素是汽车的重量和动力传递 的特性要求。 5 双离合变速器传动d c t 在双离合器变速器出现之后，其成为了车主在a t 和c v t 之外的另一个选择。 双离合器变速器内部的结构和手动变速器比较类似。目前为止，干式离合器变速 器一直被认为是小型发动机的合适选择。而湿式离合器变速器需要一套油压系统 来驱动离合器与同步器。所以其内部损耗比m t 要大，但比a t 要小，更比c v t 小引。 1 2 2 变速器的主要功能 1 改变汽车传动比，增加驱动车轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化 的行驶工况和不同的车速需求，同时应使发动机时刻工作在对其最有利的工况范 围内； 2 在发动机曲轴旋转方向不改变的条件下，实现汽车的倒退行驶； 3 实现空档状态，暂时中断动力的传递，以便发动机能够启动、怠速、快速 换挡和使汽车在不受发动机转矩作用的情况下自由滑行等睛3 。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 速比优化研究现状 在2 0 世纪6 0 年代初，国外就开始对传动系与汽车动力性、燃油经济性的关 系进行研究，通用汽车公司开发出的g p s i m ( g e n e r a lp u r p o s ea u t o m a t i cv e h i c l e p e r f o r m a n c ea n de c o n o m ys i m u l a t o r ) 整车性能通用预测程序可以用于汽车不同行 3 某型汽车变速器设计研究 驶工况下整车性能的模拟计算，包括时间、油耗等，也可以对整车质量、变速器 传动比等对汽车动力性与燃油经济性的影响进行仿真、预测叩1 。7 0 年代中、后期， 欧美国家主要依靠减小主减速比来提高汽车的燃油经济性，这样做虽然降低了油 耗，但是同时使得汽车的动力性降低。8 0 年代初，工程师通过减小汽车尺寸与发 动机的排量来降低油耗。随着电子计算机的快速发展，人们开始使用微电子技术 来控制油耗，主要有发动机电控技术，无级变速器系统的应用等口1 。 到2 0 世纪8 0 年代以后，我国才开始起步对汽车动力系统的最优化匹配进行 研究，国内高校和汽车企业对这方面做了较多的研究1 。主要集中在传动系数学 模型建立和动力参数优化等方面。但是，汽车的动力性与燃油经济性二者往往是 相冲突的，所以，做优化的时候要获得二者的综合优化方案。在建立动力性目标 函数时，国内常用的是原地起步连续换挡加速时间、驱动功率损失率等；经济性目 标函数常用多工况百公里燃油消耗量和有效利用率等阳1 。 1 3 2 有限元研究现状 早在上世纪7 0 年代初，欧美一些国家就已经将有限元方法应用于汽车结构分 析，并能对汽车结构进行有效的动态和静态模拟。为了找到高应力区域，福特公 司使用了n a s t r a n 软件对车身进行静态分析。日本公司在8 0 年代末利用c a e 技术对车身的强度、刚度、振动和疲劳等进行分析。到了9 0 年代，通用汽车公司 将发动机与路面的激励集成到数据库，对汽车在激励载荷下进行了改进分析，缩 短了分析周期，简化了分析过程。日本的尼桑公司已经利用有限元分析包括发动 机、悬架、转向机构等。于此同时，国外许多大型汽车公司都建立了大客车的简 化模型，并对其进行全面动态和静态分析，取得了较大的成果。国内对于有限元 方面的研究直到8 0 年代初才开始，并在车身结构分析方面取得了一些成果，积累 了丰富的经验聆1 从9 0 年代起，欧美一些国家就开始对变速器进行有限元结构分析，并将其结 果和传统方法向比较，取得了比较满意的成果。文献【2 】指出，国内各大高校以及 车企对于变速器的有限元分析也都做了较多的研究：同济大学在1 9 9 9 年做了变速 器齿轮应力场分析，校核齿轮强度；三湘客车公司在2 0 0 3 年对s y l 4 0 型组合变 速器的齿轮做了分析，验证了齿轮设计的合理性；太原理工大学在2 0 0 7 年对渐开 线圆柱直齿轮进行了有限元齿根弯曲应力分析；西北工业大学则应用有限元方法 建立了变速器齿轮的三维动力学模型，研究了齿根应力在不同转速下的变化规律。 1 4 本文研究的主要内容 本文所研究的内容主要包括以下几个方面： 1 以某微型轿车为原型，以汽车动力性和燃油经济性为目标，利用m a t l a b 软 4 工程硕士学位论文 件对其变速器传动比进行优化分析。建立了汽车从起步连续换挡到最高车速加速 时间的数学模型。根据c y c循环工况建立燃油消耗量目标函数，利 用软件优化工具箱对加_e速ce时e间u和dcmatlab燃油消耗量加权函数进行多目标优化，得 出汽车变速器的最优传动比。使得汽车在满足使用动力性的前提下燃油消耗量最 少，达到动力性和经济性目的。将实测长沙市道路循环工况试验数据绘制生成长 沙市道路路面谱，根据路面谱计算出长沙市循环工况燃油消耗量数学模型进行优 化对c y ce c ee u d c 循环工况优化结果进行对比验证。 2 根据优化后的传动比设计与整车匹配的变速器，对变速器关键零部件进行 设计计算，如齿轮、轴等，并运用材料力学知识对各对齿轮受力进行了计算。利 用三维c a d 软件p e o e 对变速器进行精确建模，建立其轴和齿轮的三维模型。 使用i g e s 接口建立了p r o e 建模软件与a n s y s 有限元分析软件之间的联系， 为有限元分析提供基础。 3 建立了第一轴和中间轴及其啮合齿轮的动力学模型，对常啮合齿轮的啮合 受力情况进行了动力学仿真研究，并将仿真结果与理论计算结果进行对比，得到 了较满意的结果。 4 利用在p e o e 软件中生成的三维实体模型，在导入a n s y s 之后对其进行 网格划分，按照变速器工作的实际情况分别对变速器输入、输出和中间轴添加位 移约束条件，对各轴进行了有限元模态分析，研究了其振动特性。 5 分析了变速器的工作原理和齿轮啮合的特点，研究得到了齿轮的最恶劣加 载线，在p r o e 中利用草图功能以作图法得到了三维齿轮最恶劣加载线模型，在 a n s y s 环境下利用最恶劣加载线对变速器齿轮进行了有限元强度分析。在变速器 一档工况下，发动机输出最大扭矩时，分析了变速器的约束和加载情况，在a n s y s 中分别对变速器一轴、二轴和中间轴进行约束和加载，并进行求解计算。对变速 器轴进行有限元强度和刚度校核。 5 某型汽车变速器设计研究 第2 章变速器传动比设计优化 2 1 变速器档位的分析、计算 汽车可以分为许多种类，而不同类型的汽车其用途和使用条件又不一样，所 以不同类型汽车对自身的性能要求就不同。而变速器与汽车动力性、经济性密切 相关。变速器档位数和各档传动比的大小又是对变速器性能极为重要的参数。 2 1 1 档位数的确定 增加变速器的档数能改善汽车的动力性和经济性。第一，使发动机在最大功 率附近工作的机会增加，提高了汽车的加速时间和爬坡能力。其二，挡数越多， 汽车在低油耗区工作的几率变大，降低了油耗，降低了汽车使用成本。但是档数 越多，变速器的结构越复杂，并且使尺寸轮廓和质量加大。同时操纵机构复杂， 而且在使用时换档频率也增高。在最低档传动比不变的条件下，增加变速器的挡 数会使变速器相邻的低档与高档之间传动比比值减小，使换档工作容易进行。要 求相邻档位之间的传动比比值在1 8 以下，该值越小换档工作越容易进行。要求高 档区相邻档位之间的传动比比值要比低档区相邻档位之间的传动比比值小，可由 一档传动比大小来确定变速器的档位数，计算公式如下： l = 1 4 5 。1 ( 2 1 ) l 一一档传动比； n 一变速器总档数n 们。 本文所研究设计的变速器总挡数取为n = 5 。 2 1 2 一档和最高档传动比的计算 变速器传动比范围是指变速器最低档传动比与最高档转动比的比值。传动比 范围的确定与选定的发动机参数，汽车的最高车速和使用条件等因素有关。目前 轿车传动比范围大约在3 4 之间，轻型货车在5 6 之间，其他货车则更大。 1 一档传动比 根据汽车的最大爬坡度确定一档传动比。汽车在爬陡坡时侯的车速比较低， 所以，遇到的空气阻力可以忽略，同时加速阻力为零。那么汽车的最大驱动力就 用来克服轮胎与路面的滚动阻力以及爬坡阻力。所以汽车的一档传动比要能够克 服所要求通过的最大坡度，故有 生出盟苫孵( f c o s t l m a x + s i n a i , ) ( 2 2 ) 即 6 工程硕士学位论文 i型坠!竺!竺塑!垫竺婴2l k f o t i t 上式中； 厂r 车轮滚动半径； 主减速比； m 汽车最大总质量； 口眦最大爬坡度； k 发动机最大转矩； 厂滚动阻力系数( 粗糙路面取0 0 1 5 ，松软路面0 0 5 ) ： 仇传动效率，一般机械式变速器传动效率为9 0 左右； 一档传动比m 1 。 并且要满足不滑转条件 m 叫* i o * r se j 5 c ( 2 3 ) e 驱动轮的地面法向反力； 妒附着系数( 混凝土或沥青路面取0 5 0 6 ) 。 2 最高档传动比 = ( 2 4 ) 最高车速； r最高车速对应的发动机扭矩； 屯 主减速比； r 驱动轮滚动半径； 以滚动阻力系数； 形汽车总重； 以空气阻力系数； 彳 汽车正投影面积啪1 。 2 1 3 其余各档传动比的分配 传统的机械式变速器中间各档传动比经常按照等比级数来分配，等比级数分 配传动比可以使发动机在接近外特性的最大功率处的范围运转，增加了汽车后备 功率，提高了汽车的爬坡能力。 按等公比原则分配传动比，利用对数来确定公比值。核心内容是认为各挡都 是等比级数的排列，各挡的速比阶都一样。即： ，9 1 ，量2 = ，暑2 9 3 = 。- q ( 2 5 ) 其中： 7 某型汽车变速器设计研究 口为各档之间的公比。 由上式可以算得各档传动比为： l s l = q is 2 i s 2 = q i9 3 1 8 3 = q i s 4 等比级数是理论上的传动比分配，而在工程实际中由于齿轮齿数只能是整数， 实际传动比的大小往往和理论值相偏离，按照等比级数来进行传动比分配的主要 原因在于改善汽车的动力性，使发动机功率得到充分利用。变速器传动比按照等 比级数分配，可以使发动机在接近外特性最大功率处工作，增加了汽车后备功率， 从而使得汽车上坡和加速能力得到提升n 羽。 2 1 4 等比级数分配的缺点 理论上不考虑换挡过程所用的时间，按照等比级数来分配传动比，但实际换 挡时车速会有所降低，所以传动比不是严格的等比级数。文献【1 0 】指出其原因是： 1 传动系中齿轮必须是整数，配齿后计算值与理论计算有误； 2 换档过程中车速有所降低，换档车速越高，换档过程中车速下降越多。 工程中高档间的传动比比值比较接近，即： 1 , 1 i , z i , 2 l ls 3 i 即 | i 弘 2 汽车使用的工作状况和道路交通状况存在着较大的区别，大多数汽车经常在 高速比范围工作，按照等比级数来分配传动比将会产生燃料浪费等不利结果。文 献【1 0 】指出，当今的汽车研究理论认为传动比之间的比值越小越省油，换挡也将会 更加轻便，多数时间汽车是在高档位工作的，高档换挡频率也比低档要高出很多， 因此，高档传动比比值应该要小于低档，高档位之间公比为1 3 1 4 5 ，低档位传动 比比值在1 7 - - 1 8 左右。 2 2 汽车动力性及燃油经济性评价 2 2 1 汽车动力性评价 汽车作为当今最高效的运载工具之一，其运输效率的高低很大程度上取决于 汽车的动力性，汽车的平均速度越高，汽车运输的平均速度越快，单位时间运输 的人和货物就越多，效率越高，而汽车的平均速度主要由汽车的动力性决定。文 献【1 】指出，汽车动力性主要有以下几个方面的指标： 1 最高车速 最高车速指的是汽车在水平良好路面上所能够达到的最高行驶速度，它反映 的是汽车自身所具备的极限行驶能力，并不代表实际行驶工况中的平均速度，现 代轿车的最高速度一般在1 4 0 2 5 0 k m h 之间，货车则在8 0 1 2 0 k m h 之间。 8 - 工程硕士学位论文 2 加速性能 加速性能是汽车动力性的重要评价指标，但目前还没有对此统一的评价标准。 文献【7 】中指出，欧美一些国家采用节气门全开状态下的加速时间和距离作为评价 指标，但是前苏联专家觉得除此之外，还要包含加速度系数( 汽车最大加速度和 发动机的最大功率的比值) 、汽车节气门全开加速到最大车速一半的距离和时间。 文献【7 】指出，当今汽车界常用原地起步加速时间和超车加速时间来评价汽车 加速性能，原地起步加速时间指用一档或二档起步，按最佳动力换档时间换至高 档，油门保持全开，加速至某一预定距离或车速所需的时间，超车加速时间指用 最高档或次高档由一较低车速在油门全开情况下，加速至某一高速所需的时间。 3 爬坡性能 中指出，汽车的爬坡性能指用满载汽车在良好路面上所能达到的最大爬坡度 来表示的。一些国家规定在经常遇到的道路坡度上，汽车爬坡能力由汽车保证能 达到的车速来评价。此指标可以使得道路上车辆顺利行驶，不至于产生汽车动力 性相差太大的情况。现有汽车动力性评价标准反映了汽车自身的极限能力，从某 种角度来说可以反映出汽车动力性好坏，但是现有动力性评价标准并没有与实际 复杂的使用工况考虑到一起，所以常常和汽车实际使用中的情况差距很大n 观。 2 2 2 燃油经济性评价指标 文献【1 2 】指出，在保证动力性的前提下，汽车以尽量少的燃油消耗量经济行驶 的能力、称为汽车的燃油经济性，汽车燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶 百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量，等速行驶百公里 燃油消耗量是常用的一种评价指标，。指汽车在一定载荷( 我国标准规定轿车为半 载、货车为满载) 下，以最高档在水平良好路面上等速行驶1 0 0 k i n 的燃油消耗量。 可是，等速行驶工况并不能全面地反映汽车运行的实际情况，尤其是在市区 行驶中经常发生的怠速、加速、减速等行驶工况。所以，在对实际车辆进行跟踪 测试统计的基础上，世界各国都制定了一些典型循环行驶试验工况来模拟汽车实 际行驶工况，并以百公里的燃油消耗量来对相应行驶工况燃油经济性进行评定。 1 欧洲经济委员会( e c e ) 规定，要测量车速为9 0 k m h 和1 2 0 k m h 的等速百 公里燃油消耗量和按e c e r 1 5 循环工况的百公里燃油消耗量，并各取1 3 相加作 为混合百公里燃油消耗量来评定汽车燃油经济性。 2 美国环境保护局( e p a ) 规定，要测量城市循环工况( u d d s ) 及公路循环 工况( h w f e t ) 的燃油经济性( 单位为每加仑燃油汽车行驶英里数m i l e g a l ) ，并 按照下式来计算综合燃油经济性 综合燃油经济性= 1 0 5 50 4 5 丽丽葫五丽瓢蕊+ 霸丽磊i 丙菊蕊 9 某型汽车变速器设计研究 以它作为燃油经济性的综合评价指标n 别。 3 多工况燃料经济性 文献 1 2 1 指出，汽车多工况循环模式，是在对大量汽车实际道路行驶工况技术 统计的基础之上获得的，所以利用多工况循环试验得到的汽车燃料经济性更加能 够接近汽车的实际行驶状态。从2 0 世纪7 0 年代开始，各个国家为了能够更加准确 地模拟出汽车实际行驶工况，在测量汽车典型工况基础上，制定了多种试验标准， 比如联合国欧洲经济委员会颁布的e c e l 5 循环工况，美国环境保护局e p a 制定的市 区循环工况u d d s 及公路循环工况h w f e t ，美国汽车工程师学会s a e 制定的燃料 经济性测量道路试验程序j 1 0 8 2 b ，日本的十工况和十一工况试验循环，中国载货 汽车六工况试验循环j b 3 3 g 2 、城市客车四工况试验循环j b 3 9 7 2 等，并以这些试验 循环的百公里燃料消耗量来评定相应行驶工况的燃料经济性。 本文在已知某微型轿车各参数的前提下，为此车匹配一款高性能，满足所要 求的动力性和低燃油消耗量的变速器。以变速器传动比为设计变量，对汽车加速 时间进行计算，得出汽车加速时间目标函数，计算出c y c e c e e u d c 循环工况 燃油消耗量目标函数，然后对两个目标函数进行加权，运用m a t l a b 软件对加权 后的目标函数进行多目标优化，使得变速器传动比和整车能达到一个较高的匹配 水平。以长沙市典型道路循环工况为研究对象，计算得出汽车燃油消耗量的数学 模型，对传动比进行优化，验证c v ce c ee u d c 循环工况的可靠性。微型轿车 各参数如下： 1 汽车相关参数 汽车长：3 5 8 8 m m 汽车宽：1 5 6 3 m m 汽车高：1 5 3 3 m m 整车整备质量：8 9 5k g 最大总质量：1 0 4 5 k g 最高车速：1 4 0 k m h 最大爬坡度：3 6 驱动型式：f f 原变速器型式：齿轮啮合式，五前进挡。 变速器初始传动比为：一档，3 4 1 6 ：二档，1 8 9 4 ：三档，1 2 8 ：四档，1 ( 直 接档) ；五档，0 7 5 7 ；主减速比，4 3 8 8 。 2 发动机参数 额定功率：5 8 k w 5 4 0 0 r m i n 最大扭矩：1 0 8 n m 4 0 0 0r m i n 额定转速：5 4 0 0 r m i n 1 0 工程硕士学位论文 2 3 汽车动力性和发动机特性数学模型的建立 汽车动力性和燃油经济性的仿真计算与汽车发动机的性能参数密切相关，所 以必须建立发动机的数学模型来描述发动机的特性，主要包括外特性模型以及万 有特性模型n 引。 2 3 1 发动机外特性数学模型建立 由发动机试验台可以测得发动机转速和发动机在此转速时发出的转矩，发动 机的转矩t 可以表示成转速n 的函数，常用多项式来拟合描述发动机转速和转矩 的关系，即可以将二者的关系表示成： r = 罗4 n i = ( o ，1 ，2 ，k ) ( 2 7 ) 镯 上式中： z 发动机的有效转矩； 刀发动机的转速； 4 拟合多项式系数： k 多项式的阶数n 铂。 已知发动机的转矩和转速的实验数据( 五，i v , ) ，将试验数据代入上式，计入 随机误差e i ，得到： 五 l 瓦 1 n l 1 n 2 1 n 4 4 4 + q e 2 e n ( 2 8 ) 在m a t l a b 中利用最小二乘法来拟合多项式的系数。多项式的阶数k 的大小视 拟合需求精度来选取n 引。 在发动机的转速、转矩实验数据中选取了9 个点的数值。在m a t l a b 软件中编 写系数求解程序，应用拟合函数p o l y f i t 来求解最小二乘曲线拟合问题，用线性回 归方法拟合多项式曲线，选取多项式阶数为5 阶。p o l y f i t 函数输出得五次拟合多 项式的各项系数分别为： a o = 6 6 6 6 5 e - 1 6 ，a l = 1 2 6 0 2 e - 1 1 ，a 2 = 9 3 0 0 5 e - 0 8 ，a 3 = 3 3 0 6 0 e 0 4 ，a 4 = 一0 5 5 3 7 ， a 5 = 4 4 2 1 0 4 2 。 得到拟合多项式为 t = 6 6 6 6 5 e 1 6 行5 + 1 2 6 0 2 e 1 1n 4 9 3 0 0 5 e 8n 3 + 3 3 0 6 0 e 4n 2 0 5 5 3 7 n + 4 4 2 1 0 4 2 ( 2 9 ) 在m a t l