一種變速器傳動效率數(shù)據(jù)分析方法研究

楊金民，于忠貴，馬 靜，王 君，張新亮

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

引言

國家油耗法規(guī)日益嚴(yán)苛，降油耗已成為各大汽車企業(yè)最重要的攻關(guān)項(xiàng)目。降油耗，最根本方法就是提高發(fā)動機(jī)的熱效率和變速器的傳動效率，也就是提高動力總成整體的效率。

在變速器產(chǎn)品開發(fā)階段，變速器的傳動效率試驗(yàn)是一項(xiàng)非常重要的測試項(xiàng)目[1]，除了能夠分析變速器產(chǎn)品的效率水平、為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持外，還可以與發(fā)動機(jī)萬有特性試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合分析，為優(yōu)化動力總成的控制策略提供支持。

1 變速器傳動效率數(shù)據(jù)用途

變速器的傳動效率試驗(yàn)一個(gè)最重要的目的，就是將傳動效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)與發(fā)動機(jī)的萬有特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合分析，用于優(yōu)化TCU的換擋線，從而提高動力總成的燃油經(jīng)濟(jì)性，降低整車油耗。

變速器傳動效率反應(yīng)的是變速器在不同擋位下，變速器工作在不同轉(zhuǎn)速、不同輸入扭矩時(shí)的動力傳遞效率，如果能夠讓變速器盡量工作在傳動效率較高的區(qū)域，同時(shí)發(fā)動機(jī)能工作在燃油消耗率最低的區(qū)域，將是整個(gè)動力總成最理想的工作區(qū)域。

2 變速器傳動效率常規(guī)數(shù)據(jù)處理方法

通常，進(jìn)行變速器傳動效率測試時(shí)，使用的是變速器整機(jī)作為被測件，在變速器性能試驗(yàn)臺上進(jìn)行測試[2]。測試結(jié)束后，以變速器輸入轉(zhuǎn)速（也就是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速）為X軸，變速器輸入扭矩（也就是發(fā)動機(jī)扭矩）為Y軸，變速器效率為Z軸，繪制等高線圖，每個(gè)檔位分別繪制。圖1和圖2為某6AT變速器3擋、5擋的傳動效率等高線圖。

圖1 某6AT變速器3擋傳動效率等高線圖

由以上等高線圖可以看出，在圖示測試范圍內(nèi)，大致表現(xiàn)為變速器的輸入扭矩越大，傳動效率越高。但是，在變速器的高效率區(qū)間內(nèi)，與其匹配的發(fā)動機(jī)并不一定是燃油消耗率最優(yōu)的區(qū)域[3]。圖3為與該變速器匹配的發(fā)動機(jī)的萬有特性曲線圖。

圖3 配套發(fā)動機(jī)燃油消耗率等高線圖

從上圖可以看出，發(fā)動機(jī)的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)工作區(qū)間大約是轉(zhuǎn)速2 500～3 500 rpm，扭矩120～150 Nm區(qū)間，這與變速器各個(gè)擋位的最高效區(qū)域并不重合。因此，僅通過分析變速器各個(gè)擋位的傳動效率數(shù)據(jù)，并不能確定出變速器工作的最合適工作區(qū)間。

3 動力總成效率數(shù)據(jù)處理方法

試驗(yàn)測得的變速器各擋位傳動效率，需要與匹配發(fā)動機(jī)的萬向特性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合處理分析，才能用于確定變速器的最優(yōu)工作區(qū)間。

首先，讀取變速器傳動效率各試驗(yàn)工況對應(yīng)的發(fā)動機(jī)燃油消耗率。發(fā)動機(jī)萬有特性試驗(yàn)時(shí)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩與變速器傳動效率試驗(yàn)時(shí)的輸入轉(zhuǎn)速、扭矩并不一致，因此需要使用發(fā)動機(jī)萬有特性試驗(yàn)后繪制的燃油消耗率等高線圖，按照變速器傳動效率試驗(yàn)時(shí)的輸入轉(zhuǎn)速、扭矩讀取響應(yīng)工況的燃油消耗率結(jié)果，用于后續(xù)計(jì)算。表1是根據(jù)圖1所示的燃油消耗率等高線圖讀取的所需各工況的燃油消耗率結(jié)果。

表1 匹配發(fā)動機(jī)各工況燃油消耗率

第二步，計(jì)算總成的燃油消耗率。變速器的輸入功率計(jì)算公式為：

式中：Pin為變速器輸入功率，kW；Nin為變速器輸入轉(zhuǎn)速，rpm；Tin為變速器輸入扭矩，Nm。

變速器的輸出功率計(jì)算公式為：

式中：Pout為變速器輸入功率，kW；Nl：左半軸轉(zhuǎn)速，rpm；Tl：左半軸扭矩，Nm；Nr：右半軸轉(zhuǎn)速，rpm；Tr：右半軸扭矩，Nm。

等效的總成燃油消耗率計(jì)算公式為：

式中：BSFCpt為等效的總成燃油消耗率，g/kWh；BSFCice：發(fā)動機(jī)燃油消耗率（表1中結(jié)果），g/kWh；

Pin：變速器輸入功率，kW；Pout：變速器輸入功率，kW。

第三步，計(jì)算總成的效率。計(jì)算公式為：

式中：η為總成效率，%；BSFCpt為等效的總成燃油消耗率，g/kWh；q為燃油熱值，kJ/g。

最后，繪制動力總成的效率等高線圖。以前述6AT變速器為例，經(jīng)計(jì)算處理后，繪制的3擋、5擋的總成效率等高線圖見圖4和圖5。

圖4 某6AT變速器3擋總成效率等高線圖

圖5 某6AT變速器5擋總成效率等高線圖

4 動力總成效率數(shù)據(jù)應(yīng)用

4.1 常規(guī)動力總成效率應(yīng)用

對比圖1和圖4，可以發(fā)現(xiàn)，動力總成的綜合效率與變速器的傳動效率相比，其高效區(qū)發(fā)生了變化，進(jìn)一步說明，變速器傳動效率最高的區(qū)域并不一定是動力總成整體綜合效率最高的區(qū)域。

對總成綜合效率等高線圖進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，橫坐標(biāo)變更為車速（或是半軸轉(zhuǎn)速），縱坐標(biāo)變更為輸出軸扭矩和，仍然以前述6AT變速器為例，優(yōu)化后3擋、5擋的總成效率等高線圖如圖6和圖7所示。 變速器各個(gè)擋位分別按照上述方法繪制車速-半軸扭矩和-總成效率的等高線圖，則能表示出該套動力總成所有工作工況的總成綜合效率分布，可以用于優(yōu)化變速器的控制策略，使動力總成能夠盡量工作在整體效率最優(yōu)的區(qū)間，降低車輛的油耗[4]。

圖6 優(yōu)化后3擋總成效率等高線圖

圖7 優(yōu)化后5擋總成效率等高線圖

4.2 混合動力總成效率應(yīng)用

對于混合動力總成產(chǎn)品，由于增加了一個(gè)或多個(gè)電機(jī)參與工作，其動力來源除了有發(fā)動機(jī)外，還有電機(jī)，也就是能量來源于汽油燃燒的化學(xué)能和車輛電池儲存的電能。為了評價(jià)混合動力總成整體的效率，可以以該混合動力總成的平均油電轉(zhuǎn)化率（也就是每發(fā)一度電平均消耗的汽油量）為基礎(chǔ)，計(jì)算總成整體的效率。某混合動力總成純電模式、混動模式總成效率等高線圖如圖8和圖9所示。

圖8 某混合動力總成純電模式效率等高線圖

圖9 某混合動力總成混動模式效率等高線圖

按照上述方式對混合動力總成的整體效率數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，可以更好地應(yīng)用于混合動力總成的能量管理策略優(yōu)化和標(biāo)定中去，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語

通過對變速器傳動效率試驗(yàn)結(jié)果的分析，結(jié)合所匹配發(fā)動機(jī)的萬有特性數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算，得出變速器各擋位下動力總成的整體效率，能更好地反映出動力總成的實(shí)際工作狀態(tài)，進(jìn)而用于優(yōu)化變速器的換擋控制策略，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，降低油耗。