英语原文共 21 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
现代乘用车手动变速器传动比选择的设计方法
Piotr Bera
AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Department of Machine Design and Technology, al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland
摘要：
本文的目的是提出一种现代乘用车手动变速器传动比计算的算法。本文介绍了各种必要的系数和公式，并对其对汽车特性的影响进行了深入的阐述，这与汽车的预期开发密切相关。这些公式是从物理关系和对车辆动力学、燃油经济性、人体工程学和道路特性进行分析得出的。每种类型的内燃机，如自然吸气式、涡轮增压式（点火式）或涡轮增压式（压燃式），都可以被视为车辆动力源。本文重点介绍了一种新的齿距调整方法，使中间齿轮调整简单、准确。为了定量评价某一特定结构的动力性和燃油经济性，这里给出了绘制全油门功率特性和比油耗特性的公式。此外，本文还建立了一个计算最大车速的简捷有效的公式。在最后，有一个计算实例，它是本文的一个组成部分，展示了上述方法如何应用于实例。
介绍
内燃机是汽车最常用的动力源，尽管电动汽车发展迅速，但长期以来仍将是传统和混合动力汽车的主要动力来源。这是因为它使用了高能量密度的石油燃料。此外，油箱可以在几分钟内加满油。然而，内燃机远不是汽车推进路上的理想选择。因为，它的动力通过离合器或变矩器、变速箱、差速器和驱动轴传递给从动轮。变速箱从输入轴到输出轴提供几个传动比，以使发动机扭矩-转速曲线符合负载要求。主减速器是一对降低发动机转速和增加扭矩的齿轮。车辆传动系必须提供从静止到最高速度的适当动力，以及尽可能低的燃油消耗。这不仅是由一个高效的发动机来保证的，而且是由一个正确匹配的变速箱来保证的，变速箱的档位和传动比都应该合适。在多齿轮传动中，离合器的设计和齿数是关键因素。在现代的自动变速器中，甚至有9种速度可以使发动机在最高效率的区间工作，从而降低燃油消耗。然而，在手动变速器中，设计出这样动力性好和燃油消耗低的变速器的可能性较小，因为它们通常只有5档或6档。因此，正确地设计传动比是一个重要环节，因为它允许在这些矛盾的要求之间实现最佳的折衷。
参数命名
a 中间齿轮计算中的第一系数[-]
astart 起步时车辆加速度[m/s2]
b 中间齿轮计算中的第二系数[-]
A 车辆迎风面积[m2]
CD 空气阻力系数[-]
DW 驱动轮直径[m]
fr 轮胎滚动阻力系数[-]
F 驱动力[N]
g 重力加速度[9.81 m/s2]
ge 比燃料消耗量[g/kWh]
G 车辆重量[N]
itx 总传动比，在x档时
m 车辆质量[kg]
M 发动机扭矩[N m]
n 发动机转速[rpm]
N 发动机功率[kW]
pt 轮胎充气压力（bar）
Rd 驱动轮动态半径[m]
V 车速[km/h]
rho; 环境空气密度[1.2kg/m3]
rho;fuel 燃料密度[g/cm3]
eta; 效率[-]
许多作者，如Ehsani等人[1]、Lechner和Neunheimer[2]、Crolla和Mashadi[3]、Gabryelewicz[4]、Jazar[5]和Pawelski[6]使用几何或渐进式齿轮设计步骤来计算手动变速器中的齿轮。在第一种解决方案中，在任何两个连续档位间，发动机转速跳变是恒定的，而第二种解决方案中，变速箱在任何档位都有恒定的速度跨度。这些基本方法是在20世纪60年代发展起来的，适用于配备3速或4速变速器的由额定功率相对较低的自然吸气发动机驱动的车辆。这个这就是为什么它们与当前的市场不匹配，并且不具有预期的准确性。这一观点得到了Singh等人的支持[7]，他提出了一种基于几何级数，对于多数情况更精确的齿轮箱设计方法。他也对齿数做了初步假设。此外，还提出了一些建议，使设计过程清晰易懂。然而，这种方法需要计算机辅助计算来求解齿距。kuukoglu[8]采用差分演化算法优化传动比，以提高燃油经济性。主要考虑的变量有车辆的技术数据、道路坡度和行驶距离。应用此方法可以节省2%的燃油消耗。Goharimanesh等人[9]使用了Taguchi齿轮箱优化的方法，但仅限于油耗方面。在上述几个变速箱设计的实例中，没有介绍到齿距的标准。不幸的是，上述出版物都没有给出现代乘用车变速箱速比选择的完整方法。
由于上述局限性，作者开发了一套适用于乘用车的现代传动比选择算法。考虑到所有关键因素：车辆动力学（包括道路建设法规），燃油经济性，人机工程学和离合器耐久性。文章的组织方式是：首先，基于初始计算对作者的分析提出了建议。本部分不涉及数值计算，而且可以很快执行。因此，它有利于爱好者和机械师寻找关于这个话题的科学背景。其次，对计算出的传动比进行了定量验证，以评估其动力学特性和燃油消耗。这部分涉及数值计算，需要编程知识，因此它对科学家、机械工程专业学生和编程专业人士有研究意义。
在第2节中，作者介绍了车辆传动系统的基本原理，并给出了弹性系数和现代内燃机和电动机的自适应能力。另外，也介绍了一种绘制发动机外特性曲线的方法，可应用于各种内燃机：如自然吸气式（火花点火式）、涡轮增压式（火花点火式）和涡轮增压式（压燃式）。第2节还提供了能够描绘燃油消耗率的简化公式，可适用于许多内燃机。第3节描述了车辆行驶时的阻力状况。提供了车辆行驶阻力系数和迎风面积。此外，本节还包括滚动阻力系数和传动系效率的公式。第4节包括本文的主要部分，逐步介绍了基于车辆基本参数的传动比选择方法。它从对所做计算的假设开始。首先，考虑齿数，因为它影响一档、高速档和中间档的计算。然后，给出了一档传动比的计算方法。它们涉及爬坡能力、怠速爬行速度、人体工程学和离合器耐久性。第三考虑最大车速。这需要考虑发动机功率、传动效率、车辆空气动
图1-1. 单齿轮电动汽车和配备六速变速器的燃油汽车的牵引力
力学以及在高速公路速度和驾驶舒适下的动力性和燃油经济性。这一点还包括验证在市郊驾驶舒适性方面的5档传动比（关于道路建设标准）。最后，提出了一种新的齿距计算方法。它能够根据车辆动力学，燃油经济性和人体工程学要求，使中间齿轮齿距优化。第6节给出了一个计算实例，证明了所提出的方法是可行的，能够根据最初的假设提供良好的结果。
如开头所述，此方法专用于手动变速器，但是，它可以应用于任何带行星齿轮组的
表1-1.燃油车与电车的弹性系数及适应性系数取值
齿轮箱。这意味着它也可以用于AMT和DCT。
文中所有来自于物理关系，经验的公式，都必须使用给出的参数，带上标称的单位。文中相关参数、数据是来源于超过100名乘用车的相关调查[10，11]。
传动链
动力源与变速器的匹配
车辆动力源的理想特性曲线如图1所示。理想的牵引力FD可以由与单齿轮变速器耦合的电动机满足。
这是因为它在较宽的速度范围内提供高扭矩，其弹性系数接近无穷。此外，它还具有高效率的特点。从动轮的最大牵引力受限于轮胎与地面接触区域的附着力，而图中的双曲线部分与制造工艺和允许的热负荷导致的恒定功率相对应。发动机对可变负载条件的适应性和车速由系数E决定，其定义为
（2-1）
其中，en是弹性系数，eM是适应性系数，nN是额定功率NN下的发动机转速，nM是发动机额定扭矩MM时的发动机转速，MN是发动机在nN时的扭矩。上述现代内燃机和电动机的相关系数如表1所示。
内燃机的转矩-转速特性与驱动条件所要求的理想性能相差甚远。它的弹性太小，无法通过单一的减速齿轮推动汽车。因此，它需要多档变速箱和离合器如图2所示
图2-1.五速前驱车的传动部分
图2-2.发动机功率、转矩图
使用由多组齿轮组成的变速箱可以满足爬坡要求，其中一档的传动比很高（iT1=11divide;18）以降低车速为代价增加发动机扭矩，而高档位的低传动比（例如it6=2.0divide;3.3）以有限的加速度实现高速行驶。值得注意的是，一档的高传动比不仅取决于爬坡能力和加速动力要求，它还要能提高离合器的耐久性，并简化在交通拥挤时的驾驶操作[7,12]。
发动机特性曲线
内燃机用两条典型曲线来描述。第一个是满载时扭矩M与发动机转速N曲线，另一个是相应的满载功率N曲线。有一些方法来描述这些特性。但是，它们是基于二次多项式[13]或三次多项式[5]而不是反映涡轮增压发动机的特点，是目前常见的结构形式。
本章描述的方法是基于通常在发动机规格中给出的两个或三个工作点。这种特性曲线的示例如图3所示。
用发动机转速n来确定扭矩M和功率N曲线的公式考虑了各种发动机：自然吸气式、涡轮增压式SI和涡轮增压式CI。为了画出这样一个特征曲线，必须提供以下数据：发动机额定功率NN、发动机额定转速nN、发动机额定扭矩MM、额定扭矩下的转速nM（对于涡轮增压发动机MM1=MM2=MM，发动机转速范围nM1-nM2），发动机怠速nidle，最大发动机转速nmax时的发动机功率Nnmax。不幸的是，最后三个参数通常不是在车辆手册中提供。因此，怠速转速nidle应从转速表上读出（一般nidle=700-900rpm），而发动机功率Nnmax可根据以下公式之一计算：
（2-2）
（2-3）
它们参考的是SI发动机（2）和CI发动机（3）。当高于发动机名义转速nN时，可以观察到发动机功率相对于名义功率nN减小。因为这种功率下降会因发动机的不同而不同，所以这里引入系数ksi和kci。它们的取值为，对于Si发动机kSi=（-0.2-0.2），对于Ci发动机kCi=（-0.4-0.4）。当发动机功率快速下降时，应使用较小的值，一般情况取零，当发动机功率缓慢下降时取较高值。为了与实际结构相匹配，应适当地选择系数ksi或kci。最后，在整个工作范围
内，绘制全油门功率与发动机转速的关系式可以写成：
（2-4）
其中
（2-5）
（2-6）
（2-7）
（2-8）
系数p是假设扭矩在nN点左右两侧的导数相等。功率特性曲线可以用于分析传动比对最大车速的详细。它还可以描述车辆的动态特性（图1）以及计算加速时间，例如0-100 km/h或70-120 km/h。但是，这种特性的使用需要考虑动态状态下的发动机功率下降[14]。
发动机比油耗特性
内燃机的效率由比油耗特性来描述。它表示制动比燃油消耗量的恒定值ge与发动机转速n和扭矩M的关系。这种特性的示例如图4所示。ge的最小值位于点p0（n0，m0），该点规定了最大发动机效率eta;cemax。对于液体燃料的标准热值[15]，发动机效率eta;ce和ge之间的相关性为
（2-9）
p0的坐标为M0asymp;（0.80-0.90）bull;MM和n（p0）asymp;0.5bull;（nM1 nM2）。点P1（n1，m1）的坐标为n（p1）=n（p0） （1500-2000）和M（p1）=M（p0）。P2处的发动机扭矩为M（P2）=0.2bull;MM，发动机转速为n（P2）=n（P0）
全文共7400字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[3006]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
