汽车动力总成选型方法研究

351汽车动力总成选型方法研究作者：龚利全、陈跃伟、魏燚、王强、刘健作者单位：四川汽车工业股份有限公司技术中心摘要:汽车开发设计时，动力总成对整车经济性、动力性、排放性能有着决定性作用，亦对整车售价有重要指导。本文梳理了动力总成的定义、组成及分类，介绍了汽车发动机、汽车变速器的原理、新技术应用及性能评价，阐述了汽车设计开发中动力总成选型常采用的方法与手段及其计算评价。本文重点论述了汽车动力总成选型的方法以及动力总成对整车的性能、成本等的影响，后期对设计人员有参考价值。关键词：动力总成、汽车发动机、汽车变速器、选型方法1动力总成定义动力总成，英文名称Powertrain或者Powerplant，指的是车辆上产生动力，并将动力传递到路面的一系列零部件组件。广义上包括发动机、变速器、驱动轴、差速器、离合器等，但通常情况下，动力总成，一般仅指发动机、变速器，以及集成到发动机和变速器上的其余零件，如离合器、前差速器等。动力总成是汽车整车中的核心零件，发动机是汽车的心脏，变速器是动力传输、变换的中枢系统；决定汽车的动力性、经济性、环保性（排放）；其结构复杂、零件众多，机械精度要求高、成本高；高端、核心技术多，是企业核心技术之一；是汽车企业核心竞争能力的关键；是市场和消费者关注的热点。2动力总成比较2.1汽车发动机发动机是汽车的心脏，为汽车的行驶提供源源不断的动力，发动机的选择对汽车性能甚为重要。其详细分类如下：352发动机分类图2.1.1目前业内发动机应用上主要分类方式2.1.1.1按照进气系统是否采用增压方式分为：○1自然吸气（NA，非增压）式；○2强制进气（增压）式：有涡轮增压和机械增压式，提高进气效率和能力。2.1.1.2按照气缸排列方式分为：○1直列式（“L”型，所有气缸排成一列；○2“V”型，气缸按照V型角排列；○3“W”型，气缸按照W型角排列；○4水平对置式，气缸按照180度排列，分别在曲轴两侧。2.1.1.3按照使用燃料的不同分为：○1汽油发动机；○2柴油发动机；○3灵活燃料发动机；○4替代燃料发动机，如CNG、LPG等。按此分类在发动机选型时可根据项目需求、整车的定位及性能情况很直接的选择发动机。2.1.2发动机先进技术的应用2.1.2.1涡轮增压发动机(Turbo)○1技术原理：利用涡轮预先对进入气缸的气体进行压缩，提高进入气缸的气体密度，增大进气353量，提高燃烧效率，从而提高其功率和扭矩，可提高20%以上；○2优点：在不增加发动机排量的基础上，可大幅提高功率和扭矩，如1.8T车约与2.4L排量的车动力相当；发动机采用了增压技术后，还能提高燃油经济性和降低尾气排放。○3缺点：涡轮工作有迟滞现象，一般上2000转后，增压器才发挥作用；保养费用高（行驶一定里程后，更换增压器费用昂贵。2.1.2.2机械增压发动机（Supercharge）○1技术原理：利用皮带连接曲轴皮带轮，以曲轴运转的扭力带动增压器，然后通过增压器压缩进气，达到增压的目的，输出功率和扭矩可提高40%以上。○2优点：加速感受相当线性化，完全没有涡轮的迟滞现象，可以在任何时候输出源源不断地动力；○3缸点：要消耗部分发动机动力，造成其效率不高，还不利于车辆的油耗表现。2.1.2.3可变气门正时技术（VVT，VariableValveTiming）○1技术原理：在发动机高速运转的时候，需要大的气门叠开角来达到充气充分的目的，而在发动机怠速的时候，气门叠开角应该相应变小，达到降低排放的目的；如果连续可变气门正时，则是CVVT；如果仅控制进气，则是单VVT；如果即控制进气气门，也控制排气气门，则是双VVT，或者叫D-VVT；如果有可变塑料进气管，则是VVT+VIS；○2优点：在大幅提高了燃油经济性的同时，提高动力（约10%）；○3缺点：对油品的要求高。2.1.2.4缸内汽油直喷技术（GDI，GasolineDirectInject）○1技术原理：通过特殊结构设计，采用类似于柴油发动机的供油技术，通过电脑控制喷射器在最恰当的时间将汽油直接注入燃烧室（常规发动机的燃油是喷射到进气歧管内与空气均匀混合），实现均匀燃烧和分层燃烧，达到高效节油；德国大众称之为FSI（FuelStratifiedInjection）。如果匹配涡轮增压或者机械增压技术，则是TGDI，动力和节油性将大大提高，可满足未来环保要求；○2优点：大幅提高环保性，如果与增压技术集成，则大大提高动力性；○3缺点：对油品要求高。对自然吸气与先进技术发动机性能比较见表1表1三款发动机参数对比发动机2．01．4TSI1．4TSI双增压发动机形式直列4缸发动机直列4缸涡轮增压燃油直喷发动机直列4缸双增压（涡轮+机械）燃油直喷发动机排量（ml）198413901390最大功率（kw/rpm）85/520096/5000125/5500最大扭矩（N.m/rpm）170/4000220/1750-3500240/1750-4500压缩比10.5:110.0:110.0:1气缸数444每缸气门数2442．2汽车变速器354前进档，用以改变传动比实现不同车速前进，同时使发动机在有利（功率较高而油耗较低）的工况下工作；倒档，在发动机旋转方向不变的情况下，使汽车能倒退行驶；空档，中断动力传递，便于发动机能够起动实现怠速，并便于变速器换档或进行动力输出。变速器是由变速传动机构和操纵机构组成，按传动和操作方式分为：MT、AMT、CVT、AT、DSG（DCT）。2.2.1机械式手动变速（MT）○1原理：有级前进档，换档过程由驾驶员完成，根据前进档数量不同，有5MT、6MT等。目前轿车上普遍使用为5MT，随着技术的不断提升，欧洲和日本等汽车发达地区逐渐使用了6MT技术。○2优点：操控性好，相对自动变速器油耗低；○3缺点：需要根据不同路况，不断换档，对于初驾者和女性不太易于驾驶。2.2.2机械式自动变速器（AMT，AutomechanicalTransmission）○1原理：在机械变速器原有基础上进行改造，机械变速器+自动操纵机构。实际是操作智能化的机械变速器，也保留手动模式；○2优点：操纵简便、综合性能好，与机械变速继承性好（成本增加少）；○3缺点：与其它形式变速器相比，换档冲击大。2.2.3无级自动变速器（CVT，continuouslyVariableTransmission）○1原理：它没有齿轮，只有锥形棘轮和钢带，其结构类似于山地自行车的变速机构。主动轮和从动轮之间同钢带连接，随钢带离棘轮轴心距离的变化，速比也随之变化。○2优点：变速过程极为平顺，完全没有其它变速器所存在换档冲击问题，体积小，重量轻，也节省了空间；○3缺点：CVT受到钢带传动的限制，它只能配备在动力输出较低的发动机上，过高的动力输出会使钢带打滑，损坏钢带，因此CVT变速器应用于中小排量的车型上。2.2.4液力机械式自动变速器（AT）○1原理：绝大多数车辆上运用的自动变速器，它的结构和手动变速器有着天壤之别，它的里面只有一个液力变矩器和后面的一串行星齿轮组，一组行星齿轮组对应一个档位，一般有3AT、4AT、5AT、6AT、7AT；○2优点：应用广泛，这种变速器的换档反应更加敏捷，动作也更平顺；○3缺点：第一传递效率低，造成车辆的油耗高；第二，换档冲击不可避免；第三，由于整套机构包括电控、液压、机械等装置使用其结构十分复杂，可靠性相对降低。2.2.5DSG（DirectShiftGearbox）自动变速器○1原理：DSG的直译是直接换档变速器，通过电子协同控制双离合器实现换档，因此它有三根齿轮轴、两个离合器，也叫双离合器自动箱。○2优点：即有手动档的动力输出直接、体积小、重量轻的优势，又实现了手动档无法完成的快速换档，换档平顺，又可节油；355○3缺点：结构比较复杂，制造成本也比较高；而且DSG也没法达到CVT那样的平顺和节油效果。自动变速器应用对比见表2。表2自动变速应用对比项目液力机械式CVT无级DSG双离合器响应速度★★★★★★★★★★★★平顺性★★★（档位越多越平顺）★★★★★★★★★燃油经济性★★★★★★★★★★★★可靠性★★★★★★★★★★★优点技术成熟、可靠平顺轻巧换档快、平顺缺点重量大、效率不高、比较耗油可靠性不高，传递扭矩有限成本高、结构复杂综合评定应用范围广，适用能力强，能够满足绝大部分车辆使用需求。现已十分普及，综合性能不错适用于中小排量车型，能够满足乘员对舒适性的要求，同时能够带来极佳的燃油经济性反应每捷，换档平顺。十分适合动力强劲追求操纵性的车辆，能够充分发挥动力优势代表车型绝大多数自动档车型A4、A6小排量车型、逍客、新天籁、名爵VolvoS40、迈腾、GolfGTI、奥迪R83动力总成选型的方法3．1根据车型项目/对标车型、车型类别或市场定位进行选择○1根据对标车型，按对标车型的动力总成配置参数进行选型，如对标车型发动机的排量、功率、扭矩、油耗率、排放指标及其发动机是否采用先进技术；对标车用变速器的形式自动档还是手动档、档位数及各档位速比，收集到对标车型参数后制定本车型目标，与对标车是齐平、还是达到其百分之多少或高于其百分之多少。○2车型类别，货车则需求车速不太高、动力强劲、噪声及排放要求略低且可靠；则初选手动档，速比初较大，而发动机则初定柴油机，柴油机低速高扭性能佳；轿车则需求舒适性及车速，那么初选汽油机、然后再增加手动档或自动档，根据市场群体若长期市区内自动档佳，若长期于郊区使用则可手档，若长期行驶各种路面则选择手自一体变速器。通常做法为基础配置手动档，然后再增加自动档配置。○3市场定位，高端市场则动力总成得可靠且有需先进性，发动机排量得在2.0以上，可选带增压、缸内直喷、VVT技术发动机，变速器可选6MT以上、DCT、或5AT以上，且发动机和变速器得比较知名的品牌。中端市场，发动机排量1.6~2.4L，可选VVT或增压；变速器可选5~6MT、4AT/5AT、CVT、AMT；低端市场，发动机排量1.6以下，可选VVT及基本的自然吸气，变速器主流5MT、5AT。3．2根据汽车整车性能进行选择主要的动力经济性可根据整车参数及初选的发动机变速器用CURISE、ADMAS或其它小软件或直接根据汽车设计计算公式进行计算分析3.2.1动力性○1根据最高车速初发动机性能指标，初选功率公式：356)761403600(13maxmaxmaxvCvfmPaDaraTeAg（1）式中，Pemax为发动机最大功率kw，T为传动效率,对驱动桥用单级主减速器的4×2汽车可取为90%；ma为汽车总质量kg，g为重力加速度m/s2；fr为滚动阻力系数，对乘用车fr=0.0165×[1+0.01(Va-50)],对货车取0.2，矿用自卸车取0.03，Va用Vamax代入；CD为空气阻力系数，乘用车取0.3~0.35，货车取0.8~1.0，客车取0.6~0.7；A为汽车正面投影面积（m2）。功率选择时根据此公式计算值应该增加12~20%，而最大功率对应转速，汽油机在5000~6500r/min之间选择。初选扭矩的公式：nPTPeemaxmax9549（2）式中Temax为最大扭矩（N.m）；α为转矩适应性系数，一般在1.1~1.3之间选取，Pemax为发动机最大功率（kw），np为最大功率转速（r/min）。要求np与nT之间有一定差值，如果它们很接近，将导致直接档的最低稳定车速偏高，使汽车通过十字路口时换档次数增多，因此要求np/nT在1.4~2.0之间选取。○2最大爬坡度，根据车型不同选择不同的爬坡度计算一档需要的最低传动比；○3百公里加速时间（乘用车使用，最高车速小100km/h以60km/h加速时间进行评价），根据整车参数及已选发动机的参数及初选速比进行计算，发动机排量大于1.6L的乘用车通常为8~17s，排量小一些的乘用车为12~25s。若在范围内即可，若大于此值可考虑调整速比进行校核，亦校核最高车速。3.2.2经济性根据整车参数、已选择发动机参数及初选变速器速比进行仿真计算分析其百公里油耗，由于油耗的计算精度不高，可根据现有车