一种变速器传动效率数据分析方法研究

杨金民，于忠贵，马 静，王 君，张新亮

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

引言

国家油耗法规日益严苛，降油耗已成为各大汽车企业最重要的攻关项目。降油耗，最根本方法就是提高发动机的热效率和变速器的传动效率，也就是提高动力总成整体的效率。

在变速器产品开发阶段，变速器的传动效率试验是一项非常重要的测试项目[1]，除了能够分析变速器产品的效率水平、为优化设计提供数据支持外，还可以与发动机万有特性试验结果结合分析，为优化动力总成的控制策略提供支持。

1 变速器传动效率数据用途

变速器的传动效率试验一个最重要的目的，就是将传动效率试验数据与发动机的万有特性试验数据结合分析，用于优化TCU的换挡线，从而提高动力总成的燃油经济性，降低整车油耗。

变速器传动效率反应的是变速器在不同挡位下，变速器工作在不同转速、不同输入扭矩时的动力传递效率，如果能够让变速器尽量工作在传动效率较高的区域，同时发动机能工作在燃油消耗率最低的区域，将是整个动力总成最理想的工作区域。

2 变速器传动效率常规数据处理方法

通常，进行变速器传动效率测试时，使用的是变速器整机作为被测件，在变速器性能试验台上进行测试[2]。测试结束后，以变速器输入转速（也就是发动机转速）为X轴，变速器输入扭矩（也就是发动机扭矩）为Y轴，变速器效率为Z轴，绘制等高线图，每个档位分别绘制。图1和图2为某6AT变速器3挡、5挡的传动效率等高线图。

图1 某6AT变速器3挡传动效率等高线图

由以上等高线图可以看出，在图示测试范围内，大致表现为变速器的输入扭矩越大，传动效率越高。但是，在变速器的高效率区间内，与其匹配的发动机并不一定是燃油消耗率最优的区域[3]。图3为与该变速器匹配的发动机的万有特性曲线图。

图3 配套发动机燃油消耗率等高线图

从上图可以看出，发动机的最优经济工作区间大约是转速2 500～3 500 rpm，扭矩120～150 Nm区间，这与变速器各个挡位的最高效区域并不重合。因此，仅通过分析变速器各个挡位的传动效率数据，并不能确定出变速器工作的最合适工作区间。

3 动力总成效率数据处理方法

试验测得的变速器各挡位传动效率，需要与匹配发动机的万向特性试验结果进行综合处理分析，才能用于确定变速器的最优工作区间。

首先，读取变速器传动效率各试验工况对应的发动机燃油消耗率。发动机万有特性试验时的发动机转速、扭矩与变速器传动效率试验时的输入转速、扭矩并不一致，因此需要使用发动机万有特性试验后绘制的燃油消耗率等高线图，按照变速器传动效率试验时的输入转速、扭矩读取响应工况的燃油消耗率结果，用于后续计算。表1是根据图1所示的燃油消耗率等高线图读取的所需各工况的燃油消耗率结果。

表1 匹配发动机各工况燃油消耗率

第二步，计算总成的燃油消耗率。变速器的输入功率计算公式为：

式中：Pin为变速器输入功率，kW；Nin为变速器输入转速，rpm；Tin为变速器输入扭矩，Nm。

变速器的输出功率计算公式为：

式中：Pout为变速器输入功率，kW；Nl：左半轴转速，rpm；Tl：左半轴扭矩，Nm；Nr：右半轴转速，rpm；Tr：右半轴扭矩，Nm。

等效的总成燃油消耗率计算公式为：

式中：BSFCpt为等效的总成燃油消耗率，g/kWh；BSFCice：发动机燃油消耗率（表1中结果），g/kWh；

Pin：变速器输入功率，kW；Pout：变速器输入功率，kW。

第三步，计算总成的效率。计算公式为：

式中：η为总成效率，%；BSFCpt为等效的总成燃油消耗率，g/kWh；q为燃油热值，kJ/g。

最后，绘制动力总成的效率等高线图。以前述6AT变速器为例，经计算处理后，绘制的3挡、5挡的总成效率等高线图见图4和图5。

图4 某6AT变速器3挡总成效率等高线图

图5 某6AT变速器5挡总成效率等高线图

4 动力总成效率数据应用

4.1 常规动力总成效率应用

对比图1和图4，可以发现，动力总成的综合效率与变速器的传动效率相比，其高效区发生了变化，进一步说明，变速器传动效率最高的区域并不一定是动力总成整体综合效率最高的区域。

对总成综合效率等高线图进行进一步优化，横坐标变更为车速（或是半轴转速），纵坐标变更为输出轴扭矩和，仍然以前述6AT变速器为例，优化后3挡、5挡的总成效率等高线图如图6和图7所示。 变速器各个挡位分别按照上述方法绘制车速-半轴扭矩和-总成效率的等高线图，则能表示出该套动力总成所有工作工况的总成综合效率分布，可以用于优化变速器的控制策略，使动力总成能够尽量工作在整体效率最优的区间，降低车辆的油耗[4]。

图6 优化后3挡总成效率等高线图

图7 优化后5挡总成效率等高线图

4.2 混合动力总成效率应用

对于混合动力总成产品，由于增加了一个或多个电机参与工作，其动力来源除了有发动机外，还有电机，也就是能量来源于汽油燃烧的化学能和车辆电池储存的电能。为了评价混合动力总成整体的效率，可以以该混合动力总成的平均油电转化率（也就是每发一度电平均消耗的汽油量）为基础，计算总成整体的效率。某混合动力总成纯电模式、混动模式总成效率等高线图如图8和图9所示。

图8 某混合动力总成纯电模式效率等高线图

图9 某混合动力总成混动模式效率等高线图

按照上述方式对混合动力总成的整体效率数据进行处理后，可以更好地应用于混合动力总成的能量管理策略优化和标定中去，提高燃油经济性。

5 结语

通过对变速器传动效率试验结果的分析，结合所匹配发动机的万有特性数据进行综合计算，得出变速器各挡位下动力总成的整体效率，能更好地反映出动力总成的实际工作状态，进而用于优化变速器的换挡控制策略，提高燃油经济性，降低油耗。