动力系统匹配和选型设计规范

动力系统匹配和选型

设计规范

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批准：目录前言 2

1．适用范围 3

2．引用标准 3

3．选型匹配设计主要工作内容及流程 4

4．产品策划 5

5．资源调查 5

6．分析与筛选 6

7．设计参数输入 6

8．预布置与匹配分析计算 6

9．法规对策分析18前言

本标准是为了规范我公司汽车动力总成（MT）匹配设计而编制。标准中对设计程序、参数的输入、参照标准、匹配计算等方面进行了描述和规定，此标准可作为今后汽车动力总成（MT）匹配设计参考的规范性指导文件。

1．适用范围

本方法适用于基于现有动力总成资源，选择满足整车设计要求的动力总成（MT）的一般方法与原则。

2．引用标准

GB 16170-1996 汽车定置噪声

GB 1495-2002 汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法

GB/T12536-1990 汽车滑行试验方法

GB/T12543-2009 汽车加速性能试验方法

GB/T12544-1990 汽车最高车速试验方法

GB/T12539-1990 汽车爬陡坡试验方法

GB/T12545.1- 2008 汽车燃料消耗量试验方法

GB/T18352.3- 2005 轻型汽车污染物排放限值测量方法3．选型匹配设计主要工作内容及流程

4．产品策划

产品策划的目的是依据整车设计要求，确定动力总成选型的范围、条件及基本技术指标。根据整车设计任务书要求，确定以下输入条件：

整车输入条件—车辆类型；

4市场定位—经济型、中级或高级；

动力总成布置型式—前置后驱、后置后驱；

整车尺寸参数—外形尺寸、轮距、轴距、整备质量、总质量、离地间隙；

前悬和后悬；轮胎规格；风阻系数；

整车重量参数—整备质量、载客量、总质量、轴荷分配；

整车目标性能—动力性（最高车速、加速时间、汽车的比功率和比转矩指标、最大爬坡度）、经济性指标、排放水平；

产品策划的内容是根据整车设计要求，确定资源调查的具体指标范围：型式（类型）、发动机功率范围、对配套变速器的要求。

5．资源调查

根据设计任务书及产品策划要求进行资源调查，调查市场上发动机及变速器资源及相关信息，包括：

（1）发动机、变速器技术参数

外形尺寸—长宽高及相对变速器输出轴尺寸

技术指标—功率、扭矩、速比、排放水平

技术状态—开发阶段、定型产品、匹配车型、批量生产

（2）品牌及产品来源—国产化、自主研发、合作开发

（3）服务—配套车型、附件提供状态、配套体系完整性

（4）风险性分析—配套意向、批量供货能力

资源调查方法为信息收集与厂家专访。

6．分析与筛选

根据排量、功率、扭矩及排放指标并结合参考样车的发动机舱尺寸与动力总成外廓尺寸对比，综合评价技术状态、产量、配套意向、品牌、服务、附件提供状态、配套体系完整性，初选两-三种动力总成进行进一步分析和对比调查。

7．设计参数输入

根据初选的两-三种动力总成，确认供应商意向，并收集以下匹配计算资料及参数：

（一）动力性计算参数

5

发动机使用外特性或外特性曲线

发动机最低转速n min 和最高转速n max

主减速器传动比

变速器传动比(各档)

（二）燃油经济性计算参数

发动机万有特性图

（三）预布置参数

动力总成外廓数模、主要附件数模、主要硬点数据（差速器中心、悬置安装点）、重心及重量参数、安装要求。

8．预布置与匹配分析计算

8.1 预布置

通过预布置初步确认动力总成布置可行性。根据造型设计确定的前悬、发动机罩型线、前围板及纵梁位置、传动轴容许安装角等设计硬点，结合设计间隙要求并参考对标车或相近车型空气滤清器、中冷器、冷凝器、散热器、蓄电池和副车架规格统计尺寸或数模，以满载状态为基准进行动力总成模型布置，预测机舱尺寸、与主要总成的间隙及离地间隙是否满足设计要求。预布置工作的输入条件：

动力总成外形数模、差速器接口数模、机舱、纵梁及前结构设计硬点及线框模型、机舱内主要总成数模、轮胎规格、轮毂与传动轴连接尺寸；安全性相关指标要求；

预布置主要间隙要求如下表：

预布置状态：预布置在整车坐标系下进行。

预布置工作输出结果：最小离地间隙，动力总成与纵梁、E/G 罩外板、前围板静态最小间隙，主要总成布置可行性及与周边零件最小间隙；传动轴静态安装角（一般不大于4°）；

根据预布置结果判断动力总成布置可行性。

8.2 匹配分析计算

根据整车设计参数及动力总成参数，计算整车的动力性、经济性指标，同时进行离合器容量匹配计算，判断选用动力总成是否能满足整车动力性、经济性指标，选用离合器是否适用，并提出改型意见。为综合衡量和判断动力总成的适用性提供依据。

8.2.1 动力性计算

动力性是汽车各项性能中最基本、最重要的性能之一。动力性的好坏，直接影响到汽车在城市和城际公路上的使用情况。因此在新车开发阶段，必须进行动力性计算，以指导设计方案是否满足设计目标和使用要求。

动力性计算的主要内容如下：

a) 汽车的最高车速

b) 加速时间（0→100km/h 连续换挡加速时间）

c) 最大爬坡度。

8.2.1.1 汽车的最高车速计算

汽车动力性能计算的主要依据是汽车的驱动力和行驶阻力之间的平衡关系，汽车的驱动力－行驶阻力平衡方程为：

F t= F f+ F w+ F i+ F j

其中：F t—驱动力；F f—滚动阻力；F w—空气阻力；F i—坡道阻力；F j—加速阻力；驱动力：

其中：T tq发动机的转矩，单位为N·m；i g变速器各个档位的传动比；i0主减速器速比；η

T动力传动系统机械效率；r d车轮滚动半径，单位为m。

发动机外特性曲线是发动机功率、转矩以及燃油消耗率与发动机曲轴转速之间的函数关系。发

动机的功率、转矩随发动机曲轴转速变化的关系曲线通过拟合方式确定，已知条件为功率曲线

通过原点，最大功率点，最大转矩点，最大功率点在功率曲线上的导数为零，最大转矩点在转

矩曲线上的导数为零。

轿车发动机在使用过程中还要为水泵、发电机、空调等设备提供动力，其使用外特性要比外特

性小，用于汽车行驶的有效扭矩和有效功率均在原来基础上有所减少，一般汽油发动机使用外

特性比外特性约小10%，取有效扭矩＝扭矩×90％，有效功率＝功率×90％。

传动系统的机械效率主要由变速器传动效率、传动轴万向节传动效率、主减速器传动效率等部

分组成。参照汽车工程手册，取变速器传动效率为95％、传动轴万向节传动效率为98％、主减

速器传动效率为96％。采用有级机械变速器传动系的轿车传动系统效率一般在90％到92％之

间。

滚动阻力：

F f ＝mgf cosα

其中：m 汽车计算载荷工况下的质量，单位为kg；g 重力加速度，单位为m/s2；f 滚动阻力

系数；α道路坡角，单位为rad；

滚动阻力系数采用推荐的轿车轮胎在良好路面上的滚动阻力系数经验公式进行估算：

其中, f 0—0.0072～0.0120 以上，取0.012；

f1 —0.00025～0.00280，取0.0027；

f4—0.00065～0.002 以上，取0.002；c—对于良好沥青路面，取1.2；

空气阻力：

A 迎风面积，根据车身外表面及各种附件的数模投影计算迎风面积，其中：C

D 空气阻力系数；

单位为m2；u a 汽车行驶速度，单位为km/h。

坡道阻力：

F i＝mg sin α

其中：m 计算载荷工况下汽车的质量，单位为kg；g 重力加速度，单位为m/s2；α道路坡角，单位为rad。

加速阻力：

汽车行驶加速度，单位为m/s2。

在进行动力性初步计算时，如无汽车飞轮、轮胎等旋转部件准确的转动惯量数值，对于旋转质量换算系数δ，可根据下述经验公式进行估算确定：

的转动惯量（kg.m2））；

如不知道ΣI w 和I f 的准确值，δ1 和δ2 值可按经验取，范围在0.03-0.05 之间。

在进行不同档位的驱动力和阻力计算时，汽车速度与发动机转速之间的关系按下式换算：

其中, u a汽车行驶速度，单位为km/h；n 发动机转速，单位为r/min；i 0主减速器传动比；i g

m。

变速器各个档位的传动比；r

d车轮的滚动半径，单位为

根据上述公式，编制相应的计算软件，计算出汽车在任意发动机转速、档位下的驱动力、行驶阻力，进而可以绘制出汽车的驱动力－行驶阻力平衡图。

在驱动力－行驶阻力平衡图中，最高档下驱动力和行驶阻力曲线的交点处对应的速度值即为汽车的最高车速。

8.2.1.2 0-100Km/h 加速时间计算

汽车的加速能力一般用水平良好路面上直接档行驶时，由最低稳定车速加速到一定车速所需的时间表明汽车的加速能力。

汽车加速时，驱动力除了用来克服空气阻力、滚动阻力以外，主要用来克服加速阻力，此时不考虑坡道阻力F i （F i =0）。

根据驱动力－行驶阻力平衡方程得：

由上式，编制相应软件计算可得出汽车的加速行驶曲线：

加速时间：

通过数值积分方法对上式进行积分求解，可以得到所需要的加速时间。如Ⅰ挡与Ⅱ挡加速度曲线有交点，以交点对应车速换挡；如无交点，则以Ⅰ挡加速行驶至发动机转速达到最高转速时

换入Ⅱ挡；其他各档间换档时刻依此确定。

换档经历时间按0.1 秒计。

8.2.1.3 最大爬坡度计算

最大爬坡度

在计算爬坡度时，认为汽车的驱动力除了用来克服空气阻力、滚动阻力外，剩余驱动力都用来克服坡道阻力，即加速阻力F j 为零。

根据驱动力－行驶阻力平衡方程可以得到如下公式:

F f+ F i = F t−F w

转换后可得到如下公式：

α=arcsin(F t-(F f+F w))/mg

由上式，然后根据公式i =tgα进行转换,编制相应软件计算得出汽车车速与相应档位的爬坡度关系，绘制出爬坡度曲线图计算出爬坡度。其中最大爬坡度为Ⅰ挡时的最大爬坡度。

I 档附着条件校核

汽车发动机在I 档时可提供的最大驱动力在转矩值最大时取得：

同时，满载时驱动轴载荷为F Z1，考虑良好的混凝土或沥青路面，取路面附着系数为ϕ=0.8，这时路面可提供的最大附着力为：

F X1 = ϕF Z 1

F X1 应大于等于F t max ，即汽车在实际行驶中可达到最大驱动力。

计算结果应以满足附着条件的爬坡度作为最大爬坡度，并应满足设计指标要求。

8.2.2 燃油经济性计算

8.2.2.1 等速百公里油耗的计算方法

汽车等速百公里油耗指汽车在一定载荷（国标规定轿车为半载）下，以最高档在水平良好路面上等速行驶100Km/h 的燃油消耗量。汽车等速百公里油耗计算主要是依据汽车发动机的万有特性曲线以及汽车功率平衡图进行的。

在汽车的行驶方程式的基础上，在公式两端同时乘以车辆速度u a ，经过单位换算、整理就可以得到汽车的功率平衡方程式：

其中, P e发动机功率，单位为kW。

其它各个参数的意义和单位同上述说明。

利用上式就可以计算出汽车行驶功率平衡关系，以纵坐标表示功率，横坐标表示车速，将发动机功率、汽车的阻力功率对车速的关系绘制在坐标图上，可绘制出功率平衡图。

汽车的发动机功率可以根据功率平衡关系由阻力功率计算获得。发动机功率同时要考虑发动机

其中：P—发动机功率；

P e—克服阻力功率应提供的发动机功率

不同车速下以最高档位行驶时的阻力功率计算:

在汽车等速行驶情况下，阻力功率主要表现为滚动阻力功率、空气阻力功率。这时的汽车功率平衡方程为：

其中：Pe—克服阻力功率应提供的发动机功率，单位为kW；

η

—传动系统各个档位情况下的传动效率；

T

m—汽车试验载荷，单位为kg；

g—重力加速度，单位为m/s2；

f—汽车滚动阻力系数；

C D —空气阻力系数；

A—迎风面积，单位为m2；

ｕa—汽车行驶速度，单位为km/h。

特定档位下发动机转速和车速之间有如下关系：

其中：u a—汽车行驶速度，km/h；

n —发动机转速，r/min；

i0—传动系统各个档位的传动比；

r d—车轮滚动半径，m。

发动机万有特性曲线横坐标通常是发动机转速或车速，纵坐标则是发动机有效输出扭矩、平均有效压力或发动机有效功率等。

对于四冲程发动机，平均有效压力和发动机有效功率通过下式进行相互转换。

p me—发动机平均有效压力，K p a；

V—发动机气缸工作容积，L。

在发动机万有特性曲线图上，根据曲线进行插值计算，可以得到对应特定发动机转速和发动机

功率处的燃油消耗率g m ，再根据下列公式即可计算得到特定速度下的等速百公里油耗：

其中：Q S —等速百公里油耗，单位为L/100km；

g m—发动机的实际燃油消耗率，单位为g/(kW•h)；P —发动机工作功率，单位为kW；

u a—汽车行驶速度，单位为km/h；

ρ—燃油密度，单位为kg/L；g —重力加速度，m/s2；汽油的ρg 可取6.96-7.15N/L；

燃油经济性计算输出结果：等速行驶工况燃油消耗量

8.2.3 离合器匹配计算

8.2.3.1 输入参数

整车参数：

M a 汽车总质量；r 轮胎滚动半径；

动力总成参数：

T emax 最大扭矩；i g 一挡速比；i o 主减速比；发动机转速n e（为接合时转速，车辆进行起步时发动机转速，一般轿车取1000rpm，货车取1500rpm）；

离合器参数：

D 摩擦片外径；d 摩擦片内径；f 静摩擦系数；F 压紧力；Z 摩擦面数；

8.2.3.2 匹配计算

静摩擦力矩T c

T c=fFZR c

R c 为摩擦片用半径，R c=D3-d3/(D2-d2)

离合器主、从动部分间的摩擦力矩传递发动机转矩。为保证离合器可靠传递发动机转矩，T c 应大于发动机最大转矩，一般静摩擦力矩计算结果应大于发动机最大扭矩的1.2 倍。

后备系数β

β=T c/T emax，

为保证完全传递发动机的最大转矩和防止产生过大的滑磨，β不宜过小；为防止离合器尺寸过大和避免传动系过载，β也不宜过大；根据车辆类型，β可在1.2-2.5 之间选择，一般轿车β值应在1.2-1.75；膜片弹簧离合器因磨损后压紧力变化小，β可选较小值；

单位面积滑摩功W

换挡过程中离合器的滑摩功小,有利于提高离合器的使用寿命。对于轿车，一般W≦「W」=0.4J/m2摩擦片最大圆周速度V D

V D=πDn emax/60

为避免相对滑磨速度差别太大造成摩擦面磨损不均，且不利于散热，摩擦片最大圆周速度一般不超过65-70m/s。

9．法规对策分析

法规对策分析是针对现行强制性法规要求及产品销售期内可能施行的强制性法规要求，分析动力总成满足排放、噪声、节能等要求的可能性，并提出对策及建议。

排放、噪声要求是根据现装车采用相关动力总成满足法规要求的实绩，对比现装车与目标车的整车参数进行初步判断，或采用CAE 软件分析评估整车排放、噪声水平。

节能要求可根据燃油经济性计算结果，对比法规要求及对标车指标进行初步判断。