摩托车发动机速比优化匹配

吴 南 邱恒嘉

（1-天津内燃机研究所 天津 300072 2-中国质量认证中心广州分中心）

引言

动力性和燃油经济性是摩托车非常重要的两个整车性能参数。整车动力性和燃油经济性的好坏取决于动力总成参数匹配即发动机热机与传动系统匹配程度的好坏[1]，因此发动机与传动系参数的匹配成为整车设计中一个重要的组成部分。

本文设计开发一款两轮摩托车，在样车试验标定过程中，发现整车最高车速较低，换挡不平顺。本文对该车发动机变速系统速比进行优化匹配设计，在保证整车动力性和经济性的基础上，整车换挡平顺，能发挥发动机最大潜能。

1 整车情况分析

1.1 发动机结构参数

发动机结构参数和变速系统的速比匹配见表1和表2。

表1 发动机结构参数

表2 整车速比分配

1.2 动力匹配情况

根据发动机外特性确定的驱动力与车速之间的函数曲线关系来表示整车的驱动力-行驶阻力平衡图如图1所示。如图所示，样车五挡驱动力和行驶阻力曲线并无交点，即整车工作过程中，并不能发挥出发动机的最大性能潜力。

图1 驱动力-行驶阻力平衡图

另外，根据驱动力计算的爬坡度如图2所示，可知一挡计算最大爬坡为62度。在光滑混凝土路上，附着条件确定的最大爬坡角38度。38度爬坡角对应一人骑乘时所需驱动力为1 000 N，大幅度小于一挡提供的最大驱动力1 674 N。因此，一挡最大驱动力过高，超出了实际需要。

图2 爬坡度图

针对样车存在的两个问题，需改善整车的相关动力性能，同时提升燃油经济性。

2 整车性能的影响因素分析

影响整车动力性、经济性的因素很多，但主要影响因素包括发动机性能、传动比、行驶阻力、整车质量、传动效率。而传动比对动力性和经济性的影响是相互矛盾的：提升发动机外特性可提高整车动力性，降低发动机燃料消耗量可提高整车的经济性；降低行驶阻力和重量可同时提升动力性和经济性；而速比的调整必然导致某一性能的降低[2-3]。

本文研究的整车样车，发动机及变挡变速系统已经试制完成，结构参数如果再做调整会增加样车开发成本，因此这里不对发动机总成结构参数做进一步研究。针对样车存在两个问题，主要对发动机变速系统主减速比进行优化，以发挥整车动力性同时提升燃油经济性。根据厂家提供的速比系列，选取如下速比方案进行优化，如表3所示。

表3 速比优化方案

3 计算分析模型和方法

整车性能计算模型如图3所示，包括发动机系统，离合器，初级主减速器，变速箱，末级主减速器，启动机系统，发电机系统，整车，轮胎，各传动轴和系统的环境边界。

本分析所有的整车动力性和经济性计算任务都是采用动力学分析方法完成，根据用户输入的发动机油门位置、制动器动作等，求出车辆的动态反应，实际上就是由驾驶员的动作控制车辆的运动。与运动学计算模式不同，该模式采用的是正向计算方式，最后得到车辆的运行情况。与静力学的主要不同是，该计算方式具有时间概念，是时间的积分。

4 计算结果

4.1 动力性

表4为整车动力性能和经济性计算结果。对比图4～7可以看出，随着速比的减小，0～200 m加速时间变长；最高车速整体增加，其中主减速比为3时最大，达到136 km/h；最大爬坡度减小，但都在光滑混凝土路上，附着条件确定的最大爬坡角。同时最高车速时变速箱处于5挡，与同类车型的实际运行挡位相似。

综合选取主减速比3时，整车的最高车速达到最大，同时最大爬坡度有较大的余量，0～200 m加速时间增加0.49 s，在可接受范围内，选取主减速比3在动力性方面是可行的。

图3 整车系统分析模型

表4 整车动力性能

图4 0～200 m加速时间运行情况

图5 加速时间对比

图6 最大爬坡度

图7 最高车速

4.2 EUDC循环油耗

采用GB14622-2007CA.2市区循环EUDC工况来模拟整车实际运行状况，并以其100 km燃油消耗量来评定整车的燃油经济性。EUDC工况计算中，主减速比为3时，EUDC循环油耗为5.07 L/100 km，相对原车油耗改善6.2%。

4.3 优化结果

摩托车的动力性、燃油经济性与发动机和传动系的选择匹配密切相关，通过计算选型推荐末级（主）传动比值3作为优选方案，最高车速有较大改善，其它动力性变化不大，同时整车燃油经济性进一步提高。

图8 EUDC循环油耗

5 结论

1）动力总成系统对于整车性能影响比较大，在发动机热机和变挡变速系统结构确定以后，要严格控制整车滑行阻力和整车质量。

2）对于动力系统的选型问题比较关键。在此基础上，从整车性能出发，在满足动力性的前提下，选择最有利于油耗的方案是必要的。

3）通过仿真分析计算，不仅节约新产品开发和试验等带来的人力和物力投入，还降低了劳动强度，缩短了开发周期，提高了工作效率。