5.4 速比选择及优化
根据前面所述，汽车的最大加速度出现在低车速工况下。已知整车质量、载质量、行驶阻力、发动机特性、减速器速比、根据一档速比即可得出汽车的最大加速度。
不同的目标市场，应选择不同的档位速比。比如，在美国市场，大转矩需求时一档换到二档的速度点可以达到50km/h，而在中国市场，由于汽车主要在繁华的市区行驶，换档车速会小很多，有的汽车甚至会小于25km/h，许多轿车的一档换二档的换档点速度在转矩需求不大时可能在10～15km/h左右。
最高档位的n/v值对不同的市场同样要求不一样。在美国市场，要求在85km/h的行驶速度下，保证汽车有一定的爬坡能力（比如20%或30%等）。因为美国的州内限速值大多是85km/h。而在中国，许多城市的限速值为50km/h，高速限速值为120km/h。因此，n/v值应该比美国市场小一些。除此之外还必须考虑整车的经济性。
对于中间档位n/v值，需要考虑的因素至少应该包含如下内容。
1）舒适性：合理安排档位速比可以优化换档点，减少各档位之间的转矩差、速度差，增加整车舒适性。
2）动力性：优化档位速比可以根据驾驶需要在不同档位进行转矩分配，防止换档前后转矩变化过大等动力性问题。
3）经济性、排放性：根据整车特点和典型行驶工况，在满足动力性和安全可靠性的基础上，尽量优化经济性和排放性。比如设置更多的档位、更大的变速范围可以提高特别是高速行驶时的燃油经济性。
4）可靠性：过于频繁的换档对变速器、执行机构等都有损害，还可能因换档瞬间造成的动力变化影响驾驶安全。
对变速器进行档位分配时，有3种常用的方法：速比等差换档法、发动机转速等差换档法、输出转速等差换档法，下面分别介绍。
首先，假设变速器变速范围是4.11（最高单位和最低单位的速比比值）。
1.速比等差换档法
速比等差分配换档的基本原则是每档和上一档的差是常数，档位比例逐级增加，见表5-4。比如：
一档速比i1=2.92
二档速比i2=2.18
三档速比i3=1.44
四档速比i4=0.71
表5-4 速比等差换档各档位速比关系
其基本公式关系为
r=in-in-1=…=i2-i1（5-14）
in=i1-（n-1）r（5-15）
式中 in——齿轮箱总的速比；
i——档位速比；
r——相邻两速齿轮比差值；
n——档位。
图5-23 速比等差换档法示意图
由图5-23可知，如果在同一输入转速即发动机转速（Ne）下换档，换档后，在低档时发动机转速下降得不多，但档位越高，换档后发动机速度变化就越大。虽然在低转速时发动机也可以输出大转矩，但与发动机控制系统对不同档位下的输出转矩及速度的标定有关。
要了解变速器换档对于整车动力性能的影响，还需要了解与之匹配的发动机如何对输出转矩和速度进行控制。对于汽油发动机，传统控制采用节气门控制，由节气门控制进气量，将油气混合后吸入气缸，燃烧释放能量。发动机控制系统会根据汽车的行驶状态和驾驶人的输入信息（加速踏板、制动踏板、按钮等）计算输出转矩。这个过程一般是通过一组叫Ped-al Map的插值表进行的。早期的发动机由于没有电控系统，进气量就基本代表了功率需求，所以PedalMap的作用可以忽略。后来，随着电控技术的发展，驾驶人加速踏板输入逐渐转换为对车辆的加速度需求，即转矩需求。
如果再考虑车速，有些Pedal Map响应的已不仅仅是转矩需求，而是功率需求。发动机控制软件中，一般将不同档位下输出转矩曲线标定成不同的曲线。比如，在二档换三档的过程中，发动机按照二档的Pedal Map响应转矩需求。如果保持换档前后功率不变，换到三档后，发动机转速会下降，转矩增大。如果忽略动态响应，只考虑换档完成后的情况，作用在车轮上的转矩在换档前后应该是不变的，因为三档Pedal Map将转矩和速度转换为换档前数值，所以换档前后，只要输入功率不变，作用于车轮上的转矩就不变。
然而实际驾车时有时会遇到这种工况：超车时，将档位下调，发动机转速上升，整车加速性能会变好，而上调档位时，踩加速踏板感觉动力不足。这是因为换档后，响应驾驶人需求的输出转矩曲线或Pedal Map发生了变化，如果低档时输出转矩高，换档后的转矩曲线覆盖范围比上一档的转矩曲线覆盖范围小，导致换档后输出转矩无法保持，最终作用在车轮上的转矩就会减小，使驾驶人觉得动力不足。在发动机的低转矩范围内换档时，Pedal Map的输出转矩虽然可以覆盖，但换档后速比减小，作用在车轮上的转矩减小，发动机动态转矩提升跟不上，导致短暂的动力不足。另外一个原因是出于对发动机寿命、油耗等因素的考虑，人为将发动机低转速时的转矩上升曲线标定得平缓一些，导致发动机转矩响应变慢。如果不考虑动力传递中间的功率损耗，按照等功率传输理论，发动机输出转矩和转速经变速器转换后，最终输出轴上的功率或整车加速度应该是不变的，但实际应用中很多情况下无法保证换档前后功率的一致性。
由于汽车的惯性非常大，换档前后车速不可能变化很大。所以如果发动机输出的转矩有变化，变速器输出轴端的功率自然不同。而现代发动机控制系统内部按照档位来标定Padel Map，也就是说，4速变速器就有4个Padel Map，8速变速器就应该有8个Padel Map。最简单的算法就是忽略各个档位之间的重合部分，直接用加速踏板开度、发动机转速和车速三维坐标来确定最终输出转矩的需求，但这种算法是基于理想状态，每个主机厂都会根据自身特点制定自己的动力输出策略。
假设理想状态下，发动机采用输出转矩控制，并通过档位、发动机转速以及车速来调节加速踏板的输入转矩请求，对于图5-23所示的换档示意图，在低档位时换档会较为频繁，但换档后的转矩冲击不大，也可以将换档点调至发动机的高效范围内，因此低档位的油耗会小一些。高档位时的换档间隔较大，而高档位区本来应该是需求转矩较小、整车加速度较小的高速行车状态。因此在上述的换档模式设计下换档前后的转矩冲击会有一定的好转。但高档位区的燃油经济性并不是最理想的。
上面描述只是基于档位速比，实际应用中，还要具体的换档曲线做修正，整车在不同行驶工况下的动力性和经济性也会对换档点进行修正。图5-23中的曲线提供了换档趋势示意图，具体设计还需综合考虑整车和子系统的各种性能，例如，如果档位速比间隔过大，换档时，相邻档位之间的转矩衔接、换档平滑性都会有问题，同时，汽车行驶阻力较大时，高档位可能无法提供所需的转矩。
2.速比等比换档法(https://www.daowen.com)
变速器档位速比按照等比级数分配，相邻档位速比之差逐级减小。
一档速比i1=2.92
二档速比i2=1.82
三档速比i3=1.13
四档速比i4=0.71
表5-5 变速器速比等比换档各档位速比关系
由表5-5可知，各档速比的比值约为1.60，即速比基本按照等比级数分配。
其基本公式为
C=常数（5-17）
图5-24 发动机转速等差换档法换档示意图
图5-24所示的换档示意图与图5-23相比，在相同的发动机最大转速Nmax换档时，各个换档的输入转速（发动机转速）的变化比例是一致的。低速时，换档点的变速器输出轴转速间隔相对加大，高速时换档点的变速器输出转速间隔则相对减小。因此相比图5-22所示的换档法，较高档位（除了四档外）下的输出转矩减小，动力性变差，但高档位换档的速度冲击会小一些，低档位则会大一些。
3.输出转速等差换档法
输出转速等差换档法的基本原则是相邻两档换档点的设定，要保证变速器输出轴转速差值是一个常量。档位比例逐级递减，见表5-6。
一档速比i1=2.92
二档速比i2=1.43
三档速比i3=0.95
四档速比i4=0.71
表5-6 输出转速等差换档各档位速比关系
其基本公式为
1/in=（n-1）C+i1（5-18）
图5-25 输出转速等差换档法示意图
输出转速等差换档法是使各档位换档前后变速器输出轴转速差值保持一定，即车速变化相同的值就会发生换档（图5-25）。低速时，换档点的变速器输出轴转速间隔被进一步增加，高速时的换档点的输出转速间隔则进一步减小。因此较高档位的转矩冲击较小，而低档位的换档速度冲击较大。同时低档位的速比间隔加大，将提高整车动力性，降低燃油经济性。这种速比分配方法对整车综合性能的影响介于前文速比等差档法和速比等比分配换档法之间。
综合上面介绍的几种档位速比的选择方法，总结见表5-7。
表5-7 不同换档方法速比关系汇总
由于每种档位速比的选取方式都有各自的优缺点，具体选择哪种方法，应根据项目的具体需求而定，变速器的档位设置要综合考虑很多因素，比如动力性、平顺性、加工成本、经济性、排放、整车的定位等。对于应用行星齿轮系的自动变速器而言，还要考虑行星齿轮机构自身的限制，如尺寸、强度、加工工艺、成本等。档位数多不仅可增加发动机进行大功率输出的机会，提高整车的加速与爬坡能力，增强动力性，而且增加了发动机在低燃油消耗率区域工作的可能性，降低了油耗，还可以通过优化速比，减小换档后转矩和速度对部件的冲击，延长使用寿命，提高驾驶舒适性。因此增加档位数会改善整车的动力性和燃油经济性，改善整车性能。但档位数过多却会增加换档频率，使控制变得更加复杂。另外档位数增多会使变速器结构复杂，重量加大。
实际应用中，最终选取档位速比可能不是上述3种方法中的任何一种，而是它们的加权均值。如通用汽车公司开发的一款4速变速器4T60E，其速比分别是一档2.92、二档1.57、三档1、四档0.705。档位速比的选择是介于速比等差换档法和输出转速等差换档法之间。