由第三章速比的各項分析可了解速比的規劃會影響到車輛多方面的特性表 現，本章將根據分析後所得之設計參數與型態進行速比規劃統整。參數部分為速 比之配置，需滿足車輛性能需求與引擎車之行駛特性；型態部分為速比分段方 式，依照對應的引擎與匹配車款進行選用。此外，本研究主要對象為速比規劃，
故控制部分的換檔策略將統一，以凸顯速比對效率之影響。
對於小客車的行駛習慣，市區運行速度低於60 𝑘𝑚/ℎ，因為紅綠燈比例走停 頻率較高；高速公路巡航，平均時速為120 𝑘𝑚/ℎ，車速變化不大，急加速、急 減速發生頻率不高。由於小客車用途較為廣泛，為了更能滿足使用者需求，對於 油耗與加速性的需求依用途有所不同，因應世界趨勢，將以油耗為主，透過速比 規劃使操作點落於高效率區，以提升車輛之效率。
4-1 速比設計
本節將配合小客車行駛習性及引擎特性，根據2-2 節車輛運動模型、2-1-2 節 及統整各車廠變速箱速比規劃方法，增加限制條件，使速比設計更完整。本節所 說明之方法，將直接針對總速比設計，而不各別設計最終速比及變速箱速比數 值。
速比規劃
隨著變速箱科技的進步，各車廠對於變速箱規劃不在只是使車輛能到達極 速，速比的規劃變得更細膩，就如3-2-1 節所分析之結果，速比可由單一或多個 速比區段構成，共5 種不同型態，結果如下表，依照表 4.1 上所示找出各區段節 點之速比，最後依5-6 節規劃檔數，再選用等差或是等比數列法算出各區段兩節 點之間中間檔之速比。
型態選用原則如下：
第一檔
在方法二中，車輪可負荷之最大驅動力未納入考慮，當所選加速扭力比產生 之速比大於方法一中最大驅動力產生之速比時，使用車款需要標配起步防滑系 統，多為中高階車款。
極速檔位
在傳統設計思維裡，最高檔位為車輛期望之最大車速，也就是現今的極速 檔，而現今的最高檔多為超越檔，將於下節介紹。從3-2-4 節分析結果，現今變 速箱之極速檔的確依循2-1-2 節裡最高檔位的傳統設計原則，就不同設計因素分 最大功率、引擎極限轉速與降低轉速，分別為Optimum、Overrevving 與
Underrevving 三種方法，公式整理後如下，根據選用方法並將扭力與引擎轉速代 入即可求得速比。
{
𝜉𝑡,𝑡𝑠 =[𝑅𝑟(𝜃 = 0°)+𝑅𝑎(𝑉𝑚𝑎𝑥) + 𝑅𝑔(𝜃 = 0°)] ∙ 𝑟 𝑇 ∙ 𝜂𝑡
𝑉𝑚𝑎𝑥= 𝜔𝑟𝑝𝑚∙ 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑟 60 ∙ 𝜉𝑡,𝑡𝑠
( 4.3 )
表 4.3 極速檔設計方法
方法 𝑇 𝜔𝑟𝑝𝑚
Optimum 最大功率點 最大功率點
Overrevving 引擎極限轉速點 引擎極限轉速點
Underrevving 依需求自訂，最大功率點之前 依需求自訂，最大功率點之前
最高檔位
最高檔的存在主要就是為了提升能耗，也是現今主流趨勢，透過調整速比使 引擎操作點能落在最佳效率區間，使車輛高速巡航更寧靜與高效率。在3-2-5 節 透過對各變速箱之分析可以得一設計方法，以下將說明此方法的應用方法。
根據車重扭力比，從表 4.4 找出對應的加速扭力比範圍，再代入公式可得速 比範圍，最後增加車速120 𝑘𝑚/ℎ h 巡航所需扭力與最大扭力比值必須小於 60%
為限制條件，選出最小值速比，使巡航時引擎轉速能降低。
表 4.4 最高檔設計參數表
設計車款 𝑇% 車重扭力比(𝑘𝑔/𝑁𝑚) 性能化 38%~80% 3.5 以下
一般 80%~110% 3.5 以上
{
ξ𝑡,𝑡𝑜𝑝 = 𝑀 ∙ 𝑟 𝑇𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝜂𝑡∙ 𝑇% [𝑅𝑟(𝜃 = 0°)+𝑅𝑎(120𝑘𝑚/ℎ) + 𝑅𝑔(𝜃 = 0°)] ∙ 𝑟
ξ𝑡,𝑡𝑜𝑝∙ 𝜂𝑡∙ 𝑇𝑚𝑎𝑥 ∙ 100 ≤ 60
( 4.4 )
高扭與過渡節點
根據引擎最大扭力，從3-2-2 節選取節點車速(𝑘𝑚/ℎ)為依據設計，在透過引 擎極限轉速進行推算，如( 4.5 )式。
ξ𝑡,𝑖 =引擎極限轉速(𝑟𝑝𝑚) ∙ 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑟 ∙ 3.6
節點出速(𝑘𝑚/ℎ) ∙ 60 ( 4.5 )
4-2 換檔時機
根據“tank-to-vehicle”的理念，欲改善整體車輛效率，除了 4-1 節中速比的 設計與規劃外，控制策略的設計也很重要，此控制策略為變速箱之換檔策略，變 速箱會依照換檔策略進行升檔與降檔，使引擎可以操作在高效率區間。本節將研 究在定功率下操作在不同引擎區間時，對效率有甚麼影響。
操作點效率
本節將引擎之BSFC 油耗圖利用( 3.12 )式轉成引擎效率圖，再將引擎定功率 曲線畫於效率圖上，就如圖 4-1 所示。從下圖中可以看到效率線成等高線圖，從 引擎轉速2990 𝑟𝑝𝑚扭力 163 𝑁𝑚呈輻射狀向四面八方遞減，然而定功率等高線 則由圖的右上角像左下角遞減。
當車輛穩定巡航時，引擎當下輸出功率將為定值，假設此情況為下圖中A
點，落於50 𝐾𝑊功率線上，若在此時透過換檔讓引擎操作點移動到 B 點，從表 4.5 可以了解到在移動過程中，引擎轉速下降而扭力提升，升檔可以使引擎效率 提升，由此可知，若能妥善的控制變速箱操作檔位，便可使效率提升。
表 4.5 操作點 A 與 B 資料
操作點 A B
扭力 143(𝑁𝑚) 163(𝑁𝑚) 引擎轉速 3395(𝑟𝑝𝑚) 2990(𝑟𝑝𝑚) 引擎效率 30% 32%
圖 4-1 引擎效率與定功率圖
產生換檔曲線
變速箱的換檔策略不是憑空出現，而是依照動力系統中，相互匹配的引擎與 變速箱而訂定的，因此本章將舉例一顆六速變速箱速比如下表 4.6，引擎效率圖 如圖 4-1，接下來將利用 3-3-2 節所提到的方法進行換檔控制曲線的規劃。
表 4.6 六速變速箱速比與檔間速比
六速 1 檔 2 檔 3 檔 4 檔 5 檔 6 檔 速比 13.942 8.043 5.180 3.838 2.836 2.240 檔間速比 1.73 1.55 1.35 1.35 1.27
首先以第2 檔為例，利用表 3.28 進行計算，將計算結果繪於引擎效率圖上 如下圖 4-2。下圖中降檔曲線已超過引擎輸出範圍，原因在於 1-2 檔的檔間速比 太大，當發生此情況時，就依引擎最高輸出的邊界線為降檔控制曲線，修改後如 圖 4-3。
圖 4-2 變速箱 2 檔升檔與降檔空區曲線
圖 4-3 變速箱 2 檔升檔與降檔空區曲線修正後
最後，其他檔位也依序計算並繪製換檔控制曲線於效率圖上，結果如圖 4-4。圖中可以確定隨著檔位提升，檔間速比漸小，操作區間也漸漸縮小，越靠近 最佳效率線，證實了高檔位行駛效率確實優於低檔位的，但還是要看效率線的分 布並非絕對。
圖 4-4 六速變速箱各檔升檔與降檔控制曲線
4-3 小結
本章針對極多速變速箱速比與換檔時機進行規畫設計。在速比的部分，除了 沿用傳統引擎車之基本設計方法以外，又整理與歸納了第三章分析後之車廠設計 參數，擬定速比計算公式，接著規劃完整的速比型態種類與各速比區段對應之節 點。
換檔時機的部分，透過文獻選用常用之雙參數法，首先說明引擎操作點對車 輛行駛效率之影響，並了解換檔的時機與狀況，在透過3-3-2 節所擬定的換檔策 略，依據檔間速比對最佳效率線進行偏移取得換檔控制曲線，確保車輛升檔與降 檔後都可以使引擎操作點往最佳效率線靠近。