汽車(chē)自動(dòng)變速器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
來(lái)源：絲路印象
2024-07-19 17:33:59
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摘要:自動(dòng)變速器是汽車(chē)的關(guān)鍵部件之一，其類(lèi)型包括:液力自動(dòng)變速器(AT)、電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)、雙離合器變速器(DCT)以及無(wú)級(jí)變速器(CVT)。介紹了自動(dòng)變速器的基本類(lèi)型和工作原理以及各自的特點(diǎn)，闡述了自動(dòng)變速器在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)了我國(guó)自動(dòng)變速器研究過(guò)程中存在的一些問(wèn)題。
0、引言
動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)的整車(chē)性能起著重要的作用，而變速器則是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。變速器不僅能體現(xiàn)整車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，還能改變發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。優(yōu)異的變速器可使發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中處于高效率狀態(tài)。自動(dòng)變速器主要有4種類(lèi)型:液力自動(dòng)變速器(AutomaticTransmission，AT)、電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AutomaticMechanicalTransmission，AMT)、雙離合器變速器(Dual-ClutchTransmission，DCT)以及無(wú)級(jí)變速器(ContinuouslyVariableTransmis-sion，CVT)。
本文詳細(xì)介紹了汽車(chē)自動(dòng)變速器的4種基本類(lèi)型，結(jié)合變速器的結(jié)構(gòu)示意圖，對(duì)每種變速器的工作原理和傳動(dòng)特性進(jìn)行分析對(duì)比，總結(jié)了4種自動(dòng)變速器的優(yōu)缺點(diǎn)，闡述了自動(dòng)變速器在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)，并提出了我國(guó)汽車(chē)自動(dòng)變速器技術(shù)發(fā)展過(guò)程中存在的不足。
1、汽車(chē)自動(dòng)變速器的研究現(xiàn)狀
1.1 液力自動(dòng)變速器的研究現(xiàn)狀 液力自動(dòng)變速器(AT)的組成部分包括液力變矩器、齒輪變速系統(tǒng)、液壓操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。傳動(dòng)軸和變速器通過(guò)接觸式離合器聯(lián)接在一起，來(lái)實(shí)現(xiàn)擋位更換。液力自動(dòng)變速器的特點(diǎn)在于液力耦合器的選用，利用液壓系統(tǒng)來(lái)完成動(dòng)力傳輸，依靠液力傳遞和齒輪組合的方式來(lái)達(dá)到改變速比的目的。人們對(duì)液力自動(dòng)變速器已經(jīng)有很多年的研究經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展相對(duì)成熟。液力自動(dòng)變速器的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、駕駛舒適且有良好的動(dòng)力性能，但是液力自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低且成本也比較高。
從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，液力自動(dòng)變速器是目前發(fā)展最完備、技術(shù)最成熟且應(yīng)用也最為廣泛的自動(dòng)變速器。液力自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.2 電控機(jī)械式自動(dòng)變速器的研究現(xiàn)狀
1984年，最初將AMT設(shè)計(jì)出來(lái)的是日本Isuzu公司，并且將其應(yīng)用在轎車(chē)上。AMT不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作效率高、制造成本低和手動(dòng)變速器傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)，還具備了自動(dòng)變速器使用便捷的優(yōu)156勢(shì)。人們對(duì)AMT的研究主要解決了換擋控制中變速器能否順利、平穩(wěn)換擋的問(wèn)題。配備AMT的汽車(chē)駕駛難度較低、操縱性好且性價(jià)比高，但是存在由于換擋動(dòng)力中斷等情況而影響駕駛舒適性的問(wèn)題。
目前歐洲一些廠家的產(chǎn)品例如DaimlerAGSmart、BMWM3等也一直在應(yīng)用AMT。電控機(jī)械式自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1.3 雙離合器變速器(Dual-ClutchTransmission，DCT)的研究現(xiàn)狀
近年來(lái)，雙離合器變速器(DCT)被人們普遍關(guān)注，在全球汽車(chē)行業(yè)中逐漸發(fā)展起來(lái)。該變速器使車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率和行駛品質(zhì)都有顯著的改進(jìn)，已成為汽車(chē)技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在換擋過(guò)程中，DCT通過(guò)雙離合的方式將換擋速度提升了一個(gè)量級(jí)，具有優(yōu)良的換擋品質(zhì)和較好的傳動(dòng)效率。通過(guò)性能比較，雙離合器變速器比傳統(tǒng)的行星式液力自動(dòng)變速器效率更高。
1.4 無(wú)級(jí)變速器(ContinuouslyVariableTransmission，CVT)的研究現(xiàn)狀
無(wú)級(jí)變速器(CVT)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的動(dòng)力傳輸且變速比相對(duì)較高。無(wú)級(jí)變速器一般由4部分組成:機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、換擋控制機(jī)構(gòu)、液壓控制以及電子控制。因?yàn)闊o(wú)級(jí)變速器主要靠主、從動(dòng)輪和金屬帶來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸，所以并不會(huì)像AT那樣有復(fù)雜的行星齒輪組。無(wú)論是再優(yōu)秀的AT或者DCT，都會(huì)存在不同程度的抖動(dòng)和頓挫現(xiàn)象，而CVT由于沒(méi)有固定擋位，線性的減速過(guò)程不存在換擋的沖擊，因此獲得了較好的換擋平順性。早期出現(xiàn)的無(wú)級(jí)變速器是通過(guò)傳送鋼帶和可變的主、從動(dòng)輪來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的變化，負(fù)責(zé)傳送動(dòng)力的鋼帶由許多鋼片組成，承受的扭矩也非常有限，機(jī)械穩(wěn)定性不如其他類(lèi)型的變速器，所使用的車(chē)型只限于低功率車(chē)型。CVT能讓發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于高效率的狀態(tài)，可以減輕變速器在換擋時(shí)的動(dòng)能損失，所以從理論上講CVT的燃油經(jīng)濟(jì)性會(huì)更好。
無(wú)級(jí)變速器最早出現(xiàn)在19世紀(jì)90年代，到目前為止已經(jīng)有上百年的發(fā)展歷史。直到20世紀(jì)60年代中期，CVT才取得突破性的進(jìn)展。到20世紀(jì)80年代，F(xiàn)iat、Ford以及Nissan等汽車(chē)公司都在生產(chǎn)金屬帶式無(wú)級(jí)變速器(VDT-CVT)，并將無(wú)級(jí)變速器裝配到一些大排量轎車(chē)上。20世紀(jì)90年代，VDT公司成功研制了第二代CVT，其性能更佳，傳動(dòng)效率更高。之前由Ford公司推出的CVT能夠用于高扭矩、高排量的V6發(fā)動(dòng)機(jī)，很多廠商也陸續(xù)在生產(chǎn)CVT，例如:Nissan公司、Ford公司、FHISubaruJusty公司以及Fiat公司。無(wú)級(jí)變速器結(jié)構(gòu)如圖4所示。
1.5 4種自動(dòng)變速器的特性對(duì)比
4種自動(dòng)變速器即液力自動(dòng)變速器(AT)、電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)、雙離合器變速器(DCT)以及無(wú)級(jí)變速器(CVT)，不但在結(jié)構(gòu)上有差異，工作原理也不相同，各自的特點(diǎn)也十分明顯。4種自動(dòng)變速器的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。通過(guò)4種變速器的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)AT、DCT都具有換擋平穩(wěn)的特點(diǎn)，AT的傳動(dòng)效率更高，而DCT無(wú)功率傳遞限制，故DCT應(yīng)用更廣泛。AMT和CVT具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)，AMT制造成本低并適用于各種車(chē)型從而應(yīng)用廣泛，而CVT的突出優(yōu)勢(shì)是舒適性更好。
2、自動(dòng)變速器的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
2.1 變速器的多擋化
自動(dòng)變速器的應(yīng)用目的是提高功率，合理分配工作效率。變速比對(duì)傳動(dòng)裝置的效率有較大的影響。德國(guó)的研發(fā)人員預(yù)測(cè)，第一批面向大眾的電動(dòng)汽車(chē)將配備2擋變速器，從未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，配備3擋或是多擋的變速器非常值得期待。變速器按照工作效率，可分為內(nèi)部功效和外部功效，當(dāng)內(nèi)部功效受到類(lèi)似齒輪和軸承的摩擦或者傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)能源的需求影響時(shí)，外部功效則不滿足于變速器的傳輸范圍。為了保證變速器工作的順暢，電動(dòng)汽車(chē)所需的擋位數(shù)將被合理選擇以便平衡內(nèi)部與外部功效。就目前液力自動(dòng)變速器(AT)的發(fā)展來(lái)看，4擋變速器正逐步被5擋158和6擋自動(dòng)變速器取代，變速器合理增加擋位不但能擴(kuò)大速比范圍而且可以更加合理地進(jìn)行速比分配。變速器多擋化正迎潮流之趨勢(shì)，在自動(dòng)變速器的發(fā)展過(guò)程中占據(jù)了主導(dǎo)地位。一些性能測(cè)試試驗(yàn)都能充分說(shuō)明多擋化是變速器的發(fā)展趨勢(shì)，例如BMW7系列和AudiA8已裝配了8擋自動(dòng)變速器。
2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的輕量化
目前有限元分析軟件的應(yīng)用十分廣泛，這使得變速器的設(shè)計(jì)過(guò)程十分便利。首先對(duì)一些零/部件進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有限元分析，可以更加合理地設(shè)計(jì)變速器箱體厚度和部件軸向以及徑向的尺寸和結(jié)構(gòu)，以達(dá)到減輕質(zhì)量的目的。除此以外，可以選擇滿足要求的輕質(zhì)量、高剛度的合金材料，如鎂合金是當(dāng)前汽車(chē)材料應(yīng)用中最輕的金屬，其最突出的特點(diǎn)是強(qiáng)度高，減振和阻尼性能好，制造成本低廉。將鎂合金材料應(yīng)用于變速器殼體可減輕重量、降低汽車(chē)的能耗量，有效實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的輕量化。采用有限元法對(duì)汽車(chē)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，搭配部件的合理布置，不但可以提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊性、減小結(jié)構(gòu)體積，還能夠減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，使得變速器在增加轉(zhuǎn)矩傳遞能力的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的質(zhì)量比。
相比于傳統(tǒng)汽車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)于輕量化的要求更加迫切，電動(dòng)汽車(chē)企業(yè)都將汽車(chē)輕量化作為研究的重點(diǎn)之一，實(shí)現(xiàn)輕量化可降低整車(chē)能耗，提高動(dòng)力性能，也能解決電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程短的問(wèn)題。
2.3 換擋過(guò)程的高品質(zhì)化
換擋品質(zhì)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:換擋過(guò)程中的動(dòng)力性和舒適性。提高換擋品質(zhì)主要是提高換擋過(guò)渡過(guò)程中變速器的穩(wěn)定性和換擋控制系統(tǒng)的自適應(yīng)
性。在換擋過(guò)程中，對(duì)離合器采用性能優(yōu)良的控制策略，使離合器接合平穩(wěn)，可提高變速器的換擋品質(zhì)。除此之外，改善換擋部件性能以及相關(guān)因素的穩(wěn)定性同樣可以提高換擋品質(zhì)，例如提高摩擦副和液壓油的性能穩(wěn)定性。自適應(yīng)能力主要體現(xiàn)在控制系統(tǒng)參數(shù)的自適應(yīng)性和控制系統(tǒng)溫度的自適應(yīng)性，對(duì)當(dāng)前工況中的車(chē)輛而言，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)辨識(shí)和參數(shù)辨識(shí)的自適應(yīng)控制對(duì)于提高換擋品質(zhì)具有重要意義。而不受控制的外界條件也會(huì)影響換擋品質(zhì)，例如溫度的變化會(huì)使液壓油的黏度發(fā)生變化，導(dǎo)致自動(dòng)變速器的換擋品質(zhì)變差，因此選用黏度指數(shù)高的液壓油和控制液壓系統(tǒng)的溫度自適應(yīng)性都可提高變速器的換擋品質(zhì)。
2.4 換擋規(guī)律的智能化
怎樣使自動(dòng)變速器能具有人類(lèi)般的智慧是人們一直在探求的理念，全智能模式發(fā)展，自主地根據(jù)駕駛員意愿和駕駛環(huán)境進(jìn)行智能換擋會(huì)是重要的研究方向。換擋智能化的發(fā)展會(huì)使自動(dòng)變速器具有更高品質(zhì)的性能，例如自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和容錯(cuò)處理等。為了改善自動(dòng)變速器的智能化特性，人們不斷嘗試新的控制技術(shù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法并根據(jù)統(tǒng)計(jì)分布來(lái)設(shè)計(jì)基于模糊規(guī)則的行駛環(huán)境識(shí)別系統(tǒng)，使識(shí)別系統(tǒng)中更多地采用模糊控制技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。不管在任何行駛環(huán)境中駕駛，駕駛員的經(jīng)驗(yàn)用模糊規(guī)則是最容易體現(xiàn)的。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性映射性，可以從數(shù)據(jù)中提取一定的規(guī)律，因此非常有利于進(jìn)行智能換擋系統(tǒng)研究。德國(guó)的BMW、ZF和BOSCH公司合作推出的5HP-24型自動(dòng)變速器可以通過(guò)對(duì)駕駛員操作加速踏板這一動(dòng)作進(jìn)行評(píng)價(jià)并對(duì)其要求進(jìn)行推斷，然后根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果選用預(yù)先設(shè)定的4種換擋模式中的一種。
2.5 電子控制的一體化
車(chē)輛電子技術(shù)早在20世紀(jì)60年代已有了很好的發(fā)展。電子控制自動(dòng)變速器正在向著綜合控制、微機(jī)控制方向轉(zhuǎn)變。目前，車(chē)輛電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是將各個(gè)相對(duì)獨(dú)立的車(chē)輛電子控制單元合為一體，電子控制參數(shù)可以反映變速器工作環(huán)境和車(chē)輛行駛環(huán)境的信號(hào)，更加全面地反映變速器的實(shí)際工況，并且在微機(jī)中會(huì)存儲(chǔ)多種換擋規(guī)律，駕駛?cè)藛T可以根據(jù)需要隨時(shí)應(yīng)用相應(yīng)的換擋規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳的換擋控制［78-81］。自動(dòng)變速器具有超速擋的微機(jī)控制功能，可提高自動(dòng)變速器的傳動(dòng)效率。利用微機(jī)控制與變矩器鎖止合作搭配來(lái)擴(kuò)大變速器應(yīng)用范圍的方法適用于更多的車(chē)型，這樣不但降低了制造成本，而且能通過(guò)改變軟件數(shù)據(jù)方便地改變自動(dòng)變速器的換擋特性。實(shí)行微機(jī)控制的自動(dòng)變速器可實(shí)現(xiàn)恒功率傳動(dòng)，變速過(guò)程會(huì)更加平順，降低了傳動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷，故對(duì)于提高變速器相關(guān)零/部件的壽命也是非常有利的。
3、我國(guó)汽車(chē)自動(dòng)變速器技術(shù)發(fā)展的不足之處
近年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)變速器正處于高速發(fā)展時(shí)期，對(duì)變速器的需求無(wú)論是數(shù)量上還是技術(shù)水平上都在不斷提高，但是與國(guó)際先進(jìn)水平相比還有很大的差距，尤其在機(jī)械加工和匹配性方面的差距相對(duì)明顯。在手動(dòng)變速器市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)品牌已占據(jù)主導(dǎo)地位，但在設(shè)計(jì)、制造和工藝水平更高的自動(dòng)變速器市場(chǎng)，進(jìn)口產(chǎn)品仍占主導(dǎo)地位。筆者經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的各種自動(dòng)變速器的優(yōu)劣性和技術(shù)現(xiàn)狀的比較發(fā)現(xiàn)，我國(guó)更應(yīng)該加強(qiáng)自動(dòng)變速器的研發(fā)。雖然目前國(guó)內(nèi)企業(yè)自主研發(fā)的自動(dòng)變速器已經(jīng)達(dá)到產(chǎn)業(yè)化且能供給國(guó)內(nèi)部分市場(chǎng)使用，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)汽車(chē)市場(chǎng)的自動(dòng)變速器裝車(chē)比率較低。我國(guó)汽車(chē)自動(dòng)變速器技術(shù)的不足之處主要體現(xiàn)在舒適性差、可靠性不高以及故障診斷控制技術(shù)不完備。
4、結(jié)語(yǔ)
隨著節(jié)能減排以及對(duì)汽車(chē)性能需求的不斷提高，使得世界各汽車(chē)廠商對(duì)自動(dòng)變速器的研發(fā)投入也不斷加大。自動(dòng)變速器作為汽車(chē)的主要傳動(dòng)部件之一，能提高電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性和適應(yīng)性。本文對(duì)液力自動(dòng)變速器(AT)、電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)、雙離合器變速器(DCT)和無(wú)級(jí)變速器(CVT)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述，分析了4種變速器的工作原理和各自特點(diǎn)，概括了自動(dòng)變速器多擋化、傳動(dòng)系統(tǒng)輕量化、換擋過(guò)程高品質(zhì)化和電控智能一體化的發(fā)展趨勢(shì)。近幾年，自動(dòng)變速器技術(shù)的研究成果著重表現(xiàn)在優(yōu)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)換擋控制系統(tǒng)等方面。實(shí)現(xiàn)智能換擋對(duì)提高汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性、安全性具有十分重要的意義。未來(lái)，自動(dòng)變速器會(huì)持續(xù)高速發(fā)展，其綜合性能也將逐步提升。
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0、引言
動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)的整車(chē)性能起著重要的作用，而變速器則是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。變速器不僅能體現(xiàn)整車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，還能改變發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。優(yōu)異的變速器可使發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中處于高效率狀態(tài)。自動(dòng)變速器主要有4種類(lèi)型:液力自動(dòng)變速器(AutomaticTransmission，AT)、電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AutomaticMechanicalTransmission，AMT)、雙離合器變速器(Dual-ClutchTransmission，DCT)以及無(wú)級(jí)變速器(ContinuouslyVariableTransmis-sion，CVT)。
圖1 液力自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)
本文詳細(xì)介紹了汽車(chē)自動(dòng)變速器的4種基本類(lèi)型，結(jié)合變速器的結(jié)構(gòu)示意圖，對(duì)每種變速器的工作原理和傳動(dòng)特性進(jìn)行分析對(duì)比，總結(jié)了4種自動(dòng)變速器的優(yōu)缺點(diǎn)，闡述了自動(dòng)變速器在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)，并提出了我國(guó)汽車(chē)自動(dòng)變速器技術(shù)發(fā)展過(guò)程中存在的不足。
1、汽車(chē)自動(dòng)變速器的研究現(xiàn)狀
1.1 液力自動(dòng)變速器的研究現(xiàn)狀 液力自動(dòng)變速器(AT)的組成部分包括液力變矩器、齒輪變速系統(tǒng)、液壓操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。傳動(dòng)軸和變速器通過(guò)接觸式離合器聯(lián)接在一起，來(lái)實(shí)現(xiàn)擋位更換。液力自動(dòng)變速器的特點(diǎn)在于液力耦合器的選用，利用液壓系統(tǒng)來(lái)完成動(dòng)力傳輸，依靠液力傳遞和齒輪組合的方式來(lái)達(dá)到改變速比的目的。人們對(duì)液力自動(dòng)變速器已經(jīng)有很多年的研究經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展相對(duì)成熟。液力自動(dòng)變速器的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、駕駛舒適且有良好的動(dòng)力性能，但是液力自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低且成本也比較高。
圖2 電控機(jī)械式自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)
圖3 雙離合器變速器結(jié)構(gòu)
從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，液力自動(dòng)變速器是目前發(fā)展最完備、技術(shù)最成熟且應(yīng)用也最為廣泛的自動(dòng)變速器。液力自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.2 電控機(jī)械式自動(dòng)變速器的研究現(xiàn)狀
1984年，最初將AMT設(shè)計(jì)出來(lái)的是日本Isuzu公司，并且將其應(yīng)用在轎車(chē)上。AMT不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作效率高、制造成本低和手動(dòng)變速器傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)，還具備了自動(dòng)變速器使用便捷的優(yōu)156勢(shì)。人們對(duì)AMT的研究主要解決了換擋控制中變速器能否順利、平穩(wěn)換擋的問(wèn)題。配備AMT的汽車(chē)駕駛難度較低、操縱性好且性價(jià)比高，但是存在由于換擋動(dòng)力中斷等情況而影響駕駛舒適性的問(wèn)題。
圖4 無(wú)級(jí)變速器結(jié)構(gòu)
目前歐洲一些廠家的產(chǎn)品例如DaimlerAGSmart、BMWM3等也一直在應(yīng)用AMT。電控機(jī)械式自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)如圖2所示。
1.3 雙離合器變速器(Dual-ClutchTransmission，DCT)的研究現(xiàn)狀
近年來(lái)，雙離合器變速器(DCT)被人們普遍關(guān)注，在全球汽車(chē)行業(yè)中逐漸發(fā)展起來(lái)。該變速器使車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率和行駛品質(zhì)都有顯著的改進(jìn)，已成為汽車(chē)技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在換擋過(guò)程中，DCT通過(guò)雙離合的方式將換擋速度提升了一個(gè)量級(jí)，具有優(yōu)良的換擋品質(zhì)和較好的傳動(dòng)效率。通過(guò)性能比較，雙離合器變速器比傳統(tǒng)的行星式液力自動(dòng)變速器效率更高。
表1 4種自動(dòng)變速器的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
1.4 無(wú)級(jí)變速器(ContinuouslyVariableTransmission，CVT)的研究現(xiàn)狀
無(wú)級(jí)變速器(CVT)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的動(dòng)力傳輸且變速比相對(duì)較高。無(wú)級(jí)變速器一般由4部分組成:機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、換擋控制機(jī)構(gòu)、液壓控制以及電子控制。因?yàn)闊o(wú)級(jí)變速器主要靠主、從動(dòng)輪和金屬帶來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸，所以并不會(huì)像AT那樣有復(fù)雜的行星齒輪組。無(wú)論是再優(yōu)秀的AT或者DCT，都會(huì)存在不同程度的抖動(dòng)和頓挫現(xiàn)象，而CVT由于沒(méi)有固定擋位，線性的減速過(guò)程不存在換擋的沖擊，因此獲得了較好的換擋平順性。早期出現(xiàn)的無(wú)級(jí)變速器是通過(guò)傳送鋼帶和可變的主、從動(dòng)輪來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的變化，負(fù)責(zé)傳送動(dòng)力的鋼帶由許多鋼片組成，承受的扭矩也非常有限，機(jī)械穩(wěn)定性不如其他類(lèi)型的變速器，所使用的車(chē)型只限于低功率車(chē)型。CVT能讓發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于高效率的狀態(tài)，可以減輕變速器在換擋時(shí)的動(dòng)能損失，所以從理論上講CVT的燃油經(jīng)濟(jì)性會(huì)更好。
無(wú)級(jí)變速器最早出現(xiàn)在19世紀(jì)90年代，到目前為止已經(jīng)有上百年的發(fā)展歷史。直到20世紀(jì)60年代中期，CVT才取得突破性的進(jìn)展。到20世紀(jì)80年代，F(xiàn)iat、Ford以及Nissan等汽車(chē)公司都在生產(chǎn)金屬帶式無(wú)級(jí)變速器(VDT-CVT)，并將無(wú)級(jí)變速器裝配到一些大排量轎車(chē)上。20世紀(jì)90年代，VDT公司成功研制了第二代CVT，其性能更佳，傳動(dòng)效率更高。之前由Ford公司推出的CVT能夠用于高扭矩、高排量的V6發(fā)動(dòng)機(jī)，很多廠商也陸續(xù)在生產(chǎn)CVT，例如:Nissan公司、Ford公司、FHISubaruJusty公司以及Fiat公司。無(wú)級(jí)變速器結(jié)構(gòu)如圖4所示。
1.5 4種自動(dòng)變速器的特性對(duì)比
4種自動(dòng)變速器即液力自動(dòng)變速器(AT)、電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)、雙離合器變速器(DCT)以及無(wú)級(jí)變速器(CVT)，不但在結(jié)構(gòu)上有差異，工作原理也不相同，各自的特點(diǎn)也十分明顯。4種自動(dòng)變速器的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。通過(guò)4種變速器的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)AT、DCT都具有換擋平穩(wěn)的特點(diǎn)，AT的傳動(dòng)效率更高，而DCT無(wú)功率傳遞限制，故DCT應(yīng)用更廣泛。AMT和CVT具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)，AMT制造成本低并適用于各種車(chē)型從而應(yīng)用廣泛，而CVT的突出優(yōu)勢(shì)是舒適性更好。
2、自動(dòng)變速器的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
2.1 變速器的多擋化
自動(dòng)變速器的應(yīng)用目的是提高功率，合理分配工作效率。變速比對(duì)傳動(dòng)裝置的效率有較大的影響。德國(guó)的研發(fā)人員預(yù)測(cè)，第一批面向大眾的電動(dòng)汽車(chē)將配備2擋變速器，從未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，配備3擋或是多擋的變速器非常值得期待。變速器按照工作效率，可分為內(nèi)部功效和外部功效，當(dāng)內(nèi)部功效受到類(lèi)似齒輪和軸承的摩擦或者傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)能源的需求影響時(shí)，外部功效則不滿足于變速器的傳輸范圍。為了保證變速器工作的順暢，電動(dòng)汽車(chē)所需的擋位數(shù)將被合理選擇以便平衡內(nèi)部與外部功效。就目前液力自動(dòng)變速器(AT)的發(fā)展來(lái)看，4擋變速器正逐步被5擋158和6擋自動(dòng)變速器取代，變速器合理增加擋位不但能擴(kuò)大速比范圍而且可以更加合理地進(jìn)行速比分配。變速器多擋化正迎潮流之趨勢(shì)，在自動(dòng)變速器的發(fā)展過(guò)程中占據(jù)了主導(dǎo)地位。一些性能測(cè)試試驗(yàn)都能充分說(shuō)明多擋化是變速器的發(fā)展趨勢(shì)，例如BMW7系列和AudiA8已裝配了8擋自動(dòng)變速器。
2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的輕量化
目前有限元分析軟件的應(yīng)用十分廣泛，這使得變速器的設(shè)計(jì)過(guò)程十分便利。首先對(duì)一些零/部件進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有限元分析，可以更加合理地設(shè)計(jì)變速器箱體厚度和部件軸向以及徑向的尺寸和結(jié)構(gòu)，以達(dá)到減輕質(zhì)量的目的。除此以外，可以選擇滿足要求的輕質(zhì)量、高剛度的合金材料，如鎂合金是當(dāng)前汽車(chē)材料應(yīng)用中最輕的金屬，其最突出的特點(diǎn)是強(qiáng)度高，減振和阻尼性能好，制造成本低廉。將鎂合金材料應(yīng)用于變速器殼體可減輕重量、降低汽車(chē)的能耗量，有效實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的輕量化。采用有限元法對(duì)汽車(chē)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，搭配部件的合理布置，不但可以提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊性、減小結(jié)構(gòu)體積，還能夠減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，使得變速器在增加轉(zhuǎn)矩傳遞能力的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的質(zhì)量比。
相比于傳統(tǒng)汽車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)于輕量化的要求更加迫切，電動(dòng)汽車(chē)企業(yè)都將汽車(chē)輕量化作為研究的重點(diǎn)之一，實(shí)現(xiàn)輕量化可降低整車(chē)能耗，提高動(dòng)力性能，也能解決電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程短的問(wèn)題。
2.3 換擋過(guò)程的高品質(zhì)化
換擋品質(zhì)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:換擋過(guò)程中的動(dòng)力性和舒適性。提高換擋品質(zhì)主要是提高換擋過(guò)渡過(guò)程中變速器的穩(wěn)定性和換擋控制系統(tǒng)的自適應(yīng)
性。在換擋過(guò)程中，對(duì)離合器采用性能優(yōu)良的控制策略，使離合器接合平穩(wěn)，可提高變速器的換擋品質(zhì)。除此之外，改善換擋部件性能以及相關(guān)因素的穩(wěn)定性同樣可以提高換擋品質(zhì)，例如提高摩擦副和液壓油的性能穩(wěn)定性。自適應(yīng)能力主要體現(xiàn)在控制系統(tǒng)參數(shù)的自適應(yīng)性和控制系統(tǒng)溫度的自適應(yīng)性，對(duì)當(dāng)前工況中的車(chē)輛而言，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)辨識(shí)和參數(shù)辨識(shí)的自適應(yīng)控制對(duì)于提高換擋品質(zhì)具有重要意義。而不受控制的外界條件也會(huì)影響換擋品質(zhì)，例如溫度的變化會(huì)使液壓油的黏度發(fā)生變化，導(dǎo)致自動(dòng)變速器的換擋品質(zhì)變差，因此選用黏度指數(shù)高的液壓油和控制液壓系統(tǒng)的溫度自適應(yīng)性都可提高變速器的換擋品質(zhì)。
2.4 換擋規(guī)律的智能化
怎樣使自動(dòng)變速器能具有人類(lèi)般的智慧是人們一直在探求的理念，全智能模式發(fā)展，自主地根據(jù)駕駛員意愿和駕駛環(huán)境進(jìn)行智能換擋會(huì)是重要的研究方向。換擋智能化的發(fā)展會(huì)使自動(dòng)變速器具有更高品質(zhì)的性能，例如自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和容錯(cuò)處理等。為了改善自動(dòng)變速器的智能化特性，人們不斷嘗試新的控制技術(shù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法并根據(jù)統(tǒng)計(jì)分布來(lái)設(shè)計(jì)基于模糊規(guī)則的行駛環(huán)境識(shí)別系統(tǒng)，使識(shí)別系統(tǒng)中更多地采用模糊控制技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。不管在任何行駛環(huán)境中駕駛，駕駛員的經(jīng)驗(yàn)用模糊規(guī)則是最容易體現(xiàn)的。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性映射性，可以從數(shù)據(jù)中提取一定的規(guī)律，因此非常有利于進(jìn)行智能換擋系統(tǒng)研究。德國(guó)的BMW、ZF和BOSCH公司合作推出的5HP-24型自動(dòng)變速器可以通過(guò)對(duì)駕駛員操作加速踏板這一動(dòng)作進(jìn)行評(píng)價(jià)并對(duì)其要求進(jìn)行推斷，然后根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果選用預(yù)先設(shè)定的4種換擋模式中的一種。
2.5 電子控制的一體化
車(chē)輛電子技術(shù)早在20世紀(jì)60年代已有了很好的發(fā)展。電子控制自動(dòng)變速器正在向著綜合控制、微機(jī)控制方向轉(zhuǎn)變。目前，車(chē)輛電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是將各個(gè)相對(duì)獨(dú)立的車(chē)輛電子控制單元合為一體，電子控制參數(shù)可以反映變速器工作環(huán)境和車(chē)輛行駛環(huán)境的信號(hào)，更加全面地反映變速器的實(shí)際工況，并且在微機(jī)中會(huì)存儲(chǔ)多種換擋規(guī)律，駕駛?cè)藛T可以根據(jù)需要隨時(shí)應(yīng)用相應(yīng)的換擋規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳的換擋控制［78-81］。自動(dòng)變速器具有超速擋的微機(jī)控制功能，可提高自動(dòng)變速器的傳動(dòng)效率。利用微機(jī)控制與變矩器鎖止合作搭配來(lái)擴(kuò)大變速器應(yīng)用范圍的方法適用于更多的車(chē)型，這樣不但降低了制造成本，而且能通過(guò)改變軟件數(shù)據(jù)方便地改變自動(dòng)變速器的換擋特性。實(shí)行微機(jī)控制的自動(dòng)變速器可實(shí)現(xiàn)恒功率傳動(dòng)，變速過(guò)程會(huì)更加平順，降低了傳動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷，故對(duì)于提高變速器相關(guān)零/部件的壽命也是非常有利的。
3、我國(guó)汽車(chē)自動(dòng)變速器技術(shù)發(fā)展的不足之處
近年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)變速器正處于高速發(fā)展時(shí)期，對(duì)變速器的需求無(wú)論是數(shù)量上還是技術(shù)水平上都在不斷提高，但是與國(guó)際先進(jìn)水平相比還有很大的差距，尤其在機(jī)械加工和匹配性方面的差距相對(duì)明顯。在手動(dòng)變速器市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)品牌已占據(jù)主導(dǎo)地位，但在設(shè)計(jì)、制造和工藝水平更高的自動(dòng)變速器市場(chǎng)，進(jìn)口產(chǎn)品仍占主導(dǎo)地位。筆者經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的各種自動(dòng)變速器的優(yōu)劣性和技術(shù)現(xiàn)狀的比較發(fā)現(xiàn)，我國(guó)更應(yīng)該加強(qiáng)自動(dòng)變速器的研發(fā)。雖然目前國(guó)內(nèi)企業(yè)自主研發(fā)的自動(dòng)變速器已經(jīng)達(dá)到產(chǎn)業(yè)化且能供給國(guó)內(nèi)部分市場(chǎng)使用，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)汽車(chē)市場(chǎng)的自動(dòng)變速器裝車(chē)比率較低。我國(guó)汽車(chē)自動(dòng)變速器技術(shù)的不足之處主要體現(xiàn)在舒適性差、可靠性不高以及故障診斷控制技術(shù)不完備。
4、結(jié)語(yǔ)
隨著節(jié)能減排以及對(duì)汽車(chē)性能需求的不斷提高，使得世界各汽車(chē)廠商對(duì)自動(dòng)變速器的研發(fā)投入也不斷加大。自動(dòng)變速器作為汽車(chē)的主要傳動(dòng)部件之一，能提高電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性和適應(yīng)性。本文對(duì)液力自動(dòng)變速器(AT)、電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)、雙離合器變速器(DCT)和無(wú)級(jí)變速器(CVT)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述，分析了4種變速器的工作原理和各自特點(diǎn)，概括了自動(dòng)變速器多擋化、傳動(dòng)系統(tǒng)輕量化、換擋過(guò)程高品質(zhì)化和電控智能一體化的發(fā)展趨勢(shì)。近幾年，自動(dòng)變速器技術(shù)的研究成果著重表現(xiàn)在優(yōu)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)換擋控制系統(tǒng)等方面。實(shí)現(xiàn)智能換擋對(duì)提高汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性、安全性具有十分重要的意義。未來(lái)，自動(dòng)變速器會(huì)持續(xù)高速發(fā)展，其綜合性能也將逐步提升。
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2026-2031年中國(guó)水泥工業(yè)投資前景及風(fēng)險(xiǎn)分析報(bào)告
報(bào)告頁(yè)數(shù)：90頁(yè)
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