論汽車變速器之爭

1、論汽車變速器之爭摘要：當今車用變速箱主要分為機械式變速器MT、液力自動變速器AT、電控機械式自動變速器AMT、雙離合自動變速器DCT和無級變速器CVT幾大類型，機械式自動變速器以其特有的傳動效率高和開發(fā)成本少等優(yōu)點躋身于車用變速箱使用的前列。在控制程序上，AMT 比 DCT、AT 和 CVT 更簡單；在傳動效率上，AMT比 AT 和 CVT 效率更高。然而AMT在換擋過程中存在動力中斷問題，DCT則很好地解決了這一問題。盡管自動變速器還具有各種問題，但自動變速器的應用，可明顯改善汽車駕駛的操縱便捷性和乘坐舒適性，這使得自動變速器逐漸被人們所接受。在這種情況下，各大廠商加速了對自動變速器的研發(fā)。

2、關鍵詞：機械式變速器；液力自動變速器；電控機械式自動變速器；雙離合自動變速器；無級變速器Analysis on the Transmission of Vehicle Abstract：Todays vehicle gearbox can be divided into mechanical transmission (MT), automatic transmission (AT), automated mechanical transmission (AMT), dual clutch transmission (DCT), and continuously variable transm

3、ission (CVT). MT with its high transmission efficiency and less manufacturing cost among the forefront of automotive transmissions use. From the point of the program, AMT is more easier than DCT, AT and CV; In terms of efficiency, AMT is higher than AT and CVT. Unfortunately, there is a problem of s

4、topping power in the AMT shift process, DCT has perfectly solved this problem. Although the automatic transmission also has a variety of problems, but the application of automatic transmission can significantly improve the driving ease of handling and ride comfort, which makes automatic transmission

5、s is growingly accepted. In this case, all the major manufacturers accelerate the research and development of automatic transmission. Keywords: MT; AT; AMT; DCT; CVT引言在汽車的動力總成中，變速器被公認為僅次于發(fā)動機的一大重要總成。當今車用變速箱主要分為：機械式變速器MT(Mechanical Transmission )、液力自動變速器AT(Automatic Transmission)、電控機械式自動變速器AMT(Automat

6、ed Mechanical Transmission)、雙離合自動變速器DCT(Dual Clutch Transmission)和無級變速器CVT(Continuously Variable Transmission)幾大類型 1。 上述各種變速器各自具有各自的優(yōu)缺點，總的趨勢是廣泛應用的手動變速器的市場份額將會因為各種各樣的自動變速器的出現(xiàn)而呈下降趨勢，但是手動變速器還會在以后相當長的時間被廣泛應用，而大量自動變速器的應用，可明顯改善汽車駕駛的操縱便捷性、動力性和燃油經(jīng)濟性。1機械式變速器MT機械式變速器又稱手動變速器，自汽車發(fā)明以來，手動變速器一直得到廣泛應用。直到20世紀60年代，大部

7、分的汽車變速器只有3個檔位，只有高速檔具備同步器。當時駕駛員駕駛車輛時，必須有很好的技術(shù)，才能平順地換檔。由于價格合理、燃料消耗低，限于當前自動變速器技術(shù)的不完善，今后手動變速器一定還會在相當長一段時間內(nèi)繼續(xù)獲得應用。為改進手動變速器的性能，汽車工業(yè)的主要精力集中在下列方面：(1)提高換檔的舒適性；(2)用輕金屬降低變速器的重量；(3)減少內(nèi)損耗，例如使用低粘度潤滑油；(4)以合乎環(huán)境保護標準的生產(chǎn)工藝等有效生態(tài)方案補償成本膨脹；(5)發(fā)展能用現(xiàn)有設備和零部件相兼容的雙離臺器變速器的生產(chǎn)平臺 2。2液力自動變速器AT液力自動變速器是小型汽車上常用的變速器類型，它由液力變矩器、行星齒輪和自動換擋

8、控制系統(tǒng)三部分構(gòu)成。液力變矩器是在液力耦合器的基礎上加裝導輪構(gòu)成，即其有3個工作輪，泵輪、渦輪和導輪。泵輪和渦輪的構(gòu)造與液力耦合器基本相同；導輪則位于泵輪和渦輪之間，并與泵輪和渦輪保持一定的軸向間隙，通過導輪固定套固定于變速器殼體上（圖2.1）。1-飛輪 2-渦輪 3-泵輪 4-導輪 5-變矩器輸出軸 6-曲軸 7-導輪固定套圖 2.1液力變矩器發(fā)動機運轉(zhuǎn)時帶動液力變矩器的殼體和泵輪與之一同旋轉(zhuǎn)，泵輪內(nèi)的液壓油在離心力的作用下，由泵輪葉片外緣沖向渦輪，并沿渦輪葉片流向?qū)л?，再?jīng)導輪葉片內(nèi)緣，形成循環(huán)的液流。導輪的作用是改變渦輪上的輸出扭矩。由于從渦輪葉片下緣流向?qū)л喌囊簤河腿杂邢喈敶蟮臎_擊力，

9、只要將泵輪、渦輪和導輪的葉片設計成一定的形狀和角度，就可以利用上述沖擊力來提高渦輪的輸出扭矩。為說明這一原理，可以假想地將液力變矩器的3個工作輪葉片從循環(huán)流動的液流中心線處剖開并展平，得到圖2.2所示的葉片展開示意圖；并假設在液力變矩器工作中，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和負荷都不變，即液力變矩器泵輪的轉(zhuǎn)速np和扭矩Mp為常數(shù)。在汽車起步之前，渦輪轉(zhuǎn)速為0，發(fā)動機通過液力變矩器殼體帶動泵輪轉(zhuǎn)動，并對液壓油產(chǎn)生一個大小為Mp的扭矩，該扭矩即為液力變矩器的輸入扭矩。此時渦輪靜止不動，沖向渦輪的液壓油沿葉片流向渦輪下緣，在渦輪下緣以一定的速度，沿著與渦輪下緣出口處葉片相同的方向沖向?qū)л啠琈t對導輪也產(chǎn)生一個沖擊力矩，

10、并沿固定不動的導輪葉片流回泵輪。當液壓油對渦輪和導輪產(chǎn)生沖擊扭矩時，渦輪和導輪也對液壓油產(chǎn)生一個與沖擊扭矩大小相等、方向相反的反作用扭矩Mt和Ms，其中Mt的方向與Mp的方向相反，而Ms的方向與Mp的方向相同。根據(jù)液壓油受力平衡原理，可得：Mt=Mp+Ms。由于渦輪對液壓油的反作用，扭矩Mt與液壓油對渦輪的沖擊扭矩（即變矩器的輸出扭矩）大小相等，方向相反，因此可知，液力變矩器的輸出扭矩在數(shù)值上等于輸入扭矩與導輪對液壓油的反作用扭矩之和。顯然這一扭矩要大于輸入扭矩，即液力變矩器具有增大扭矩的作用。液力變矩器輸出扭矩增大的部分即為固定不動的導輪對循環(huán)流動的液壓油的作用力矩，其數(shù)值不但取決于由渦輪沖

11、向?qū)л喌囊毫魉俣?，也取決于液流方向與導輪葉片之間的夾角。當液流速度不變時，葉片與液流的夾角愈大，反作用力矩亦愈大，液力變矩器的增扭作用也就愈大。一般液力變矩器的最大輸出扭矩可達輸入扭矩的2.6倍左右。A泵輪 B 渦輪 C 導輪圖2.2 液力變矩器工作原理由泵輪沖向渦輪的液壓油方向 2-由渦輪沖向?qū)л喌囊簤河头较?3-由導輪流回泵輪的液壓油方向。當汽車在液力變矩器輸出扭矩作用下起步后，與驅(qū)動輪相連接的渦輪也開始轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)速隨著汽車的加速不斷增加。這時由泵輪沖向渦輪的液壓油除了沿著渦輪葉片流動之外，還要隨著渦輪一同轉(zhuǎn)動，使得由渦輪下緣出口處沖向?qū)л喌囊簤河偷姆较虬l(fā)生變化，不再與渦輪出口處葉片的方向

12、相同，而是順著渦輪轉(zhuǎn)動的方向向前偏斜了一個角度，使沖向?qū)л喌囊毫鞣较蚺c導輪葉片之間的夾角變小，導輪上所受到的沖擊力矩也減小，液力變矩器的增扭作用亦隨之減小。車速愈高，渦輪轉(zhuǎn)速愈大，沖向?qū)л喌囊簤河头较蚺c導輪葉片的夾角就愈小，液力變矩器的增扭作用亦愈??；反之，車速愈低，液力變矩器的增扭作用就愈小。因此，與液力偶合器相比，液力變矩器在汽車低速行駛時有較大的輸出扭矩，在汽車起步上坡或遇到較大行駛阻力時，能使驅(qū)動輪獲得較大的驅(qū)動力矩。當渦輪轉(zhuǎn)速隨車速的提高而增大到某一數(shù)值時，沖向?qū)л喌囊簤河偷姆较蚺c導輪葉片之間的夾角減小為0，這時導輪將受液壓油的沖擊作用，液力變矩器失去增扭作用，其輸出扭矩等于輸入扭矩

13、。若渦輪轉(zhuǎn)速進一步增大，沖向?qū)л喌囊簤河头较蚶^續(xù)向前斜，使液壓油沖擊在導輪葉片的背面，這時導輪對液壓油的反作用扭矩Ms的方向與泵輪對液壓油扭矩Mp的方向相反，故此渦輪上的輸出扭矩為二者之差，即Mt=Mp- Ms，液力變矩器的輸出扭矩反而比輸入扭矩小，其傳動效率也隨之減小。當渦輪轉(zhuǎn)速較低時，液力變矩器的傳動效率高于液力偶合器的傳動效率；當渦輪的轉(zhuǎn)速增加到某一數(shù)值時，液力變矩器的傳動效率等于液力偶合器的傳動效率；當渦輪轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大后，液力變矩器的傳動效率將小于液力偶合器的傳動效率 3。目前在裝用自動變速器的汽車上使用的變矩器大多是綜合式液力變矩器，它和一般型式液力變矩器的不同之處在于它的導輪不是完

14、全固定不動的，而是通過單向超越離合器支承在固定于變速器殼體的導輪固定套上。單向超越離合器使導輪可以朝順時針方向旋轉(zhuǎn)（從發(fā)動機前面看），但不能朝逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當渦輪轉(zhuǎn)速較低時，從渦輪流出的液壓油從正面沖擊導輪葉片，如圖2.2（b）所示，對導輪施加一個朝逆時針方向旋轉(zhuǎn)的力矩，但由于單向超越離合器在逆時針方向具有鎖止作用，將導輪鎖止在導輪固定套上固定不動，因此這時該變矩器的工作特性和液力變矩器相同，渦輪上的輸出扭矩大于泵輪上的輸入扭矩即具有一定的增扭作用。當渦輪轉(zhuǎn)速增大到某一數(shù)值時，液壓油對導輪的沖擊方向與導輪葉片之間的夾角為0，此是渦輪上的輸出扭矩等于泵輪上的輸入扭矩。若渦輪轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，液壓油

15、將從反面沖擊導輪，如圖2.2（c）所示，對導輪產(chǎn)生一個順時針方向的扭矩。由于單向超越離合器在順時針方向沒有鎖止作用，可以像軸承一樣滑轉(zhuǎn)，所以導輪在液壓油的沖擊作用下開始朝順時針方向旋轉(zhuǎn)。由于自由轉(zhuǎn)動的導輪對液壓油沒有反作用力矩，液壓油只受到泵輪和渦輪的反作用力矩的作用。因此這時該變矩器的不能起增扭作用，其工作特性和液力偶合器相同。這時渦輪轉(zhuǎn)速較高，該變矩器亦處于高效率的工作范圍。導輪開始空轉(zhuǎn)的工作點稱為偶合點。由上述分析可知，綜合式液力變矩器在渦輪轉(zhuǎn)速由0至偶合點的工作范圍內(nèi)按液力變矩器的特性工作，在渦輪轉(zhuǎn)速超過偶合點轉(zhuǎn)速之后按液力偶合器的特性工作。因此，這種變矩器既利用了液力變矩器在渦輪轉(zhuǎn)速

16、較低時所具有的增扭特性，又利用了液力偶合器渦輪轉(zhuǎn)速較高時所具有的高傳動效率的特性。由以上液力變矩器的工作原理可知，液力自動變速箱顯著的優(yōu)良特點是液力變矩器能消除沖擊和振動，起動性能和過載保護性能都很好。液力變矩器兩端輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)速存在不同，這個轉(zhuǎn)速差隨變矩器兩端扭矩的改變而改變，因此具有良好的自動變速性能。阻力矩增大時，輸出轉(zhuǎn)速下降，阻力矩較小時輸出轉(zhuǎn)速上升，緩和了變矩器兩端動力源或負載的瞬間變化。但其存在一定缺點，就是傳動效率較低。液力變矩器存在一定的無級調(diào)速能力，但是無法滿足車輛換擋改變速度和扭矩這兩方面的要求。所以液力變矩器后面加入了行星齒輪變速系統(tǒng)，以擴大傳動比和高效率工作的范圍

17、。但是存在以下缺點：傳動效率低、構(gòu)造零件多且復雜、制造成本高。我國目前的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)水平比國外都有著相當大的不足 4。3電控機械式自動變速器AMT電控機械式自動變速器是在手動變速器的基礎上改進的，保留了干式離合器和手動變速器的絕大部分，只是改變了手動變速器的換擋操縱機構(gòu)，改由微機控制，根據(jù)存儲在變速器控制單元里的換擋規(guī)律來進項換擋判斷和發(fā)送換擋指令，再由相應的執(zhí)行機構(gòu)完成換擋操作。按執(zhí)行機構(gòu)動力源的不同，電控機械式自動變速器的選換擋機構(gòu)可分為電控氣動、電控液動和電控電動三種類型。電控機械式自動變速器保留了手動變速器變速效率高、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、容易制造的好處，因此非常適合我國國情。原有生產(chǎn)手

18、動變速器的廠家把產(chǎn)線稍作改動即可生產(chǎn)電控機械式自動變速器的硬件部分，但是其電子控制部分是整個電控機械式自動變速器的關鍵部分。變速器控制單元內(nèi)的控制程序的好壞直接關系到自動變速換擋品質(zhì)的高低。當前市場上還有一種電驅(qū)動機械式變速器EMT(Electric-drive Mechanical Transmission),其本質(zhì)上屬于電控機械式自動變速器的一種，只是去除了干式離合器，把電機的輸出軸與變速器輸入軸直接相連。在換擋控制中，通過對電機轉(zhuǎn)速的控制和調(diào)節(jié)，實現(xiàn)快速換擋的目的。其傳動效率高、結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)要求不高 5。EMT的結(jié)構(gòu)設計中也有其獨特的地方，那就是去除了傳統(tǒng)AMT中的同步器，改由嚙合套來

19、進行接合。這是因為電機轉(zhuǎn)子與變速器輸入軸直接連接，于是輸入軸端的轉(zhuǎn)動慣量大大的增加，如果繼續(xù)使用同步器進行換擋同步，會嚴重磨損同步器鎖環(huán)的錐環(huán)面，減少同步器的使用壽命。而使用電機主動同步、哨合套接合換擋則有效避免了滑摩功，縮短了換擋時間。4雙離合自動變速器DCTDCT雙離合自動變速器是基于手動變速器基礎之上，但與手動變速箱完全不同的是，DCT中有兩幅離合器與兩根輸入軸相連，換檔和操作離合器是通過集成電子和液壓元件的機械電子模塊自動實現(xiàn)，而不需要駕駛員通過操作離合器踏板。DCT雙離合自動變速器由雙離合器系統(tǒng)模塊、液壓控制系統(tǒng)，扭轉(zhuǎn)減振系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)組成。按類型可分為濕式和干式兩種，雙離合自動

20、變速器的結(jié)構(gòu)較為復雜，雙離合器系統(tǒng)模塊和液壓控制模塊是DCT雙離合自動變速器的核心，雙離合器系統(tǒng)模塊相當于雙離合器自動變速器的心臟，控制模塊則可以認為是自動變速器的大腦。DSG (Direct Shift Gearbox)是雙離合自動變速器的典型代表，它是大眾汽車公司的專用名稱，文章以大眾6檔DSG雙離合器自動變速器為例分析其結(jié)構(gòu)和工作原理。圖4.1 大眾6檔DSG雙離合自動變速器圖4.1是大眾6檔DSG雙離合器自動變速器機械結(jié)構(gòu)圖，發(fā)動機的輸入軸通過緩沖器與兩幅離合器：離合器1和離合器2的外片相連，離合器1、離合器2兩幅離合器分別控制奇數(shù)檔位(1、3、5檔)和偶數(shù)檔位(2、4、6檔)，DSG

21、有兩根同軸的輸入軸，輸入軸1裝在輸入軸2里面，輸入軸1和離合器1相連，輸人軸1上的齒輪就可以和1、3、5檔的齒輪嚙合；輸人軸2是空心的，和離合器2相連，輸入軸2上的齒輪分別和2、4、6檔齒輪相嚙合。倒檔齒輪通過中間軸齒輪和輸入軸嚙合。當汽車掛上檔開始行駛時，離合器1結(jié)合，輸入軸1工作，離合器2分離，當?shù)竭_換檔車速時，將正在結(jié)合的離合器1分離，結(jié)合離合器2，就可以達到換檔目的，由于DSG雙離合變速器工作過程中總有兩個檔位是結(jié)合的，一個正在工作，另一個在為下一個換檔做好準備，手動模式下可以進行跳躍降檔，如果起始檔位和最終那個檔位屬于同一個離合器控制，則會通過另一個離合器控制的檔位轉(zhuǎn)換一下，如果起始檔位和最終檔位不屬于同一個離合器控制，就可以直接換到所定檔位，在換檔過程中，不需要將動力完全切斷，這與目前的AT自動變速器換檔過程類似。5無級變速器CVT大規(guī)模成功應用的CVT 是由錐輪和傳動帶組合的傳動帶式CVT 。這種CVT 變速器主要靠傳動帶和帶輪錐面摩擦來實現(xiàn)扭矩傳遞，摩擦傳動使得傳動帶承受很大的應力，導致CVT 的扭矩容量受到很大限制，同時由于傳動帶高夾壓力的需求，導致CVT 傳動效率相對MT 較低。CVT變速器由于其優(yōu)異的駕乘舒適性及燃油經(jīng)濟性表現(xiàn)，正被越來越多的人所青睞。2013 年CVT 占全球乘