汽車變速器的發(fā)展

汽車變速器的發(fā)展

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的心臟。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力必須通過電機(jī)連接驅(qū)動(dòng)車輪的旋轉(zhuǎn)。傳動(dòng)系統(tǒng)的心臟是變速器。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化范圍小,而汽車行駛速度的變化范圍廣,所以一開始傳動(dòng)系統(tǒng)就設(shè)置了變速器。變速器的作用:①改變汽車的傳動(dòng)比,擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的范圍,使車輛適應(yīng)各種變化的行駛工況,同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)在理想的工況下工作;②在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩方向不變的前提下,實(shí)現(xiàn)汽車的倒退行駛;③實(shí)現(xiàn)空擋,中斷發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞給車輪的動(dòng)力,使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠起動(dòng)、怠速。100多年中,變速器經(jīng)歷了用變速桿改變鏈條的傳動(dòng)比→手動(dòng)變速器→有級(jí)自動(dòng)變速器→無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器的發(fā)展歷程。1汽車減速的發(fā)展歷史1.1在車輛護(hù)坡增加時(shí),增加了小鏈輪的價(jià)值,有利于推動(dòng)車輛進(jìn)早期的汽車傳動(dòng)系統(tǒng),從發(fā)動(dòng)機(jī)到車輪之間的動(dòng)力形式很簡(jiǎn)單。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一組錐齒減速齒輪,再傳動(dòng)到一根軸和皮帶輪。皮帶輪和驅(qū)動(dòng)橋上的內(nèi)齒輪嚙合,使汽車行駛,大齒輪用來(lái)加速,能使汽車達(dá)到32km/h的速度。如果遇到上坡,而爬坡能力不夠時(shí),駕駛員就停下車子,把小鏈輪嚙合后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。圖1所示為早期通用的側(cè)鏈傳動(dòng)汽車。世界上第一輛汽油汽車由德國(guó)工程師卡爾·本茨和戈特利布·戴姆勒于1886年同時(shí)宣告制成,卡爾·本茨制造的是三輪汽車,后者制造的是四輪汽車。在三輪汽車中,汽油機(jī)發(fā)動(dòng)以后,動(dòng)力經(jīng)齒輪和鏈條傳至后軸,后軸系兩個(gè)半軸,中間裝有差速器,有利于車輛轉(zhuǎn)彎。前輪架位于一個(gè)叉形結(jié)構(gòu)架上,類似現(xiàn)代自行車的前叉裝置,上面有轉(zhuǎn)向手柄,用來(lái)操縱車輛轉(zhuǎn)彎。這輛車上還裝有變速桿,用來(lái)改變鏈條的傳動(dòng)比,使車速快慢自如。以上所述就是早期汽車最初的傳動(dòng)系統(tǒng)。1.2中間軸旋轉(zhuǎn)齒輪手動(dòng)變速器(MT)主要采用齒輪傳動(dòng)的降速原理,變速器內(nèi)有多組傳動(dòng)比不同的齒輪副,汽車行駛時(shí)的換擋就是通過操縱機(jī)構(gòu)使變速器內(nèi)不同的齒輪副工作。如在低速時(shí),讓傳動(dòng)比大的齒輪副工作;而在高速時(shí),讓傳動(dòng)比小的齒輪副工作。由于每擋齒輪組的齒數(shù)是固定的,所以各擋的變速比是定值。常見的手動(dòng)變速器由鑄鐵或鋁制變速器殼體、軸、軸承、齒輪、同步器和換擋機(jī)構(gòu)組成(見圖2),即“兩軸一中間軸”,它們構(gòu)成了變速器的主體,還有一根倒擋惰輪軸。由圖2可見,輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)輸入齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),輸入齒輪帶動(dòng)安裝在中間軸上的大齒輪,兩者始終保持嚙合狀態(tài);中間軸上的所有齒輪都安裝在中間軸上,隨中間軸轉(zhuǎn)動(dòng);中間軸上倒擋惰輪齒輪驅(qū)動(dòng)倒擋惰輪齒輪。輸出軸上帶有外花鍵,齒輪可以在輸出軸上來(lái)回滑動(dòng);由于倒擋齒輪和二擋齒輪處于空擋位置,所以輸出軸不動(dòng)。1.3自動(dòng)轉(zhuǎn)速的概念手動(dòng)變速器汽車由于頻繁換擋操作,易使駕駛員疲勞,影響行駛安全;且不同的駕駛技術(shù)水平對(duì)車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、乘坐舒適性造成極大差異,所以自動(dòng)變速是人們長(zhǎng)期追求的目標(biāo),是車輛向高級(jí)發(fā)展的重要標(biāo)志。自動(dòng)變速器種類很多,主要有液力自動(dòng)變速器(AT)、電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)、無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器(CVT)。1.3.1自動(dòng)換擋控制AT的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜,不同型號(hào)變速器的局部結(jié)構(gòu)各不相同,使得自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)多樣化。但不論是哪一種,基本都是由液力變矩器、行星齒輪變速器和液壓操縱機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)組成(如圖3所示)。AT通過傳感器裝置將汽車的運(yùn)行工況轉(zhuǎn)化為電信號(hào),并通過自動(dòng)變速器的電腦對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理,然后輸出控制指令給相應(yīng)的電磁閥,實(shí)現(xiàn)變速器的自動(dòng)換擋操作。AT的換擋方式較簡(jiǎn)單、直接,電信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)后直接控制結(jié)合元件換擋,換擋過程平穩(wěn)。采用AT可取消離合器踏板和變速桿,大大簡(jiǎn)化駕駛員的操作。由于它設(shè)置了一個(gè)自動(dòng)換擋區(qū)范圍的選擋手柄,所以在一般情況下,都不需要任何換擋操縱動(dòng)作。駕駛員只需控制好油門踏板即可控制車速,必要時(shí)也可用制動(dòng)踏板予以配合。由于駕駛操作簡(jiǎn)單,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,因而可以使駕駛員集中精力觀察路況,掌握運(yùn)行方向和速度,從而提高運(yùn)行安全性。AT能把發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在一定范圍內(nèi),避免急劇變速,有利于減弱發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲和振動(dòng),同時(shí)由于減少了換擋次數(shù)和換擋過程平穩(wěn),因而可提高汽車行駛的平穩(wěn)性,提高乘坐舒適性。另外,采用液力傳動(dòng)和自動(dòng)換擋技術(shù),可以把發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速限制在污染較小的范圍內(nèi),不用頻繁換擋,因而可以減少對(duì)空氣的污染。液力自動(dòng)變速器也存在一些缺點(diǎn):結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造精度要求高,成本較高。液力變矩器的傳動(dòng)效率比機(jī)械傳動(dòng)低,燃油消耗比機(jī)械變速器高,但如果液力自動(dòng)變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配較好,或采用液力變速器閉鎖等措施,也可以使燃料消耗與機(jī)械變速器持平,甚至減少。1.3.2在齒輪變壓器中的應(yīng)用AMT在傳統(tǒng)軸式變速器和干式離合器基礎(chǔ)上進(jìn)行改造,即在總體傳動(dòng)結(jié)構(gòu)不變的情況下通過加裝電控系統(tǒng)、傳感器和相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),將選換擋、離合器及發(fā)動(dòng)機(jī)油門的操縱控制自動(dòng)化。其工作原理如圖4所示。電控機(jī)械式自動(dòng)變速器可根據(jù)當(dāng)前汽車運(yùn)行狀態(tài)、路面狀況及駕駛員意圖等進(jìn)行自動(dòng)換擋控制。駕駛員通過加速踏板和選擇器(包括選擋范圍、換擋規(guī)律、巡航控制等)向控制器(ECU)表達(dá)意圖,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、輸入軸轉(zhuǎn)速、車速、擋位、油門開度等傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況和車輛的運(yùn)行狀況,并將相應(yīng)的電信號(hào)輸入ECU,ECU按存儲(chǔ)在其中的設(shè)定程序模擬熟練駕駛員的駕駛規(guī)律(最佳換擋規(guī)律、離合器最佳結(jié)合規(guī)律、發(fā)動(dòng)機(jī)油門的自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)律等),對(duì)油門開度、離合器結(jié)合及換擋進(jìn)行控制,以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器和變速器最佳匹配,從而獲得優(yōu)良的行駛性能、平穩(wěn)起步性能和迅速換擋能力。AMT實(shí)現(xiàn)了變速器換擋的自動(dòng)控制,選換擋操縱桿的動(dòng)作和離合器的結(jié)合與分離由氣動(dòng)、液動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成,使選換擋操作方便,減輕了駕車者的勞動(dòng)強(qiáng)度。通過ECU進(jìn)行最優(yōu)化的換擋控制,使汽車能在最理想的換擋點(diǎn)及時(shí)換擋,并可避免手動(dòng)換擋操作不當(dāng)所造成的換擋沖擊。因此,AMT可使汽車的動(dòng)力性和平順性等有所提高。采用傳統(tǒng)的齒輪變速器傳動(dòng),傳動(dòng)效率優(yōu)于液力變速器,機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的維修也較簡(jiǎn)單。AMT在齒輪變速器基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了換擋操作自動(dòng)化,具有生產(chǎn)繼承性好、投入費(fèi)用低、效率高、制造簡(jiǎn)單、操縱方便等優(yōu)點(diǎn),已成為自動(dòng)變速器研究開發(fā)的熱點(diǎn)。但AMT通過微機(jī)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋,增設(shè)了相關(guān)的傳感器、ECU及換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu),其成本較手動(dòng)變速器高,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,維修難度也相應(yīng)有所提高。1.3.3土配體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)CVT是理想的傳動(dòng)方式之一,在汽車上已實(shí)用化的CVT分為傳動(dòng)帶型與牽引驅(qū)動(dòng)型兩種,它們都是應(yīng)用摩擦力傳遞動(dòng)力。目前實(shí)際應(yīng)用的有金屬帶(推塊)式、復(fù)合帶式、擺銷鏈?zhǔn)郊板F盤滾輪式CVT。其中,金屬帶式CVT開發(fā)最早,應(yīng)用最廣。金屬帶式無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)是迄今為止應(yīng)用成功的車輛無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)。大量實(shí)踐表明,裝有金屬帶式無(wú)級(jí)變速器汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及排放比裝有液力自動(dòng)變速器和手動(dòng)機(jī)械變速器的汽車更佳。因此,金屬帶式CVT自1987年首次裝車以來(lái),在短短的十幾年間得到了廣泛應(yīng)用,預(yù)計(jì)在21世紀(jì)將獲得更大的發(fā)展。如圖5所示,CVT系統(tǒng)主要包括主動(dòng)輪組、從動(dòng)輪組、傳動(dòng)帶和液壓泵等基本部件。主動(dòng)輪組和從動(dòng)輪組都由可動(dòng)盤和固定盤組成,與油缸靠近的一側(cè)帶輪可以在軸上滑動(dòng),另一側(cè)則固定?？蓜?dòng)盤與固定盤都是楔形面結(jié)構(gòu),楔形面形成V形槽與V形傳動(dòng)帶嚙合。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力首先傳遞到主動(dòng)輪,然后通過V形傳動(dòng)帶傳遞到從動(dòng)輪,最后經(jīng)減速器、差速器傳遞給車輪驅(qū)動(dòng)汽車。當(dāng)主動(dòng)輪軸向夾緊力增加,主動(dòng)輪可動(dòng)部分向主動(dòng)輪固定部分靠近,主動(dòng)帶輪間距減小,因帶輪的V形楔面作用,傳動(dòng)帶沿帶輪徑向向外滑移,作用半徑增大。在變速過程中,由于傳動(dòng)帶長(zhǎng)度一定,從動(dòng)輪可動(dòng)部分受傳動(dòng)帶力的作用,背離從動(dòng)輪固定部分向外移動(dòng),錐輪間距將增大,從動(dòng)輪的作用半徑減小,從而使無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)比減小。若主動(dòng)帶輪軸向夾緊力減小,則有相反的作用過程,導(dǎo)致無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)比增加。傳動(dòng)帶無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)通過調(diào)整作用在主、從動(dòng)輪的軸向夾緊力,改變傳動(dòng)帶在主、從動(dòng)輪上的作用半徑,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。CVT符合汽車變速器控制方式由手動(dòng)轉(zhuǎn)為自動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平穩(wěn)的無(wú)級(jí)變速,而且操縱簡(jiǎn)便,消除了MT與AT換擋調(diào)速時(shí)的跳動(dòng)與沖擊,減輕了手動(dòng)操作的要求和勞動(dòng)強(qiáng)度,降低了噪聲,提高了行車舒適性與安全性。與MT和AT采用分級(jí)齒輪調(diào)速出現(xiàn)的階梯性變化不同,CVT可實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化,而且調(diào)速響應(yīng)迅速、平穩(wěn),故更能適應(yīng)各種路況要求,具有優(yōu)良的動(dòng)力性能。由于CVT能按照車輛行駛工況的變化要求及時(shí)調(diào)整傳動(dòng)比,可與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載實(shí)現(xiàn)最佳匹配,使發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于最佳工作狀態(tài),發(fā)揮最大效能,且無(wú)換擋的沖擊和功率損耗,獲得最佳的燃料經(jīng)濟(jì)性;同時(shí)因燃燒完全,減少了廢氣排放,有利于環(huán)保。此外,與AT相比,CVT還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、成本低、維修方便、效率高(90%)、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此,CVT是當(dāng)前新一代先進(jìn)的變速傳動(dòng)型式?，F(xiàn)在世界上已有百萬(wàn)計(jì)的各種牌號(hào)汽車采用CVT技術(shù),在今后的發(fā)展中,CVT將成為轎車變速器的主流型式,獲得更為迅速、廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。2機(jī)電一體化技術(shù)近年來(lái),隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展,電子控制自動(dòng)變速器的問世,給汽車帶來(lái)了更理想的傳動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)入汽車領(lǐng)域,推動(dòng)汽車變速器裝置的重大變革。自動(dòng)變速器裝置出現(xiàn)了電子化趨勢(shì),特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,使由微機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器換擋成為可能。2.1自動(dòng)阻燃系統(tǒng)的功能智能型電子控制自動(dòng)變速器的電子系統(tǒng)可在汽車行駛過程中對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行控制,合理選擇換擋點(diǎn),而且可在換擋過程中對(duì)惡化的參數(shù)(摩擦片的摩擦系數(shù)、油的粘度、車輛的復(fù)合變化等)進(jìn)行修正。同時(shí)具有自診斷系統(tǒng),可將汽車運(yùn)行中的故障記錄下來(lái),便于維護(hù)。利用微機(jī)控制變速器,不僅使換擋程序更符合駕駛員的意愿,而且能利用模糊控制理論解決特殊情況下變速程序的復(fù)雜問題,使自動(dòng)變速器的控制能力及可靠性大幅度提高?，F(xiàn)代電子控制自動(dòng)變速器的主要特點(diǎn)是一機(jī)(微機(jī))多參數(shù)、多規(guī)律性的控制。多參數(shù)指輸入微機(jī)的控制參數(shù)多元化,即控制參數(shù)不僅有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、節(jié)氣門開度等信號(hào),而且有反映發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器工作環(huán)境、行駛狀況等信號(hào)。控制參數(shù)多元化,能全面反映發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器的實(shí)際工況。多規(guī)律是指微機(jī)中存儲(chǔ)多種不同的換擋規(guī)律,如最佳經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及各種加速行駛時(shí)的經(jīng)濟(jì)性、最佳排放量等,駕駛員可按需要調(diào)用相應(yīng)的規(guī)律,實(shí)現(xiàn)最佳控制。多參數(shù)、多規(guī)律性的電子控制,使發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器在不同油門開度和各種行駛環(huán)境下都能處于最佳工作狀態(tài)。2.2電子控制的v形金屬帶型無(wú)效變壓器增加在第一無(wú)級(jí)變速器能自由改變速比,故能進(jìn)行理想的變速控制,比多擋位齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)更優(yōu)越。自動(dòng)變速器多擋化雖能擴(kuò)大自動(dòng)變速的范圍,但它并不安全、迅速,只在有級(jí)變速與無(wú)級(jí)變速之間,而理想的無(wú)級(jí)變速器是在整個(gè)傳動(dòng)范圍內(nèi)能連續(xù)、無(wú)擋比地切換變速比,使變速器始終按最佳換擋規(guī)律自動(dòng)變速。無(wú)級(jí)化是對(duì)自動(dòng)變速器的理想追求。但是無(wú)級(jí)變速器存在體積大、笨重和傳動(dòng)效率低的問題,而且缺少解決耐久性問題的相應(yīng)措施。隨著電子技術(shù)的應(yīng)用,電子控制的V形金屬帶型無(wú)級(jí)變速器在西歐及日本得到重視,正在積極開發(fā)。目前,日本富士重工公司、荷蘭VDT公司等正著手研制開發(fā)并在微型轎車上采用此類變速器。當(dāng)今世界各大汽車公司對(duì)無(wú)級(jí)變速器的研制十分活躍。不久的將來(lái),電子控制無(wú)級(jí)變速器可望得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。2.3汽車質(zhì)量與油路的關(guān)系減輕質(zhì)量、縮短動(dòng)力傳遞路線能使汽車節(jié)油,自動(dòng)變速器的小型化正起著這種作用。汽車質(zhì)量是一個(gè)重要參數(shù),是油耗的決定因素之一。實(shí)驗(yàn)表明:汽車質(zhì)量降低1%,油耗可降低0.7%。未來(lái)汽車研究將致力于減輕所有部件的質(zhì)量。另一方面,人們對(duì)汽車安全性的要求日益提高,要求在偶然發(fā)生碰撞的情況下,汽車有足夠的剛度,提供更大的駕駛空間,因此,變速器的小型輕量化日顯重要。2.4齒輪重合度的選擇在汽車的諸多噪聲源中,傳動(dòng)系的噪聲僅次于發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣系統(tǒng)的噪聲。齒輪噪聲又是變速器的主要聲源,在降低變速器噪聲中占有非常重要的比重。幾十年來(lái),人們對(duì)齒輪的低噪聲化進(jìn)行了大量研究,取得了明顯成效。在齒輪參數(shù)的降噪設(shè)計(jì)中,通過提高齒輪重合度來(lái)降低高速擋齒輪的噪聲,小模數(shù)、小壓力角、大齒高的齒輪設(shè)計(jì)已成為潮流。變