汽車(chē)變速器歷史發(fā)展和方向

【專(zhuān)家解說(shuō)】：汽車(chē)自動(dòng)變速器(AT)的主要類(lèi)型及目前的使用情況 AT有以下幾種形式： (1)液力機(jī)械A(chǔ)T—HMT(Hydrodynamic Mechanical Transmission)廣泛應(yīng)用于轎車(chē)、公共汽車(chē)、重型車(chē)輛、商用車(chē)和工程車(chē)輛上，它是目前AT的主流。 (2)機(jī)械式AT—AMT(Automated Mechanical Transmission)在通常機(jī)械式變速器基礎(chǔ)上加上微機(jī)控制電液伺服操縱自動(dòng)換檔機(jī)構(gòu)組成，目前它應(yīng)用于部分低檔轎車(chē)上和局部卡車(chē)和商用車(chē)上。 (3)無(wú)級(jí)式AT—CVT(Continuously Variable Transmission)有以下幾種形式： ●機(jī)械式：有不少形式，目前主要的是推塊金屬V型帶式傳動(dòng)，在轎車(chē)上已開(kāi)始批量試用。 ●液壓傳動(dòng)式(HST hydrostatic transmission)：在工程車(chē)輛和農(nóng)業(yè)機(jī)械上已應(yīng)用。雖本田公司最近開(kāi)發(fā)了泵和馬達(dá)制成一體的液壓和機(jī)械雙流傳動(dòng)的AT，用于微型多功能車(chē)上，但存在轉(zhuǎn)速限制、效率、噪聲、重量和尺寸等問(wèn)題，在汽車(chē)上基本沒(méi)有應(yīng)用。 ●電力式：用于電動(dòng)汽車(chē)(EV electric vehicle)。 AMT的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)分析 AMT是在普通人工換檔機(jī)械式變速器基礎(chǔ)上加上替代人工換檔的電子控制操縱機(jī)構(gòu)組成，此自動(dòng)換檔機(jī)構(gòu)有人稱(chēng)為換檔機(jī)械手。 AMT是在普通機(jī)械變速器上進(jìn)行改造而成的，僅改變其中手動(dòng)換擋操縱部分，生產(chǎn)制造繼承性好，改造投入費(fèi)用少，技術(shù)難度似乎不大，可以先局部自動(dòng)化。例如：先離合器自動(dòng)操縱、局部檔位間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操縱等，然后再實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化。這對(duì)資金缺乏、制造能力低、技術(shù)力量薄弱的我國(guó)汽車(chē)工業(yè)來(lái)說(shuō)，具有一定的吸引力。已有幾家國(guó)內(nèi)單位進(jìn)行了研究開(kāi)發(fā)，取得了可喜的成績(jī)。 AMT保留原來(lái)的機(jī)械變速器，因此其傳動(dòng)性能基本上和機(jī)械變速器相同。除了齒輪傳動(dòng)外，主要特點(diǎn)是具有以下兩大機(jī)構(gòu)：起步裝置，帶扭矩減振器的主離合器；換檔裝置，帶同步器的換檔嚙合套。 這種純機(jī)械傳動(dòng)，具有傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是換檔過(guò)程不可避免存在動(dòng)力中斷。只有一個(gè)結(jié)合元件脫開(kāi)后，另一個(gè)結(jié)合元件才能結(jié)合的缺點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)換檔過(guò)程結(jié)合元件轉(zhuǎn)換時(shí)的搭接控制。因此起步和換檔必然不夠平穩(wěn)和沖擊較大。同時(shí)機(jī)械傳動(dòng)很難阻隔發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩不均勻引起的震動(dòng)。AMT車(chē)振動(dòng)和噪聲較大，乘坐舒適性差，對(duì)高級(jí)豪華車(chē)不太合適。 實(shí)際上，要搞高水平微機(jī)控制自動(dòng)換檔機(jī)構(gòu)在技術(shù)上是很難的，除了需高水平的電液比例控制技術(shù)外，還要滿(mǎn)足駕駛員的駕駛愿望和適應(yīng)各種行駛工況來(lái)進(jìn)行換檔，另外換檔過(guò)程是復(fù)雜的綜合操縱過(guò)程，除了要操縱主離合器和變速器外，還涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)和制動(dòng)操縱。從目前來(lái)看AMT還比較難達(dá)到這個(gè)水平，而且這套換檔機(jī)械手系統(tǒng)的制造成本是不低的，AMT與HMT相比沒(méi)有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。另外AMT自動(dòng)換檔機(jī)構(gòu)需要?jiǎng)恿?，因此或多或少也得降低傳?dòng)效率。 基于以上分析，我們認(rèn)為AMT適用于商用車(chē)和卡車(chē)，這些車(chē)檔位較多，采用HMT困難，需要自動(dòng)操縱，減輕駕駛員勞動(dòng)，而且換檔過(guò)程動(dòng)力切斷影響不大，對(duì)乘坐舒適性要求也不高。AMT也可用于低檔轎車(chē)上，且不一定搞全自動(dòng)，搞局部自動(dòng)操縱和換檔也可以，解決人工換檔機(jī)械變速器起步換檔操縱復(fù)雜、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，作為簡(jiǎn)化駕駛操縱的具體技術(shù)措施。 3、 HMT的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)分析 HMT是由液力變矩器和液壓操縱換檔變速器組成。 HMT和AMT對(duì)比主要差異是： 1 起步裝置以液力變矩器代替主離合器變矩器傳遞扭矩與泵輪轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系，在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)傳遞力矩小，它解決了內(nèi)燃機(jī)不能有載啟動(dòng)問(wèn)題，具有不需操縱，只需加油門(mén)就能自動(dòng)起步的功能。通過(guò)長(zhǎng)期使用證明液力變矩器對(duì)汽車(chē)來(lái)說(shuō)是一個(gè)有效的部件，它具有以下優(yōu)點(diǎn)： ●自動(dòng)變矩，起步時(shí)扭矩自動(dòng)增加，提高起步性能，行駛時(shí)能自動(dòng)適應(yīng)外界阻力的變化。扭矩和牽引力隨油門(mén)踏板變化很容易操縱調(diào)節(jié)，特別是低速起動(dòng)或爬坡時(shí)，使得駕駛?cè)菀追奖恪?●起步加速和換檔平穩(wěn)，降低傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)載荷，延長(zhǎng)傳動(dòng)系統(tǒng)壽命。 ●阻隔發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩不均勻性引起的振動(dòng)，降低噪聲，提高乘坐舒適性給人以駕駛平穩(wěn)高級(jí)的感覺(jué)。 ●防止發(fā)動(dòng)機(jī)因過(guò)載而突然熄火，提高車(chē)輛的通過(guò)性。 變矩器主要缺點(diǎn)是傳動(dòng)效率低，增加油耗。在變矩器應(yīng)用的初期，人們存在著一種錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，認(rèn)為變矩器能起自動(dòng)變矩作用，因此最初的HMT變矩器的失速比很大，變矩主要*變矩器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而變速器是輔助的，因此檔位很少，最初只有兩檔，后來(lái)才逐漸明白，要*變矩器提高變矩比，必然會(huì)導(dǎo)致變矩器油耗增大，是行不通的。HMT適應(yīng)外界阻力的變化變速變矩主要還得依*變速器。因此HMT的變速器檔位數(shù)在不斷增加，從2檔發(fā)展到3、4檔，目前高檔轎車(chē)采用5檔，并有可能發(fā)展到6檔。而變矩器的失速變矩比降低到2以下，以提高其最高效率。 同時(shí)對(duì)變矩器的作用也有了進(jìn)一步的明確，它僅在起步加速和換檔過(guò)程中起有效作用，在穩(wěn)定行駛時(shí)不起什么作用，反而使油耗增加。因此采用閉鎖離合器，將變矩器閉鎖成機(jī)械傳動(dòng)，以提高效率。剛開(kāi)始采用閉鎖離合器，其閉鎖區(qū)域僅限于高檔位、高車(chē)速和低油門(mén)較狹窄的區(qū)域。因?yàn)樵诘蜋n區(qū)域變矩器閉鎖后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不均勻產(chǎn)生的振動(dòng)沒(méi)有經(jīng)過(guò)液力傳動(dòng)減振直接傳給機(jī)械傳動(dòng)系，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，影響乘坐的舒適性。為了解決燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛平穩(wěn)性之間的矛盾，使得閉鎖區(qū)域向低速檔、低車(chē)速和大油門(mén)開(kāi)度領(lǐng)域擴(kuò)展。最近在轎車(chē)上大多采用了閉鎖離合器微小打滑控制，使得油耗稍有增加，但駕駛平穩(wěn)性大大改善。 從上面分析可知在汽車(chē)上使用液力變矩器已經(jīng)日趨成熟，盡量解決其傳動(dòng)效率低的缺點(diǎn)，發(fā)揮其傳動(dòng)平穩(wěn)、自動(dòng)增扭的優(yōu)點(diǎn)。在變矩器的設(shè)計(jì)上采用了先進(jìn)的三維葉柵理論，對(duì)循環(huán)園形狀、各葉輪的葉片和形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理確定變矩器力矩系數(shù)，使變矩器和發(fā)動(dòng)機(jī)匹配優(yōu)化，改善其共同工作的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。 從制造角度來(lái)看，變矩器制造不算復(fù)雜，成本不高，從使用角度看，變矩器工作可*，使用壽命長(zhǎng)。 換檔機(jī)構(gòu)采用液壓操縱摩擦結(jié)合元件。與帶同步器嚙合套換檔相比，換檔過(guò)程無(wú)明顯動(dòng)力中斷，可以通過(guò)控制在分離的結(jié)合元件的油壓釋放和在結(jié)合的結(jié)合元件的油壓上升，來(lái)精確控制換檔搭接，實(shí)現(xiàn)快速、平穩(wěn)、無(wú)沖擊換檔。 3．2 從整體控制系統(tǒng)來(lái)看 : ●AMT：機(jī)械變速器換檔是同步器+桿杠撥*+電液操縱機(jī)構(gòu)。操縱過(guò)程由電信號(hào)→液壓信號(hào)→再通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)(桿杠和同步器)來(lái)?yè)Q檔 本 ●HMT：動(dòng)力換檔變速器換檔過(guò)程由電信號(hào)→液壓信號(hào)，直接控制換檔結(jié)合元件的結(jié)合與分離。 3．3 從AMT和HMT換檔操縱方式來(lái)看 : (1)HMT換檔操縱方式比較簡(jiǎn)單直接，電信號(hào)轉(zhuǎn)換至液壓信號(hào)直接去控制結(jié)合元件換檔，而AMT轉(zhuǎn)換至液壓信號(hào)后，再需要通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)去控制換檔，顯然比較麻煩。 (2)AMT是開(kāi)關(guān)型操縱(分離和結(jié)合)；HMT是比例型的操縱，可控制一個(gè)結(jié)合元件的逐漸分離，另一個(gè)結(jié)合元件的逐漸結(jié)合。這樣就可以控制換檔過(guò)程的搭接和平穩(wěn)過(guò)渡。 如果AMT和HMT都采用定軸式變速器(本田HMT就采用定軸式)從結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和制造難易程度來(lái)說(shuō)，HMT并不比AMT差。 應(yīng)該說(shuō)HMT采用油壓控制結(jié)合元件換檔要比AMT采用液壓機(jī)構(gòu)同步器換檔性能要好，而且結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。 目前不少HMT具有手動(dòng)模式，在手動(dòng)模式下HMT相當(dāng)于動(dòng)力換檔變速器，即所謂手動(dòng)與自動(dòng)一體的變速器。它具有普通機(jī)械變速器的效率高、人工選擇換檔等特點(diǎn)，但換檔操縱卻大大簡(jiǎn)化了。 從以上分析可知，HMT在性能上優(yōu)于A(yíng)MT，這也就說(shuō)明了為什么HMT是AT的主流。 我們認(rèn)為HMT可選擇的多種工作模式，操縱駕駛?cè)菀追奖?，起步換檔無(wú)沖擊，駕駛平穩(wěn)，振動(dòng)噪聲低，給人以舒服和高檔的感覺(jué)，它特別適用于高檔轎車(chē)。隨著HMT的不斷改進(jìn)和完善，對(duì)一般駕駛者來(lái)說(shuō)，其動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能也不比AMT差。 4、 CVT的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)分析 : CVT有多種形式，這里僅對(duì)具有代表性的推塊式V型金屬帶式來(lái)進(jìn)行分析。 4．1 CVT的結(jié)構(gòu)組成 : (1)起步裝置，有以下3種形式： ●電磁離合器：重量尺寸大，熱負(fù)荷能力低，一般僅用于微型車(chē)輛上； ●電子控制式濕式摩擦離合器：結(jié)構(gòu)尺寸小，響應(yīng)快，能量損失小，在有些轎車(chē)上采用； ●液力變矩器：起步扭矩大，坡道起步性能好，駕駛?cè)菀追奖?，微?dòng)性能好(進(jìn)出車(chē)庫(kù))，而且能阻隔發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩不均勻所引起的振動(dòng)和沖擊。因此，目前CVT也比較傾向于采用變矩器。 (2)推塊式金屬V型帶無(wú)級(jí)變速裝置。 (3)前進(jìn)后退換向機(jī)構(gòu)，有行星式和定軸式兩種。 4．2 CVT和HMT的比較 (1)從性能上看，CVT是無(wú)級(jí)傳動(dòng)，能最大限度地利用發(fā)動(dòng)機(jī)特性，提高動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)變速平穩(wěn)，行駛性能和駕駛感覺(jué)都好，HMT是有級(jí)傳動(dòng)，為了改善性能必須增加檔位數(shù)，目前已增加至5檔，與CVT性能較接近，但仍稍有差距。 (2)從結(jié)構(gòu)制造上看，CVT上仍采用變矩器，還需要前進(jìn)后退轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和液壓操縱摩擦結(jié)合元件。從結(jié)構(gòu)制造復(fù)雜程度上看兩者差距不大，目前來(lái)看CVT制造成本稍高。 (3)CVT作為新產(chǎn)品，從誕生、發(fā)展到成熟需要經(jīng)歷充分時(shí)間考驗(yàn)和使用證實(shí)；對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)要有一個(gè)認(rèn)識(shí)、信任和接受的過(guò)程。目前CVT產(chǎn)品尚有不成熟尚需改進(jìn)的地方。 ●金屬帶的結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)還在不斷改進(jìn)和完善，其傳遞扭矩的能力在進(jìn)一步提高。 ●在變速過(guò)程中，帶的軸向偏移會(huì)造成主從動(dòng)輪的帶平面中心線(xiàn)不在同一平面上的現(xiàn)象。此現(xiàn)象會(huì)使帶在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生扭曲，在帶輪的入端和出端造成沖擊，使噪聲增大，傳動(dòng)變的不平穩(wěn)，并會(huì)使帶的壽命急劇下降。為解決此問(wèn)題，目前采用與金屬帶相接觸的帶輪的錐面形狀進(jìn)行修正設(shè)計(jì)。但是最好能使主從帶輪兩側(cè)對(duì)稱(chēng)軸向移動(dòng)，使兩輪帶平面中心線(xiàn)不產(chǎn)生偏移。 ●在使用上曾出現(xiàn)不夠理想的地方，例如起步和低速行駛時(shí)會(huì)感到有種CVT獨(dú)特的滯澀不圓滑的感覺(jué)，在緊急停車(chē)后再起步時(shí)，偶爾會(huì)發(fā)生低速無(wú)法起步的現(xiàn)象。 ●從控制系統(tǒng)來(lái)看，包括變速控制，帶夾緊力控制和起步控制等都有不夠完善的地方。從目前來(lái)看，CVT尚未替代HMT大規(guī)模使用，主要是因?yàn)榕cHMT相比，性能沒(méi)有明顯突出的優(yōu)越地方，尚存在不夠成熟的地方，而HMT已有60多年的生產(chǎn)制造使用歷史，性能相當(dāng)完善，產(chǎn)品相當(dāng)成熟。因此雖然很多廠(chǎng)家都在研究、試驗(yàn)、試用CVT，并進(jìn)行了批量生產(chǎn)，但仍對(duì)CVT抱謹(jǐn)慎態(tài)度，從目前來(lái)看，HMT的主流地位尚未動(dòng)搖。