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汽车变速器是为解决发动机输出的转速和转矩与车辆驱动所需的转速和转矩之间的矛盾而设立的。
车辆行驶性能的好坏,不仅取决于发动机,而且在很大程度上还依赖于变速器以及变速器与发动机的匹配。
由于自动变速器具有许多优点,因此在汽车上应用越来越广泛。
目前,自动变速器在日本、美国、东南亚的装车率约为98%、95%和75%,中国的装车率不到10%。
我国目前使用的汽车绝大多数仍为手动变速,手动变速汽车由于频繁换挡的操作,易使驾驶员疲劳,影响行驶安全;
而不同的驾驶技术水平对车辆的燃料经济性、动力性、乘坐舒适性造成极大差异,所以自动变速是人们长期追求的目标,是车辆向高级阶段发展的重要标志。
目前我国自动变速器在轿车、城市客车、高级旅游客车、军用车、重型载货汽车及矿用车上已呈现越来越旺盛的需求。
所以,对自动变速器的现状及未来发展趋势进行分析很有必要,希望对行业同仁有所帮助[1]。
2汽车变速器概述
2.1手动变速器
手动变速器是最常见的变速器,简称MT。
它的基本原理是用几根平行轴及若干相啮合的直齿或斜齿齿轮进行动力传递。
即指输入轴、轴出轴和中间轴,它们构成了变速器的主体,当然还有一根倒挡轴。
手动变速器又称手动齿轮式变速器,含有可以在轴向滑动的齿轮,通过不同齿轮的啮合达到变速、变矩目的。
2.2自动变速器
自动变速器与手动变速器相比,在结构和使用上有很大差异。
手动变速器主要由齿轮和轴组成,通过不同的齿轮组合变速、变矩;
而AT是由液力变矩器、行星齿轮和液压操纵系统组成,通过液力传递和行星齿轮组合的方式达到变速、变矩的目的。
液力变矩器、油泵及阀体等是自动变速器最具特点的部件[2]。
奔驰目前已经生产出了7速自动变速器。
这就形成了更大的总传动比范围,同时各个传动比之间也比5速变速器更加接近。
因此,驾驶员几乎在各种行驶条件中都可以选择最佳传动比。
电子控制模块可以选择更多的传动比,取决于行驶条件,从而降低了油耗并提高了平顺性。
在100km/h的车速时,发动机平均转速比装配5速自动变速器时低12%左右。
发动机转速与行驶状态的最优化匹配意味着发动机提高了动力、燃油经济性并降低了运行噪声[3]。
目前自动变速器技术的应用,主要有以下三种形式:
(1)液力自动变速器(AutomaticTransmission,简称“AT”由液力变矩器、行星齿轮机构及电液控制系统组成),
(2)电控机械式自动变速器(AutomaticMe-chanicalTransmission,简称“AMT”由传统固定轴式变速箱和干式离合器以及相应的电-液控制系统组成)
(3)机械无级变速器(ContinuouslyVariableTransmission,简称“CVT”)。
其中,AMT和AT一样,是有级变速器的自动换档控制,而非无级变速器。
液力自动变速器的基本结构是由液力变矩器与动力换档的辅助变速装置组成。
液力变矩器安装在发动机和变速器之间,以液压油为工作介质,起传递转矩、变矩、变速及离合的作用。
液力变矩器可在一定范围内自动无级地改变转矩比和传动比,以适应行驶阻力的变化。
但是由于液力变矩器变矩系数小,不能完全满足汽车使用的要求,所以,它必须与齿轮变速器组合使用,扩大传动比的变化范围。
目前,绝大多数液力自动变速器都采用行星齿轮系统作为辅助变速器。
行星齿轮系统主要由行星齿轮机构和执行机构组成,通过改变动力传递路线得到不同的传动比。
由此可见,液力自动变速器实际上是能实现局部无级变速的有级变速器。
液力自动变速器是目前使用最多的自动变速器。
采用此种类型的自动变速器,免除了手动变速器繁杂的操作,使开车变得省力。
同时,电子控制也使自动切换过程柔和、平顺,因此汽车具有良好的乘坐舒适性和安全性、优越的动力性和方便的操纵性。
但这种变速器效率低,结构复杂,成本也较高。
电控机械式自动变速器是在传统固定轴式变速器和干式离合器的基础上,应用电子技术和自动变速理论来实现机电一体化协调控制的。
车辆起步、换档的自动操纵是以电控单元(ECU)为核心,通过液压或气压执行机构来控制离合器的分离与接合、选换档操作以及发动机节气门的调节的。
ECU根据车辆的运行状况(发动机转速、变速器输入轴转速、车速)、驾驶员意图(油门开度、制动踏板行程)和道路路面状况(坡道、弯道)等因素,按预先设定的由模拟熟练驾驶员的驾驶规律(换档规律、离合器接合规律),借助于相应的执行机构(发动机油门控制执行机构、离合器执行机构、变速器换档执行机构),对发动机、离合器、变速器的协调动作进行自动操纵。
AMT既具有液力自动变速器自动变速的优点,又保留了原手动变速器齿轮传动的效率高、成本低、结构简单、易制造的长处。
它揉合了二者优点,是非常适合我国国情的机电一体化高新技术产品。
它是在现生产的机械变速器上进行改造的,保留了绝大部分原总成部件,只改变其中手动操作系统的换档杆部分,生产继承性好,改造的投入费用少,非常容易被生产厂家接受。
它的缺点是非动力换档,这可以通过电控软件方面来得到一定弥补。
在几种自动变速器中,AMT的性能价格比最高。
在中低档轿车、城市客车、军用车辆、载货车等方面应用前景较广阔[4]。
机械式无级变速器种类很多,有实用价值的仅有V形金属带式。
金属带式无级变速器属摩擦式无级变速器,其传动与变速的关键件是具有V型槽的主动锥轮、从动锥轮和金属带,金属带安装在主动锥轮和从动锥轮的V形槽内。
每个锥轮由一个固定锥盘和一个能沿轴向移动的可动锥盘组成,来自液压系统的压力分别作用到主、从动锥轮的可动锥盘上,通过改变作用到主、从动锥轮可动锥盘上液压力的大小,便可使主、从动锥轮传递扭矩的节圆半径连续发生变化,从而达到无级改变传动比的目的。
机械式无级自动变速器传动比连续,传递动力平稳,操纵方便,同时因加速时无需切断动力,因此汽车乘坐舒适,超车加速性能好。
特别值得一提的是,由于可使发动机始终在其经济转速区域内运行,从而大大改善了燃油经济性。
但与齿轮传动相比,效率并不高,且此种变速器起动性能差,需另加起动装置,制造困难,价格也较高[6]。
2.3直接换挡变速器
直接换挡变速器简称DSG。
DSG变速器的特点如下:
(1)新一代DSG变速器采用了2个离合器和6个前进挡的传统齿轮变速器作为动力的传送部件,这是目前世界上较先进的、具有革命性的自动变速器。
(2)DSG变速器没有变矩器,也没有离合器踏板。
(3)DSG变速器在传动过程中的能耗损失非常有限,大大提高了车辆的燃油经济性。
(4)DSG变速器的反应非常灵敏,具有很好的驾驶乐趣。
(5)车辆在加速过程中不会有动力中断的感觉,使车辆的加速更加强劲、圆滑。
百km加速时间比传统手动变速器还短。
(6)DSG变速器的动力传送部件是一台三轴式6前进挡的传统齿轮变速器,增加了传动比的分配。
(7)DSG变速器的多片湿式双离合器是由电子液压控制系统来操控的。
(8)双离合器的使用,可以使变速器同时有两个挡位啮合,使换挡操作更加快捷。
(9)DSG变速器也有手动和自动2种控制模式,除了排挡杆可以控制外,方向盘上还配备有手动控制的换挡按钮,在行驶中2种控制模式之间可以随时切换。
(10)选用手动模式时,如果不做升挡操作,即使将油门踩到底,DSG变速器也不会升挡。
(11)换挡逻辑控制可以根据司机的意愿进行换挡控制。
(12)在手动控制模式下,可以跳跃降挡[7]。
3自动变速器的构造与分类
3.1自动变速器的构造
自动变速器的厂牌型号很多,外部形状和内部结构也有所不同,但它们的组成基本相同,都是由液力变矩器和齿轮式变速器组成。
常见的组成部分由液力变矩器、行星齿轮机构、离合器、制动器、油泵、滤清器、管道、控制阀体、速度调压器等,按照这些部件的功能,可将它们分成液力变矩器、变速齿轮机构、供油系统、自动换挡控制系统和换挡操纵机构等五大部分。
3.1.1液力变矩器
液力变矩器位于自动变速器的最前端,安装在发动机的飞轮上,起作用采用手动变速器的汽车中的离合器相似。
它利用油液循环流动过程中动能的变化将发动机的动力传递给自动变速器的输入轴,并能根据汽车行驶阻力的变化,在一定范围内自动地、无极地改变传动比和扭矩比,具有一定的减速增扭功能。
3.1.2变速齿轮机构
自动变速器的变速齿轮机构所采用的形式有普通齿轮式和行星齿轮式两种。
采用普通齿轮式的变速器,由于尺寸较大,最大传动比较小,只有少数车型采用。
目前绝大多数轿车自动变速器中的齿轮变速器采用的是行星齿轮式。
变速齿轮机构主要包括行星齿轮机构和换挡执行机构两部分。
行星齿轮机构,是自动变速器的重要组成部分之一,主要由太阳轮(也称中心轮)、内齿圈、行星架和行星齿轮等元件组成。
行星齿轮机构是实现变速的机构,速比的改变是通过以不同的元件做主动件和限制不同元件的运动而实现。
在速比改变的过程中,整个行星齿轮组还存在运动,动力传递没有中断,因而实现了动力换挡。
换挡执行机构主要是用来改变行星齿轮中的主动元件或限制某个元件的运动,改变动力传递的方向和速比,主要由多片离合器、制动器和单向离合器等组成。
离合器的作用是把动力传给行星齿轮机构的某个元件使之成为主动件。
制动器的作用是将行星齿轮机构中的某个元件固定,使之不动。
单向离合器也是行星齿轮变速器的换挡元件之一,其作用和多片式离合器及制动器基本相同,也是用于固定或链接几个行星排中的某些太阳轮、行星架、齿圈等基本元件,让行星齿轮变速器组成不同传动比的档位[8]。
3.1.3供油系统
自动变速器的供油系统主要由油泵、油箱、滤清器、调压阀及管道所组成。
油泵是自动变速器最重要的总成之一,它通常安装在变矩器的后方,由变矩器壳后端的轴套驱动。
在发动机运转时,不论汽车是否行驶,油泵都在运转,为自动变速器中的变矩器、换挡执行机构、自动换挡控制系统等部分提供一定油压的液压油。
油压的调节由调压阀来实现。
自动变速器中油泵是重要总成之一,它技术状况的好坏,对自变器的性能及使用寿命有很大影响。
油泵通常装在变距器的后端,有的是在变速器的后端,但是不管何位都是变距器的泵通过轴套或轴来驱动,转速与发动机相同。
3.1.4自动换挡控制系统
自动换挡控制系统能根据发动机的负荷(节气门开度)和汽车的行驶速度,按照设定的换挡规律,自动地接通或切断某些换挡离合器和制动器的供油油路,使离合器接合或分开、制动器制动或释放,以改变齿轮变速器的传动比,从而实现自动换挡。
自动变速器的自动换挡控制系统有液压控制和电液压(电子)控制两种。
液压控制系统是由阀体和各种控制阀及油路所组成的,阀门和油路设置在一个板块内,称为阀体总成。
不同型号的自动变速器阀体总成的安装位置有所不同,有的安置于上部,有的安置于侧面,纵置的自动变速器一般安置与下部。
在液压控制系统中,增设控制某些液压油路的电磁阀,就成了电气控制的换挡控制系统,若这些电磁阀是由电子计算机控制的,则成为电子控制的换挡系统[9]。
3.1.5换挡操纵机构
自动变速器的换挡操纵机构包括手动选择阀的操纵机构和节气门的操纵机构等。
驾驶员通过自动变速器的操纵手柄改变筏板内的手动阀位置,控制系统根据手动阀的位置及节气门开度、车速、控制开关的状态等因素,利用液压自动控制原理或电子自动控制原理,按照一定的规律控制齿轮变速器中的换挡执行机构的工作,实现自动换挡。
3.2自动变速器的分类
不同车型所装用的自动变速器在形式结构上往往有很大的差异,下面从不同的角度对自动变速器进行分类。
3.2.1按汽车驱动方式分类
自动变速器按照汽车驱动方式的不同,可分为后驱动自动变速器和前驱动自动变速器两种。
这两种自动变速器在结构和布置上有很大的不同。
后驱动自动变速器的变矩器和齿轮变速器的输入轴及输出轴在同一轴线上,因此轴向尺寸较大;
阀板总成则布置在齿轮变速器下方的油底壳内。
前驱动自动变速器除了具有与后驱动自动变速器相同的组成部分外,在自动变速器的壳体内还装有差速器。
前驱动汽车的发动机有纵置和横置两种。
纵置发动机的前驱动自动变器的结构和布置与后驱动自动变速器基本相同,只是在后端增加了一个差速器。
横置发动机的前驱动自动变速器出于汽车横向尺寸的限制,要求有较小的轴向尺寸,因此通常将输入轴和输出轴设计成两个轴线的方式,变矩器和齿轮变速器输入轴布置在上方,输出轴则布置在下方。
这样的布置减少了变速器总体的轴向尺寸,但增加了变速器的高度,因此常将阀板总成布置在变速器的侧面或上方,以保证汽车有足够的最小离地间隙[10]。
3.2.2按前进档的档位数分类
自动变速器按前进挡的档位数的不同,可分为2个前进档,3个前进档,4个前进档三种。
早期的自动变速器通常为2个前进档或3个前进档。
这两种自动变速器都没有超速档,其最高档为直接档。
新型轿车装用的自动变速器基本上都是4个前进档,即设有超速档。
现在还有了6个、7个前进档。
3.2.3按齿轮变速器的类型分类
自动变速器按其齿轮变速器的类型不同,可分为普通齿轮式和行星齿轮式两种。
普通齿轮式自动变速器体积较大,最大传动比较小,只有少数几种车辆使用(如本田ACCORD轿车)。
行星齿轮式自动变速器结构紧凑,能获得较大的传功比,为绝大多数轿车采用。
3.2.4按变矩器的类型分类
—般都是采用结构简单的单级三元件综合式液力变矩器。
这种变距器又分为有锁止离合器和无锁止离合器两种,早期的变矩器中没有锁止离台器,在任何工况下都是以液力方式传递发动机的动力,因此传动效率较低。
新型轿车自动变速器大都采用带锁止离合器的变矩器,这样当汽车达到一定车速时,控制系统使锁止离合器接合,液力变矩器输入部分和输出部分连成一体发动机的动力以机械传递的方式直接传入齿轮变速器,从而提高了传动效率,降低了汽车的燃油消耗量[11]。
3.2.5按控制力式分类
自动变速器按控制方式不同,可分为液力控制自动变速器和电子控制自动变速器两种。
液力控制自动变速器是通过机械的手段,将汽车行驶时的车速及节气门开度这两个参数转变为液压控制信号;
阀板中的各个控制阀根据这些液压控制信号的大小,按照没定的换档规律,通过控制换档执行机构的动作,实现自动换档。
电子控制自动变速器是通过各种传感器,将发动机的转速,节气门的开度,车速,发动机温度,变矩器油液的温度等参数转变成电信号并输入电脑,电脑根据设定的换档程序向换档电磁阀,油液电磁阀等发出控制信号,从而实现自动换档。
3.3自动变速器的特点
现代汽车自动变速器普遍采用的是液力变矩器与行星齿轮式变速器组合而成的液力全自动变速器,换挡自动控制形式有纯液压式和电子控制式两种。
相比较传统的手动机械式变速器自动变速器具有如下优点:
3.3.1驾驶操纵简化,提高了行车安全性
在汽车起步和运动时,自动变速器无需离合器操作和手动换挡操作,减少了驾车操作的劳动强度,可使司机集中精力注意路面交通情况,因此,行车的安全性得以提高。
3.3.2提高了发动机和传动系统的使用寿命
由于自动变速器在自动换当过程中无动力中断,换挡平稳,减小了发动机和传动系统零件的动载荷;
液力变矩器这个“弹性元件”可以吸收动力传递过程的冲击力和动载荷,因此,采用自动变速器的汽车发动机和传动系统的零件的寿命比采用机械式变速器的要长[12]。
3.3.3提高了汽车的动力性
自动变速器在起步时,由于液力变矩器可连续自动变矩,可使驱动轮上的牵引力逐渐增加,换挡时动力不中断,发动机可维持一个稳定的转速,因此,可使汽车的起步、加速性能提高,汽车的平均车速也可提高。
3.3.4提高了汽车通过性能
液力变矩器可以在一定的范围内自动变速来适应汽车行驶阻力的变化,在必要时又可自动换挡以满足牵引力的需要,因此显著提高了汽车的通过性。
3.3.5减少了废气污染
手动换挡工程中常常伴有供油量急剧变化,发动机转速变化较大的情况,容易导致燃烧不完全,使得发动机废气中有害物质增加。
自动变速器由于有液力传动和自动换挡,在换挡过程中发动机可保持稳定的转速,发动机的燃烧条件不会恶化,因此可减少发动机排放的废气对空气的污染。
3.3.6降低燃料消耗
因为液力传力效率较低,所以液力自动变速器的油耗要高于机械变速器,但由于自动变速器可以适时换挡,换挡过程中使发动机仍可在理想的状态下稳定运转,因此,在需要频繁换挡的市区行驶,自动变速器汽车比较省油。
尤其是现代汽车车自动变速器采用了电子控制换挡,可按照最佳油耗规律控制自动换挡,加之采用了超速档和变矩器锁止控制等,从而使自动变速器汽车的油耗有了明显的下降。
自动变速器的缺点是结构较为复杂,成本较高,对维修技术水平要求要高一些。
4自动变速器换挡品质影响因素
影响自动变速器换挡品质的因素很多,总结起来不外乎硬件和软件系统两方面,通过试验所积累经验和查阅相关资料,我们将影响换挡品质的因素总结为机械及液压系统对换挡品质的影响和电控系统对换挡品质的影响,下面分别加以介绍。
4.1机械及液压系统对换挡品质的影响
4.1.1液压系统的影响
本变速箱采用液压控制,液压系统对变速箱换挡品质也有很大的影响,如油泵的规格及性能,比例流量阀和开关阀流量以及响应特性、液压系统的泄漏量和压力损失、油道布置及尺寸规格、ATF油的粘温特性等。
4.1.2执行机构的影响
液力平行轴式自动变速器控制执行机构包括主离合器执行机构和选挡、换挡执行机构。
执行机构是否有很好的动作响应以及可靠的稳定性将对换挡品质有直接的影响,必须保证能精准完成TCU发出的动作指令,这是改善换挡品质基本要求。
4.1.3主离合器机构
选换挡动作的完成必须有主离合器动作的配合,因此主离合器的结构好坏对换挡品质有直接影响。
离合器在分离比较简单,一般不会对换挡品质有影响,但是如果结构设计不合理,使离合器分离时ATF排油不干净,容易使分离不彻底,影响换挡品质。
上一轮换挡主离合器结构为多片湿式离合器,安装位置被涡轮壳包围在一密闭腔中,结构如图4-1所示,分离过程中排油不畅快,造成的分离不彻底,换挡同步困难,增大换挡力,并且影响换挡平顺性。
图4-1多片湿式主离合器结构布置示意图
4.2电控系统对换挡品质的影响
电控系统对换挡品质的影响主要包括以下四个方面。
4.2.1发动机转速控制
在液力平行轴式自动变速器控制中,主要指通过控制发动机供油和点火提前角来控制发动机的输出扭矩和输出速度,使之与主离合器的结合与分离相协调。
但由于发动机工作时处于动态工况下,而发动机的动态特性不容易掌握和精确控制,所以通过匹配实验来找出规律对其实施控制是一种有效的方法。
实际控制过程主要是通过控制节气门开度,比较容易实现。
4.2.2换挡规律的影响
换挡规律是液力平行轴式自动变速器控制系统的核心,换挡规律好坏关系到动力传动系统整体最优性能的发挥,从而直接影响车辆的动力性、经济性、通过性、车辆噪声以及噪声污染物的排放等,它是自动变速器控制系统的关键。
4.2.3离合器接合规律的影响
湿式主离合器是影响液力平行轴式自动变速器的换挡过程的关键部件,它与换挡机构配合
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