车辆自动变速器的研究现状及发展趋势

车辆自动变速器的研究现状及发展趋势

张建珍 过学迅

2007/1/29

1 自动变速器的发展状况

自动变速器自从1939年由美国通用汽车公司首先在奥兹莫比尔(Oldsmobile)轿车上应用以来(这种变速器被认为是现代自动变速器的雏形) ，发展速度很快，尤其是电子技术和微处理机应用于换档变速之后，自动变速技术进入了迅速发展的崭新时期。自动变速器正朝着省油、降低排放污染、操纵方便、行驶舒适等方向发展。现以横坐标表示自动变速器的方便性，纵坐标表示自动变速器的经济性，以说明汽车自动变速器的发展状况，如图1所示。

2 自动变速器的类型及其特点

目前世界上使用最多的汽车自动变速器主要有3种类型：液力自动变速器(AT)、电控机械式自动变速器(AMT)和机械无级自动变速器(CVT)。

2.1 液力自动变速器(AT)

液力自动变速器是最早的自动变速器，是根据车速和负荷(油门踏板的行程) 来进行双参数控制，档位根据这两个参数来自动升降。AT 的结构如图2，与手动变速器(MT)相比，液力自动变速器在结构和使用上有很大的不同。MT 主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合产生变速变矩；而AT 是由液力变矩器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。其中液力变矩器是AT 最重要的部件，它是由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，通过液体动量

矩的变化来改变转矩的一种传动元件，它除了起离合器的作用外，还具有无级连续变速和改变转矩的能力，对外负载有良好的自动调节和适应性。AT 的技术已相对成熟，是目前汽车装备自动变速器的主流。

2.2 电控机械自动变速器(AMT)

电控机械自动变速器是在传统干式离合器和手动齿轮变速器的基础上改造而成，主要改变了手动换档操纵部分。即在MT 总体结构不变的情况下改用电子控制来实现自动换档。AMT 控制单元(ECU)的输入信号有驾驶员的意图(加速踏板的位置和档位选择) 和汽车的工作状态(包括发动机转速、节气门开度、车速等) 。ECU 根据换档规律、离合器控制规律、发动机节气门自适应调节规律产生输出信号，控制过程基本模拟驾驶员在起步和换档时对油门、离合器和换档机构的操作，做到三者有效配合。由于AMT 能在MT 生产基础上改造，生产继承性好，投入费用也较低，容易被厂家接受。AMT 的核心技术是电子控制，电子技术及质量将直接决定AMT 的性能与运行质量。

2.3 无级变速器(CVT)

CVT 又称为连续变速式机械无级变速器。这种变速器与一般齿轮式自动变速器最大区别是省去了复杂而又笨重的齿轮组合变速传动，只用了2组带轮进行变速传动。图3为金属带式无级变速器原理图，主要包括主动轮组、从动轮组、金属带和液压泵等基本部件。主动和被动工作轮由固定和可动两部分组成，形成V 型槽，与金属片构成的金属带啮合。当主、被动轮可动部分轴向移动时，相应改变驱动轮与从动轮传动带的接触半径，从而改变传动比。可动轮的轴向移动通过液压控制系统进行连续调节，实现无极变速。与有级式的区别在于，它的变速比不是间断的点，而是一系列连续的值，譬如可以从0.445连续变化到2.6。CVT 结构比传统变速器简单、体积更小，它既没有手动变速器的众多齿轮副，也没有自动变速器复杂的行星齿轮组，主要靠主、从动轮和传动带来实现速比的无级变化，传动带一般用橡胶带、金属带和金属链等。

另外，还有一种叫无限变速式机械无级变速器(IVT)。这种变速器由英国的Torotrak 公司研发，业界一直将它视同CVT ，2003年3月在美国底特律举行的汽车工程师学会年会上将它单独分类。IVT 采用的是一种摩擦板式变速原理。早在1905年就出现过这种无级变速器，它由圆盘和滚轮构成，结构简单，如图4所示，但由于摩擦本身带来的能量损耗大、发热量高、传递转矩小和材料不耐用等缺点，没有进行批量生产。这种变速原理便是今天IVT 的基础。

IVT 与其它自动变速器最显著的差别之一是不使用变矩器，Torotrak 公司开发的IVT 使用了2套离合器，如图5所示，驱动力由一套称为变换器的装置传递，通过锁止离合器和行星齿轮机构将动力传递至传动轴。IVT 的核心部分由输入、输出传动盘和变换器传动盘组成。两个输入传动盘分别位于两端，输出传动盘只有1个，位于中间位置，变换器传动盘则夹于输入和输出传动盘中间，它们之间的接触点以润滑油作介质，金属之间不接触，通过改变变换器的角度实现传动比连续无限的变化。

变矩器的作用是通过油液介质将发动机动力传递给变速器，它的传递效率通常只有80%。IVT 由于不使用变矩器，与其它自动变速器比较，IVT 具有效率高、不易打滑、油耗低，不需要工艺复杂且造价昂贵的金属传动带，结构简单、成本较低等一系列优点，加上传递扭矩大，长时间运转也不会引起过度发热，不但适用于轿车，也适用于越野车，是一种新型变速器。

3 自动变速器的发展趋势

CVT 传递的扭矩容量不大，目前以小排量汽车为主，其性能和可靠性尚未经过充分的考验和证实，技术还不够成熟；IVT 由于摩擦能量损耗大、发热量高、传递转矩小和材料不耐用等缺点，还没有进行批量生产；AT 生产制造已有70多年历史，性能和技术都日趋完善可靠，因此，AT 仍是现代汽车自动变速器的主流。目前在AT 研究中，控制技术是其核心技术。电子控制具有无可比拟的优越性，其发展趋势有5大方面。

车辆起步部件的改进。采用湿式多片离合器是一种新的方式，但目前主要仍采用液力变矩器，并要求改进起步时增多扭矩的特性，提高燃油经济性。为了防止变矩器的能量消耗，大部分车种采用锁止离合器，并要求进一步提高性能。

齿轮传动机构的改进。为了提高动力性、经济性，降低噪声，传动比范围开始加大，并呈多级化；同时为了减少齿轮摩擦阻力，要求齿轮、轴承小型化，低噪声。

油压控制的改进。为了减少变速冲击，对目标冲击值通过测定发动机转速或油压进行反馈控制，以形成与离合器扭矩相配合的油压。此外，为了直接测定输出扭矩冲击方式，应用模糊逻辑控制。

油泵。油泵占自动变速器摩擦损耗的很大部分，所以一部分已应用可变容量的油泵。仍须进一步提高油泵的响应性和稳定性。

电子控制。除了进一步提高自动变速器电子控制精度，还要不断推广应用与发动机控制一起的综合控制系统。

自动变速器为提高传动效率，改善燃油经济性，普遍采用了闭锁式液力变矩器；为改善换档品质，提供换档智能化程度，出现了一机多参数、多规律控制，并在此基础上将控制变速器与控制发动机的计算机合并在一起，实现其综合控制。为加宽变速范围，缩小传动比间隔，自动变速器正在向多档化发展，4档变速器已普遍成为轿车的标准结构，5档自动变速器早已投放市场；为便于使用维修，控制系统的诊断功能不断增强。此外，无级变速器具有速比光滑变化、无级传递扭矩、加速性好、燃料经济性高、结构简单等特点，被认为是最有前景的一种自动变速技术。世界各大汽车公司对无级变速的研究十分活跃，估计在不久的将来电子控制的无级自动变速器将会广泛应用于现代汽车。