重型车辆液力机械自动变速器综述
汽车工程
2009年(第31卷)第9期
AutomotiveEngineering
2009(V01.31)No.9
2009178
重型车辆液力机械自动变速器综述
李春芾,陈慧岩,孙文涛,赵熙俊
(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京100081)
[摘要]介绍了重型车辆液力机械自动变速器的类型、优缺点、结构及控制技术的发展、目前主要产品的结构
及特点、发展趋势及我国发展液力机械自动变速器的关键技术。
关键词:重型汽车;液力机械自动变速器;主流产品;关键技术
ASummary
theAutomaticTransmissioninHeavy—dutyVehicles
Wentao&ZhaoXijun
Institute
on
LiChunfu,ChenHuiyan,Sun
School
ofMechanical
andVehicular
Engineering,BeijingofTechnology,Belling
100081
[Abstract]The
giesoftheautomatic
types,advantagesanddrawbacks,andthedevelopmentof
structures
andcontroltechnolo—
transmissioninheavy—dutyvehicles,thestructure,featuresanddevelopmenttrendsoftheir
as
major
products
at
present,aswell
thekeytechnologiesforthedevelopmentofautomatictransmissioninChina
are
presented.
Keywords:heavy-dutyvehicles;automatictransmission;mainstreamproduct;keytechnologies
公司、美国福特汽车公司、戴姆勒一克莱斯勒汽车公
日U舌
自动变速器种类很多,主要有液力机械自动变速器(AT)、自动机械变速器(AMT)、无级变速器(CVT)、双离合器式自动变速器(DCT)。AT主要用在轿车和重型车辆上,目前轿车上AT所占的比
司等都投入较大的力量对其进行开发,并已经取得
了成功。AT一直作为主流自动变速器,虽然存在结
构复杂、效率偏低等缺点,但其优点也是很明显的,特别在工程车辆上更体现出AT的优势,另外在大
型客车、重型自卸车、高通过性军用越野车都有广泛
的应用。AT已有60余年的发展历史,至今仍占据
自动变速车辆市场的主导地位。作者主要介绍一些应用于重型汽车的AT。1
例最大;AMT在中低档轿车、大客车、重型货车上得
到了广泛的应用;CVT由于传递的转矩有限,所以多
用在中小排量的轿车上。因此,目前在重型车上装
用的自动变速器主要是AT和AMT,AMT在手动齿
AT的发展
轮变速器基础上实现了换挡操作自动化,具有生产继承性好、投入费用低、效率高、制造简单、操纵方便等优点,已成为自动变速器研究开发的热点。但由
于AMT是非动力换挡,变速器输出转矩与转速变化比较大,易造成较大的换挡冲击,以及换挡期间动力中断等缺点,所以AMT本身也存在固有的矛盾…。
1.1从辛普森轮系和拉威娜轮系到莱佩莱捷轮系
在汽车传动系统的发展历程中,出现了许多著名的工程师,如:辛普森(Simpson)、拉威娜(Ray-igneaus)、莱佩莱捷(Lepelletier),以他们的名字命名了辛普森轮系(如图1所示)、拉威娜轮系(如图2
为了既可充分利用AMT所具有的优点,又可消除其
中断动力换挡的缺点,DCT应运而生。目前DCT正
所示)、莱佩莱捷轮系(如图3所示)。
这些轮系推动了汽车自动变速器从3个前进挡
受到国外各大汽车公司的重视,例如德国大众汽车发展到4个前进挡,进而发展到6个前进挡(甚至
原稿收到日期为2009年2月26日,修改稿收到日期为2009年3月31日。
万方数据
2009(VoL31)No.9李春芾,等:重型车辆液力机械自动变速器综述
・877・
毒匿
时
图1辛普森轮系
图2拉威娜轮系
图3莱佩莱捷轮系
7、8、9个前进挡)。辛普森轮系和拉威娜轮系心1作为经典的轮系,已在各乘用车制造商及原始设备制造商产品开发中得到了广泛应用,占有压倒性地位,以它们为基础通过增减行星排和改变换挡执行元件的连接方式,可得到不同的挡位数。随着全球汽车
工业的发展,以及一系列能源环保法规的强制实施,客观上要求更环保更节省燃油的自动变速器,同时汽车电子技术的发展又为新型自动变速器的应用创造了条件。
莱佩莱捷轮系(简称莱式轮系)开创了汽车自
动变速器传动技术的新时代,引领汽车走进了6个
前进挡时代。莱式变速器结构由一个简单的单排单级行星齿轮加上一组拉威娜轮系构成(图3),有3个离合器和2个制动器,共5个换挡执行元件,仔细分析一下,莱式轮系没有直接挡,结构上没有采用单
向离合器(OWC)从而简化了系统零部件的数量,节省了原材料;但对控制的软件和硬件要求较高。莱
式变速器只用了5个换挡执行元件就实现r6个前进挡(若把前排同定的太阳轮用制动器控制取代即
可实现7个前进挡),这比其它轮系实现相同挡位所
用的行星排数和换挡执行元件都要少。
1.2
AT操纵技术的3个发展阶段
AT操纵技术的发展可分为3个阶段:液压控制
阶段、电液控制阶段和智能控制阶段。
20世纪80年代以前的AT基本全部采用全液
压控制,达到了自动换挡的目的,但其换挡过程是通
过各种液压阀和液压油路所构成的逻辑控制系统来完成的,因此仍存在着诸多问题:如结构复杂、制造精度要求高、制造成本高、传动效率低、通用性和可
万
方数据移植性差等;在性能上突出表现为:随着车辆使用期
的增长,换挡点控制不精确,不能适应车辆结构参数
的变化、外界行驶环境的变化和驾驶员意图的变化等。从70年代末到80年代初,随着电子技术和控
制技术的发展,首先出现了电液控制操纵技术,传统
的液控操纵被电控操纵所取代,使自动变速系统进入了一个新的发展时期。这一时期的自动变速系统
简称为EAT(electronic
controlledautomatic
transmis-
sion),均实现了具有闭锁离合器的液力变矩器,配
以电子控制系统后实现自动换挡以及实现液力变矩器的闭锁和解锁控制等,从而提高了车辆的使用性能,其结构框图如阿4所示。
图4
EAT系统组成框图
EAT由于采用了以微处理器为核心的电控系统,因此具有以下特点旧J:
(1)可根据需要提供不同的控制模式,如变矩器的闭锁解锁控制、滑摩控制;
(2)预没多种换挡规律,以适应不同类型驾驶员和外界行驶环境的要求;
(3)采用现代控制理论来改善换挡品质,如自
适应控制、最优控制等;
(4)引入智能控制技术,使电控系统具有自学
习功能;
(5)增加人工驾驶模式等。
目前,车辆自动变速技术已经进入智能化时代,控制策略的不断改进成为车辆自动变速技术发展的
特点,一些智能控制理论纷纷用于车辆自动变速技术中,如人工神经网络、模糊控制等。
(1)轿车中液力变矩器普遍采用冲压件,适应
于大批量生产。重型车辆液力变矩器,由于批量较
小,则较多采用铸件。
(2)轿车中AT多数含有带式制动器,而重型车
1.3重型汽车AT与轿车AT的区别
・878・
汽车工程
2009年(第31卷)第9期
辆由于传递功率大,则普遍采用片式制动器结构。
(3)轿车用自动变速器内换挡构件的同定普遍
采用了单向离合器结构,而莺型车辆由于功率大、行驶情况复杂,则不采用单向离合器的结构。
2重型汽车AT的类型
重型汽车AT可分以下3种类型【4。5J。
(1)由液力变矩器与行星齿轮机械变速器串联组成的AT,如美国Allison公司和德国ZF公司生产
的AT。
(2)由液力变矩器与固定轴式齿轮机械变速器
串联组成的AT,如原上海SH380型自卸车所采用的
AT,部分坦克装甲车上所采用的AT。
(3)双流液力机械传动自动变速器,其液力变矩器与2自由度行星齿轮机构并联,而后再与机械变速器串联,在并联部分中发动机功率的一部分经变矩器传递,其余部分经行星齿轮机构传递,因而兼具2种传动的优点,故被称为双流液力机械传动或液力机械分流传动,其中并联部分称为液力机械变矩器。双流液力机械传动的一实例是德国Voith公
司的Diwa牌AT,它专为城市客车和城际客车而设
计,如图5所示。
网5德国Voith公司的Diwa牌AT
汽车上采用的双流液力机械传动分为外分流式、内分流式和复合分流式。
3
重型汽车AT主流产品
重型汽车AT生产厂家主要是从传统变速器生
产厂家转变来的,如美国的Allison公司、德国的ZF和Voith公司‘6I,其中Voith和Allison主要以液力机
械变速器为其优势产品。ZF和Allison的自动变速
器应用最为广泛,下面对它们做简单介绍。
万
方数据3.1
Allison公司AT
Allison变速器分部是美国通用汽车公司的直属
子公司,由Allison于1915年创办,1946年为军用设
备和汽车生产变速器,成为变速器专业生产厂家。1955年Allison推出了全世界第1台用于货车和公
共汽车的全自动变速器。汽车传动系统的传统观念从此发生了根本转变,自动变速器在汽车领域的应用从此迅速发展。目前Allison在全世界有4个生产厂,分别在美国印第安纳波利斯和巴尔迪摩、匈牙利和巴两。其中美国工厂生产的产品主供北美市
场,匈牙利工厂以供应北美以外的国际市场为主。
Allison的产品系列大部分为:公路型的1000、2000、3000和4000T系列;非公路型HD、5000、6000、
8000、9000系列和军用型。其中T系列是专为客车配套,可选择Allison专用缓速器。Allison现已主要
使朋第4代控制系统,其换挡速度快,芯片内存增加,即按键触摸换挡,进一步降低了驾驶员的劳动强
度,提高了行车安全性。另外,Allison现已开发出采
用并联式油一电混合动力系统的自动变速器,正在
北美20多个城市使用¨州1。
早在20世纪70年代,Allison自动变速器就进
人了我国市场。目前,Allison自动变速器的使用遍及国内各大矿山、油田、水利工程、海港和消防系统,
为我国的现代化建设发挥作用。进入21世纪以来,
Allison自动变速器大量进入国内公路市场,目前,已有不少汽车生产厂家在产品上(如部分高等级客车、
城市公共汽车和部分高端重型货车等)选用了Alli—
son的变速器。2006年4月底,Allison赢得了北京
市公共交通汽车公司3435台T系列自动变速器订单,截至2008年底,已有超过10000辆公交车安装
了Allison自动变速器。
Allison的货车用自动变速器分为MD3000和
HD4000两个系列。其中MD3000系列有4挡、5挡
和6捎3种。HD4000系列分为6挡和7挡2种,HD4070PR自动变速器是Allison在2l世纪初才投
产的处于世界领先水平的电液控制AT,该型号变速
器有7个前进挡,采用先进的模块化结构,由输入模块、齿轮箱模块、输出模块、电液控制系统模块、外部
电子控制系统及辅助装置组成。每个模块都可单独
装卸,并作为独立单元来进行维修,这种模块化的设
计能简化变速器的装配和维修保养。
图6为HD4000系列的HD4070PR自动变速器
结构简图一J。表l为HD4070PR自动变速器的换挡
逻辑表。
2009(V01.31)No.9李春芾,等:蕈型车辆液力机械自动变速器综述
・879・
CL
Cl
图6
HIM070PR自动变速器结构简图
表1
HD4070PR的换挡逻辑表
挡位
离合器
制动器
Cl
C2
B1
B2
B3B4
N●
l●●
2●●
3
●●
4
●●
5
●
●6
●●
7
●
●
R
●●
图7为HD4070PR自动变速器结构剖面图。
1一闭锁离合器2一涡轮3一导轮4一泵轮5一充油泵6一前支撑7一主壳体
8一C3离合器9一c4离合器
lO—c5离合器1l一主轴12一P2行星机构太阳轮13一P3行星机构太阳轮14一C5离合器活塞总成15一c6离合器连接器壳体16一c6离合器17一P4行星机构齿圈18一P4行星机构19一P4行星机构太阳轮20一输出轴总成21一缓速器壳体总成22一缓速器转子23一缓速器定子总成“一c6离合器活塞25一P4行星机构轴法兰26一P3行星机构总成27一电液控制系统28一P2行星机构总成29一PI行星机构总成30—c2离合器3l—cI离合器32一涡轮轴33一
取力器(PTO)主动齿轮34一变矩器壳体
图7
HD4070PR自动变速器结构剖面图
HD4070PR自动变速器采用了4个行星排,是万
方数据挡执行元件包括2个离合器和4个制动器。虽然是
3自由度变速器,但每次换挡只需更换1个执行元件(见表1),这样可使控制系统得到简化。另外,变速器后部加装了缓速器,前端带有取力器接口,由变矩器泵轮(发动机)直接驱动¨¨11J。
3.2
ZF变速器公司AT
zF股份有限公司成立于1921年,至1926年供
应市场的各型号变速器已达20万台。产品品种也
扩大到轻、中、重型汽车用变速器。
应用最为广泛的是ZF—Ecomat自动变速器。它
是一种两栖型变速器,兼顾民用和军用,其主要系列
包括4/5/6HP500/590/600等¨2‘。图8为ZF—Ecom-
at的6HP500变速器的传动简图。表2为6HP500的换挡逻辑表。
n’f
C2
C3%。翳:.:嚣
…U
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诬L…llI
I
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I
nL
酐
图8
ZF.Ecomat的6挡变速器6HPS00传动简图
表2
6HPS00的换挡逻辑表
离合器
制动器
挡位
Cl
C2
c3
BI
B2
B3
N1●●
2●●
3●●
4●
●5
●●
6
●
●
R●
●
图9为采用模块化设计的ZF—Ecomat变速器的
结构原理图。
ZF.Ecomat变速器的主要特点是:
(1)启动平稳,无机械磨损,无离合器磨损;(2)自动换挡程序和平稳换挡特性,有利保护发动机与传动系统;
(3)整体式一体化减速器增加行驶安全性,改进车辆性能;
(4)紧凑的传动比、换挡点的优化及车辆起步时变矩器的作用均有效地降低了油耗;
(5)操作简便,减轻了驾驶员的劳动强度,提高
由1个辛普森轮系在前后各加1个行星排构成,换
汽车工程2009年(第3l卷)第9期
l一变矩器模块2一供油系统模块3一液力缓速器模块4一行星齿轮传动模块5一变速器控制系统模块
图9
ZF.Ecomat自动变速器结构原理图
了驾驶安全性;
(6)在困难路面与交通要道上,或在驾驶员经常更换情况下,有利于降低车辆运行与维修费用。
ZF—Ecomat变速器采用电液传动控制系统ESTl8来控制整个换挡过程。这种自动换挡控制器使换挡点随负荷的变化而变,同时可使车辆与发动机的匹配更为合理。ESTl8还有的特点是:(1)可变换挡点;(2)换挡控制程序化;(3)负荷传感器自动调节;(4)自动诊断能力;(5)监控变速器运行;(6)可与未来车辆其他电子系统互联信息。
4
AT的优缺点
4.1
AT的优点
(1)汽车起步更加平稳,能吸收和衰减振动与冲击,从而提高乘坐的舒适性。
(2)能以很低的车速行驶以提高车辆在不良路
面上的通过性。
(3)能自动适应行驶阻力的变化,在一定范围内进行无级变速可提高汽车的动力性和平均车速。
(4)液力传动的工作介质是液体,使传动系承受的动载荷大为减轻,因而提高了有关总成和零件的使用寿命,这对经常在恶劣条件下工作的超重型
自卸车尤为重要。
(5)明显减少了换挡次数且便于实现换挡自动化或半自动化,使驾驶操作简单省力有利于行车安全,此外还可避免发动机因负荷突然增大而熄火。
(6)重型车AT行星变速器内通常可选装液力缓速器,以提高制动性能并降低车轮制动器的磨损。
4.2
AT的缺点
万
方数据(1)结构较复杂,制造精度要求高,成本较高。
(2)传动效率低,可通过结构和控制技术的改
进来克服这一缺点。
(3)燃油消耗比机械变速器高,但如果与发动机匹配较好,并采用液力变矩器闭锁等措施,也可使燃油消耗与机械变速器持平甚至更低。
5重型汽车AT发展趋势及我国开发
AT的关键技术
5.1重型汽车AT发展趋势[13-171
重型汽车AT发展趋势是:(1)多挡位化;(2)换挡规律的智能化;(3)提高换挡过渡过程的品质;
(4)传动效率的进一步提高;(5)动力传动系统一体化;(6)传动的高功率密度。
5.2我国开发AT的关键技术
根据我国目前的情况,研制AT需要解决的关键技术【18-231如下。
(1)液力变矩器技术
包括带有扭转减振器的
闭锁离合器和液力减速器的产品技术。
(2)变速传动装置技术
包括有:变速传动的
设计、加工技术;摩擦元件的设计与制造技术;高速精密轴承;密封技术等。
(3)液压操纵系统技术及设计
变速器精密液
压系统的设计及加工技术。
(4)系列化、通用化的电子控制系统软硬件技术(智能化换挡控制软件技术,包括故障诊断、容错
设计等)。
(5)复杂箱体件和阀体的精密铸造技术。(6)动力传动一体化技术包括高功率密度的
动力传动组合技术;动力传动系统一体化控制及总线技术。
(7)AT的台架试验及道路试验技术。
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・881・
(上接第863页)
心
李敏兰,单颖春,石磊.等截面叶片钢板弹簧的有限元分析
3结论
口
针对钢板弹簧多体动力学建模中,采用少片弹簧等效模拟多片弹簧时钢板弹簧离散梁动力学参数难以确定的问题,提出一种将遗传算法应用于钢板
H
1J
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本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_qcgc200909018.aspx