自动变速器概述及实例

1、研究生课程论文答题本科目：车辆传动系统分析及控制任课教师：年级专业：学号：学生姓名：是否进修生？ 是 否 自动变速器概述及实例分析摘 要汽车自动变速器是汽车中最重要的部件之一，其技术开发代表了现代汽车变速器技术的发展潮流。介绍了5种类型的自动变速器，列举了制动变速器相对于手动变速器的优缺点。以双行星排辛普森式4挡行星齿轮变速器为例，介绍了其传递路线及各挡传动比。最后分析了自动变速器的发展趋势。关键字：自动变速器；分类；辛普森式；发展趋势.0 引 言变速器是传统汽车和混合动力电动汽车动力传动系统的重要部件。变速器的性能对整车的动力性、经济性、舒适性等有着重要的影响。近年来，随着汽车保有量的大幅上

2、升，驾驶经验欠缺的司机数量的急剧增加以及石油价格的不断上涨，能源危机似乎一触即发，人们迫切需要一种操纵简便、节能环保的汽车。装载自动变速器的车辆，使驾驶员不再像驾驶手动变速器(manual transmission, MT) 汽车那样频繁地使用离合器踏板，且具有操纵方便、起步平稳、乘坐舒适性好等诸多优点，因此其市场占有率在逐步提高。图1 自动变速器结构1变矩器 2油泵 3输入轴 4齿轮变速器 5阀体总成 6输出轴 7油底壳1 自动变速器的分类目前，国际上自动变速器主要有以下5种：液力机械式自动变速器( automatic transmission, AT ) 、电控机械式自动变速器( auto

3、mated mechanical transmission, AMT ) 、机械无级式自动变速器( continuously variable transmission, CVT ) 、无限变速机械式自动变速器( infinitely variable transmission, IVT ) 、双离合器式自动变速器( dual clutch transmission, DCT )。1.1液力机械式自动变速器AT由液力变矩器、定轴式/动轴式变速器组成,通过液力传递和齿轮组合的方式实现变速变矩，由于液力变矩器速比在一定范围内可以连续变化，所以AT是分段无级变速，且属于动力性换挡，即换挡过程中动力不

4、间断。根据挡位数目不同，可以分为4速、5速、6速以及7速AT等类型。1.2电控机械式自动变速器AMT是在MT和离合器基础上配备一套电控执行机构通过自动切换挡位以达到更好传递动力目的的部件。换挡过程中AMT存在动力中断，是非动力性换挡。根据执行机构作动方式的不同，AMT 可以分为电控电动、电控液动和电控气动3 种类型。AMT的研究工作主要围绕发动机、离合器和变速器等对象的控制展开的，进而实现起步和换挡时的自动化。 1.3机械无级式自动变速器CVT在其速比变化范围内消除了有级式自动变速器的挡位概念，实现了真正意义上的无级变速，变速过程更加平稳、迅速, 可使汽车获得更好的动力性、燃油经济性以及低排放

5、性能。CVT种类很多，目前应用的主要有带式和链式2种。带式CVT 应用最为广泛，通过主、从动带轮的可动锥盘轴向运动改变传动半径，从而实现速比无级变化。1.4无限变速机械式自动变速器IVT是一种无限变速传动机构，由速变器与行星排结合而形成的。它可在不需倒挡齿轮的情况下实现倒挡，进一步扩展了速比范围；也可以在没有诸如液力变矩器或起步离合器等装置的情况下实现汽车起步。根据速变器类型不同，可以分为带式、半环形和全环形等形式.对于带式速变器的IVT，其传动机理与带式CVT类似, 但是它能够实现正反向的无级变速。1. 5双离合器式自动变速器DCT是基于平行轴式MT发展而来的。它将变速器挡位按奇、偶数分别布

6、置在与2个离合器所联接的2个输入轴上，通过离合器的交替切换等完成换挡过程，实现了动力换挡, 具有良好的换挡品质。根据双离合器类型不同，可以将DCT分为干式和湿式2种。根据中间轴数目不同，也可以将其分为单中间轴式和双中间轴式2种。2自动变速器的优缺点2.1自动变速器的优点(1)更好的行驶安全性 车辆行驶过程中，驾驶员必须根据道路、交通条件的变化，对车辆的行驶方向和速度进行改变和调节。在城市中，平均每分钟换挡35次。正是由于这种连续不断的频繁操作，使驾驶员的注意力被分散，而且易产生疲劳，造成交通事故增加。自动变速的车辆，取消了离合器踏板和变速操纵杆，只要控制油门踏板，就能变速，从而改善了驾驶员的劳

7、动强度，使行车事故率降低，平均车速提高。(2)优异的驾驶性能 依靠自动变速技术，按照预先设定的最佳换挡规律，整车自动去在恰当的时刻换挡，以获得最佳的燃料经济性和动力性。(3)良好的行驶性能 自动变速装置的挡位变换快速而平稳，提高了汽车的乘坐舒适性。试验结果表明，在坏路段行驶时，自动变速的车辆传动轴上最大动载转矩的峰值只有手动变速器的20%40%；原地起步时最大动载转矩的峰值只有手动变速的50% 70%，且能大幅度延长发动机和传动系统零部件的寿命。(4)降低废气排放 发动机在怠速和高速运行时，排放的废气中CO及HC化合物的浓度较高。自动变速器的应用，可使发动机经常处于经济转速区域内运转，也就是在

8、较小污染排放的转速范围内工作，从而降低了排气污染。2.2自动变速器的缺点(1)结构较复杂与手动变速器相比，自动变速器结构较复杂，零件加工难度大，生产成本较高。此外, 变速器的维护和修理也较麻烦, 对汽车修理人员的水平要求较高, 需具有机、电、液等方面的知识。(2)效率不够高与手动变速器相比，液力式自动变速器的效率不够高。通过与发动机的优化匹配、液力变矩器闭锁、增加挡位数等措施，可使自动变速接近手动变速的效率水平。3 双行星排辛普森式4挡行星齿轮变速器分析图1 双行星排辛普森式4挡行星齿轮变速器1输入轴 2前太阳轮 3前行星轮 4前行星架 5前齿圈 6后行星架7后齿圈 8后行星轮 9后太阳轮 1

9、0输出轴 C1倒挡离合器C2 高挡离合器C3前进离合器C4前进强制离合器B1 2挡及4挡制动器B2低挡及倒挡制动器 F1前进单向超越离合器 F2低挡单向超越离合器在这种辛普森式行星齿轮机构中只要设置4个离合器、2个制动器及2个单向超越离合器，就能使之成为具有4个前进挡和1个倒挡的4挡行星齿轮变速器，并且在1挡、2挡、3挡都有两种工作状态，即有发动机或无发动机制动。这8个换挡执行元件的布置方式如图1所示。其中离合器C1用于连接输入轴和前太阳轮；离合器C2用于连接输入轴和前行星架，离合器C3和单向超越离合器F1串联布置，一同用于连接前行星架和后齿圈，单向超越离合器F1在逆时针方向对后齿圈产生锁止作

10、用；离合器C4也用于连接前行星架的后齿圈，和离合器C1、单向超越离合器F1并联布置；制动器B1用于固定前太阳轮；制动器B2和单向超越离合器F2并联布置，一同用于固定前行星架，单向超越离合器F2在逆时针方向对前行星架产生锁止作用。表1 双排辛普森4挡变速器工作规律操纵手柄位置挡位换挡执行元件C1C2C3C4B1B2F1F2D1挡2挡3挡超速挡R倒挡S、L或2、11挡2挡3挡注：接合、制动或锁止；接合或制动，但不传递动力。图2 1挡动力传递路线3.1 1挡动力传递设输入轴和后太阳轮的转速为n1，前太阳轮的转速为n2，前行星架的转速为n3，后齿圈的转速为n4，前齿圈和后行星架组件及输出轴的转速为n5

11、，前行星排的齿圈和太阳轮齿数比为1，后行星排齿圈和太阳轮齿数比为2，则后行星排的运动特性方程n1 + 02 = (1 +2)n5解这一方程, 可得1挡的传动比i1 = 1 +2图3 2挡动力传递路线3.2 2挡动力传递根据前后行星排的运动特性方程，可得方程组：前行星排n2 + 1n5 = ( 1 +1 )n3后行星排n1 +2 n4 = ( 1 +2 ) n5由于n2 =0，n3=n4，因此可得1n5= (1 +1)n3n1+2n3= ( 1+2)n5解方程组，可得2挡传动比i2 = (1+1+2)/ (1+1)3.3 3挡动力传递图4 3挡动力传递路线在自动变速器操纵手柄位于前进挡( D)

12、位置而行星齿轮变速器处于3挡时，前进离合器C3和高挡离合器C2同时接合，使前太阳轮、前行星架及前进单向超越离合器F1的外环连接为一体，和输入轴一同转动(图4)。由于在2挡中，输出轴及后行星架的转速低于输入轴的转速，因此后齿圈的转速也要低于输入轴的转速。图5 超速挡动力传递路线3.4 超速挡动力传递在超速挡时，2挡及4挡制动器B1和高挡离合器C2一起工作。在前行星排中，前行星架经高挡离合器C2和输入轴连接，为主动件；前齿圈和输出轴连接，为从动件。由于前太阳轮被2挡及4挡离合器固定，发动机的动力经前行星架和前行星轮传给与输出轴连接的前齿圈，完成动力传递(图5)。此时后行星排因后齿圈处于自由状态而无

13、法传递动力。根据前述单排行星齿轮机构的运动分析，可知此时前行星排处于增速传动状态，其传动比i4=1/ (1+1)。图6 倒挡动力传递路线3.5 倒挡动力传递在倒挡时，倒挡离合器C1和低挡及倒挡制动器B2同时工作，输入轴与前太阳轮连接，同时前行星架固定不动。在前行星排中，前太阳轮在朝顺时针方向转动时带动行星轮朝逆时针方向转动，同时驱动前齿圈和后行星架组件及输出轴朝逆时针方向转动(图6)。此时后行星排因后齿圈处于自由状态而不能传递动力，发动机动力全部由前行星排传至输出轴，其传动比i倒等于-1。倒挡时的行星齿轮变速器也具有反向传递动力的能力，可实现发动机制动作用。4 自动变速器的发展趋势就目前看来，

14、国内研究微机控制自动换挡机构技术相对比较困难，一方面需要满足驾驶员的驾驶愿望和适应各种行驶工况来进行换挡；而另一方面AMT自动换挡机构需要动力，因此或多或少地降低了传动效率。不过，现在人们在AMT上引入了各种最新的监测、控制技术，在离合器控制中采用模糊逻辑，并将神经网络方法引入AMT的换档决策和控制中，使AMT技术不断成熟，其应用前景还是比较广阔的。另外，在汽车上使用液力变矩器已经日趋成熟。下一步的研究应重点解决其传动效率低的缺点，发挥其传动平稳的优点，合理确定变矩器力矩系数，使变矩器和发动机匹配优化，改善其共同工作的经济性和动力性。随着微电子技术、传感器技术、制动器技术的发展，笔者认为目前自动变速器正向着以下几个方向发展：多挡位；自动预选式换挡系统；电控无级变速器( ECVT) ；电子智能式自动变速器；电子控制闭锁离合器；节能与环境保护；高性能、低成本、微型化。参考文献1 过学迅,吴涛.汽车自动变速器在中国的发展现状及前景J.汽车研究与开发,1999(6):7-13.2 胡朝峰,过学迅,汪斌.汽车变速器技术的发展与展望J.汽车研究与开发2005 (5) :15 - 18.3 雷君.重型汽车变速器的技术特点与发展趋势J