论汽车变速器之争

1、论汽车变速器之争摘要：当今车用变速箱主要分为机械式变速器MT、液力自动变速器AT、电控机械式自动变速器AMT、双离合自动变速器DCT和无级变速器CVT几大类型，机械式自动变速器以其特有的传动效率高和开发成本少等优点跻身于车用变速箱使用的前列。在控制程序上，AMT 比 DCT、AT 和 CVT 更简单；在传动效率上，AMT比 AT 和 CVT 效率更高。然而AMT在换挡过程中存在动力中断问题，DCT则很好地解决了这一问题。尽管自动变速器还具有各种问题，但自动变速器的应用，可明显改善汽车驾驶的操纵便捷性和乘坐舒适性，这使得自动变速器逐渐被人们所接受。在这种情况下，各大厂商加速了对自动变速器的研发。

2、关键词：机械式变速器；液力自动变速器；电控机械式自动变速器；双离合自动变速器；无级变速器Analysis on the Transmission of Vehicle Abstract：Todays vehicle gearbox can be divided into mechanical transmission (MT), automatic transmission (AT), automated mechanical transmission (AMT), dual clutch transmission (DCT), and continuously variable transm

3、ission (CVT). MT with its high transmission efficiency and less manufacturing cost among the forefront of automotive transmissions use. From the point of the program, AMT is more easier than DCT, AT and CV; In terms of efficiency, AMT is higher than AT and CVT. Unfortunately, there is a problem of s

4、topping power in the AMT shift process, DCT has perfectly solved this problem. Although the automatic transmission also has a variety of problems, but the application of automatic transmission can significantly improve the driving ease of handling and ride comfort, which makes automatic transmission

5、s is growingly accepted. In this case, all the major manufacturers accelerate the research and development of automatic transmission. Keywords: MT; AT; AMT; DCT; CVT引言在汽车的动力总成中，变速器被公认为仅次于发动机的一大重要总成。当今车用变速箱主要分为：机械式变速器MT(Mechanical Transmission )、液力自动变速器AT(Automatic Transmission)、电控机械式自动变速器AMT(Automat

6、ed Mechanical Transmission)、双离合自动变速器DCT(Dual Clutch Transmission)和无级变速器CVT(Continuously Variable Transmission)几大类型 1。 上述各种变速器各自具有各自的优缺点，总的趋势是广泛应用的手动变速器的市场份额将会因为各种各样的自动变速器的出现而呈下降趋势，但是手动变速器还会在以后相当长的时间被广泛应用，而大量自动变速器的应用，可明显改善汽车驾驶的操纵便捷性、动力性和燃油经济性。1机械式变速器MT机械式变速器又称手动变速器，自汽车发明以来，手动变速器一直得到广泛应用。直到20世纪60年代，大部

7、分的汽车变速器只有3个档位，只有高速档具备同步器。当时驾驶员驾驶车辆时，必须有很好的技术，才能平顺地换档。由于价格合理、燃料消耗低，限于当前自动变速器技术的不完善，今后手动变速器一定还会在相当长一段时间内继续获得应用。为改进手动变速器的性能，汽车工业的主要精力集中在下列方面：(1)提高换档的舒适性；(2)用轻金属降低变速器的重量；(3)减少内损耗，例如使用低粘度润滑油；(4)以合乎环境保护标准的生产工艺等有效生态方案补偿成本膨胀；(5)发展能用现有设备和零部件相兼容的双离台器变速器的生产平台 2。2液力自动变速器AT液力自动变速器是小型汽车上常用的变速器类型，它由液力变矩器、行星齿轮和自动换挡

8、控制系统三部分构成。液力变矩器是在液力耦合器的基础上加装导轮构成，即其有3个工作轮，泵轮、涡轮和导轮。泵轮和涡轮的构造与液力耦合器基本相同；导轮则位于泵轮和涡轮之间，并与泵轮和涡轮保持一定的轴向间隙，通过导轮固定套固定于变速器壳体上（图2.1）。1-飞轮 2-涡轮 3-泵轮 4-导轮 5-变矩器输出轴 6-曲轴 7-导轮固定套图 2.1液力变矩器发动机运转时带动液力变矩器的壳体和泵轮与之一同旋转，泵轮内的液压油在离心力的作用下，由泵轮叶片外缘冲向涡轮，并沿涡轮叶片流向导轮，再经导轮叶片内缘，形成循环的液流。导轮的作用是改变涡轮上的输出扭矩。由于从涡轮叶片下缘流向导轮的液压油仍有相当大的冲击力，

9、只要将泵轮、涡轮和导轮的叶片设计成一定的形状和角度，就可以利用上述冲击力来提高涡轮的输出扭矩。为说明这一原理，可以假想地将液力变矩器的3个工作轮叶片从循环流动的液流中心线处剖开并展平，得到图2.2所示的叶片展开示意图；并假设在液力变矩器工作中，发动机转速和负荷都不变，即液力变矩器泵轮的转速np和扭矩Mp为常数。在汽车起步之前，涡轮转速为0，发动机通过液力变矩器壳体带动泵轮转动，并对液压油产生一个大小为Mp的扭矩，该扭矩即为液力变矩器的输入扭矩。此时涡轮静止不动，冲向涡轮的液压油沿叶片流向涡轮下缘，在涡轮下缘以一定的速度，沿着与涡轮下缘出口处叶片相同的方向冲向导轮，Mt对导轮也产生一个冲击力矩，

10、并沿固定不动的导轮叶片流回泵轮。当液压油对涡轮和导轮产生冲击扭矩时，涡轮和导轮也对液压油产生一个与冲击扭矩大小相等、方向相反的反作用扭矩Mt和Ms，其中Mt的方向与Mp的方向相反，而Ms的方向与Mp的方向相同。根据液压油受力平衡原理，可得：Mt=Mp+Ms。由于涡轮对液压油的反作用，扭矩Mt与液压油对涡轮的冲击扭矩（即变矩器的输出扭矩）大小相等，方向相反，因此可知，液力变矩器的输出扭矩在数值上等于输入扭矩与导轮对液压油的反作用扭矩之和。显然这一扭矩要大于输入扭矩，即液力变矩器具有增大扭矩的作用。液力变矩器输出扭矩增大的部分即为固定不动的导轮对循环流动的液压油的作用力矩，其数值不但取决于由涡轮冲

11、向导轮的液流速度，也取决于液流方向与导轮叶片之间的夹角。当液流速度不变时，叶片与液流的夹角愈大，反作用力矩亦愈大，液力变矩器的增扭作用也就愈大。一般液力变矩器的最大输出扭矩可达输入扭矩的2.6倍左右。A泵轮 B 涡轮 C 导轮图2.2 液力变矩器工作原理由泵轮冲向涡轮的液压油方向 2-由涡轮冲向导轮的液压油方向 3-由导轮流回泵轮的液压油方向。当汽车在液力变矩器输出扭矩作用下起步后，与驱动轮相连接的涡轮也开始转动，其转速随着汽车的加速不断增加。这时由泵轮冲向涡轮的液压油除了沿着涡轮叶片流动之外，还要随着涡轮一同转动，使得由涡轮下缘出口处冲向导轮的液压油的方向发生变化，不再与涡轮出口处叶片的方向

12、相同，而是顺着涡轮转动的方向向前偏斜了一个角度，使冲向导轮的液流方向与导轮叶片之间的夹角变小，导轮上所受到的冲击力矩也减小，液力变矩器的增扭作用亦随之减小。车速愈高，涡轮转速愈大，冲向导轮的液压油方向与导轮叶片的夹角就愈小，液力变矩器的增扭作用亦愈小；反之，车速愈低，液力变矩器的增扭作用就愈小。因此，与液力偶合器相比，液力变矩器在汽车低速行驶时有较大的输出扭矩，在汽车起步上坡或遇到较大行驶阻力时，能使驱动轮获得较大的驱动力矩。当涡轮转速随车速的提高而增大到某一数值时，冲向导轮的液压油的方向与导轮叶片之间的夹角减小为0，这时导轮将受液压油的冲击作用，液力变矩器失去增扭作用，其输出扭矩等于输入扭矩

13、。若涡轮转速进一步增大，冲向导轮的液压油方向继续向前斜，使液压油冲击在导轮叶片的背面，这时导轮对液压油的反作用扭矩Ms的方向与泵轮对液压油扭矩Mp的方向相反，故此涡轮上的输出扭矩为二者之差，即Mt=Mp- Ms，液力变矩器的输出扭矩反而比输入扭矩小，其传动效率也随之减小。当涡轮转速较低时，液力变矩器的传动效率高于液力偶合器的传动效率；当涡轮的转速增加到某一数值时，液力变矩器的传动效率等于液力偶合器的传动效率；当涡轮转速继续增大后，液力变矩器的传动效率将小于液力偶合器的传动效率 3。目前在装用自动变速器的汽车上使用的变矩器大多是综合式液力变矩器，它和一般型式液力变矩器的不同之处在于它的导轮不是完

14、全固定不动的，而是通过单向超越离合器支承在固定于变速器壳体的导轮固定套上。单向超越离合器使导轮可以朝顺时针方向旋转（从发动机前面看），但不能朝逆时针方向旋转。当涡轮转速较低时，从涡轮流出的液压油从正面冲击导轮叶片，如图2.2（b）所示，对导轮施加一个朝逆时针方向旋转的力矩，但由于单向超越离合器在逆时针方向具有锁止作用，将导轮锁止在导轮固定套上固定不动，因此这时该变矩器的工作特性和液力变矩器相同，涡轮上的输出扭矩大于泵轮上的输入扭矩即具有一定的增扭作用。当涡轮转速增大到某一数值时，液压油对导轮的冲击方向与导轮叶片之间的夹角为0，此是涡轮上的输出扭矩等于泵轮上的输入扭矩。若涡轮转速继续增大，液压油

15、将从反面冲击导轮，如图2.2（c）所示，对导轮产生一个顺时针方向的扭矩。由于单向超越离合器在顺时针方向没有锁止作用，可以像轴承一样滑转，所以导轮在液压油的冲击作用下开始朝顺时针方向旋转。由于自由转动的导轮对液压油没有反作用力矩，液压油只受到泵轮和涡轮的反作用力矩的作用。因此这时该变矩器的不能起增扭作用，其工作特性和液力偶合器相同。这时涡轮转速较高，该变矩器亦处于高效率的工作范围。导轮开始空转的工作点称为偶合点。由上述分析可知，综合式液力变矩器在涡轮转速由0至偶合点的工作范围内按液力变矩器的特性工作，在涡轮转速超过偶合点转速之后按液力偶合器的特性工作。因此，这种变矩器既利用了液力变矩器在涡轮转速

16、较低时所具有的增扭特性，又利用了液力偶合器涡轮转速较高时所具有的高传动效率的特性。由以上液力变矩器的工作原理可知，液力自动变速箱显著的优良特点是液力变矩器能消除冲击和振动，起动性能和过载保护性能都很好。液力变矩器两端输入轴和输出轴的转速存在不同，这个转速差随变矩器两端扭矩的改变而改变，因此具有良好的自动变速性能。阻力矩增大时，输出转速下降，阻力矩较小时输出转速上升，缓和了变矩器两端动力源或负载的瞬间变化。但其存在一定缺点，就是传动效率较低。液力变矩器存在一定的无级调速能力，但是无法满足车辆换挡改变速度和扭矩这两方面的要求。所以液力变矩器后面加入了行星齿轮变速系统，以扩大传动比和高效率工作的范围

17、。但是存在以下缺点：传动效率低、构造零件多且复杂、制造成本高。我国目前的生产能力和生产水平比国外都有着相当大的不足 4。3电控机械式自动变速器AMT电控机械式自动变速器是在手动变速器的基础上改进的，保留了干式离合器和手动变速器的绝大部分，只是改变了手动变速器的换挡操纵机构，改由微机控制，根据存储在变速器控制单元里的换挡规律来进项换挡判断和发送换挡指令，再由相应的执行机构完成换挡操作。按执行机构动力源的不同，电控机械式自动变速器的选换挡机构可分为电控气动、电控液动和电控电动三种类型。电控机械式自动变速器保留了手动变速器变速效率高、成本低、结构简单、容易制造的好处，因此非常适合我国国情。原有生产手

18、动变速器的厂家把产线稍作改动即可生产电控机械式自动变速器的硬件部分，但是其电子控制部分是整个电控机械式自动变速器的关键部分。变速器控制单元内的控制程序的好坏直接关系到自动变速换挡品质的高低。当前市场上还有一种电驱动机械式变速器EMT(Electric-drive Mechanical Transmission),其本质上属于电控机械式自动变速器的一种，只是去除了干式离合器，把电机的输出轴与变速器输入轴直接相连。在换挡控制中，通过对电机转速的控制和调节，实现快速换挡的目的。其传动效率高、结构简单，生产要求不高 5。EMT的结构设计中也有其独特的地方，那就是去除了传统AMT中的同步器，改由啮合套来

19、进行接合。这是因为电机转子与变速器输入轴直接连接，于是输入轴端的转动惯量大大的增加，如果继续使用同步器进行换挡同步，会严重磨损同步器锁环的锥环面，减少同步器的使用寿命。而使用电机主动同步、哨合套接合换挡则有效避免了滑摩功，缩短了换挡时间。4双离合自动变速器DCTDCT双离合自动变速器是基于手动变速器基础之上，但与手动变速箱完全不同的是，DCT中有两幅离合器与两根输入轴相连，换档和操作离合器是通过集成电子和液压元件的机械电子模块自动实现，而不需要驾驶员通过操作离合器踏板。DCT双离合自动变速器由双离合器系统模块、液压控制系统，扭转减振系统、电子控制系统组成。按类型可分为湿式和干式两种，双离合自动

20、变速器的结构较为复杂，双离合器系统模块和液压控制模块是DCT双离合自动变速器的核心，双离合器系统模块相当于双离合器自动变速器的心脏，控制模块则可以认为是自动变速器的大脑。DSG (Direct Shift Gearbox)是双离合自动变速器的典型代表，它是大众汽车公司的专用名称，文章以大众6档DSG双离合器自动变速器为例分析其结构和工作原理。图4.1 大众6档DSG双离合自动变速器图4.1是大众6档DSG双离合器自动变速器机械结构图，发动机的输入轴通过缓冲器与两幅离合器：离合器1和离合器2的外片相连，离合器1、离合器2两幅离合器分别控制奇数档位(1、3、5档)和偶数档位(2、4、6档)，DSG

21、有两根同轴的输入轴，输入轴1装在输入轴2里面，输入轴1和离合器1相连，输人轴1上的齿轮就可以和1、3、5档的齿轮啮合；输人轴2是空心的，和离合器2相连，输入轴2上的齿轮分别和2、4、6档齿轮相啮合。倒档齿轮通过中间轴齿轮和输入轴啮合。当汽车挂上档开始行驶时，离合器1结合，输入轴1工作，离合器2分离，当到达换档车速时，将正在结合的离合器1分离，结合离合器2，就可以达到换档目的，由于DSG双离合变速器工作过程中总有两个档位是结合的，一个正在工作，另一个在为下一个换档做好准备，手动模式下可以进行跳跃降档，如果起始档位和最终那个档位属于同一个离合器控制，则会通过另一个离合器控制的档位转换一下，如果起始档位和最终档位不属于同一个离合器控制，就可以直接换到所定档位，在换档过程中，不需要将动力完全切断，这与目前的AT自动变速器换档过程类似。5无级变速器CVT大规模成功应用的CVT 是由锥轮和传动带组合的传动带式CVT 。这种CVT 变速器主要靠传动带和带轮锥面摩擦来实现扭矩传递，摩擦传动使得传动带承受很大的应力，导致CVT 的扭矩容量受到很大限制，同时由于传动带高夹压力的需求，导致CVT 传动效率相对MT 较低。CVT变速器由于其优异的驾乘舒适性及燃油经济性表现，正被越来越多的人所青睐。2013 年CVT 占全球乘