第十一章 自动变速器

第十一章自动变速器

§11－1自动变速器综述一.前言汽车的发展经历了三大革命：动力革命、传动革命与控制革命。先进国家目前正处于控制革命阶段，即自动控制阶段。从各总成的单独控制向动力传动系统一体化综合控制；从一般控制向智能化、网络化控制发展。

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。我国汽车工业正处于发展和提高时期，随着技术进步和人民生活水平提高，目前在国内已经形成年产140多万辆轿车的生产能力，轿车年产量已超过60万辆。随着轿车进入家庭，非职业驾驶员越来越多，他们对简化操作的要求日益迫切。因此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。

二.自动变速技术的现状及发展机遇与挑战自动变速器种类很多，主要有液力自动变速器(AT)、电控机械式自动变速器(AMT)、无级自动变速器(CVT)。从技术发展角度看，关键是电子技术、电液控制技术和传感技术。2．1液力自动变速器(AT)

它是将发动机的机械能平稳地传给车轮的一种液力机械装置，以其良好的乘坐舒适性、方便的操纵性、优越的动力性、良好的安全性奠定了在汽车

工业的主导地位。我国最早是在一汽生产的CA770红旗轿车上装备了自动变速器，但累计只生产了1283台，尚不具有工业化生产的意义。1998年上海通用汽车公司(SGM)生产的用于别克轿车上的4T65E电子控制自动变速器正式下线，1999年开始批量生产并投放市场，率先在国内将AT作为标准配置装于轿车。1999年中日合资生产的本田雅阁轿车也正式投产，其AT为本田技术PAX型，它弃用行星齿轮，而选择常啮合平行轴式结构，零件少、易制造是其长处，它采用了全电子直控式变速装置，能使变速、燃油喷射以及巡航等控制相结合。与此同时，上海大众的帕萨特B5、一汽大众的捷达都市先锋上装备了自动变速器AG4-95。神龙公司也向市场投放了装备进口的AL4智能型自动变速器的富康988“领导者”以及富康1.6L轿车。它采用了模糊控制理论和动力传动系统综合控制技术，实现了智能化控制，电子控制单元中有10种换挡规律，按需分别调用几种换挡规律或同时或交替工作，共同控制变速器的

状态。一汽大众的奥迪A6高级轿车上作为选装件的AT为Tiptronic型，在自动变速的基础上可提供手动换挡功能。在自动模式下可直接转到手动操作模式，以此来领略驾车的多种乐趣。北京吉普公司在切诺基越野汽车上小批量装备了AW4自动变速器，现已达到1000多台。至于城市客车(即公共汽车)频繁起步换挡，变速器、离合器和制动器的使用频率是—般车辆的10倍左右，劳动强度极大，即使是职业驾驶员也因受心理与生理所限，迫切要求使用自动变速器。国外是几乎100％装用，我国1995年首次在国产公共汽车上装备了Allison自动变速器，遍及深圳、上海、广州、南京等城市，其中深圳已占有40％。但效率低、难制造、成本高是AT的缺点，为此带有变矩器的AT车几乎都是电子控制，且带有闭锁机构，并扩大闭锁范围和缩短锁止结合时间；闭锁离合器分离时，能量损失大，必须利用适当的滑差控制以改善传动效率。完全闭锁对提高燃料经济性直接有效，但防碍吸收振动和冲击，所以从这个角度看也需与滑差

控制方式并用。提高燃料经济性的另一种手段是变矩器的高效率化，通过三维流体分析，使循环圆形状、叶片角度、叶片负荷分布及导轮叶片形状最优化(见图11－1)，由于带有变矩器的汽车易于控制，所以适合各种高级控制方式。

图11－1变矩器性能的提高为了降低成本，AT的小型化和减少零部件个数也成为课题，这就要求形成大规模生产。AT的经济规模至少应在年产30万台以上，批量越大，价格才越低。2．2电控机械式自动变速器(AMT)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挡杆部分，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挡，这可以通过电控软件方面来得到一定弥补。如上所述，虽然在客车上AT比较适合于高级旅游客车。而一般城市公共汽车在装用进口的Allison自动变速器时，其价格每台在13～17万元左右，已大大超过与其配套的康明斯、玉柴等发动机的价格，难以接受。这也是国外如日野的兰带客车、ZF－Astromic、伊顿等重型载货汽车多用AMT的原因。对于轿车，日本的ASKA轿车最早应用AMT，近年来瑞典的SAAB、德国的BMW—M3、法拉利Fl等也装用AMT，特别是大众Lupo轿车(油耗2．99L／100km)已向人们证明，要想今后达到3L／100km的油耗目标，只有用AMT或MT(手动)，AT无法实现。在几种自动变速揣中，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。2．3无级自动变速器(CVT)

世界最早的无级自动变速器，因为受传动橡胶带强度所限制，难于推广实用，直到1984年因VanDoone发明了金属V型带才获新生。CVT速比光滑变化，无级传递扭矩，乘坐舒适，加速性好，燃料经济性高。但它的起动性能差，故需另加起动装置，现在较多的CVT选液力变矩器为起动装置，又称双无级自动变速器。目前它在自动变速器中仅占1％，其中90％在日本，10％在欧洲。日本Subaru、Nissan、Honda、意大利Fiat等在车上部分选用，CVT虽已开发多年，因设备更换量大、制造困难、价格也较高．故市场销售一直在100万台/年中波动，上升趋势不明显。但因其理论上性能优越，仍视为自动变速器的主要发展方向之一。我国尚处于起步阶段，国外在1.5L以下小排量的轿车上应用前景较好，日产公司在2L级的车上的CVT也开发成功。为了提高带的传动容量，带宽增加为30mm(旧式为24mm)，9层钢圈宽度扩大25％，同时采用了阶段式高油压系统。除上述的湿式金属带外，由树脂和铝合金等构成的干式带CVT被日本大发公司在新开发的汽车上采用，皮带轮的连续变速的控制使用直流电动机。该变速器的特点是，起步时通过由定传动比齿轮构成的副传动路线来传递动力，保证起步性能；当达到规定车速时，变换到由带传动所确定的主动力传动路线，图2所示为基本概念图。半圆环式的无级变速器正在研究中，它是利用输入／输出圆盘和动力滚子间的剪切力传递动，通过滚于的倾斜连续地改变传动化，期待该方式能传递更大扭矩。

图11－2干式带CVT的动力传动

§11－2液力变矩器

一.前言通常AT均由液力变矩器、辅助变速器与自动换挡控制系统这三大部分组成。本文仅阐述液力变矩器(HydraulicTorqueConvener简称TC)，它是通过工作轮叶片的相互作用，引起机械能与液体能的相互转换来传递动力，通过液体动量矩的变化来改变转矩的传动元件，具有无级连续改变速度与转矩的能力，它对外部负载有良好的自动调节和适应性能，从根本上简化了操作；它能使车辆平稳起步，加速迅速、均匀、柔和；由于用液体来传递动力进一步降低了尖峰载荷和扭转振动，延长了动力传动系统的使用寿命，提高了乘坐舒适性和车辆平均行驶速度以及安全性和通过性。二.液力变矩器的工作原理液力传动装置的基本形式为液力偶合器与液力变矩器。液力偶合器工作原理如图11－3所示，两台对置的风扇，图11－3液力偶合器工作原理

电机使A旋转，气流带动B也旋转起来，为了有效传递动力，将空气改为液体，使二风扇间距尽可能小并且使两者闭合起来，以免能量散失，这就是今天的偶合器。液力变矩器结构上与偶合器的区别是在泵轮P与涡轮T之间增加了单向离合器P和固定在壳体上的导轮D(见图11－4)。液体在各工作轮(P、T与D)组成的闭合的循环流道内传递动力，发动机带动泵轮旋转，其离心力使液体在泵轮中向半径大的方向流动封闭的循环圆迫使液体冲进涡轮，推动叶片转动，以驱动汽车。为了提升涡轮上的转矩，一般叶片是空间曲面，使液体离开涡轮时，方向与流入涡轮时的方向相反，以产生尽可能大的动量矩，从而提供最有效的转矩传递。导轮的作用是再将液体回流至泵轮，且使流动方向再次反向。液体回流至泵轮后，图11－3液力偶合器工作原理

推动其叶片的后表面，促使泵轮旋转，故在来自发动机扭矩的基础上，再加上从导轮回流动扭矩，将合成的扭矩传递至涡轮。即：

(1)式中，TP、TT、TT分别为泵轮、涡轮及导轮上的作用转矩。根据动量矩定理可求出叶轮与液体的作用扭矩T：

(2)

式中，M、Q为液体的质量与流量；Vu1、Vu2：为液体在叶轮进口与出口的绝对流速的周圆分速度；R1、R2为叶轮人口与出口的半径；为液体密度。图2所示是最简单也是最常用的单级三元件工作轮，按式(2)分别为：

(3)因循环圆内无叶片区的动量矩不变：即如将方程(3)中三式相加，同样可得式(1)的结果，正是由于导轮的引入，才使涡轮上转矩提高，它是属于扭转变换器范畴，又兼有转速变速器的功能，在汽车上已取代了偶合器。

图11－4液力变矩器的工作原理

三.液力变矩器性能3．1变矩系数K

液力变矩器是以液体的动能来传递能量的，在泵轮与涡轮之间的转速差大时，涡轮旋转所形成的反压力小，则从泵轮处流人涡轮的流速高，循环圆中的流量也大，则涡轮上的扭矩也随之增大。显然，当涡轮不动时(nT=0)，循环流量达到最大(Qmax)，涡轮上扭矩也增至最大(TTmax)。从而，表征其增大倍数的变矩系数K：

(4)失速变矩系数K­0也将达到最大，对轿车通常在1.6～2.4之间。为了具有可比性，一般用涡轮转速nT与泵轮转速nP之比ί(称为速比，ί＝nT／nP)来代替nT描述K的变化。对汽车上常用的向心涡轮式(即指进图11－5液力变矩器原始特性曲线

口半径大于出口半径的涡轮)变矩器，随涡轮转速nT增加，如果泵轮以不变转速nP旋转，Δn=nP－nT是越来越小，则流量Q也下降，所以图11－5中K=ƒ(ί)是单调下降函数，

直至nT=nP时，Δn=0，Q也随之为零，则变矩器传递的能量也停止，K=0。故对液力变矩器，要正向驱动，就应使nP>nT，一般速比ί可以工作到0.98左右。这种不需要控制，就能根据外界负荷变化自动改变其转速和转矩的性能，非常接近于理想牵引特性，其良好的自动适应性，对于各种运输车辆都是十分重要的。3．2效率η

(5)效率性能是指变矩器在传递能量过程中损失的变化，用η=ƒ(ί)来表示。它是具有极大值的抛物线：在失速点时，泵轮虽有功率输人，但因nT=0而使η=0；随nT增大，流量也逐渐下降，与其平方成正比的通流(摩擦)损失而随之不断下降，从而效率不断提高，在计算工况点ί*(附近)各叶轮液流均无冲击地进入人口，从而使效率η*值达到最高；速比再增加时，虽然通流损失仍在下降，但冲击损失又继续增加，使η下降。当达到最大速比ίmax=0时，Q=0，无功率输出，η再次为0，损失的分布见图图11－6。由于汽车经常在大速比工

工况下作，为了克服这一缺陷，故将导轮通过单向离合器后再与壳体相连。设计中使速比ί大于变矩系数K=1的速比ίm点时，用液流的反向作用使导轮可自由转动，使液力变矩器转变为偶合器工况，故当ί>ίm以后的范围，理论上效率ηm=ί，从而使最高效率可达到0.95～0.97，提高了车辆的燃料经济性。这图11－6液力变矩器流通和冲击对效率的影响种不同的工作状态称为相，故今为二相；而置于泵轮与导轮或导轮与导轮之间的涡轮数称为级；工作叶轮又称为元件。在现代轿车上采用最多的是单级三元件二相形式，对二相或多相又称综合式液力变矩器。

η是变矩器性能中最重要的参数，决定着结构的发展与设计理论的改进。对η=ƒ(ί)的变化，因轿车常在高速比下工作，所以为了提高最高效率ηmax，宁可适当降低K0。对越野车辆，行驶工况复杂，则希望效率不低于80％，所对应的速比范围dP=ίP2/ίP1

大一些较好，η=ƒ(ί)应先有该车型的变矩器工况的概率分布，才能有准确的结论。另一种高效率化的途径是通过三维流体分析，循环圆形状、叶片角度、叶片负荷分布及导轮叶片形状的最优化等，来进一步提高变矩器自身效率。1978年克莱斯勒公司为了更进一步提高效率，突破了过去闭锁仅用于公共汽车与载货汽车的限制，首次对轿车变矩器也进行了闭锁，并取得了成功。近来，对闭锁利用适当的滑差控制，证明也可改善效率。3．3透穿(负荷)性能C

透穿性能是指变矩器涡轮轴上转矩和转速变化时，是否影响泵轮轴上转矩和转速也相应变化的能力。通常以能容系数C=ƒ(ί)表示(见图11－5)，C为：(6)也有用力矩系数λP来描述的，则C=λPρgD5，ρ为液体密度，D是变矩器循环圆有效直径。如越大，则C越大，即传递相同功率时，变矩器的尺寸越小，负荷能力强。而dC/dί值则反映透穿性能。dC/dί=0，变矩器为非透穿，即外部负荷TT及速度nT变化不会影响到泵轮与发动机的工况，发动机仅受油门开度的控制，显然，这可充分保护发动机；轿车上多用正透穿，即dC/dί<0，起步时，TP0工作在发动机大转矩处，随nT增加，nP向发动机大功率工况移动，从机的性能。有时在低速比区会有一些dC/dί>0的负透穿，而后很快就转为正透穿(见图11－7)，这种混合透穿也是可以采用的，但在车辆中不采用dC/dί>0的负透穿。透穿能力也可用透穿系数T表示：

图11－7液力变矩器的各种透穿性能1．负透穿2．混合透穿3．非透穿4．正透穿

(7)式中，C0、Cm分别为失速及转入偶合器工况时的能容系数。一般T=0.9～1.15时为非透穿，T>1.15为正透穿，T<0.5为负透穿。全面评价性能时，应考虑几种典型工况：起步工况、最高效率工况、高效区工况和转入偶合器工况等，大体上有10个指标，限于篇幅不再评述。但必须知道上述三大性能间是存在着相互制约的关系。如K0增大，T将下降，η*、ί*、ίm、C0也均变小；反之，则升高。故确定指标时，一定要全面衡量。四.液力变矩器与发动机的匹配一台性能良好的发动机和一台性能出色的变矩器，如匹配不当，并不能获得卓越的汽车性能。为此，如图7所示，应做好共同工作。4．1发动机与变矩器共同工作的输入特性从式(6)变矩器的负荷性能知，泵轮力矩TP=CnP2，选定一个速比ί，就可以从原始特性曲线(图11－5)上找出相应的Cί，则TPί=CίnP2可求，泵轮特性曲线是一簇通过原点的抛物线。这些就是对发动机的加载特性，故再以相同的坐标比例把发动机的特性画在一起，它与发动机扭矩的交点，即为其共同工作点，一系列交点构成的扇形面积为其共同工作的输入特性。以下述原则判其优劣：图11－8发动机与液力变矩器以及车辆的共同工作

a最高速比工况ίmax=0.95～0.98所确定的TPίmax。是应通过发动机的最大功率点PeP，以使功率得到充分发挥。对于带闭锁的变矩器，则此要求不严格，因为PeP，通过闭锁仍可得到发挥。

b．共同工作区应覆盖发动机的最佳燃料经济性工作区，以便汽车节油行驶(见图11－8)。c.

起步工况ί=0的TP0抛物线最好通过发动机的最大转矩点Tem附近。轿车为了提高乘坐舒适性与降低起步噪声，还特意使Tp0向发动机低转速区移动，这样也使起动电机的起动力矩降低，且避免起步前的蠕动。可通过改变有效直径D等办法，来调整共同工作区的大小及所处位置，同时满足上述要求是困难的，通常保证主要的再兼顾其它要求。4．2发动机与变矩器共同工作的输出特它指发动机与变矩器匹配的输出转矩TT、功率PT，比油耗geT和发动机转速ne、泵轮转速nP与涡轮转速nT之间的关系。根据输人特性，再运用TT=-KTP，nT=ίnP，geT=ge/η等式计算，并以nT为横坐标，其它参数为纵坐标，同样可得一簇TT=ƒ(nT)负荷抛物线，geT=ƒ(nT)的等油耗线，即为共同工作的输出特性。它是进行汽车牵引计算的基础。其优劣的判别与输入特性类同，亦不再赘述。图11－9为各种特性曲线之间的关系和共同工作点求得的过程。

图11－9发动机与液力变矩器共同工作框图4．3匹配由于汽车的类型很多，使用条件也极其复杂，具体应参见表11－1。表11－1匹配原则汽车形式及透穿性系数的范围

闭锁型液力变矩器综合型液力变矩器

载货汽车和公共汽车（T≈1）

nP0=(0.8～0.9)neM

nP0=(0.55～0.75)neM

轿车

T>2时nP0=(0.6～0.8)neMnP0=(0.6～0.7)neMT<2时nP0=(0.7～1.1)neMnP0=(0.7～1.1)neM公共汽车

T>2时nP0=(1.3～1.6)neMnP0=(1.0～1.4)neM

T<2时nP0=(1.4～1.7)neM载货汽车

T>2时nP0=(1.4～1.7)neMnP0=(1.2～1.6)neM

T<2时nP0=(1.5～1.8)neM

对公共汽车，美国Allison公司有专用的SCAAN分析系统，以保证动力性、燃料经济性、平顺性、通过性等各项指标的最佳组合。德国ZF公司也有其自己的规定。此外，表1是对非增压发动机而言，对废气涡轮增压的发动机，不具备非增压发动机加速时的反应灵敏性，图11－10不同类型内燃机特性与液力变矩器的匹配则nP0应大于0.65neP(图11－10b)；增压的中冷发动机的特点是最大转矩Tem的转速高，则nP0应大于0.75nP0(图11－10c)；而高增压发动机，其转矩随转速增大上升快，且在最高转速nemax范围内达到最大转矩值，则应选透穿性小的变矩器，以获得狭窄的泵轮特性曲线，nP0应大于0.91nP0(图11－10d)。

调整匹配的途径(即调节能容)可从式(6)分析：

TP=CnP2=λP·ρgD5·nP­2

(8)a．改变有效直径D，它是5次方关系，影响也大，故是首选方案。

b．改变力矩系数λP

，一般是通过改变泵轮或导轮的出口角βP2或βD2来实现，它影响小属于微调，只用于匹配已基本上满足要求时，以达到最佳匹配。也有转动叶片的方法，它可使各工况下都能获得理想匹配。

c．采用功率分流，一路经变矩器传递，另一路经机械传动的双流液力机械传动，也属于改变λP范畴。

d．在发动机与变矩器中间设中间传动ίeP=ne/nP，显然，这是改变nP的办法，它是二次方关系，效果也明显，但要增加中间传动，结构复杂。

e．改变密度ρ，因潜力很小很少采用。根据上述原则，不同的发动机就要有不同的匹配，这是很不经济的，实际上也无此必要。通常是以变矩器的系列化来解决，即首先规定一些标准有效直径D，以保证该系列能适应的功率范围，然后在每一种尺寸基础上，通过改变泵轮或导轮的出口角，又可与其匹配若干功率及转速的规格，这就是系列化。它与提高变矩器效率同等重要，国外变矩器的专业厂系列化程度都很高。

§11－3液力变矩器的闭锁与滑差控制

一.概述液力变矩器(TC)的性能优越，但最大的缺陷是效率低，为了降低装用液力变矩器汽车的油耗，而采用了闭锁(LU)，它是指在液力变矩器的泵轮与涡轮之间，安装一个可控制的离合器，当汽车的行驶工况达到设定目标时，控制离合器将泵轮与涡轮锁成一体，液力变矩器随之变为刚性机械传动，其目的是：

a.提高传动效率。闭锁后消除了液力变矩器高速比工况时效率的下降，理论上闭锁工况效率为1，从而使高速比工况效率大大提高(见图11－11阴线区)。

b．闭锁后功率利用好，也提高了汽车的动力性。

c．由于效率的提高，液力变矩器转为热散失的无效功下降，也减少了发动机风扇的功率消耗。图11－11液力变矩器特性与闭锁

由于a与c的原因，闭锁就可减少燃油消耗4％～8％，实际上早在1953年就有此项专利，只因当时油价便宜而忽视了它，但1967年能源危机以来，对其才日趋重视。可是过去人们认为闭锁降低了乘坐舒适性，只适用于公共汽车、载货汽车的观念直到十多年后才被打破。1978年克莱斯勒公司在轿车上首图11－12变矩器离合器的闭锁与解锁

次成功开发闭锁离合器，可节油4％～6％现在各种轿车上的液力变矩器均已推广应用，不仅闭锁范围扩大，有滑差控制的离合器也在兴起。二.闭锁原理与控制2．1闭锁原理以广州雅阁为例(图11－12a)，闭锁压力油从油道，进人离合器2的右边，而其左边的油经油道5回流，两边的压力差使装于涡轮轴花键上活塞左移，直至变矩器壳与锁止离合器之间的油被排出，使涡轮与泵轮稳定地锁在一起；为了弥补液力变矩器的阻尼作用，吸收发动机扭转振动的减振器都装有减振弹簧3；离合器分离时，油道5进压力油，油道4泄油。上海通用SGMBuick的闭锁结构见图11－12b。最近双面型的大容量闭锁离图11－13液力变矩器新型双面闭锁离合器合器也已问世(图11－13)，不仅大大提高了传递转矩，其滑差性能与响应性能也优于单面闭锁离合器。富康液力变矩器的闭锁离合器也是双面型，但结构较复杂。它实质上是液力挡与机械挡之间的转换，故有在何点闭锁为佳的问题，从理论上讲，闭锁点ίc定在转入偶合器工况点ίm好，该点变矩器系数K=1，既保证充分利用变矩器的自适应长处，又减少了因闭锁而造成的转矩与转速的突变；但也有为了扩大高效率范围在变矩器最高效率η*对应的速比ί*闭锁；还有将闭锁点设在ί*与ίm之间的；另外也有少数将闭锁点定在大于ίm的，以缩小闭锁时的转速差(Δn＝nP-

nT=nP(1-ίc)。对于以提高效率为主要目的的城市大客车、载货汽车、军用汽车等，可将闭锁点定在ί*附近；而轿车还需兼顾舒适性，则以ίm附近为宜。2．2控制规律2．2．1单参数控制

a．涡轮转速nT控制根据闭锁点ίc，再由液力变矩器与发动机共同工作时的转速nP，计算出nTC=ίcnP。为了保证车辆加速、爬坡或坏路行驶等需要，以及为了提高换挡品质，还要在其需要时能迅速解锁。为了避免频繁闭锁、图11－14闭锁离合器的控制规律解锁，必须设定解锁的转速nT小于nTC，这称为闭锁－解锁转速差(ΔnT=nTC–nT)。该型式多用皮托管控制，结构简单实用，但它因无油门参与控制(图11－14a)，致使合理的ίc只能按某一油门开度来获取nP，从而不能保证其它油门开度均有好的动力性与燃油经济性。

b．车速控制这是属于高挡闭锁方案，可避免低挡范围内频繁闭锁，减少由此引起的冲击与磨损，它在城市客车上有采用(图11－14b)。c．挡位控制高挡闭锁，其作用与车速控制相似。如图11－12所示雅阁液力变矩器，当换挡杆在D4而变速器处于第2、3或4挡工作时，可以闭锁；而换挡杆在D3而变速器处于第3挡工作时，才可闭锁。2．2．2双参数控制

a.按速比ίc控制实质是由泵轮转速nP与涡轮转速nT两个参数同时控制，它可克服单参数nTC的缺陷，使各油门开度下都在合理要求闭锁点闭锁(图11－14c)。b．涡轮转速nT与油门开度α控制不同油门开度下闭锁点的nT不同，这不仅使闭锁点合理(图11－14d)，而且结构上也易于实现。

c．车速ν与油门开度α控制它与b的区别仅在于油门开度一定时，只有当车速到达某值才闭锁；可以实现高挡闭锁而低挡不闭锁(图11－14e)，是目前轿车常用的控制。三.滑差控制完全闭锁对提高燃油经济性直接有效，故其闭锁范围在不断扩大；但它妨碍吸收振动和冲击，特别是低速时，即使二段式的减振器也很难将其衰减。而且过低速比闭锁，当车辆快速制动时，还可能导致发动机熄火，故在变矩器工况与全闭锁工况间增加过渡的滑差控制(见图11－15)。现以丰田A541E自动变速器的液压控制油路为例(见图11－16)说明其原理。主油路来油压力P，经次级调节阀调制为Psec用以控制离合器的闭锁、滑差与分离等状态。开图11－15闭锁离合器的滑差控制

图11－16丰田A541E液压控制油路

关电磁阀控制闭锁继电器阀处于两种状态：它在打开位置时，Psec至闭锁离合器接合一侧，而离合器分离侧的油压由闭锁阀控制；线性电磁阀压力、离合器的接合压力与分离压力都作为闭锁控制阀的先导压力。据此，接合压力与分离压力之间的压力差，就代表了液力变矩器离合器的转矩容量。该调节系统的压力差控制能力高，甚至次级调节压力Psec有变化时，也不影响转矩容量。故它可以实现全闭锁控制或各种程度滑差控制。它在半闭位置时，Psec进入离合器的分离侧，接合侧立即泄油，离合器分离。其电控系统见图11－17。

图11－12所示的雅阁液力变矩器的离合器，通过图11－18所示的控制流程图，根据两个独立的闭锁控制阀A与B和节气门开度也能实现离合器的完全分离、部分滑差、一半闭锁、完全闭锁和周期闭锁等各种闭锁程度的控制。

图11－17电控系统图也有汽车公司用粘性联轴节作为减振器来实现滑差控制(见图11－19)的，当其产生转速差时，所传递转矩Tv可用下式计算：

图11－18雅阁自动变速器的控制流程图(9)式中，μ为动力粘度，是油温t与剪切速度Δω,的函数；λ为片间间隙；r1、r2为传动片的内径与外径；nί为内片数，因为变矩器中r1与r2不为常数，可取r1、r2近似的尺寸分成nί组，ί＝1，2……从上式可见滑差Δω就能自动调节所传递的转矩大小。

图11－19粘性减振器

四.特殊应用4．1功率分流奥迪OIF与OIK自动变速器(AT)其闭锁离合器C3不在变矩器内，而是在变速器中(见图11－20)，且其工作由换挡阀控制。当在第1、2挡和倒档时，离合器分离，液力变矩器工图11－20OIF和OIK自动变速器1．变扭器2．扭转减振器C1．前进离合器C2．倒挡制动器C3．锁止离合器B1．2挡制动器B2．低挡及倒挡制动鼎B3.2挡强制制动器F1．1挡单向超越离合器F2．2挡单向超越离合器工作；第3挡时C1与闭锁离合器C3接合，但这时是实现功率分流(60％的动力经C3以机械传动方式经过变速器，40％动力仍由液力变矩器传递)以提高效率，又保留液力变矩器的优点；第4挡时C3仍保持接合，这时发动机动力才全部经C3的机械传动工作，即实现上述闭锁功能。福特AOD液力自动变速器(AT)也是采用此方式工作，以实现在较大的工作范围内减少变矩器的液力损失又提高了传动效率，改善了燃油经济性。4．2CVT闭锁对CVT无级自动变速器，现在多用液力变矩器作为起步装置，故亦有闭锁问题。如图11－21a所示，它比在上述AT中的闭锁范围要扩大很多，增加了阴线面积，这是由于CVT也具有自动变速功能，它所需要液力变矩器帮助的，主要仅在于起步工况；为了提高燃油经济性，故扩大了闭锁范围。此外，它为了适应驾驶员的要求，增加了快速踏下加速踏

图11－21CVT闭锁与解锁控制规律板时可解除闭锁状态功能，即dα／dt值越大，越提前解除闭锁，恢复以液力无级变速(TC)与机械无级变速(CVT)串联工作，以实现最佳的加速性能。§11－4液力自动变速器(AT)的典型结构及发展趋势

一.概述液力变矩器的无级变速性能虽然很好，但从经济性考虑它不能完全满足车辆改变速度和变化动力两方面的要求，故需与齿轮传动串联或并联，以扩大其传动比与高效率工作范围。齿轮传动有旋转轴式(行星齿轮系)与定轴式两种。虽然，人们熟悉的定轴式机械变速器工艺性好、成本低，但由于行星齿轮传动易于实现自动化、结构紧凑、质量轻，特别是其具有与液力变矩器可实现功率分流的长处，故目前AT中多为此型。显然机械传动在AT中属于辅助地位，故又称其为辅助变速器，这样完整的AT是由3部分组成(图11－22)：液力变矩器、辅助变速器、自动换挡控制系统。图11－22CA774液力自动变速器1.制动器B12.离合器C23.离合器C14.前行星排5.后行星排6.制动器B27.单向离合器F二.行星传动行星传动类型很多，最简单的是由太阳轮S、齿圈R、行星架C和支架上自由行星齿轮P组成(图11－23)。2．1行星传动运动学如图11－23a所示，给整个行星排附加一个与行星架转速nc大小相等方向相反的牵连速度，对构件的相对速度不变，则行星排变为定轴式传动，可得：…(10)式中，nS、nC分别为太阳轮转速和齿圈转速；zS、zR分别为太阳轮齿数和齿圈齿数；α为行星排结构参数，α=zR/zS，通常取4／3≤α≤4。

由式(10)得单行星排3元件的转速特性方程：…(11)式(11)是三元一次齐次方程，三个未知数清楚地反映了单排是二自由度机构，这正是其与一自由度定轴式不同之处。3构件中任意两者之间均无固定的转速联系，必须加一个约束条件(用制动件B使其一固定，n＝0)或用离合器C联结二者以同一转速旋转，才能获得确定的传动比ίg。同时，还可以看出方程的3个图11－23行星齿轮机构简图

系数之和为零，这说明单行星排具有用离合器把其中任意两个元件闭锁，使行星排整体转动的特性。这就是说单行星排的输入与输出轴可实现减(超)速、等速或反转（倒挡），即两个前进一个倒车的3个排挡。但实际使用中，即使轿车目前均多为4前1倒或5前1倒，6前1倒的自动变速器也即将投放市场。大客车、军车、重型货车等所需挡位更多。故实际行星齿轮变速器中是多排行星轮系的组合，这时传动比ίg可以通过解各个单行星排的运动方程及结构的约束方程所组成的联立方程组来得到。对太阳轮经过两个相互啮合的行星轮才与齿圈相连的双行星排（图11－23d和图11－23e），在行星架不转时，因太阳轮与齿圈旋转方向相同，故在式(11)中，以“－α”代人即可。其α可应用范围比单行星排扩大了，且能以较少的齿轮组成变速器排挡。但结构复杂、难加工，装配精度要求更高。

仍以单行星排为例，在稳定的等速工况下，不计摩擦损失分析其3元件的内部理论转矩。由行星轮的平衡条件(图11－24)，得到各力之比为：2．2行星传动动力学图11－24行星轮受力平衡图

…(12)而3个力的作用半径很容易推出为：则可知3元件的理论转矩关系式为：

…(13)…(14)2．3行星传动效率由于行星传动一般既传递牵连功率(行星架)，又传递相对功率，甚至还有功率循环，故在获得同样传动比时，选择不同组合方案，其效率值可能相差很大，所以要对其十分重视。效率计算时假设：

a．行星轮系的牵连损失小，只计与相对运动有关的齿轮啮合损失。

b．齿轮啮合损失，整体旋转效率为1，一对外啮合齿轮效率为0.97～0.98，内啮合取0.98～0.99，则相对的运动效率：单行星排ηPS=0.95～0.97；双行星排ηPD=0.92～0.97。齿轮传动中转速无损失，其效率反映在力矩传递中，行星变速器在某挡传动比为ί时，其效率公式为：…(15)式中，为该挡传动比为ί时，输入轴ί至输出轴o的整体行星轮系效率；ηiBu为该挡时，输人轴ί传至制动件B时的该段行星轮系效率，对单行星排太阳轮主动时u“取“+”，太阳轮被动时u取“－”，但对多排组成的复杂轮系，需进一步判断功率流向，可用虚位移原理推导u的判别式：…(16)>0为“＋”，<0为“－”。

三.行星齿轮变速器换挡执行机构因为所有齿轮是处于常啮合状态，其挡位变换不同于手动变速器用移动拨叉变速，它是以对行星机构的基本元件进行约束来实现。通常有离合器、制动器和单向离合器3种执行机构组成，具有连接、固定或锁止功能，使变速器获得不同传动比，从而达到换挡的目的。3．1离合器其作用是连接二元件成为一体，采用的是多片湿式。通常由离合器鼓、活塞、回位弹簧、钢片与摩擦片组、离合器毂及密封圈组成。离合器液压缸内的离心油压，在接合时影响压紧力和储备系数，分离时影响彻底分离，是设计中难点。过去是利用图11－25离心平衡式与通常的离合器对比

单向阀中球的离心力，其效果不理想。最近出现了离心平衡离合器室结构(图11－25)取代了过去的单向阀，它消除了随离合器鼓转速变化而引起的附加离心压力，保证了换挡过程的质量。富康自动变速器中已采用了这种最新的结构。3．2制动器

其作用是使所控制元件固定不转，常用带式与片式两种。对带式制动器(图11－26)，当活塞作用力方向与制动鼓旋转方向相同时，其制动力矩Tb为：…(17)式中，μd为带与鼓之间的摩擦系数；θ为制动带衬面的接触角。注意，反转时摩擦力对操纵力起阻抗作用，同方向是反方向效果的倍，故要避免反旋向作用。它虽结构简单、轴向尺寸短，但平顺性差，衬片磨损不均。故近来片式制动器应用较多，它与离合器结构类似，仅钢片为固定不转片。因其摩擦面积大，转矩容量大，且反作用图11－26带式制动器元件不产生径向集中反力，并易于通过增减摩擦片数来实现系列化。3．3单向离合器(OWC)图11－27单向离合器1.外环2.滚柱3.弹簧4.内环5.楔块它与制动器不同之处是以单向锁止原理来实现固定或连接作用。传递转矩容量大，空转时摩擦小，且无需控制机构，工作完全由与之相连的元件的方向控制，瞬间即可接合或分离。自动切断或接通变速时转矩，从而保证平顺无冲击换挡，且简化了液压控制系统。常用的是滚柱斜槽式和楔块式(图11－27)。一个时期以来为了提高换挡品质，在AT中的单向离合器数越来越多，反而使结构变得更加复杂，从而促使人们在电控软件技术上来达到换挡平顺的目的，故现取消与减少单向离合器的趋势又已形成。四.几种典型的三自由度行星变速器4．1自由度W

上述已指出单行星排为二自由度，即要实现一个挡位时，仅需控制一个换挡执行机构即可，CA770即为二自由度(图7a)。但如需多排组合实现多挡变速时，仍用二自由度则相同挡数时，将需更多行星排，导致质量重、体积大。故目前多为三自由度的行星机构，它可减少行星排，由于要给定两个运动后才有稳定输出，其执行机构比二自由度增多。通常有两种途径获得三自由度：

a．串联式三自由度变速器(串联两个二自由度机构)，因两个机构连接时减少了一个自由度，故：

W=W1＋W2－1＝2＋2－1＝3(18)b．换联式三自由度行星变速器，即换联主动或被动件，换前自由度为Wƒ，换后增加了一个自由度，则：

W=Wƒ十1＝2十1＝3 (19)目前车辆中三自由度行星变速器主要有4类：即辛普森(Simpson)式、拉维娜式、CR-CR式及Willson式。4．2辛普森结构这是以发明者Simpson工程师命名的结构，如图11－28所示，其结构特点是由两个完全相同齿轮参数的行星排组成。优点：齿轮种类少、加工量少、工艺性好、成本低；以齿圈输入、输出，强度高，传递功率大；无功率循环，效率高；组成的元件转速低，换挡平稳；虽然是三自由度的变速器，每次换挡需操纵两个执行机构，但因安排合理，实际仅需更换一个执行机构(图11－28表)。故从40多年前发明迄今，一直广泛为世界各国所采用。我国的CA774(图11－28b)、通用公司的THMl25C、日产3N71B等均是这种结构。以CA774为例，求各挡的传动比：其α1＝α2＝α＝zR/zS=62/68；输入转速ni输出转速为no；求ί1：

第l排： (20)第2排： (21)从辅助构件知：nS1=nS2，nC2=nR2=no；从执行机构知：ni=nR1，nC2=0，联解并消去nS，则： (22)同理按上述方法可求：ί2＝1.45。C1与C2均接合，使ί3＝1，从图11－28b表中可看出：图11－282挡与3挡的Simpson结构

a此变速器倒档通过C2换联了主动件，故属换联主动件的三自由度；

b．虽为三自由度，但实际每换一次挡，仅操纵一个执行机构。为了进一步提高换挡品质，图11－28c由2挡换3挡时，释放制动制动器B1与接合离合器C1的交换应及时，否则C1接合过早，使各元件间会产生运动干涉；B1释放太快，则使发动机出现空转、轰响，且使换挡冲击增加。为提高换挡品质，在B1与太阳轮元件之间又串联了一个单向离合器F2，可使换挡平顺，但为了在需要时2挡能产生发动机制动，又增设了制动器B3，这样使结构更为复杂。为进一步提高燃料经济性和降低噪声，车辆向多挡化发展，4挡自动变速器已成为轿车的标准装备，具前后行星排除用一个辅助构件相连外，其它完全独立，形成具有5个独立元件(上述为4个独立元件)的辛普森机构，故可用增加一个执行机构的办法(离合器或制动器)即实现4挡(图11－29)。Hydra-Matic700-R4、R4A-EL都是采用该结构。尺寸小、质量轻是其特点。也有在原3挡辛普森结构基础上用积木构成法，加一个参数与前两排一样的行星排来增挡。Benz、丰田A40D、AllisonAT-540、日产K-R80等都是这种结构，所加的行星排可前置或后置，以实现超速或降速运动，又可有4种方案(图11－30)。图11－30增加行星排的Simpson结构4．3拉维娜(Rarigneavx)结构它是由一个单行星排与一个双行星排组合而成的复合式行星机构，共用一行星架、长行星轮和齿圈，故它只有4个独立元件(图11－31)。其特点是：构成元件少、转速低、结构紧凑、轴向尺寸短、尺寸小、传动比变化范围大、灵活多变、适合FF式布置。图11－31拉维娜结构图11－31的改进型式是在输入轴和后太阳轮之间增加一个离合器C和单向离合器F，既改善了换挡品质，又能在2挡、3挡实现发动机制动。在改进的拉维娜3挡变速器输出轴和行星架之间增加一个离合器C，就可变为4挡变速器，采用这种型式的有福特、马自达、奥迪等轿车。亦可用增加制动器B3的办法达到4挡变速(图11－32)，福特AOT型、奥迪OIF与OID型均为此结构，且第3挡时采用功率分流方案，60％发动机功率通过机械传动，40％通过液力变矩器传递，第4挡变矩器闭锁，以提高效率。ZF4HP18型也与此相同。图11－32有功率分流的拉维娜结构当然也可在其后加一个行星排来获得4挡，它可使执行元件少一个，用何种方案合适，需从成本、结构紧凑与复杂性、生产继承性等方面全面考虑。我国捷达、帕萨特选装的AG4(图11－33)仅用3个离合器、2个制动器和1个单向离合器，同样也实现了4挡变速，使结构简化。但这毕竟是十几年前的产品，将被JATCO公司的FDO型所代替。§11－5电控机械式自动变速器(AMT)

一.概述电控机械式自动变速器是在传统手动齿轮式变速基础上改进的。结构简单，保留了干式离合器与手动变速器的绝大部分总成部件，只改变其中手动操作系统的换挡杆部分，改为自动控制机构，有电－液、电－气和全电3种控制方式，图11－43为当今采用最多的电控－液动系统。它生产继承性好，改造投入费用少，易于被生产厂接受，是揉合了AT与MT(手动)两者优点的机－电－液一体化高科技产品。图11－43AMT的基本结构

起步与换挡是控制功能的主要内容，基本思想从图11－43可知，驾驶员通过加速踏板和操纵杆向计算机传递控制信号，大量的传感器时刻掌握着车辆的行驶状态，计算机按存储于其中的最佳程序：动态三参数最佳换挡规律、离合器模糊控制规律、发动机供油自适应调节规律等，对发动机供油、离合器的分离与接合、以及变速器换挡三者的动作与时序实现最佳匹配，从而获得优良的燃料经济性与动力性能以及平稳起步与迅速换挡的能力。其性能／价格比高，是非常适合我国国情的自动变速器。

2．1组成图11－44是我们自行设计的电子控制单元框图。ECU由电源、CPU与存储器、输入电路与输出电路几部分组成。因各类传感器的增多，使输入电路也大为复杂，既有脉冲还有模拟、接点输入。而输出也增加了发动机供油控制，坡上辅助起动装置（HAS）等电路：

二.电子控制单元ECU

图11－44ECU的控制单元框图

2．2控制软件2．2．1变速控制各种最佳换挡规律存储于微机，然后根据两参数或三参数控制换挡。驾驶员干预的意图主要依靠踩加速踏板，必要时也可以通过选择器。

2．2．2离合器控制

a．为了补偿离合器片的磨损，需查明离合器部分接合的起点，它是离合器控制的重要参考点。

b．车辆起步与换挡时离合器的接合控制。

c．离合器的分离控制。

d．

二次离合(相当于手动换挡的两脚离合器)

控制。

离合器的接合过程：它是根据离合器的最佳接合规律确定目标接合行程的时间历程，即离合器的接合速度Vc，它是由节气门开度、发动机转速、输入轴转速及离合器传递的转矩特性等参数控制。在采样周期T0内，如果执行机构要求的目标接合行程r与实际接合行程χ间有误差e，为了减小或消除其误差，则采用比例－积分PI型调节器对电磁阀进行脉宽调制作自动校正，脉冲宽度为： (23)式中，Kp、K1为比例与积分常数；e为控制信号。根据值确定两个不同放油流量电磁阀的工作脉宽(见图11－45)。

图11－45离合器行程的脉宽控制

2.2.3发动机供油控制

电喷发动机用间断供油与延迟点火实现对供油的控制，它可分为3个逻辑特性：发动机起动、加速控制和换挡时的控制。

换挡时的控制主要是对其转速的控制，目的是使其适应新的输入轴转速，从而减少换挡后离合器接合的冲击，以提高换挡平顺性；测出发动机转速与变速器转速的差异，即可对发动机进行控制，例如升挡时，需发动机降速。

当转速相差仍很大时，轿车和中、轻型货车常等待其自然降速，或通过同步器达到同步换挡；但对重型货车而言，因这部分惯量大，等待时间太长(超过通常的换挡时间0.8s～1.0s)，则对离合器主动片进行制动，制动器的响应时间T由下式确定：(24)式中，n为同步转速差值；e为控制信号。

该方法收到了很好的效果，使达到同步的时间降为0.5s。当然，用发动机制动等方法也能收到同样效果。在降挡时，如果转速差超过变速器同步容量允许值时，就需要进行两次离合器的操作，发动机再相应升速，以提高离合器主动片的转速，达到快速方便换挡的目的。

三.执行机构虽然如前所说控制机构有3种形式，由于气体的体积可压缩性，换挡速度变慢，但对于有气源的车辆可以不用再为AMT增加能源、调压与蓄能器等设备，使成本降低是其优点；而全电形式虽在价格、质量上有优势，但调整困难，还不太适合大量生产。

故目前用得最多的仍是电－液执行机构，它不仅可用于高扭矩范围，有最快的换挡速度而且与其它液压系统可实现最佳配合(如与液力变矩器的匹配)，此处仅介绍电控－液压执行机构(见图11－46)。

图11－46AMT的液压系统1.液压泵2.压力继电器3.蓄能器

4.电磁阀5.离合器液压缸

3．1离合器的执行机构

它是单杆型单动液压缸，由电磁阀V1、V3、V4控制，它们按需要有直径各不相同的节流孔，以满足最大接合速度；再将V3、V4组合，并由ECU进行脉宽调制，便可得到小于Vcmax的任意速度。工作模式有：分离、保持分离、接合以及保持接合等4种。

a．分离电磁阀V1开放,V3、V4关闭，压力油进入液压缸5使离台器分离，这是为防止发动机熄火，而正常换挡需要。

b．保持分离V1、V3、V4均关闭，缸内油压封闭，液压缸活塞不远动，出台措保持分离。

c．接合V1关闭，V3、V4分别或同时工作，由ECU对其进行脉宽调制，即脉冲越宽，接合速度越快，由传感器将其实际行程反馈给ECU，如与要求的最佳接合规律不一致，则进行修正，以配合汽车起步、换挡等。d．

保持接合

以保证确实在新挡位行驶。

3．2变速器的执行机构有平行式与相互正交两种，后者称X－Y换挡器，它们各有3个停止位置，组成矩阵方式(见图4右下方)。对5个前进挡1个倒挡的AMT而言。采用正交比平行式可节省两个活塞缸，因而结构简单、紧凑

对于插入了选挡动作的换挡，其时间会比平行式略长，其液压缸是单杆型复动式，用二位三通控制油路，可使活塞正确可靠停于3个位置；其运动通过内部杆件传至拨叉换挡与手动变速器相同。现以1挡换2挡为例说明其过程：先分离离合器，同时发动机收油；这时ECU指令换挡阀V5、V6同时进液压油，摘下1挡进入空档N1R；接着ECU又指令V7、V8进液压油，使杆从N1R进入N23位置；挡位信号接通，表示选挡到位后；换挡阀V6继续通油，而换挡阀V5放油，从而换入2挡；换挡开关接通，ECU令离合器接合，发动机自适应地恢复供油

3．3发动机执行机构

对于电喷发动机，AMT与其共享资源，用CAN总线通讯使其在换挡时，按要求收油或加油，并使发动机点火延迟以提高换挡品质与降低污染。

图11－47本田自动变速器1．变矩器2．中间轴第1挡齿轮3.

中间轴第3挡齿轮4．第1轴第3挡齿轮5.第3挡离合器6.第4挡离合器7.第1轴第4挡齿轮8．第1轴倒挡齿轮9.倒挡惰轮10.第1轴惰轮1l.第1轴12.中间轴第2挡齿轮13.中间轴惰轮14.停车齿轮15.中间轴16.停车锁17.第2轴18.第2轴惰轮19. 中间轴倒挡齿轮20. 第2轴第2挡齿轮21.倒挡接合套22.中间轴第4挡齿轮23.伺服阀24.第2挡离合器25.第1挡离合器26第2轴第1挡齿轮27.单向离合器28.第1挡固定离合器29.主减速器齿轮30油泵

四.平行轴式液力自动变速器

该自动变速器不用行星齿轮而用常啮合平行轴式的独特结构，它基本上类似于手动变速方式，但从图11－47看出用多片湿式离合器的分合代替了干式离合器与拨叉换挡，故可称为改进型AMT。该结构虽然在原苏联Бела3与我国的SH380重型矿用车均有采用，但由于它体积较大，能用于轿车上的还仅日本本田公司一家(见图11－47)。

同理，为了提高换挡品质，在1挡正向传动路线中，不仅第1挡离合器C25接合，还用了单向离合器F27，但为了能利用发动机制动，在1挡反向传动的路线中采用1挡固定离合器C28接合

其余各挡的控制都反映在表11－2中，也说明了平行轴是一自由度的特点。

表11－2本田自动变速器换挡执行机构工作规律

最近，本田也采用了没有单向离合器的4挡自动变速器(见图11－48)，它是利用离心油压解除机构、全直接控制和换挡逻辑控制机构代替了单向离合器F27与固定离合器C28的功能，使变速器缩短22mm，零部件数减少76个，从而使结构更进一步小型化。

图11－48本田新型自动变速器

由于该结构无需切断动力换挡，而执行机构又类同于AT，故该形式从整体来说，已属于AT范畴。

§11－6无级变速器CVT

一.概述驾驶灵活、低油耗和低噪声要求变速器挡位越多越好，这种思想的进一步延伸．就是无级变速。无级变速传动(ContinuouslyVariableTransmission，简称CVT)指无级控制速比变化的变速器。它能提高汽车的动力性、燃料经济性，驾驶舒适性，行驶平顺性。电控的CVT可实现动力传动系统的综合控制，充分发挥发动机特性。

表11－3无级变速器的种类

无级变速器

机械式

流体式

电动式

带传动式

牵引传动式

胶带式金属带式链带式园环、曲面或圆锥环式圆板式行星滚筒式滚珠式其它液力式液压式无级变速器的种类很多(见表11－3)。液力式即液力变矩器，其优良品质已在第一节中阐述，它是迄今世界上占主导地位的无级变速器。

a．液压式

它与液力传动同属流体传动，具区别在于：它是依靠液体压能的变化来传动或变换能量，是用工作腔的容积变化进行工作的。液压元件主要是液压泵与液压马达，有液压车轮马达与液压驱动轴两种。它的优、缺点除与液力式类同外，还有液压元件不适应汽车高转速、高负荷和转速变化频繁、振动大等不利的工作条件，故仅在推土机、装载机上有所应用，汽车上应用较少。

b.电动式

内燃机作为动力装置的优点很多，但在部分负荷时效率低并产生有害排放而导致了电传动的发展。为了适应与给定的电动机匹配，有的用单速变速器(与异步电动机共同厂作)，有的需两挡以上(与永磁同步电动机配合)，而有的则要多挡(与直源串绕电动机匹配)，以达到设计的性能。

纯电传动虽有零污染与低噪声的突出优点，但贮存于电池中的可用能量行驶范围有限，除在高能镍、钠、锂基等电池及燃料电池方面继续研究外；也有采用内燃机与电源的复合驱动方案，起步或加速时使用电动机作辅助动力，改善加速性能；在城市行驶时可多用电驱动，以克服内燃机污染严重的问题；而在郊区以外，则多用内燃机与传统驱动方式配合行驶。这种复合驱动既利用了一种能源具有高功率的优势，又发挥了另一种能源有良好的贮能容量，在汽车减速和制动时可回收能量。

c.机械式

因为是通过摩擦传递扭矩，故总有打滑的危险。进而在接触面产生高温而磨损。它经历百余年的改进、提高，目前也仅金属带或链带式及牵引环式有实用价值。

二.机械式无级变速器

2．1带传动式(BeltDrive)用挠性的带或链与带轮的摩擦力传递动力。人们首先应用的是橡胶带式，它装用于DAT公司的微型轿车及Volvo340系列轿车上，但因传递功率容量低，而被橡胶与金属带、金属带及链带等形式所取代。其中又以VDT(Vandoorne’sTransmission)的金属带最为成功。除这类湿式带外，最近由树脂和铝合金等构成的干式带也问世。它用直流电机控制，其特点是：起步由定传动比的齿轮，即副传动路线来传递动力，保证起步性能；当达到规定车速时，再变换到由带传动确定的主传动路线(见图11－2)。

图11－49VDT－CVT传动组成与工作简图1.油泵2a.主动工作轮不动部分2.主动工作轮可动部分3.主动轮液压控制缸4.离合器5.发动机飞轮6.从动工作轮可动部分7.中间减速器8.主减速器与差速器9.金属传动带10.从动轮液压控制缸

2．1．1组成与工作原理VDT是目前已投产的CVT，其组成与工作原理如图11－49所示，发动机动力5经起步装置4传至CVT的主动工作带轮(2、2a),再由关键部件——V型金属带9将动力传递到被动工作带轮(6、6a)，最后动力经减速器7、主减速器与差速器8到达车轮。车辆行驶时，当主、被动工作带轮的可动部分通过控制高压油使其按需要作轴向移动时，改变了主、被动轮的工作半径比，从而实现了外界对汽车的变速要求。

2．1．2关键部件

a.金属传动带

由几百片(现已达400多片)V型金属推片(元件)和两组金属环组成高柔性的金属带(见图11－50)，每个金属V型块厚度为1.4mm～2.2图11－50V型金属带传动带1.金属推片2.金属环

mm，在两侧工作轮挤压力作用下。推挤前进来传递动力。两边的金属环由多层薄钢带、厚度为0.18mm的带环叠合而成．在传动中正确引导金属元件的运动。

较薄的厚度对减少运转噪声十分重要。较多的元件与带轮接触，降低接触面压力，还可允许其表面偶尔出现一两个损坏，亦有利耐久性提高。这种带的特点是使带轮可以以最小的卷绕半径工作，速比工作范围大，转矩传递容量高。

b.链式CVT链式CVT是带的另一种型式(见图11－51)，类似自行车的链条，它由3部分组成：内联接片、压板联接片和连接它们的浮动销，销相互滚动．使链条在弯曲时图11－51链式CVT传动(a)链传动(b)链与轮之间接触的形状

摩擦力小，且具柔性。销的表面被冲压成如图11－51b所示，以使其与轮的接触随旋转半径的减小而从上移到下，使链表面保持磨损稳定。链轮表面的沿轮向凸起是防止链因摩擦因数下降而打滑。链可不必有固定周节，从而消除纯音色，有利于降低噪声。它比带简单价廉。

它是以刚性转动体接触的摩擦力传递动力，形式多样，其中以Toroidal最优，简称牵引环式(见图11－52)。它具有良好的动态响应性能，且能从正转过渡到反转，因此它无需前进离合器和正反转运动的切换机构。但其接图11－52牵引环式的几何关系

2．2牵引传动式(TractionDrive)触刚体间接触压力大，要特殊的粘性很高的润滑油，利用油膜在金属表面之间形成高的牵引系数μ来传递动力，故提高接触疲劳寿命和弯曲寿命，以及开发出粘性高、牵引系数大的润滑油是其能否进入市场的关键问题；它的特点是可提高传递扭矩的容量。

三.CVT控制

3.1力学模型从图11－53，可获得发动机转矩Te直接传至输入轴p时与输出轴s上的转矩平衡方程为：

（25）图11－53CVT力学模型

式中，Is为转换到CVT输出轴s上等效的汽车转动惯量；Te为与CVT匹配的发动机目标转矩；Tlc为CVT系统损失的转矩，

；为转化至CVT输出轴s上的汽车行驶阻力矩。

即（27）因，在轮与带之间无滑动的条件下：

（26）则

，也就是说驾驶员虽然主观上希望快加速(即)，猛踩油门，从而反映在dί/dt变化太大，反而使汽车减速，这是CVT控制中特别要注意之处.

从式(27)可知：

(28)式(28)说明，在变速过程中dί/dt不能变化太大，如

(29)以图11－54所示速比变化控制规律为例．从行驶状态的发动机曲门开度α与车速V的控制规律，可方便得知CVT相应的速比与ί发动机的转速ne。例如图中当前车速ν1及发动机油门开度10°的状态下，要加速超车，猛踩油门踏图11－54CVT的速比控制规律

板至节气门全开，速比由ί1变为ί2(即向大速比ίlow变化)．发动机转速也从ne1猛升至ne2这样就可能要出现式(29)的情况，

dί/dt太大而使汽车反而出现负加速(减速)，尤其对发动机转矩Te小的汽车，更应小心，不要使油门开度α过大，dα/dc变化太快，以免适得其反，抬起油门踏板减速，亦要放慢速度，特别是随之是制动时，即从制动到最大速比ίlow，对速比变化同样要求也严。

3.2控制原理

CVT的控制是靠两个带轮的轴向夹紧力实现的，一个带轮的夹紧力保证了传递的力矩容量Te，而另一个带轮位置则决定了所需的传动速比ί（见图11－55）。即由式决定的被动轮夹紧力，即Fs保证力矩柞量，而由主动轮的夹紧力Fp决定的位置，实现所期望的速比。它的控制方法有压力控制、流量控制、位置控制与协调控制等。由于主、被动带轮之间是通过金属带的约束作用，使CVT系统才得以保持平衡，所以在变速过程中被动带轮的压力Ps控制，和对主动带轮的速比控制具有耦合效应。为此，电子控制单元ECU根据要保证传递的发动机转矩Te，对被动轮确定所需施加的轴向夹紧力Fs，从而确定所需的夹紧力比Fp*/Fs，才得以实现Te、ί状态下所要求的主动轮的平衡点的压力Pp*，据此与目前的实际控制压力Pp比较。如果ΔP=Pp－Pp*=0，则系统处于平衡状态，达到了所要求的Te、ί状态而稳定行驶（见图11－56），即dί/dt＝0，否则，则需按其影响因素，以式(30)对速比变化继续进行控制(详图11－56速比变化速率的确定

见3.3.2速比控制部分)，直至dί/dt＝0为止，达到系统平衡。

这样，将主、被动轮相互耦合的控制问题转化为两个单一目标的压力调节系统(即轴的夹紧控制)和位置伺服系统(即速比控制)，简化了控制问题，实现了CVT关键技术——系统平衡。

(30)4.3控制机构总体上与普通自动变速