汽车变速器的发展

汽车变速器的发展

发动机是汽车的心脏。发动机的动力必须通过电机连接驱动车轮的旋转。传动系统的心脏是变速器。由于发动机的转速和转矩的变化范围小,而汽车行驶速度的变化范围广,所以一开始传动系统就设置了变速器。变速器的作用:①改变汽车的传动比,扩大驱动车轮转矩和转速的范围,使车辆适应各种变化的行驶工况,同时使发动机在理想的工况下工作;②在发动机转矩方向不变的前提下,实现汽车的倒退行驶;③实现空挡,中断发动机传递给车轮的动力,使发动机能够起动、怠速。100多年中,变速器经历了用变速杆改变链条的传动比→手动变速器→有级自动变速器→无级自动变速器的发展历程。1汽车减速的发展历史1.1在车辆护坡增加时,增加了小链轮的价值,有利于推动车辆进早期的汽车传动系统,从发动机到车轮之间的动力形式很简单。发动机驱动一组锥齿减速齿轮,再传动到一根轴和皮带轮。皮带轮和驱动桥上的内齿轮啮合,使汽车行驶,大齿轮用来加速,能使汽车达到32km/h的速度。如果遇到上坡,而爬坡能力不够时,驾驶员就停下车子,把小链轮啮合后进行驱动。图1所示为早期通用的侧链传动汽车。世界上第一辆汽油汽车由德国工程师卡尔·本茨和戈特利布·戴姆勒于1886年同时宣告制成,卡尔·本茨制造的是三轮汽车,后者制造的是四轮汽车。在三轮汽车中,汽油机发动以后,动力经齿轮和链条传至后轴,后轴系两个半轴,中间装有差速器,有利于车辆转弯。前轮架位于一个叉形结构架上,类似现代自行车的前叉装置,上面有转向手柄,用来操纵车辆转弯。这辆车上还装有变速杆,用来改变链条的传动比,使车速快慢自如。以上所述就是早期汽车最初的传动系统。1.2中间轴旋转齿轮手动变速器(MT)主要采用齿轮传动的降速原理,变速器内有多组传动比不同的齿轮副,汽车行驶时的换挡就是通过操纵机构使变速器内不同的齿轮副工作。如在低速时,让传动比大的齿轮副工作;而在高速时,让传动比小的齿轮副工作。由于每挡齿轮组的齿数是固定的,所以各挡的变速比是定值。常见的手动变速器由铸铁或铝制变速器壳体、轴、轴承、齿轮、同步器和换挡机构组成(见图2),即“两轴一中间轴”,它们构成了变速器的主体,还有一根倒挡惰轮轴。由图2可见,输入轴转动带动输入齿轮转动,输入齿轮带动安装在中间轴上的大齿轮,两者始终保持啮合状态;中间轴上的所有齿轮都安装在中间轴上,随中间轴转动;中间轴上倒挡惰轮齿轮驱动倒挡惰轮齿轮。输出轴上带有外花键,齿轮可以在输出轴上来回滑动;由于倒挡齿轮和二挡齿轮处于空挡位置,所以输出轴不动。1.3自动转速的概念手动变速器汽车由于频繁换挡操作,易使驾驶员疲劳,影响行驶安全;且不同的驾驶技术水平对车辆的燃油经济性、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,是车辆向高级发展的重要标志。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)。1.3.1自动换挡控制AT的结构相当复杂,不同型号变速器的局部结构各不相同,使得自动变速器的结构多样化。但不论是哪一种,基本都是由液力变矩器、行星齿轮变速器和液压操纵机构及控制系统组成(如图3所示)。AT通过传感器装置将汽车的运行工况转化为电信号,并通过自动变速器的电脑对电信号进行处理,然后输出控制指令给相应的电磁阀,实现变速器的自动换挡操作。AT的换挡方式较简单、直接,电信号转换为液压信号后直接控制结合元件换挡,换挡过程平稳。采用AT可取消离合器踏板和变速杆,大大简化驾驶员的操作。由于它设置了一个自动换挡区范围的选挡手柄,所以在一般情况下,都不需要任何换挡操纵动作。驾驶员只需控制好油门踏板即可控制车速,必要时也可用制动踏板予以配合。由于驾驶操作简单,降低了劳动强度,因而可以使驾驶员集中精力观察路况,掌握运行方向和速度,从而提高运行安全性。AT能把发动机的转速控制在一定范围内,避免急剧变速,有利于减弱发动机的噪声和振动,同时由于减少了换挡次数和换挡过程平稳,因而可提高汽车行驶的平稳性,提高乘坐舒适性。另外,采用液力传动和自动换挡技术,可以把发动机的转速限制在污染较小的范围内,不用频繁换挡,因而可以减少对空气的污染。液力自动变速器也存在一些缺点:结构复杂,制造精度要求高,成本较高。液力变矩器的传动效率比机械传动低,燃油消耗比机械变速器高,但如果液力自动变速器与发动机匹配较好,或采用液力变速器闭锁等措施,也可以使燃料消耗与机械变速器持平,甚至减少。1.3.2在齿轮变压器中的应用AMT在传统轴式变速器和干式离合器基础上进行改造,即在总体传动结构不变的情况下通过加装电控系统、传感器和相应执行机构,将选换挡、离合器及发动机油门的操纵控制自动化。其工作原理如图4所示。电控机械式自动变速器可根据当前汽车运行状态、路面状况及驾驶员意图等进行自动换挡控制。驾驶员通过加速踏板和选择器(包括选挡范围、换挡规律、巡航控制等)向控制器(ECU)表达意图,发动机转速、输入轴转速、车速、挡位、油门开度等传感器实时监测发动机工况和车辆的运行状况,并将相应的电信号输入ECU,ECU按存储在其中的设定程序模拟熟练驾驶员的驾驶规律(最佳换挡规律、离合器最佳结合规律、发动机油门的自适应调节规律等),对油门开度、离合器结合及换挡进行控制,以实现发动机、离合器和变速器最佳匹配,从而获得优良的行驶性能、平稳起步性能和迅速换挡能力。AMT实现了变速器换挡的自动控制,选换挡操纵杆的动作和离合器的结合与分离由气动、液动或电动执行机构完成,使选换挡操作方便,减轻了驾车者的劳动强度。通过ECU进行最优化的换挡控制,使汽车能在最理想的换挡点及时换挡,并可避免手动换挡操作不当所造成的换挡冲击。因此,AMT可使汽车的动力性和平顺性等有所提高。采用传统的齿轮变速器传动,传动效率优于液力变速器,机械传动机构的维修也较简单。AMT在齿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AMT通过微机控制实现自动换挡,增设了相关的传感器、ECU及换挡执行机构,其成本较手动变速器高,结构较复杂,维修难度也相应有所提高。1.3.3土配体的结构特点CVT是理想的传动方式之一,在汽车上已实用化的CVT分为传动带型与牵引驱动型两种,它们都是应用摩擦力传递动力。目前实际应用的有金属带(推块)式、复合带式、摆销链式及锥盘滚轮式CVT。其中,金属带式CVT开发最早,应用最广。金属带式无级变速传动是迄今为止应用成功的车辆无级变速传动。大量实践表明,装有金属带式无级变速器汽车的经济性、动力性及排放比装有液力自动变速器和手动机械变速器的汽车更佳。因此,金属带式CVT自1987年首次装车以来,在短短的十几年间得到了广泛应用,预计在21世纪将获得更大的发展。如图5所示,CVT系统主要包括主动轮组、从动轮组、传动带和液压泵等基本部件。主动轮组和从动轮组都由可动盘和固定盘组成,与油缸靠近的一侧带轮可以在轴上滑动,另一侧则固定。可动盘与固定盘都是楔形面结构,楔形面形成V形槽与V形传动带啮合。发动机输出的动力首先传递到主动轮,然后通过V形传动带传递到从动轮,最后经减速器、差速器传递给车轮驱动汽车。当主动轮轴向夹紧力增加,主动轮可动部分向主动轮固定部分靠近,主动带轮间距减小,因带轮的V形楔面作用,传动带沿带轮径向向外滑移,作用半径增大。在变速过程中,由于传动带长度一定,从动轮可动部分受传动带力的作用,背离从动轮固定部分向外移动,锥轮间距将增大,从动轮的作用半径减小,从而使无级变速传动比减小。若主动带轮轴向夹紧力减小,则有相反的作用过程,导致无级变速传动比增加。传动带无级变速传动通过调整作用在主、从动轮的轴向夹紧力,改变传动带在主、从动轮上的作用半径,进而实现无级调速。CVT符合汽车变速器控制方式由手动转为自动的发展趋势,实现自动平稳的无级变速,而且操纵简便,消除了MT与AT换挡调速时的跳动与冲击,减轻了手动操作的要求和劳动强度,降低了噪声,提高了行车舒适性与安全性。与MT和AT采用分级齿轮调速出现的阶梯性变化不同,CVT可实现连续变化,而且调速响应迅速、平稳,故更能适应各种路况要求,具有优良的动力性能。由于CVT能按照车辆行驶工况的变化要求及时调整传动比,可与发动机负载实现最佳匹配,使发动机始终处于最佳工作状态,发挥最大效能,且无换挡的冲击和功率损耗,获得最佳的燃料经济性;同时因燃烧完全,减少了废气排放,有利于环保。此外,与AT相比,CVT还具有结构简单紧凑、成本低、维修方便、效率高(90%)、工作可靠等优点。因此,CVT是当前新一代先进的变速传动型式。现在世界上已有百万计的各种牌号汽车采用CVT技术,在今后的发展中,CVT将成为轿车变速器的主流型式,获得更为迅速、广泛的发展和应用。2机电一体化技术近年来,随着微电子技术的飞速发展,电子控制自动变速器的问世,给汽车带来了更理想的传动系统。机电一体化技术进入汽车领域,推动汽车变速器装置的重大变革。自动变速器装置出现了电子化趋势,特别是大规模集成电路技术的发展,使由微机控制发动机和变速器换挡成为可能。2.1自动阻燃系统的功能智能型电子控制自动变速器的电子系统可在汽车行驶过程中对运行参数进行控制,合理选择换挡点,而且可在换挡过程中对恶化的参数(摩擦片的摩擦系数、油的粘度、车辆的复合变化等)进行修正。同时具有自诊断系统,可将汽车运行中的故障记录下来,便于维护。利用微机控制变速器,不仅使换挡程序更符合驾驶员的意愿,而且能利用模糊控制理论解决特殊情况下变速程序的复杂问题,使自动变速器的控制能力及可靠性大幅度提高。现代电子控制自动变速器的主要特点是一机(微机)多参数、多规律性的控制。多参数指输入微机的控制参数多元化,即控制参数不仅有发动机转速、车速、节气门开度等信号,而且有反映发动机、变速器工作环境、行驶状况等信号。控制参数多元化,能全面反映发动机和变速器的实际工况。多规律是指微机中存储多种不同的换挡规律,如最佳经济性、动力性及各种加速行驶时的经济性、最佳排放量等,驾驶员可按需要调用相应的规律,实现最佳控制。多参数、多规律性的电子控制,使发动机和变速器在不同油门开度和各种行驶环境下都能处于最佳工作状态。2.2电子控制的v形金属带型无效变压器增加在第一无级变速器能自由改变速比,故能进行理想的变速控制,比多挡位齿轮传动机构更优越。自动变速器多挡化虽能扩大自动变速的范围,但它并不安全、迅速,只在有级变速与无级变速之间,而理想的无级变速器是在整个传动范围内能连续、无挡比地切换变速比,使变速器始终按最佳换挡规律自动变速。无级化是对自动变速器的理想追求。但是无级变速器存在体积大、笨重和传动效率低的问题,而且缺少解决耐久性问题的相应措施。随着电子技术的应用,电子控制的V形金属带型无级变速器在西欧及日本得到重视,正在积极开发。目前,日本富士重工公司、荷兰VDT公司等正着手研制开发并在微型轿车上采用此类变速器。当今世界各大汽车公司对无级变速器的研制十分活跃。不久的将来,电子控制无级变速器可望得到广泛应用和发展。2.3汽车质量与油路的关系减轻质量、缩短动力传递路线能使汽车节油,自动变速器的小型化正起着这种作用。汽车质量是一个重要参数,是油耗的决定因素之一。实验表明:汽车质量降低1%,油耗可降低0.7%。未来汽车研究将致力于减轻所有部件的质量。另一方面,人们对汽车安全性的要求日益提高,要求在偶然发生碰撞的情况下,汽车有足够的刚度,提供更大的驾驶空间,因此,变速器的小型轻量化日显重要。2.4齿轮重合度的选择在汽车的诸多噪声源中,传动系的噪声仅次于发动机和排气系统的噪声。齿轮噪声又是变速器的主要声源,在降低变速器噪声中占有非常重要的比重。几十年来,人们对齿轮的低噪声化进行了大量研究,取得了明显成效。在齿轮参数的降噪设计中,通过提高齿轮重合度来降低高速挡齿轮的噪声,小模数、小压力角、大齿高的齿轮设计已成为潮流。变