汽車自動(dòng)變速系統(tǒng)的能源效益及可靠性

Ｊｕｌｉａｎｏ?。郑椋洌?/p>

摘要：本文通過探討汽車自動(dòng)變速系統(tǒng)的工作流程，分析了如何提升汽車變速系統(tǒng)的可靠性及能源效率等問題。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)變速系統(tǒng)；能源效益；可靠性；NS；LM71A1

汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)包括有一個(gè)內(nèi)燃機(jī)、一個(gè)多齒輪比變速器及車輪。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩及速度會(huì)因汽車所需的牽引動(dòng)力而在變速器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。此外，汽車的變速器還可控制車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

變速器一般分為手動(dòng)及自動(dòng)變速兩種。自動(dòng)變速可自動(dòng)控制磨擦單元、齒輪比的選擇及換檔。

自動(dòng)變速會(huì)采用液壓油來達(dá)到潤滑及冷凍的效果，液壓油是一種非常特別的液體，可在任何惡劣的環(huán)境下運(yùn)行。自動(dòng)變速箱油(ATF)的主要功能為：把動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)變矩器傳送到動(dòng)力傳動(dòng)裝置，吸收由變矩器產(chǎn)生的熱力并轉(zhuǎn)移到汽車前端的冷凍裝置；作為離合器磨擦的冷凍劑，它可吸收及散發(fā)由離合器或帶嚙合所產(chǎn)生的熱能；通過一個(gè)復(fù)雜的液壓控制系統(tǒng)把液體壓力傳送開去，該系統(tǒng)采用汽門、伺服機(jī)、泵、離合器總泵、液壓管路及管道來進(jìn)行控制，作為行星齒輪、軸承、伺服機(jī)、離合器和軸襯的潤滑劑及冷凍劑。

冷起動(dòng)及暖車過程

自動(dòng)變速箱油于工作溫度下(約90℃/1950F)的黏度一般都非常低。可是假如油溫太低時(shí)(例如是0℃/30°F以下)，其粘度便會(huì)大幅增加，導(dǎo)致產(chǎn)生非常高的曳力矩(dragtorque)。結(jié)果，齒輪便難以嚙合，原因是當(dāng)中的同步器件一般都不能應(yīng)付這般高的轉(zhuǎn)矩力。假如齒輪不能嚙合或換檔，汽車便不能開動(dòng)?；谶@個(gè)原因，“冷起動(dòng)”程序會(huì)因應(yīng)油溫而被激活，以確保至少有一個(gè)齒輪能夠成功嚙合。

當(dāng)汽車開始行駛后，除非需要明顯加速或拖拉笨重的物體(例如是拖車)，否則液壓油溫只會(huì)慢慢地上升，而這也意味著曳力矩也會(huì)緩慢地上升。假如汽車長期處于高曳力矩的環(huán)境，同步器件便會(huì)超載并且受損。

在齒輪箱加入一些損耗、將換檔點(diǎn)移到較高的轉(zhuǎn)速汽門及提高齒輪箱潤滑油的質(zhì)量，這些均可加快暖車的過程。由此，發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪箱及催化劑便可更快地達(dá)到最佳的運(yùn)作溫度。變速器越快達(dá)到最優(yōu)的工作溫度，便可越快啟動(dòng)用于節(jié)省耗油量的齒輪換檔程序。

齒輪的換檔組成部份是經(jīng)由液壓或電子起動(dòng)汽門來控制，這些換檔單元的起動(dòng)會(huì)顯著地受到溫度的影響，原因是自動(dòng)變速箱油的粘度會(huì)隨著溫度而顯著地上升，因此溫度可以影響施加壓力的程度及時(shí)間特性。一旦自動(dòng)變速箱油變熱，其溫度變化的幅度便會(huì)增大，因此當(dāng)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的換檔油壓時(shí)，必須考慮有關(guān)油溫的問題。

在高溫下運(yùn)行

毫無疑問，自動(dòng)變速箱油很容易受到溫度的影響，但相比對低溫的反應(yīng)，其對高溫的反應(yīng)要大得多。自動(dòng)變速的過程會(huì)產(chǎn)生很多的磨擦，而這些磨擦?xí)a(chǎn)生很多熱力。液體會(huì)不斷在變矩器中攪動(dòng)并且被泵過測流口(metering orifice)和液壓電路。每當(dāng)變速換檔時(shí)，離合器組件會(huì)產(chǎn)生出超平箱油所能帶走的熱力。變速器的負(fù)載越大，所產(chǎn)生的熱力便越大，而箱油也會(huì)變得更熱。

在高溫的環(huán)境下，變速箱油的工作壽命會(huì)被縮短。一旦溫度超出正常運(yùn)作的水平(90℃/195°F以上)，潤滑油的氧化速度便會(huì)增加，導(dǎo)致其有效壽命被縮短。基于童每指定律，當(dāng)溫度超出正常運(yùn)作溫度12℃/200F時(shí)，箱油的預(yù)期工作壽命便會(huì)減半。

除上述的影響外，高溫還會(huì)對變速器活動(dòng)組件的工作表面構(gòu)成威脅。原因是當(dāng)溫度越來越高時(shí)，從磨擦區(qū)被帶走的熱力便越少，因此齒輪被卡住的機(jī)會(huì)便會(huì)大增。當(dāng)溫度上升超過175℃/350°F時(shí)，鋼鐵的硬度便會(huì)下降。假如我們考慮到齒輪和離合器工作表面的溫度通常都高于油溫時(shí)，我們便可預(yù)期齒輪的硬度會(huì)隨著油溫度而下降，即使油溫低于175℃/350°F。

橡膠密封件及冷凍劑流通管道對高油溫極其敏感。當(dāng)橡膠密封件遇上高溫時(shí)便會(huì)變硬和變得脆弱，導(dǎo)致其工作壽命和可靠性大幅度降低。當(dāng)汽車不能安裝金屬制的冷凍劑管道時(shí)，便需采用由PAl2塑料(酰胺12或尼龍12)制成的冷凍劑流通管道，該管道將轉(zhuǎn)矩器流通輸出端口與冷凍劑連接。在高溫(超出175℃/350°F)的環(huán)境下，塑膠制的冷凍管道可能會(huì)屈曲，以致箱油向上流并使冷凍劑失效。

ECU過熱

電子控制單元(ECU)的工作是監(jiān)視和控制自動(dòng)變速系統(tǒng)的運(yùn)作。在某些情況下，ECU會(huì)被放置于齒輪箱罩內(nèi)以盡量利用齒輪箱的現(xiàn)有空間，這表示控制單元會(huì)與自動(dòng)變速箱油長期保持直接接觸。這種配置的優(yōu)點(diǎn)包括可把連接ECU、傳感器及起動(dòng)器的接線盡量縮短；減少插頭和連接器的數(shù)量；降低線路間的噪聲及使換檔的位置檢測更加準(zhǔn)確。

假如變速器環(huán)境及冷凍劑的溫度過高，汽車的動(dòng)力和控制電子元件便不能正常地運(yùn)作，以致其壽命縮短并出現(xiàn)損壞。因此，變速器系統(tǒng)必須對過熱情況進(jìn)行偵測甚至預(yù)測，并通過適當(dāng)措施減少所產(chǎn)生的熱力及/或改善過熱的情況。對于一些極端的情況，系統(tǒng)必須更精確地測量溫度并把敏感的電子元件關(guān)閉以防止控制電子被完全破壞。結(jié)論

為了克服監(jiān)察自動(dòng)變速器溫度的各項(xiàng)挑戰(zhàn)，美國國家半導(dǎo)體特別對LM71進(jìn)行優(yōu)化，推出針對高溫應(yīng)用的LM71A1，具備有SPI接口的數(shù)字溫度傳感器，其寬闊的工作溫度范圍(－40℃～+175℃)，使溫度的監(jiān)察能同時(shí)于冷起動(dòng)及過熱情況下進(jìn)行。該器件現(xiàn)以裸片形式提供，并保證擁有更快的溫度響應(yīng)，從而對暖車過程有更佳的控制。然而，它的最大特點(diǎn)是可在高溫(130～150℃)及高分辨率(0.03125℃/LSB)下達(dá)到極高的精確度，以確保能于極高溫的環(huán)境下精確地感測溫度。

為了把箱油維持在正常的運(yùn)作范圍內(nèi)，以及正確地控制汽門和換檔時(shí)間及防止機(jī)件過快退化和損壞，精確的溫度檢測便不可或缺。如此，便可獲得較高的燃油效益和提高系統(tǒng)的可靠性。LM71A1可幫助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出針對變速器電子控制單元的高性能熱管理系統(tǒng)。