淺談現(xiàn)代汽車的自動(dòng)變速箱

黃安華 楊世軼

變速箱作為汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，對汽車的動(dòng)力性、駕駛舒適性以及油耗都具有重要的作用。由于自動(dòng)變速箱運(yùn)用計(jì)算機(jī)和電子控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了汽車的自動(dòng)變速，能夠消除駕車人換擋操作技術(shù)的差異，降低駕車人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高行車的安全性，所以，自動(dòng)變速箱在現(xiàn)代汽車上的應(yīng)用越來越廣泛。目前自動(dòng)變速箱在美國的裝車率接近90％，日本是80％以上，歐洲是50％以上，而我國自動(dòng)變速箱的裝車率僅有20％，還有非常大的發(fā)展空間。現(xiàn)在汽車上使用的自動(dòng)變速箱主要有電控機(jī)械自動(dòng)變速箱(AMT)、液力機(jī)械自動(dòng)變速箱(AT)、無級自動(dòng)變速箱(CVT)和雙離合自動(dòng)變速箱(DCT)等4種類型。

另我們經(jīng)常會(huì)聽到或看到某某汽車配置了“手自一體變速箱”，其實(shí)這種變速箱是在上述幾種自動(dòng)變速箱基礎(chǔ)上設(shè)置了“手動(dòng)”操作模式，以增加駕駛樂趣。這種“手動(dòng)”模式是一種“假手動(dòng)”，它沒有真正意義上的手動(dòng)變速功能。首先它不是手動(dòng)變速箱中采用的齒輪直接傳動(dòng)方式，沒有手動(dòng)變速箱響應(yīng)直接或者說快；其次它的傳動(dòng)比的變化方式都在設(shè)計(jì)者預(yù)先設(shè)計(jì)的程序邏輯之中，比如發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和車速不在某個(gè)傳動(dòng)比區(qū)間(自動(dòng)變速箱的某個(gè)擋位)，如你強(qiáng)制將擋把撥向此擋位，變速箱也不會(huì)聽你的話，它仍要按照自己的“邏輯”行事。

電腔機(jī)械自動(dòng)變速箱是在原來干式離合器和定軸齒輪式有級機(jī)械變速箱所組成的手動(dòng)變速箱(MT)基礎(chǔ)上，附加了一套電控液壓裝置。工作時(shí)通過電子控制單元(TCU)控制液壓裝置，來操縱有級機(jī)械變速箱的離合器和換擋桿，使離合器自動(dòng)地進(jìn)行分離與接合，變速箱擋位的切換也是由電子控制單元根據(jù)車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度自動(dòng)控制的，從而實(shí)現(xiàn)了有級機(jī)械變速箱的自動(dòng)離合、自動(dòng)選擋。

AMT的優(yōu)點(diǎn)：一是傳動(dòng)效率高，燃料經(jīng)濟(jì)性好。除了干式離合器在起步過程中處于半接合狀態(tài)時(shí)存在一定的摩擦能量損失外，其余時(shí)間能量損失很少，它的傳動(dòng)效率要高于手動(dòng)變速箱，可高達(dá)95％以上。二是結(jié)構(gòu)簡單，制造和維護(hù)成本低，僅為液力機(jī)械自動(dòng)變速箱的1/3—1/4。三是適用于各種車型，尤其適用于商用車。特別是城市公交客車，換擋頻繁，且要求車輛使用成本低，電腔機(jī)械自動(dòng)變速箱應(yīng)是其最佳的選擇。

不足之處：一是換擋平穩(wěn)性不高，舒適性較差。與手動(dòng)變速箱相同，電控機(jī)械自動(dòng)變速箱所有擋位的切換都要經(jīng)過空擋，換擋時(shí)動(dòng)力必須中斷，屬于非動(dòng)力換擋。二是控制參量太多，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制困難。由于換擋過程中離合器、加速踏板必須與選換擋操作協(xié)調(diào)配合才能使換擋時(shí)間最短，換擋平穩(wěn)，所以控制難度比較大。

由于電控機(jī)械自動(dòng)變速箱保留了原手動(dòng)變速箱的絕大部分機(jī)件，只是將其手動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)用自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)所取代，生產(chǎn)繼承性好，改造成本低，并且通過軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以全面提高車輛的使用性能?，F(xiàn)在在美國和歐洲的重型汽車上裝配電控機(jī)械自動(dòng)變速箱的比例正在逐步增加，我國也加速了產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，在商用車領(lǐng)域，今年裝配電控機(jī)械自動(dòng)變速箱的一汽解放J6、重汽豪沃A7已成功上市。在乘用車方面，今年4月9日，我國首款擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轎車AMT自動(dòng)變速箱在重慶青山變速箱公司投產(chǎn)，并已成功配裝在江淮同悅轎車上，目前國內(nèi)已成熟應(yīng)用的是奇瑞和意大利瑪瑞利等公司合資生產(chǎn)的電控機(jī)械自動(dòng)變速箱，現(xiàn)已累計(jì)為奇瑞QQ匹配了2萬多臺(tái)。

液力機(jī)械自動(dòng)變速箱是目前汽車上應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)變速箱，它主要由液力變矩器、行星齒輪和電子液壓控制系統(tǒng)三大部分組成，通過液力傳遞和齒輪組合的方式來實(shí)現(xiàn)變速變矩。液力變矩器依靠具有一定動(dòng)量的油液來傳遞動(dòng)力，由于液體傳遞動(dòng)力具有一定程度的“柔性”，能夠吸收沖擊能量，而且在一定范圍內(nèi)能夠自動(dòng)連續(xù)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，因此具有無級變速之稱。由于液力變矩器變速變矩范圍不夠大，因此在液力變矩器的渦輪后面再串聯(lián)幾排行星齒輪來提高效率，液壓操縱系統(tǒng)會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化來自行操控行星齒輪進(jìn)行不同的組合，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速變矩。由于行星齒輪是有級的，本質(zhì)上這種變速箱也是有級變速箱，無級變速只是小范圍的，實(shí)質(zhì)是有級變速的自動(dòng)控制。

AT的優(yōu)點(diǎn)：一是換擋平穩(wěn)，無沖擊和振動(dòng)，乘坐舒適性較好。液力機(jī)械自動(dòng)變速箱的轉(zhuǎn)速變化相對比較平緩，屬于不中斷動(dòng)力換擋，換擋自動(dòng)控制也比較容易實(shí)現(xiàn)。二是不受傳遞功率的限制，適用于各種車型。

不足之處：一是傳動(dòng)效率較低，燃油消耗量較大。由于動(dòng)液的能量不能充分利用，再加上對泵輪和渦輪的摩擦和沖擊，使一部分能量轉(zhuǎn)變成油液的熱能而損失，所以傳動(dòng)效率較低，油耗較高。不過從使用性能上看，液力機(jī)械自動(dòng)變速箱的擋位越多技術(shù)就越先進(jìn)，汽車行駛也就越平順，加速性也越好，而且更省油。通過測試，目前應(yīng)用最多的4擋、5擋的液力機(jī)械自動(dòng)變速箱的確費(fèi)油，而用于中高級車的6擋液力機(jī)械自動(dòng)變速箱的燃油經(jīng)濟(jì)性跟手動(dòng)變速箱相差不大，目前最先進(jìn)的8擋液力機(jī)械自動(dòng)變速箱可以更省油，但是其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。二是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高，維修保養(yǎng)技術(shù)難度大。它是這4種自動(dòng)變速箱中體積和質(zhì)量最大的。三是液力機(jī)械自動(dòng)變速箱是有擋位的，換檔沖擊依然可以感受得到，而且變矩范圍有限。它的傳動(dòng)比不連續(xù)，只能實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)的無級變速。四是對速度變化反應(yīng)較慢，沒有手動(dòng)變速箱靈敏。

液力機(jī)械自動(dòng)變速箱目前技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣，在世界范圍內(nèi)，液力機(jī)械自動(dòng)變速箱占自動(dòng)變速箱市場70％以上，在我國則高達(dá)90％以上，幾乎所有國產(chǎn)品牌的轎車、SUV、MPV、甚至部分豪華大客車上的自動(dòng)變速箱均采用了液力機(jī)械自動(dòng)變速箱。

無級自動(dòng)變速箱的內(nèi)部沒有傳統(tǒng)手動(dòng)變速箱的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，而是采用V型傳動(dòng)帶和工作直徑可變的主、從動(dòng)輪相配合來傳遞動(dòng)力，從而在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)改變。它主要包括主動(dòng)輪組、從動(dòng)輪組、金屬帶和液壓泵等機(jī)件。主動(dòng)輪組和從動(dòng)輪組都由可動(dòng)盤和固定盤組成，與油缸靠近的一側(cè)帶輪可以在軸上滑動(dòng)，另一側(cè)則固定?？蓜?dòng)盤與固定盤都是錐面結(jié)構(gòu)，它們的錐面形成V型槽來與V型金屬傳動(dòng)帶嚙合。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸輸出的動(dòng)力首先傳遞到主動(dòng)輪，然后通過V型傳動(dòng)帶傳遞到從動(dòng)輪，最后經(jīng)減速器、差速器傳遞給車輪。工作時(shí)通過主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的可動(dòng)盤作軸向移動(dòng)來改變主動(dòng)輪、從動(dòng)輪錐面與V型傳動(dòng)帶嚙合的工作半徑，從而改變傳動(dòng)比。由于主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的工作半徑可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了無級變速。

CVT的優(yōu)點(diǎn)：一是實(shí)現(xiàn)了真正的無級變速，乘坐舒適性好。其傳動(dòng)比可以在較大范圍內(nèi)連續(xù)改變，能獲得非常平順的變速效果。二是加速性能好，燃料經(jīng)濟(jì)性高。由于無級變速特性，使得其具有后備功率最大的傳動(dòng)比，動(dòng)力性能明顯優(yōu)于其他類型的自動(dòng)變速箱。此外，寬范圍的傳動(dòng)比能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)以最佳的工況工作，從而改善了燃燒過程，降低了廢氣的排放量。實(shí)踐證明，配置無級自動(dòng)變速箱的車型甚至比同排量手動(dòng)擋車型油耗還低。三是無級自動(dòng)

變速箱結(jié)構(gòu)簡單，零部件數(shù)量較少。無級自動(dòng)變速箱既沒有手動(dòng)變速箱的眾多齒輪副，也沒有液力機(jī)械自動(dòng)變速箱復(fù)雜的行星齒輪組，在這四種自動(dòng)變速箱中它的質(zhì)量和體積是最小的。

不足之處：一是傳遞扭矩有限，應(yīng)用范圍受限。由于動(dòng)力是靠V型帶與帶輪間摩擦傳遞，摩擦扭矩有限，故傳遞功率受限，僅適用于發(fā)動(dòng)機(jī)排量在3L以下的車輛。二是傳動(dòng)帶容易損壞，使用壽命受限。

隨著無級自動(dòng)變速箱技術(shù)的不斷發(fā)展，其裝配的車輛數(shù)量有了較大提高，目前每年全世界有100多萬輛汽車配備了無級自動(dòng)變速箱，其中大部分在日本，保有量約占世界市場的1/4。在國內(nèi)，目前國產(chǎn)汽車主要有以下幾個(gè)品牌的車型配備了無級自動(dòng)變速箱：奧迪A4/A6L、本田飛度、日產(chǎn)軒逸／天籟、豐田普銳斯、奇瑞旗云之星等。

雙離合自動(dòng)變速箱是一種技術(shù)更為先進(jìn)、控制更為復(fù)雜的新型電控機(jī)械式自動(dòng)變速箱。最典型的代表是由大眾汽車公司和博格華納公司合作生產(chǎn)6擋雙離合自動(dòng)變速箱。它由兩個(gè)離合器集合而成的雙離合裝置、基于手動(dòng)變速箱的三軸式齒輪變速系統(tǒng)、自動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)和電子液壓控制系統(tǒng)所組成的雙傳動(dòng)輸入、雙傳動(dòng)輸出變速箱系統(tǒng)。輸入軸總成是由一個(gè)實(shí)心軸及其外部套筒軸組合而成的雙傳動(dòng)輸入系統(tǒng)，奇數(shù)擋位和偶數(shù)擋位的傳動(dòng)齒輪分別布置在這兩個(gè)輸入軸上。一個(gè)離合器與實(shí)心輸入軸相聯(lián)，控制奇數(shù)擋；另一個(gè)離合器與套筒(空心)輸入軸相聯(lián)，控制偶數(shù)擋。雙傳動(dòng)輸出系統(tǒng)的兩根輸出軸是獨(dú)立布置的，一根輸出軸上安裝有低速擋齒輪并實(shí)現(xiàn)低速擋時(shí)的動(dòng)力輸出，另一根輸出軸上安裝有高速擋和倒擋齒輪并實(shí)現(xiàn)高速擋和倒車擋時(shí)的動(dòng)力輸出。本質(zhì)上雙離合自動(dòng)變速箱相當(dāng)于將兩套(3擋)手動(dòng)變速箱合二為一。

當(dāng)變速箱運(yùn)作時(shí)，一組齒輪被嚙合，而接近換擋時(shí)，下一組擋段的齒輪已被預(yù)選，但離合器仍處于分離狀態(tài)；當(dāng)換擋時(shí)，一臺(tái)離合器將使用中的齒輪分離，同時(shí)另一臺(tái)離合器嚙合已被預(yù)選，在整個(gè)換擋期間能確保最少有一組齒輪在輸出動(dòng)力，從而不會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力中斷的狀況。例如，現(xiàn)在是3擋行駛，4擋就早已經(jīng)連接好了，只是沒有正式承擔(dān)扭矩傳遞的任務(wù)而空轉(zhuǎn)運(yùn)行，只要一接到升擋指令，控制3擋的離合器分離，同時(shí)控制4擋的離合器結(jié)合，平滑順暢地完成了換擋。

DCT的優(yōu)點(diǎn)：一是更短的換擋時(shí)間，更高的換擋舒適性。換擋過程只需要幾百分之一秒。動(dòng)力在換擋過程中沒有中斷，沒有損失，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力的無縫傳遞，變速的無縫連接，故大眾汽車公司稱之為直接換擋變速箱(簡稱DSG)。二是更可靠的變速箱質(zhì)量，更低的維修成本。它繼承了手動(dòng)機(jī)械變速箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，工作穩(wěn)定可靠，故障率較少。三是更好的加速性能，更低的燃油消耗。它實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)變速箱與自動(dòng)控制的最佳結(jié)合，傳動(dòng)效率高，提速更快，更省油。四是不受傳遞功率的限制，可以廣泛應(yīng)用于各種車型。

不足之處：電子控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，技術(shù)難度大，目前只有美國的博格華納和德國的舍弗勒等少數(shù)公司掌握雙離合自動(dòng)變速箱的核心控制模塊。

雙離合自動(dòng)變速箱繼承了電控機(jī)械自動(dòng)變速箱和手動(dòng)變速箱的結(jié)構(gòu)簡單、安裝空間緊湊、重量輕、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，又融合液力機(jī)械自動(dòng)變速箱不間斷動(dòng)力、迅速平穩(wěn)換擋等優(yōu)點(diǎn)，在汽車上的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，現(xiàn)在已成功地應(yīng)用在大眾捷達(dá)、途安、寶來、奧迪A3、寶馬7系、保時(shí)捷等車型上，短短5年，全球銷量突破100多萬輛，今年3月裝有“TSI+DSG(進(jìn)口)”的一汽－大眾新邁騰已與消費(fèi)者見面。