自動(dòng)變速箱匹配研究

許少華

摘 要：如何將自動(dòng)變速箱與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行正確的匹配，不僅影響到汽車的性能及使用壽命，同時(shí)影響到汽車的安全性。自動(dòng)變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配要考慮性能和發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率兩方面，確保轉(zhuǎn)速與車速、扭矩與驅(qū)動(dòng)力相匹配。

關(guān)鍵詞：變速箱；匹配；評(píng)價(jià)指標(biāo)

1 概述

汽車采用機(jī)械齒輪變速器具有效率高，工作可靠，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，故被廣泛地應(yīng)用在各種汽車上。但為了適應(yīng)汽車行駛條件的變化，必須經(jīng)常換擋，頻繁的換擋操作，不僅要求司機(jī)有較好的駕駛技術(shù)，而且要求變速器有較高的質(zhì)量。而汽車采用自動(dòng)變速器有很多優(yōu)點(diǎn)，比如使汽車的駕駛更方便，提高發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系的使用壽命，提高汽車的通過(guò)性，具有良好的適應(yīng)性，較大程度地減少汽車的尾氣排放量，提高汽車乘客的乘車舒適程度等。汽車自動(dòng)變速器匹配的研究在國(guó)外處于較為成熟的發(fā)展階段，但在國(guó)內(nèi)的技術(shù)水平還相對(duì)比較落后。因此，對(duì)自動(dòng)變速器匹配研究顯得尤為重要。

2 自動(dòng)變速箱的種類及特點(diǎn)

2.1 液力機(jī)械式 液力機(jī)械式自動(dòng)變速系統(tǒng)（Automatic Trans-mission，AT）是指液力變矩器加行星齒輪排式自動(dòng)變速系統(tǒng)。AT是目前主流的自動(dòng)變速系統(tǒng)，應(yīng)用范圍較為廣泛。其優(yōu)點(diǎn)是相關(guān)技術(shù)發(fā)展較為成熟，有著較為可靠的性能；但是它也存在諸多缺點(diǎn)，例如由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜而導(dǎo)致的制造工藝難度大、產(chǎn)品過(guò)于沉重、性價(jià)比不高等。經(jīng)過(guò)不斷地發(fā)展，其功能與相關(guān)技術(shù)已經(jīng)接近發(fā)展至極限，很難進(jìn)一步取得突破性變化。

2.2 電控機(jī)械式 電控機(jī)械式自動(dòng)變速系統(tǒng)（Automated Mechanical Trans-mission，AMT）是在手動(dòng)變速器的基礎(chǔ)上加裝微機(jī)控制的自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械變速器電動(dòng)控制的自動(dòng)變速系統(tǒng)。AMT代替了駕駛員手動(dòng)進(jìn)行的分和離合器以及換擋操作，實(shí)現(xiàn)換檔操縱自動(dòng)化。其主要功能靠電控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳動(dòng)效率高，并且成本較低，同時(shí)它的自動(dòng)變速功能也讓操作更加簡(jiǎn)單方便。

2.3 無(wú)級(jí)變速式 無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)（Continuously Variable Trans-mission，CVT）主要有金屬帶式和牽引式兩種。它可以自由改變傳動(dòng)比，從而實(shí)現(xiàn)全程無(wú)級(jí)變速，換擋過(guò)程非常得流暢，使汽車保持平穩(wěn)的車速。其缺點(diǎn)是需要經(jīng)常保養(yǎng)，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高，使用壽命也較短。

圖1 AT自動(dòng)變速箱 圖2 CVT自動(dòng)變速箱

3 自動(dòng)變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配

對(duì)于汽車而言，將發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱組形成較好的匹配關(guān)系，才能保證汽車的性能及使用壽命。發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和輸出功率的關(guān)系并不是固定不變的，而是一種比較復(fù)雜的變化關(guān)系。通常，用發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線來(lái)定性地描述輸出功率和扭矩的關(guān)系。不同排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至同一排量但根據(jù)不同需求設(shè)計(jì)的同一排量的不同發(fā)動(dòng)機(jī)，其特性曲線也是不同的。

變速箱有很多種類，但是根據(jù)其齒輪的密集程度可分為普通類和密齒類兩種；發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)其渦輪的轉(zhuǎn)速高低可以分為低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速兩類。對(duì)于高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)，它扭矩曲線往往有兩個(gè)峰值，一個(gè)峰值出現(xiàn)在較低的轉(zhuǎn)速時(shí)，另一個(gè)峰值出現(xiàn)在較高的轉(zhuǎn)速時(shí)。一般駕駛員都會(huì)選擇換擋時(shí)機(jī)在盡量保證換完檔后轉(zhuǎn)速正好對(duì)應(yīng)第一個(gè)峰值，可以保證車輛在換擋之后有較大的加速驅(qū)動(dòng)力。對(duì)于高轉(zhuǎn)速小扭矩的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，兩個(gè)峰值間的曲線較為平緩，峰值持續(xù)時(shí)間較短；對(duì)于低轉(zhuǎn)速大扭矩的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，扭矩峰值持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。由于高轉(zhuǎn)速小扭矩發(fā)動(dòng)機(jī)在每次換擋之后的加速時(shí)間較短，需要較大的扭矩來(lái)幫助加速，因此匹配齒類變速箱更合適。而普通變速箱擋位之間加速時(shí)間較長(zhǎng)正好滿足發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩峰值持續(xù)時(shí)間較久的需要，因此低轉(zhuǎn)速大扭矩發(fā)動(dòng)機(jī)匹配普通變速箱更合適。

由于自動(dòng)變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)直接相連，它的性能和工作狀態(tài)將影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的有效輸出功率的輸出。所以在與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配時(shí)，必須分析一下自動(dòng)變速箱的工作狀態(tài)，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)和自動(dòng)變速箱都工作在有效范圍。

4 匹配原則與評(píng)價(jià)指標(biāo)

4.1 匹配原則 ①由于當(dāng)車輛起步時(shí)，瞬時(shí)速度變化最大，相應(yīng)地負(fù)載也最大。此時(shí)理想的工作狀態(tài)為自動(dòng)變速箱的零負(fù)載輸入特性曲線通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，才能保證車輛在瞬時(shí)啟動(dòng)或者負(fù)載最大時(shí)獲得最大輸出轉(zhuǎn)矩。②車輛在起步之后的加速過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及功率隨著車速的增快而增大。此時(shí)的理想工作狀態(tài)為自動(dòng)變速箱的最大工作效率輸入特性曲線通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大實(shí)際輸出功率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩點(diǎn)。③車輛整體在行駛過(guò)程中應(yīng)該有良好的經(jīng)濟(jì)性。也就是說(shuō)，自動(dòng)變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)的共同理想工作范圍應(yīng)該在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率最高工況附近。

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo) 設(shè)置自動(dòng)變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的意義在于，可以通過(guò)量化分析，對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，從而可以用數(shù)據(jù)對(duì)匹配性能作出比較客觀的評(píng)價(jià)。

①最大輸出轉(zhuǎn)矩MTmax，表示車輛從瞬時(shí)起步以及加速所能客服重負(fù)載的能力。

MTmax=MT0

式中，MT0表示車輛啟動(dòng)時(shí)（即轉(zhuǎn)速比為零）時(shí)自動(dòng)變速箱的輸出力矩，單位為N·m。

②高效力矩范圍DM，表示自動(dòng)變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)的共同工作范圍的動(dòng)力性能。

DM=MT1/MT2

式中，MT1，MT2為對(duì)應(yīng)于共同工作范圍最高和最低轉(zhuǎn)速的輸出轉(zhuǎn)矩。

③正常工作情況下的平均單位燃料消耗量ge

ge=ge（nT）dnT/nTmax

式中，nTmax為空載時(shí)的最大渦輪轉(zhuǎn)速，r/min；ge（nT）為共同工作特性中的單位燃料燃燒特性曲線。

5 總結(jié)

如何將自動(dòng)變速箱與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行正確的匹配，不僅影響到汽車的性能及使用壽命，同時(shí)影響到汽車的安全性?，F(xiàn)如今，自動(dòng)變速箱的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，發(fā)展越來(lái)越迅速。自動(dòng)變速箱的匹配不僅對(duì)于汽車生產(chǎn)者非常重要，也越來(lái)越成為汽車消費(fèi)者選擇汽車的重要依據(jù)。自動(dòng)變速箱與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配要考慮性能和發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率兩方面，確保轉(zhuǎn)速與車速、扭矩與驅(qū)動(dòng)力相匹配。