汽車自動變速器技術分析與展望

張志行 李進

合肥工業(yè)大學 安徽省合肥市 230041

1 引言

自動變速器（Automatic Transmission，簡稱：AT），通常來說是一種可以在車輛行駛過程中能根據(jù)路面狀況和車輛行駛狀況自動改變齒輪傳動比的裝置，使駕駛員無需手動操作檔桿，降低了駕駛者的操控負擔。自動變速箱的作用有：（1）實現(xiàn)傳動比在較大范圍內變化，讓發(fā)動機運轉在較為理想的環(huán)境下，并且能夠擴大車輪的轉矩和轉速的配比，從而提高車輛對路況的適應能力。（2）實現(xiàn)倒車行駛并且不改變發(fā)動機轉矩。（3）實現(xiàn)空檔，從而中斷發(fā)動機的動力供給。

自1939年，美國Buick汽車公司首次在其Oldsmobile轎車上裝用液力變速器以來，逐漸出現(xiàn)了基于發(fā)動機工作信號自動控制換檔的液力變速器，使自動變速器進入蓬勃發(fā)展時期。法國Renault汽車公司于60年代末首次將電子元件應用于自動變速器，此后日本汽車公司陸續(xù)采用該項技術。1982年，豐田汽車公司在其研發(fā)的電子控制變速器系統(tǒng)中采用電子控制單元技術，實現(xiàn)了電控變速系統(tǒng)的飛速發(fā)展。電控自動變速器與發(fā)動機輸出特性相匹配，在乘用車和商用車上已廣泛應用。

2 主流自動變速器詳析

目前汽車廣泛搭載的自動變速器可以分為四類：液力自動變速器（AT）、電控機械式自動變速器（AMT）、雙離合自動變速器(DCT)、機械無極自動變速器（CVT）。

2.1 液力自動變速器（AT）

液力自動變速器（AT）主要由液力傳動部分、機械傳動部分以及電子液壓控制部分組成。

核心部件為液力變矩器，由殼體、渦輪、導輪、泵輪等組成。其工作原理為：在一個充滿自動變速器油（ATF）的腔體內，發(fā)動機首先帶動泵輪旋轉，其次被攪動的油液帶動渦輪旋轉，接著在導輪的作用下，憑借相互作用力使泵輪和渦輪之間產(chǎn)生轉速差以實現(xiàn)變速變矩。由于液力變矩器的可變范圍有限，因此需要在其后面配備行星齒輪變速系統(tǒng)，進一步增大扭矩并擴大變速范圍，改善了車輛的自適應能力。電子液壓控制單元通過采集車速和節(jié)氣門開度信號，進行分析計算后，向執(zhí)行機構發(fā)出指令，實現(xiàn)換擋、鎖止和同步等控制。

AT的應用廣泛，受到許多車企的青睞，其代表車型有：保時捷卡宴、馬自達阿特茲、福特蒙迪歐等。其生產(chǎn)廠家主要有：采埃孚（ZF）股份公司和愛信（AISIN）精機公司等。AT的集大成者當屬寶馬，旗下有許多車型比如3系、5系、7系采用的都是與采埃孚合作開發(fā)的8AT自動變速器。經(jīng)過多年的發(fā)展改進和技術調校，此款變速器不僅換擋平順，而且傳動效率高，降檔積極，升檔迅速，具有十分強勁的運動特性。正是由于此款采埃孚的8AT優(yōu)異表現(xiàn)使得寶馬許多車型被稱為同級別的性能和運動操控標桿。

盡管AT在結構設計和制造加工上存在諸多難點，但是經(jīng)過80年的優(yōu)化和改進，其技術已經(jīng)十分成熟，在美國、德國和日本都有較高的市場占有率，此外許多國產(chǎn)車型也搭載了AT自動變速器。

2.2 電控機械式自動變速器（AMT）

電控機械式自動變速箱（Automated Mechanical Transmission， 簡 稱：AMT）是一款具備電控離合的手動機械式變速器（MT）。AMT以MT為基礎，將MT的離合器分離與結合及換擋撥叉等手動操控的部件實現(xiàn)電子自動化控制。其主要結構包括離合器、齒輪式機械變速器和電子控制單元（ECU）。ECU通過感知加速踏板和操縱桿的變化，由傳感器采集發(fā)動機轉速等信號，向執(zhí)行機構發(fā)出指令，實現(xiàn)發(fā)動機供油進氣、離合器的分離與結合、變速器換擋三者動作變換與時間順序的完美匹配。

由于AMT變速器是基于傳統(tǒng)的MT改進升級而來，因此制造成本和技術難度較低，多用于一些成本控制非常苛刻的微型車和小型車上，例如：上汽名爵MG3、奔馳SMART、雪佛蘭賽歐等。但同時因其在平順性優(yōu)化工作方面不夠完善導致其實際使用體驗較差。

2.3 雙離合自動變速器(DCT)

雙 離 合 變 速 器（Dual Clutch Transmission，簡稱：DCT），其最大特點是內置兩個離合器。DCT主要由雙離合器、多軸齒輪變速器、自動換擋行星機構和電控液壓系統(tǒng)組成。如下圖1所示，離合器1使用鍵類零件與輸入軸1連接，負責1、3、5擋齒輪以及倒擋齒輪的動力輸入和中斷；離合器2與輸入軸2連接，負責2、4、6擋齒輪的動力輸入和中斷。例如掛入某奇數(shù)擋位時，離合器1結合，相應齒輪組嚙合傳動對外輸出動力。在下一檔換擋前，另一組嚙合的齒輪已被提前選掛，換擋時，處于工作狀態(tài)的離合器1分離，將使用中的齒輪脫離，同時該齒輪與離合器2接合并傳遞動力進入下一檔。在檔位變換期間兩組離合器共同配合工作，保證至少有一條動力傳遞線路連通，使換擋時持續(xù)對外輸出動力成為現(xiàn)實。

圖1 DCT結構示意圖

DCT分為干式和濕式雙離合變速器兩種。兩者的差異點在于雙離合器摩擦片的散熱冷卻方法：濕式DCT的兩組離合器片浸泡在充滿油液的密閉腔室內，依靠油液帶走工作中產(chǎn)生的熱量，而干式DCT的摩擦片則依靠空氣進行冷卻。

DCT換擋速度極快且沒有動力中斷，滿足了駕駛愛好者更加純粹的運動性駕駛需求。其制造成本和難度相較于AT大大降低，因此近些年被許多車型廣泛使用。比如現(xiàn)代菲斯塔、謳歌TLX-L、奔馳GLA、上汽名爵MG6等?？陀^來看，縱然干式雙離合變速器在燃油經(jīng)濟性和成本控制上有一定優(yōu)勢，但由于換檔時頓挫明顯和故障率高等問題經(jīng)常被消費者詬病。而濕式DCT雖然解決了以上問題但其傳動效率有所下降。因此DCT是一把雙刃劍，無法同時兼顧平順舒適性和燃油經(jīng)濟性，這就需要車企對于定位不同的車型做出針對性選擇。

2.4 機械無極自動變速器（CVT）

機械式無級變速器（Continuously Variable Transmission， 簡 稱：CVT），有別于自動變速器的換檔過程，其速比的變化是連續(xù)均勻的，所以動力輸出平穩(wěn)流暢。CVT主要是由離合器、主動和從動輪組、金屬帶式無級變速機構、電子控制模塊和中間減速機構組成。CVT的工作原理為：在內部傳動系統(tǒng)里，兩錐型盤可在液壓的推力作用下收緊或張開，擠壓鋼片鏈條來調節(jié)兩輪組之間V型槽的寬度，使金屬帶鏈條帶動的圓盤直徑發(fā)生變化，從而實現(xiàn)傳動比變化。

CVT具備極佳的換擋平順性和舒適性，具有精簡的機械結構和較低的制造成本，非常符合日系車企追求舒適家用的造車理念，因此被廣泛搭載于中小型汽車上，如：本田思域、日產(chǎn)藍鳥、豐田雷凌等。此外，CVT可以維持在發(fā)動機的最大功率轉速區(qū)間內運轉，具有良好的中后段加速能力。早期CVT的金屬帶無法承受較大扭矩而遭受質疑，但隨著技術的改進，目前CVT的可靠性有了質的飛躍，逐漸搭載于一些中高端車型上，如：奧迪A6（FSI）、日產(chǎn)天籟2.0T版本。

2.5 小結，見表1

表 1 幾種自動變速器特性分析

3 自動變速器的發(fā)展趨勢

伴隨汽車行業(yè)的持續(xù)進步，消費者對車輛的綜合體驗的要求日益提高，自動變速器也因此向著高效化、智能化和電子電氣化的方向發(fā)展。

3.1 高效化

采取對自動變速器在結構設計上的改善和調校上的優(yōu)化等措施，可以提高其傳動效率、改善燃油經(jīng)濟性、降低排放，使自動變速器向著高效化發(fā)展，滿足環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展的要求。

3.2 智能化

在自動變速器系統(tǒng)中使用先進的微控制單元，能夠智能感知駕駛員的行為意圖，同時自動采集車輛運行過程中的各種參數(shù)，依靠其內置優(yōu)化算法的多參數(shù)智能控制器維持車輛工作在最佳狀態(tài)。

3.3 電子化

相比液壓、氣動或機械控制，電子控制具有明顯的優(yōu)勢：不僅響應更迅速，還可通過傳動系的聯(lián)合控制，改善了自動變速器的換擋特性，比獨立控制具有更優(yōu)越的性能，有利于整車輕量化及成本的降低等。

4 結語

通過以上的分析與對比，不難發(fā)現(xiàn)自動變速器的性能表現(xiàn)直接決定了整車的行駛品質。未來自動變速器需要在機電智能化、結構精簡化方面不斷改進，進一步提高車量設備的性能，這需要每一個技術人員和從業(yè)人員的堅持與努力。