汽車自動變速器技術(shù)的總結(jié)與展望*

雷先華，何美生，周熙欽，賀奧賓

（湖南交通工程學(xué)院機(jī)電系，湖南衡陽 421000）

0 引言

汽車變速器作為動力傳動系統(tǒng)的重要部件，它的性能直接影響到整車的動力、經(jīng)濟(jì)和使用性能。隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，全世界汽車保有量持續(xù)上升，截至2016年底中國汽車保有量達(dá)到1.94億，居世界第一[1]。變速器一直以來都是研究者們研究的重點和熱點，現(xiàn)有傳統(tǒng)機(jī)械式變速器已經(jīng)不能滿足駕駛者苛刻的使用要求，自動變速器有著起步平穩(wěn)、換擋沖擊小、油耗低，深受廣大消費者的青睞且市場占有率逐年上升。

目前，在汽車新技術(shù)大繁榮背景下，國內(nèi)外汽車上廣泛應(yīng)用的自動變速器主要有液力機(jī)械式自動變速器（AT）、電控機(jī)械式自動變速器（AMT）、機(jī)械無級式自動變速器（CVT）、雙離合自動變速器（DCT）等，其他自動變速器都是在此基礎(chǔ)上衍生而來的。本文就上述廣泛應(yīng)用的幾款變速器的發(fā)展歷程和優(yōu)缺點進(jìn)行分析和對比，并對自動變速器的新飛躍活齒CVT（HN-CVT）和磁流變雙離合自動變速器（MRDCT）技術(shù)進(jìn)行分析和展望。

1 汽車自動變速器現(xiàn)狀

1.1 液力機(jī)械式自動變速器（AT）

20世紀(jì)30年代，全世界第一臺液力自動變速器正式誕生，戴姆勒公司首次實現(xiàn)液力耦合器裝車，并把機(jī)械式傳動轉(zhuǎn)變?yōu)橐毫κ絺鲃印?0世紀(jì)50年代，首次研發(fā)出由液力變矩器和行星齒輪機(jī)構(gòu)組成的自動變速器。20世紀(jì)60年代，由于液力變矩器傳遞效率很低，研究重點逐漸傾向更加高效率的液力變矩器。到了20世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了高效率鎖止離合器的液力變矩器。AT制造工藝經(jīng)過幾十年的發(fā)展，性能和技術(shù)都是4種變速器中最成熟的，故障率小，故占據(jù)自動發(fā)變速器市場份額的首位，深受歐美國家消費者的喜愛。伴隨著6AT、7AT的研發(fā)成功，8AT也在研究者的努力下研發(fā)成功，以后將朝著更多擋位發(fā)展[2]。

1.2 電控機(jī)械式自動變速器（AMT）

AMT基于傳統(tǒng)的機(jī)械式變速器上配備一套電控執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它結(jié)合了AT和MT兩者優(yōu)點，實現(xiàn)機(jī)電液一體化控制的自動變速器。AMT可電控系統(tǒng)根據(jù)節(jié)氣門、車速和駕駛者指令等參數(shù)，確定最佳擋位，利用模糊控制代替人工對離合器和制動器進(jìn)行控制，實現(xiàn)自動換擋[3]。

AMT發(fā)展經(jīng)歷了半自動、全自動和智能化階段，我國的AMT研究起步較晚，與國際水平仍有一定的差距[4]。此外，AMT已經(jīng)開發(fā)了AMT zeroshift（零點換擋）的傳輸類型。這種傳輸是可以在不需要時間的情況下（零秒）轉(zhuǎn)換齒輪的傳動裝置，不僅傳動裝置較容易制造，價格也比AT便宜，而且節(jié)省燃料、轉(zhuǎn)矩傳遞過程中不會中斷[5]。

1.3 機(jī)械無級式自動變速器（CVT）

CVT出世至今已有百多年的歷史`，但把這種理念轉(zhuǎn)化為汽車上的應(yīng)用是奔馳公司，在1886年就將研發(fā)的V型橡膠帶式CVT應(yīng)用裝車。傳統(tǒng)的金屬帶式CVT由主動輪組、從動輪組、金屬帶、液壓操縱系統(tǒng)組成[6]。CVT通過液壓操縱系統(tǒng)控制主動錐齒輪和從動錐齒輪金屬帶的軸向移動改變圓盤的半徑大小從而改變傳動比。因為主從動輪的工作半徑在金屬帶的作用下可以連續(xù)調(diào)節(jié)，最終達(dá)到速比的無級變化。無級變速器使汽車在任何工況下都可以達(dá)到最佳傳動比，達(dá)到節(jié)能減排的目的。CVT同時衍生出了IVT，可以實現(xiàn)小型輕量化，速比過零點；且傳遞的轉(zhuǎn)矩比帶式CVT大，發(fā)熱小。

我國CVT技術(shù)起步較晚，直到2012年奇瑞汽車公司自主研發(fā)CVT裝車，才標(biāo)志著我國CVT變速器真正實現(xiàn)自主化。

1.4 雙離合自動變速器(DCT)

20世紀(jì)40年代，由RudolphFranke教授申請了全球首項DCT發(fā)明專利，雖然進(jìn)行了裝車實驗，但沒有批量生產(chǎn)。20世紀(jì)80年代初，保時捷公司研發(fā)了雙離合變速器(PDK)應(yīng)用于賽車上，但也未能產(chǎn)生實際價值。直到2003年博格華納集團(tuán)和大眾公司共同研發(fā)出了技術(shù)穩(wěn)定的6速雙離合自動變速器(DSG)。目前大眾已將DSG技術(shù)廣泛應(yīng)用于Golf、AudiTT等多款新主流車型上[7]。雙離合變速器為了實現(xiàn)短時間內(nèi)換擋，將原有的機(jī)械式變速器擋位按奇數(shù)擋和偶數(shù)擋分開布置。由離合器1、2分別控制奇數(shù)擋和偶數(shù)擋，即變速器有2個擋位在工作過程中總是結(jié)合的。達(dá)到換擋不中斷動力的目的，降低換擋沖擊。

自1990年以來，DCT成為各大汽車廠商和研發(fā)部門研究的熱點，其中以大眾DSG為代表的雙離合變速器占據(jù)主要市場，現(xiàn)在已經(jīng)演變成干式和濕式雙離合，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外汽車廠商。

AT、AMT、CVT、DCT在組成結(jié)構(gòu)、工作原理和換擋控制策略等都發(fā)展成熟，在換擋舒適性、功率傳遞、經(jīng)濟(jì)性、生產(chǎn)難易度等方面這4種自動變速器系統(tǒng)有各自的特點[8]。AT增矩作用明顯，功率傳遞效率高，零件及總成壽命長，生產(chǎn)成本低，但變矩范圍有限，耗油量大，總成復(fù)雜，對速度反應(yīng)靈敏性較差，必將朝著機(jī)構(gòu)總成輕量化，換擋控制優(yōu)化發(fā)展。AMT總體結(jié)構(gòu)簡單，易于操縱，造價低，適用于重型車輛，但換擋過程平順性較差，控制參量，自動化程度要求高，必將朝著優(yōu)化控制策略、減小換擋沖擊和智能化發(fā)展。CVT結(jié)構(gòu)原理簡單，舒適性高，傳遞效率較高，加速性能好，燃油經(jīng)濟(jì)性好，但扭矩和轉(zhuǎn)矩傳遞范圍受限，傳動鋼帶使用壽命短，制造成本高，工藝性差。所以提高CVT扭矩傳遞能力，傳遞效率，鋼帶壽命，降低制造成本勢在必行。DCT換擋時間短，沖擊小，功率傳遞不受限制，生產(chǎn)集成性好。但控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)生產(chǎn)制造較困難，控制方法比較復(fù)雜，且被少數(shù)國外廠家掌控，所以DCT技術(shù)發(fā)展還需要改善換擋性能，完善控制技術(shù)，降低生產(chǎn)成本，提高電路集成化。

2 汽車自動變速器的新飛躍

2.1 活齒CVT（HN-CVT）

活齒CVT屬于我國自主創(chuàng)新，在國際上處于領(lǐng)先地位的一種新型無級變速器。它徹底改變了以往無級變速長期以來靠摩擦傳動的方式，極大地提高了無級變速傳遞動力的功率和效率，綜合性能發(fā)生質(zhì)的飛躍。它是一種概念新、效率高、功率大的非摩擦式機(jī)械無級變速器[9]。活齒CVT擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，概念新穎；擁有多項專利，市場范圍廣，實現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)價值大；其輸出功率和轉(zhuǎn)矩都較傳統(tǒng)CVT有很大的提高。

活齒CVT的基本結(jié)構(gòu)是由主動棘輪、從動棘輪、金屬齒形鏈、滑片及活齒單元組成。HN-CVT采用活齒嚙合傳動（圖1），它的齒“一死一活”，“死齒”位于金屬鏈條上的固定齒，“活齒”位于活齒單元上一個個可移動滑片。通過改變液壓力使錐輪軸向移動，錐輪軸向產(chǎn)生的壓力使活齒單元在滾輪作用下沿錐輪嵌槽徑向移動，從而改變金屬齒形鏈與主從動棘輪中活齒單元的工作半徑，從而實現(xiàn)無級變速。

圖1 活齒CVT結(jié)構(gòu)

CVT工作前，活齒位于活齒槽中；工作時，活齒槽中的滑片在鋼帶壓力和錐盤離心力共同作用下，甩出并與金屬齒形鏈的鏈齒嚙合，實現(xiàn)動力傳遞?；铨X在運動和受力方向不同時，它可以根據(jù)當(dāng)前的嚙合齒形所需及時變形而實現(xiàn)無級嚙合（圖2）。因為齒片可以在槽中自由活動，所以在嚙合傳動時HN-CVT仍可以實現(xiàn)無級變速[10]。

圖2 活齒CVT的工作原理圖

活齒CVT綜合了傳統(tǒng)CVT和MT變速器大功率、高效率無級機(jī)械傳動等優(yōu)點，克服了扭矩有限、傳動帶制造的缺點，不僅動力性強(qiáng)，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了，同時無級傳動提高了整車使用性能。

2.2 磁流變雙離合自動變速器（MRDCT）

針對機(jī)械機(jī)構(gòu)和控制方法的優(yōu)化問題，研究者研發(fā)了一種磁流變雙離合自動變速器（MRDCT），用MRDCT來取代傳統(tǒng)的摩擦片式雙離合器，以達(dá)到簡化DCT機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方法的目的[11]。磁流變液是能夠在磁場控制下轉(zhuǎn)化形態(tài)的一種智能材料，在強(qiáng)磁場中，它能由牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)橘e漢姆塑性體，流體黏度和剪切屈服應(yīng)力以倍數(shù)增大，流動性較低；當(dāng)磁場消失，它又重新回到牛頓流體狀態(tài)。磁流變液的黏度很低，整個磁流變效應(yīng)可在極短的時間內(nèi)完成，并且整個反應(yīng)過程是可逆的[12]。

磁流變雙離合變速器由輸入軸、輸出軸、磁流變液、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、磁流單向離合器、換擋控制系統(tǒng)組成。在換擋時，磁流變液在電流產(chǎn)生的磁場作用下產(chǎn)生磁鏈，這種鏈狀結(jié)構(gòu)增大了液體的剪切應(yīng)力，并通過這種力傳遞動力，相當(dāng)于磁流變液自身固化把主、被動件結(jié)合在一起作機(jī)械連接，此時離合器處于結(jié)合狀態(tài)。

與傳統(tǒng)的DCT結(jié)構(gòu)相比，MRDCT是一款具有可控性能高、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)性能好、反應(yīng)速率極快的雙離合自動變速器。不僅保留傳統(tǒng)DCT特點，而且進(jìn)一步降低成本，散熱性能更佳。是DCT技術(shù)的又一次發(fā)展，解決制約雙離合模塊技術(shù)壟斷問題。該研究的不足在于活齒CVT的活齒單元和MRDCT的磁流變液的選材上還未達(dá)到理想的效果，更佳的材料還在探索中。

3 結(jié)束語

本文針對現(xiàn)有廣泛應(yīng)用的自動變速器，從機(jī)構(gòu)、工作原理、換擋控制策略、傳遞效率、經(jīng)濟(jì)性和舒適性等各方面對4種自動變速器進(jìn)行系統(tǒng)分析，進(jìn)而提出傳統(tǒng)自動變速器需克服的弊端和未來的發(fā)展方向。

簡析了兩種新型的活齒CVT和磁流變DCT變速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理。相比于傳統(tǒng)的自動變速器，新型變速器雖然有質(zhì)的飛躍，但是在機(jī)械結(jié)構(gòu)、材料選取、控制系統(tǒng)以及實用性方面還有待于進(jìn)一步研究。