某越野汽車匹配液力自動(dòng)變速箱動(dòng)力性研究與應(yīng)用

劉 剛，湯俊勇，李 軍，汪泉雨，駱 偉

（東風(fēng)特種裝備事業(yè)部（東風(fēng)越野車有限公司），湖北 武漢 430056）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，越野車作為一種特殊的交通工具進(jìn)入了千家萬(wàn)戶。同時(shí)，越野汽車也是應(yīng)急搶險(xiǎn)、消防救援時(shí)的重要裝備之一，是順利完成日常訓(xùn)練、戰(zhàn)時(shí)保障的基礎(chǔ)，其具有優(yōu)越的機(jī)動(dòng)性能和越野性能，是人員輸送、物資投送的重要運(yùn)輸裝備。因此，現(xiàn)在汽車行業(yè)內(nèi)越來(lái)越重視越野汽車的技術(shù)升級(jí)，特別是機(jī)動(dòng)性能和越野性能的提高。本文以某款匹配液力自動(dòng)變速箱的越野汽車為例，闡述了動(dòng)力性仿真分析及試驗(yàn)測(cè)試。

1 自動(dòng)變速箱技術(shù)的發(fā)展

液力自動(dòng)變速箱從上世紀(jì)30年代誕生至今，通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新，產(chǎn)品不斷迭代發(fā)展。世界上第一臺(tái)自動(dòng)變速箱是美國(guó) GM公司制造的，我國(guó)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與液力自動(dòng)變速箱匹配方面的研究起步較晚，國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)和高校經(jīng)過(guò)30多年的研究，取得了較大成果。

目前車用的自動(dòng)變速箱可以分為三類：液力自動(dòng)變速箱（Automatic Transmission, AT），電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（Automated Mechanical Transmission, AMT）以及無(wú)極自動(dòng)變速箱（Continuously Variable Transmission, CVT）。

1.1 AT箱

AT箱是由液力變矩器與一套平行軸式齒輪組或旋轉(zhuǎn)軸式齒輪組構(gòu)成，通過(guò)液力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)輪。在換擋時(shí)，通過(guò)控制離合器的分離和結(jié)合來(lái)完成無(wú)動(dòng)力中斷的換擋過(guò)程。這種變速箱的主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）可根據(jù)外界的阻力變化自動(dòng)變矩；

（2）可有效避免因車輛載荷突變導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)熄火；

（3）減少傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞的動(dòng)態(tài)載荷，有效吸收振動(dòng)和沖擊，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命；

（4）液力傳動(dòng)特有的隔振性能，有效降低汽車換擋沖擊，提高駕乘舒適性；

（5）提高汽車通過(guò)性能。汽車在雪地、沙地、泥濘地等松軟路面上起步及加速時(shí)，車輪滑轉(zhuǎn)小，汽車能以穩(wěn)定的車速行駛。

目前AT箱大多采用閉鎖離合器，有效提高了液力變矩器的工作效率，變矩器在汽車起步加速以及克服較大行駛阻力時(shí)才解鎖發(fā)揮變矩作用，在穩(wěn)定工況時(shí)變矩器保持閉鎖狀態(tài)不起作用。隨著 AT箱的技術(shù)發(fā)展以及生產(chǎn)制造工藝的快速發(fā)展，AT箱在未來(lái)將成為自動(dòng)變速箱的主力產(chǎn)品。因此，對(duì)AT箱的匹配研究具有非常重要的意義。

1.2 AMT

AMT自動(dòng)變速箱是在齒輪式手動(dòng)換擋變速箱的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)變速箱的選換擋及離合器結(jié)合操作，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速功能。

根據(jù)汽車行駛路況，并結(jié)合駕駛員的意圖，在整車開(kāi)發(fā)階段需要對(duì)換擋策略、發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)開(kāi)度進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)標(biāo)定匹配，實(shí)現(xiàn)整車最優(yōu)的動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性。

1.3 CVT

CVT采用無(wú)級(jí)變速技術(shù)，它采用傳動(dòng)帶和工作直徑可變的主、從動(dòng)輪相配合來(lái)傳遞動(dòng)力，可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)改變，從而得到傳動(dòng)系與發(fā)動(dòng)機(jī)工況的最佳匹配。

CVT無(wú)極變速箱的主要優(yōu)勢(shì)包括：

（1）組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變速箱體積小，零件少；

（2）傳動(dòng)速比范圍寬，與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配更有利于降低油耗；

（3）機(jī)械效率高，功率損失小。

2 車輛液力自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)

借鑒當(dāng)前世界先進(jìn)水平，目前國(guó)內(nèi)自主液力自動(dòng)變速箱的研發(fā)、生產(chǎn)制造技術(shù)已取得顯著成果，多款自主液力自動(dòng)變速箱已實(shí)現(xiàn)裝車量產(chǎn)。以某款越野汽車匹配的液力自動(dòng)變速箱為例，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析說(shuō)明，該液力自動(dòng)變速箱由前箱體、變矩器、主箱體、中間軸、后蓋以及控制器等模塊組成。

該款液力自動(dòng)變速箱具有液力傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)綜合的特點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)上將液力變矩器、行星變速機(jī)構(gòu)、液壓控制和冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)等部件綜合在一個(gè)箱體內(nèi)。自動(dòng)變速器采用集成扭轉(zhuǎn)減振器和閉鎖離合器的液力變矩器、行星變速機(jī)構(gòu)、液壓控制和冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)及自動(dòng)換擋電控系統(tǒng)，使車輛具備了動(dòng)力換擋和自動(dòng)換擋功能；通過(guò)采用電液比例電控系統(tǒng)，進(jìn)一步提升換擋品質(zhì)，確保動(dòng)力換擋過(guò)程的連續(xù)性；采用新型換擋方式，實(shí)現(xiàn)了液力變矩器閉鎖工況自動(dòng)換擋，縮短了換擋時(shí)間，有效提高了整車動(dòng)力性。該款液力自動(dòng)變速箱外形如圖1所示。

圖1 液力自動(dòng)變速箱外形圖

因此，越野汽車匹配液力自動(dòng)變速箱優(yōu)勢(shì)明顯，對(duì)匹配液力自動(dòng)變速箱進(jìn)行研究具有非常重要的實(shí)際意義。

3 某越野車匹配液力自動(dòng)變速箱動(dòng)力性分析

以匹配液力自動(dòng)變速箱的某款越野汽車作為研究對(duì)象，進(jìn)行動(dòng)力性分析。借助目前常用的CRUISE軟件來(lái)進(jìn)行整車動(dòng)力性仿真，不僅可以降低研發(fā)經(jīng)費(fèi)，而且可以得到與實(shí)際試驗(yàn)非常接近的結(jié)果。

3.1 動(dòng)力系統(tǒng)匹配

以某款越野汽車整車基本參數(shù)及動(dòng)力性指標(biāo)要求作為輸入，如表1所示。

表1 某款越野汽車基本參數(shù)及動(dòng)力性指標(biāo)要求

其中，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線圖

該款越野汽車匹配某液力自動(dòng)變速箱，該液力自動(dòng)變速箱主要組成部件有液力變矩器、行星變速機(jī)構(gòu)、自動(dòng)變速器電子控制系統(tǒng)電控裝置及冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)等。采用液力變矩器主要優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)便，起步、換擋平順，且發(fā)動(dòng)機(jī)不易熄火。液力變矩器原始特性一般由臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得，該款液力越野汽車匹配自動(dòng)變速箱的液力變矩器原始特性如圖3所示。

圖3 液力變矩器原始特性曲線圖

利用發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線與不同速比時(shí)液力變矩器轉(zhuǎn)矩曲線的交點(diǎn)，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)全開(kāi)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器的共同工作點(diǎn)，即可確定液力變矩器輸入、輸出特性參數(shù)，即發(fā)動(dòng)機(jī)與液力變矩器共同工作輸出特性，根據(jù)此輸出特性可以確定汽車的動(dòng)力性。

3.2 仿真模型

利用 CRUISE軟件。首先建立整車模型，如圖4所示。在整車模型中定義好整車的基礎(chǔ)參數(shù)，包括軸距、整備質(zhì)量、整車總質(zhì)量、迎風(fēng)面積、風(fēng)阻系數(shù)等參數(shù)。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器、變速器、分動(dòng)箱、前后驅(qū)動(dòng)橋以及車輪等參數(shù)分別在整車模型中各對(duì)應(yīng)的子模塊中定義。定義好各參數(shù)后，就可以進(jìn)行整車動(dòng)力性仿真計(jì)算了。

圖4 整車模型

3.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)理論仿真計(jì)算，該款越野汽車動(dòng)力性匹配結(jié)果如表2所示。

表2 某款越野汽車動(dòng)力性匹配結(jié)果

最高車速對(duì)應(yīng)變速箱最高擋、分動(dòng)箱高擋時(shí)的車速值。其中，原地起步加速到80 km/h最短時(shí)間對(duì)應(yīng)分動(dòng)箱高擋，加速時(shí)間如圖5所示。

圖5 加速時(shí)間曲線圖

4 整車動(dòng)力性試驗(yàn)驗(yàn)證

分別根據(jù)國(guó)標(biāo) GB/T12544—2012《汽車最高車速試驗(yàn)方法》、GB/T12543—2009《汽車加速性能試驗(yàn)方法》、GB/T12539—2018《汽車爬陡坡試驗(yàn)方法》，對(duì)該越野汽車的整車性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)環(huán)境符合國(guó)標(biāo)相關(guān)規(guī)定。其中，整車加速試驗(yàn)如圖6所示，整車爬坡試驗(yàn)如圖7所示。

圖6 整車加速試驗(yàn)

圖7 整車爬坡試驗(yàn)

經(jīng)整車動(dòng)力性試驗(yàn)驗(yàn)證，該越野汽車動(dòng)力性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從試驗(yàn)結(jié)果分析，與傳統(tǒng)匹配手動(dòng)變速箱的越野車相比，加速性能提高最為明顯，加速時(shí)間減少了35%。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

（1）經(jīng)分析研究，液力自動(dòng)變速箱具有液力傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)綜合的特點(diǎn)，該越野汽車匹配液力自動(dòng)變速箱的優(yōu)勢(shì)明顯。采用新型換擋方式，實(shí)現(xiàn)了液力變矩器閉鎖工況自動(dòng)換擋，縮短了換擋時(shí)間，有效提高了整車動(dòng)力性；

（2）利用常用的CRUISE軟件來(lái)進(jìn)行整車動(dòng)力性仿真，不僅可以降低研發(fā)經(jīng)費(fèi)，而且可以得到與實(shí)際試驗(yàn)非常接近的結(jié)果；

（3）根據(jù)某款越野汽車的具體參數(shù)，對(duì)其匹配液力自動(dòng)變速箱進(jìn)行了動(dòng)力性仿真分析。匹配液力自動(dòng)變速箱的越野汽車能夠達(dá)到較好的動(dòng)力輸出，加速性能可提升35%。