自动变速器论文

研究生课程考核试卷（适用于课程论文、提交报告）科目：汽车自动变速系统教师：姓名：学号：专业：车辆工程类别：学术型上课时间：2014年10月至2014年12月考生成绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语：阅卷教师(签名)重庆大学研究生院制混合动力汽车中自动变速器及动力合成装置的研究分析摘要：对目前国际上4种自动变速器进行了全面系统地介绍，讨论了目前混合动力汽车采用自动变速器的类型，并分析各种变速器在混合动力传动系统中应用的优缺点，最后以丰田普锐斯为例子，对其动力合成装置的结构和工作原理进行了分析。关键词：自动变速器；混合动力汽车；普锐斯StudyonautomatedtransmissionandpowersynthesisdevicesofHybridElectricVehicleAbstract:Fourautomatedtransmissionspopularininternationalautomobilemarketareintroducedsystematically.DiscussthetypesofautomatictransmissionusedbyHybridElectricVehicle,andanalyzetheadvantagesanddisadvantagesofvarioustransmissionsappliedinahybriddrivesystem.Lastly,usingToyotapriusasanexample,thedevicestructureandworkingprincipleofitareanalyzed.Keywords:automatedtransmissions;Studyonspeedvariatorof;Prius引言混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能[1]。经过十多年的发展，混合动力系统总成已从原来离散结构向一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。一般来讲，在混合动力汽车中可以采用两种方式进行系统的集成，第一种集成方式是发动机—电机集成化，例如将发动机和启动/发电机(ISG)进行集成形成弱混合型的混合动力汽车，例如Honda公司Insight混合动力汽车；第二种集成方式是对电驱动系统和变速传动系统进行集成，例如丰田公司的THS变速驱动系统。本文首先对混合动力汽车中自动变速器的应用进行介绍，然后以丰田公司的THSⅡ变速驱动系统为例，详细介绍其结构、原理和特点。1混合动力汽车中自动变速器的应用1.1自动变速器的介绍变速器是传统汽车和混合动力电动汽车动力传动系统的重要部件。变速器的性能对整车的动力性、经济性、舒适性等有着重要的影响[2]。自动变速器种类很多，目前传统汽车所采用的变速器主要有以下6种：机械式变速器（MT,ManualTransmission）、电控机械式自动变速器（AMT,AutomatedManualTransmission）、液力机械自动变速器（AT,AutomaticTransmission）、双离合器式自动变速器（DCT,DualClutchTransmission）、无级变速器（CVT,ContinuouslyVariableTransmission）和行星轮式变速器（PT,PlanetaryTransmission）。对于混合动力汽车，各厂家在以上6种变速器都进行了相应的尝试，由于它们的结构特点差异，决定了它们的性能各有优缺点[3]。1.2各种混合动力车用变速器研究现状1.2.1MT式混合动力汽车MT由于结构简单而在传统汽车上得到了广泛应用。MT不需要采用复杂的控制程序，因此在混合动力研发的初级阶段，MT能大大降低整车的开发难度，因此许多厂家在研发初期选择了MT混合动力汽车，例如：长安羚羊、长城嘉誉、奇瑞A5以及吉利轻度混合动力轿车等。它们的共同之处除了都运用机械式变速器之外，结构上都选用ISG电机作为辅助动力源，因此在传统车的基础上，不需要进行太大的改动，这样在实现混合动力汽车基本功能的前提下还有利于产业化的实现。但缺点是，MT的换挡过程由驾驶员控制，因此混合动力汽车很多与换挡相关的节油技术不能实现。这种混合动力构型只能作为混合动力汽车初期研究的尝试，而不是混合动力的最终结构。1.2.2AMT式混合动力汽车为了避免驾驶员的经验差异对换挡规律的影响，在手动变速箱的基础上加上一套液压或者步进电机式自动选档换挡机构，再对换挡时的离合器进行自动控制，就变成了AMT。它揉合了AT和MT两者优点，既具有AT自动变速的优点，又保留了MT传递效率高、成本低、结构简单的长处。相对于其他类型的自动变速器，AMT变速器是在现用机械变速器上进行改造的，保留了绝大部分的原总成部件，只改变其中手动操作系统的换档杆部分，生产继承性好，改造的投入费用也较少。一汽解放牌混合动力公交车、二汽东风牌混合动力公交车、一汽奔腾混合动力轿车以及伊顿混合动力卡车都采用了AMT。1.2.3AT式混合动力汽车本田Accord混合动力轿车以及通用U-Model混合动力概念车都运用AT变速箱。图1.1为U-Model概念车所采用AT变速器的结构图。该结构的特点是用电机取代了液力变矩器，通过控制电机来实现平稳起车和换档的平顺。AT的燃油经济性较差，而且结构复杂不容易进行结构改变，应用于混合动力汽车时，不仅影响整车燃油经济性，而且还受到其过长的开发周期和过高的开发、使用成本的影响。故，不适合在混合动力汽车上使用。图1.1福特U-Model概念车所采用AT变速器的结构图1.2.4CVT式混合动力汽车CVT是汽车变速系统最理想的变速器，CVT的结构有很多种，但金属推力带式CVT应用最为广泛。国内外对其与混合动力的结合做了很多研究，国外有：Nissan公司的Tino、Toyota公司的Estima和Alphard、Honda公司的Insight和Civic、Punch公司的CVT混合动力总成，国内有：长安公司的羚羊混合动力轿车、奇瑞公司A313DCVT混合动力轿车等。图1.2所示为羚羊轿车的构型。图1.2羚羊轿车的构型1.2.5EVT式混合动力汽车对于行星轮式混合动力汽车，领跑者丰田公司做了许多研究，并成功进行了Prius的量产，其余公司只能在丰田的结构基础上增加排数或者加离合器来打破丰田的专利封锁。行星排式混合动力汽车能实现无级变速，且系统效率较高的同时，由于丰田的专利封锁，给其他企业关于EVT式混合动力的研究带来了构型复杂、控制繁琐的困难。日本丰田公司相继推出了第一(如图1.3所示)、二、三代的Prius，Estima（大霸王），Alphard（埃尔法），LexusRX400h，Camry，LexusHighlander，LexusGS450h，LEXUSLS600hL，Harrier和Kluger等车型；美国GM公司推出了Yukon，Tahoe，VueGreen，Line等车型。图1.3第一代Prius的THS构型简图1.2.6DCT式混合动力汽车双离合变速器(DualClutchTransmission)DCT或者(DirectShiftGearbox)DSG主要由双离合器、齿轮变速器、自动换挡机构和电子液压控制系统等组成。由于DCT具有无动力中断换挡、传递效率高等优点而被许多厂家予以关注。现在双离合器变速器在大众公司的汽车上的应用较多。IAV公司也开发出一种9速比的双离合器混合动力总成，如图1.4所示，主要部分包括发动机、单离合器、电机、双离合器、变速器。此总成可以实现各种工作模式。图1.4IAV双离合器混合动力变速器1.3各种变速器在混合动力传动系统中应用的优缺点1.3.1机械式变速器(MT)机械式变速器传动效率高、结构简单、工艺可靠、成本低，但它的换挡过程由驾驶员控制，因此混合动力汽车很多与换挡相关的节油技术不能实现。同时，MT不太适合在城市里交通拥堵情况下使用，而且如果无法掌握好换档时机，油离配合不好的话，燃油经济性也无法保证。1.3.2电控机械式自动变速器（AMT）电控机械式自动变速器既具有液力自动变速器自动变速的优点，又保留了原手动变速器齿轮传动的效率高、成本低、结构简单、易制造的长处。但换挡时间较长，因为档位变动引起的顿挫感较强，舒适性较差，换挡过程中有可能出现动力中断。1.3.3液力机械式自动变速器（AT）液力机械式自动变速器是将发动机的机械能平稳地传给车轮的一种液力机械装置，以其良好的乘坐舒适性、方便的操纵性、优越的动力性、良好的安全性奠定了在汽车工业的主导地位[4]。由于采用了液力变矩器，可以不用离合器换档，档位少，连接平稳，操作容易。但它对速度变化反应较慢，液力传动工况下效率相对较低，燃油经济性较差，结构复杂，难制造，成本高，修理困难。1.3.4无级变速器（CVT）机械无级式自动变速器速比光滑变化，无级传递扭矩，乘坐舒适，加速性好，与AT相比具有较高的运行效率，油耗较低，燃料经济性高，同时，还有重量轻、体积小、零件少的优点。但它的起动性能差，通常需另加起动装置，另外它属于摩擦传动，传动效率较低，且传动带很容易损坏，金属带制造困难，可传递转矩相对较小，不能承受较大的载荷。1.3.5电气无极变速器（EVT）电气无级传动可以使发动机工作在高效运行区，并能实现起动-停止运行，明显地减少燃料消耗和废气的排放，具有以下优点[6]：1)全自动的无级变速能使车辆稳定平滑行驶、乘坐更舒适；2)由于采用的是电气无级变速传动技术，克服了机械式无级传动的缺点，具有可靠性高，经久耐用的特性；3)为高恒功率加速，因此加速快；4)电气无级传动可实现回馈制动，因此能提高燃料的利用率；5)利用电气无级变速传动装置的电气端口可装备更多的电气辅助设施，如电动门和体积较小的电驱动的空气压缩。EVT缺点在于质量较大(160kW的EVT约400kg)，最大减速速比受EVT额定功率的限制，另外EVT有炭刷，且价格较贵。虽然EVT的质量比常规的变速器稍大，但与常规的传动系统相比减少了大量的器件。EVT可代替汽车中的变速器、离合器、减速器、起动器和发电机。1.3.6双离合自动变速器（DCT）双离合变速器主要由多片湿式双离合器、三轴式齿轮变速器、自动换挡机构、电子控制和液压控制系统组成，其中核心机械部分是双离合器和三轴式齿轮箱。双离合变速箱在传动过程中的能耗损失非常低，其同电极结合可以很好地组成混合动力系统[5]。但制造加工的精度要求很高，技术难度大，导致成本也相当高。此外，在较拥堵的城市路况下，长时间处于半离合状态的离合器容易过热，因此温度传感器会感知温度过高，从而使变速器停机。2丰田普锐斯（Prius）混合动力系统(THSⅡ)丰田公司于1997年开始销售混合动力的Prius，它是世界第一款商业用途的大批量生产的混合动力汽车。丰田混合动力车的动力中枢是混合动力系统(THS—ToyotaHybridSystem)，它使汽油机和电力两种动力系统通过串联与并联相结合的形式进行工作,达到低排放的效果。在2003年4月的纽约国际车展上，丰田推出了采用THSⅡ系统的新一代Prius，使混合动力汽车的发展又向前迈了很大一步[7]。Prius动力装置（THS）属于混联式混合动力系统，混联式系统发动机和电动机都是驱动主题，它的动力分配装置把动力分成两路，一路是汽油机的动力直接传到车轮，另一路(电路)是发动机将能量转变成电能，带动电动机或给电池充电，如图2.1。图2.1普锐斯动力汽车动力合成装置的结构图2.1THSⅡ系统简介2.1.1系统组成THSⅡ系统主要部件有采用Atkinson循环的高效汽油机、永磁交流同步电机、发电机、高性能镍金属氢化物(NI-MH)电池和功率控制单元。功率控制单元由高压电源电路、AC-DC逆变器组成。电源电路将电动机和发动机的电压升至500V。AC-DC逆变器用于电动机、发电机的交流电和混合动力电池的直流电之间的转换，动力分配装置用于分配、合成和传递发动机、电动机和发电机的机械动力。2.1.2THSⅡ系统工作过程a.启动，低速到中速运转时，只要电池电量在合理范围