在汽车工业的发展史中

在汽车工业的发展史中,传动系自动变速一直是人们追求的目标,而变速器自动化技术更是世界各大汽车厂商和研究机构努力的方向.经过近50多年的研究开发,自动变速器技术不断得到完善和进步.尤其是近10年来,随着电控技术的发展和计算机技术应用,其结构和性能已有突飞猛进的发展,但是仍然存在有不足的地方,须进一步加快研究的步伐.因此我国汽车工业在“九五”期间把自动变速技术列为重点开发项目1自动变速器的类型目前,世界汽车工业广泛使用的自动变速器有以下几种形式①液力机械式(HydrodynamicMechanicalTransmission,HMT),现在也有研究人员直接称作为AT;②电控机械式(AutomatedMe2chanicalTransmission,AMT);③无级式(ContinuouslyVariableTransmission,CVT),包括机械式(目前主要的是推块金属V型带式传动,在轿车上已开始批量试用)、液压传动式(在工程车辆和农业机械上已应用)和电力式(用于电动汽车)[3].2自动变速器的结构及性能分析AT的结构及性能特点分析AT的结构特点.AT的结构相当复杂,不同型号变速器的局部结构又各有不同,使得自动变速器的结构多样化.但不论是哪一种,基本都是由液力变矩器、行星齿轮变速器和液压操纵机构及控制系统3个部分组成[4].AT的起步装置通常用液力变矩器,它解决了内燃机不能有过载启动问题,具有不需操纵、只需加油门就能自动起步的功能.虽然通过长期使用证明液力变矩器在汽车上的应用还是十分有效[3],但是其传动效率不高,在汽车稳定行驶时所起作用不大,所以这时利用闭锁离合器将变矩器闭锁成机械传动,以提高效率、减少油耗.AT的整体控制.AT是通过传感器装置将汽车的运行工况转化为电信号,并通过自动变速器的电脑对电信号进行处理,然后输出控制指令给相应的电磁阀,来实现变速器的自动换挡操作(如图1所示)[5-6].AT的换挡操纵方式比较简单直接,电信号转换至液压信号后直接控制结合元件换挡,换挡过程较平稳[3].目前不少AT具有手动模式.在手动模式下AT相当于动力换挡变速器,即所谓手动与自动一体的变速器.它具有普通机械变速器的效率高、人工选择换挡等特点,但换挡操纵过程却得到大大简化.图1电子控制式自动变速器控制原理2.2AMT的结构及性能特点分析2.2.1AMT的结构特点.AMT是在普通人工换挡机械式变速器基础上增加电子控制操纵机构,达到替代人工换挡的目的.由于AMT仅改变其中手动换挡操纵部分,因此生产制造继承性好,改造投入费用少,技术难度也不大,这对制造能力低、技术力量薄弱的我国汽车工业来说,具有一定的吸引力[7].目前已有几家国内单位进行了研究开发,取得了可喜的成绩,如吉林工业大学(现并入吉林大学)就在这方面做了较多研究工作.AMT保留了原来的机械变速器,因此其传动性能基本上和机械变速器相同.这种纯机械传动的传动效率高,结构简单,但是换挡过程不可避免地存在动力中断,同时机械传动很难阻隔发动机扭矩不均匀引起的振动,噪声也较大,乘坐舒适性较差[3]AMT的核心技术是电子控制,因此电子技术的水平及电子元件的质量将直接决定AMT的性能与运行质量[5]AMT的控制方式.AMT根据驾驶员的意图和车辆的运动状态,依据从众多熟练驾驶员中归纳出的驾驶方法,借助于相应的执行机构,对车辆进行自动操纵[8-10].AMT电控系统由下列4部分组成(如图2所示):①被控对象,包括发动机、离合器和变速器;②执行机构,包括步进电机、电磁阀、液压缸等;③传感器,包括速度传感器(发动机转速传感器、输入轴转速传感器、车速传感器)和油门开度传感器以及挡位传感器等;④电控单元(ECU),包括CPU,ROM,RAM,I/O接口等[11].图2AMT电控系统的组成CVT的结构及性能特点分析CVT有多种形式,这里仅对具有代表性的推块式V型金属带式来进行分析.2.3.1CVT(V型金属带式)的结构.V型金属带式CVT的结构组成如下1)起步装置,有以下几种形式:①电磁离合器:重量、尺寸大,热负荷能力低,一般仅用于微型车辆上;②电子控制式湿式摩擦离合器:结构尺寸小,响应快,能量损失小,在有些轿车上采用;③液力变矩器:起步扭矩大,坡道起步性能好,驾驶容易,微动性能好,而且能阻隔发动机扭矩不均匀所引起的振动和冲击;④多片干式离合器:在新的奥迪车上,使用了多片干式离合器代替传统的液力变矩器,以提高汽车的燃油经济性并减少CO2的排放[12].2)推块式金属V型带无级变速装置.3)前进后退换向机构,有行星式和定轴式2种[3].V型金属带式CVT的工作原理.如图3所示,V型金属带式CVT的金属带由2束金属环和几百个金属片构成,经久耐用又不失灵活[13-14].主动轮组和从动轮组都由可动盘和固定盘组成,与油缸靠近的一侧带轮可以在轴上滑动,另一侧则固定.可动盘与固定盘都是锥面结构,它们的锥面形成V型槽,与V型金属传动带啮合.发动机输出轴输出的动力首先传递到CVT的主动轮,然后通过V型传动带传递到从动轮,最后经减速器、差速器传递给车轮来驱动汽车.工作时通过主动轮与从动轮的可动盘作轴向移动来改变主动轮、从动轮锥面与V型传动带啮合的工作半径,从而改变传动比.由于主动轮和从动轮的工作半径可以实现连续调节,从而实现了无级变速[15-16].CVT的控制方式.CVT采用机-液控制或电-液控制.它主要由油泵(齿轮泵和滚子叶片泵),液压调节阀(速比和带与轮间压紧力的调节),传感器(油门和发动机转速)和主、从工作轮的液压缸及管道组成,从而实现对无级变速的调节.速比控制、夹紧力控制和起步离合器的控制是无级变速控制系统的关键图3CVT的结构组成3自动变速器的发展历程1926年在别克小轿车上开始使用液力机械传动的变速器.1938年美国克莱斯勒汽车公司采用了液力耦合技术,并在1939年首先成功地研制了由液力耦合器和行星齿轮变速器组成的4挡液力变速器,装备于该公司生产的Oldsmobile轿车上[17].该变速器被认为是自动变速器的代表,是当今自动变速器的原始形式,标志着自动变速器的诞生.1939—1950年的11年间是液力自动变速器的成长期.这一时期的特点是液力传动部分采用液力耦合器,机械变速部分采用行星齿轮.1950年美国福特汽车公司成功研制了装用液力变矩器的3挡液力自动变速器,从此轿车用液力自动变速器技术进人了成熟期.1969年,法国雷诺汽车采用了电控液力自动变速器,其控制方式是由计算机依据检测到的车辆速度和节气门开度的电信号来判断变速的时机,并确定变速程序.1977年后,日本丰田汽车公司成功研制了具有超速挡的液力自动变速器机械式锁止方式最早在1939年美国通用汽车公司生产的Hydrometric上使用过.1977年,美国克莱斯勒汽车公司在变矩器上装用由液力控制的带减振器的离合器,使锁止装置进人了成熟期.1991年,美国通用汽车公司在前轮驱动的轿车上装备4T60E型电控液力自动变速器.同年,福特汽车公司也在2种前轮驱动的轿车上装用了AXODE型4挡电控液力自动变速器.在我国,液力传动装置的应用始于20世纪50年代,当时成功地研制了“红旗”高级轿车使用的液力自动变速器.在20世纪70年代,我国已将液力传动应用于一系列的重型矿用汽车上,如SH380型32t矿用自卸车、CA390型60t矿用自卸车等.目前我国生产的部分型号的汽车上已装备了液力自动变速器.在汽车早期发展的历史中,人们就已认识到在发动机与传动系之间实现无级变速调节才能使汽车达到理想的行驶工况.长期以来,人们一直在进行能传递大功率、维持高效率、高寿命的机械式无级变速器的研究.近年来,由于材料技术、润滑油技术、微机控制及加工技术的进步,CVT有了很大发展.最早应用于汽车的无级变速传动是V型橡胶带式无级自动变速传动,它出现在1886年,用于德国Daimler-Benz公司生产的汽油机汽车上.CVT取得里程碑式的成绩是在20世纪60年代中期,VDT公司的研究人员在荷兰研制出传递功率容量大、效率高、结构紧凑的无级自动变速器CVT,使金属带式无级变速器取得突破性进展.在20世纪80年代末,金属带式无级变速器进人商品化阶段.到1995年,装有CVT的汽车产量已达到100万多辆.目前,世界上的主要汽车生产国都在积极开发CVT系统,已经出现了很好的实用化发展势头[18-21].4自动变速器的发展趋势就目前看来,在我国要搞高微机控制自动换挡机构技术相对比较困难,一方面需要满足驾驶员的驾驶愿望和适应各种行驶工况来进行换挡,而另一方面AMT自动换挡机构需要动力,因此或多或少地降低了传动效率[3].不过,现在人们在AMT上引入了各种最新的监测、控制技术,在离合器控制中采用模糊逻辑,并将神经网络方法引入AMT的换档决策和控制中,使AMT技术不断成熟,其应用前景还是比较广阔的.另外,在汽车上使用液力变矩器已经日趋成熟.下一步的研究应重点解决其传动效率低的缺点,发挥其传动平稳的优点,合理确定变矩器力矩系数,使变矩器和发动机匹配优化,改善其共同工作的经济性和动力性目前,在国内汽车市场上CVT尚未替代AT大规模使用.但在国际上,随着CVT技术的不断发展与进步,世界上主要汽车生产商都相继推出装配有CVT的汽车,如下一代的FordFocus,VolvoS40和S50,Mazda3等就推出使用VDT钢带的CVT,由此可以看出无级变速汽车是当今汽车发展的主要趋势[22-24]此外,在文献[25]中O’Neill看好AMT的前景,认为到2010年,AMT在欧洲市场上的份额将达到20%,而CVT则会是最大的赢家,预计在日本市场上其份额会从18%增加到38%最近,国外汽车工程师正在着手进行一种新型CVT的设计,虽然这个设计还处在实验阶段,不过概念比较新颖.它的结构包括2个形状类似绕风筝线用的线箍,线箍外由12根平行放置的棒组成,棒上有螺旋纹,这些棒的2段藏于有螺旋凹槽的凸缘内,2个线箍由一条名为KevlarCable的钢索绕在一起,12根平行棒在凸缘内的螺旋凹槽的带动下,会改变围成的直径,这样就达到改变速度的目的[26].随着微电子技术、传感器技术、制动器技术的发展,笔者认为目前自动变速器正向着以下几个方向发展:①多挡位;②自动预选式换挡系统;③电控无级变速器(ECVT);④电子智能式自动变速器;⑤电子控制闭锁离合器;⑥节能与环境保护;⑦高性能、低成本、微型化.4自动变速器的发展趋势就目前看来,在我国要搞高微机控制自动换挡机构技术相对比较困难,一方面需要满足驾驶员的驾驶愿望和适应各种行驶工况来进行换挡,而另一方面AMT自动换挡机构需要动力,因此或多或少地降低了传动效率[3].不过,现在人们在AMT上引入了各种最新的监测、控制技术,在离合器控制中采用模糊逻辑,并将神经网络方法引入AMT的换档决策和控制中,使AMT技术不断成熟,其应用前景还是比较广阔的.