中国汽车变速器的使用现状与发展趋势

中国汽车变速器的使用现状与发展趋势赵德祥,秦睿(沈阳大学机械工程学院,辽宁沈阳　110044)摘要:通过对各类汽车变速器基本构造、工作原理及优缺点的介绍与相互对比,概述了当今汽车变速器的发展状况与趋势,重点介绍了中国乘用车领域与商用车领域变速器的使用现状及发展趋势,并对中国汽车变速器的研究及发展方向作了展望。关键词:汽车;变速器;自动变速器;发展现状与趋势中图分类号:U463.212　　　　　　　文献标志码:A　　　　　　　文章编号:1671-2668(2015)01-0026-04　　统计资料显示,2013年,中国汽车产销量双双超过2000万辆,分别为2211.68和2198.41万辆,同比增长14.76%和13.87%,再创全球产销记录。2009年,中国汽车销售1364.5万辆,同比增长46.15%。不难看出,中国汽车产销量增幅已趋于平缓,依靠汽车市场处于高速发展期来实现销量而无核心竞争力的厂家注定被市场淘汰。纵观汽车技术的发展,发动机与变速器的变革一直处于风口浪尖。这两大核心部件的优劣直接关系到整车的功能实现与性能发挥。其中变速器具有如下功能:改变传动比以适应各种工况,并使发动机在有利条件下工作;在不改变发动机曲轴旋转方向的情况下实现车辆的倒退行驶;利用空挡中断动力以使发动机能起动、怠速,并方便变速器换挡。在当今社会提倡“绿色、环保、节能、低碳”的大背景下,汽车变速器在实现以上功能的同时还肩负着节能减排、绿色环保的使命。1　各类汽车变速器简述1.1　手动变速器自世界上首辆汽车研制成功以来,手动变速器(ManualTransmission,MT)一直被广泛应用。现今MT主要由壳体、传动组件(输入和输出轴、齿轮、同步器等)、操纵组件(换挡拉杆、拨叉等)组成。其工作原理是通过拨动变速杆来切换中间轴上的主动齿轮,使其与不同直径的齿轮啮合改变传动比,以此改变车辆驱动轮的转矩和转速。由于手动变速器具有技术成熟、构造简单、成本较低、动力传递效率较高等优点,其在国内乃至全球汽车市场中长期占据主导地位。但其操作复杂,对驾驶员的驾驶技术要求较高,且在特殊工况下或长期驾驶时易使驾驶员产生疲劳和烦躁感,继而增大驾驶风险。驾驶搭载MT变速器的汽车能充分享受到驾驶的乐趣,但MT的舒适性表现一般,所以MT如今极少装备在高端汽车上,而是大量装备在中低端汽车中。1.2　液力自动变速器1908年,福特汽车公司最先将一款具有2个速率比的液力自动变速器(AutomaticTransmission,AT)配置到T型车上,但与今天的AT相比,它并不算是真正的AT变速器。真正意义上的AT变速器是由美国通用汽车公司在1940年开发生产的。现今的AT变速器的特征为拥有液力变矩器和串联的行星齿轮机构。AT变速器的结构十分复杂,不同型号变速器其局部结构各不相同,但其基本结构都是由液力变矩器、行星齿轮变速机构和电液自动控制系统三大部分组成。其中齿轮变速器由套在轴上的多个行星排和换挡元件构成,通过各个换挡元件的结合或分离实现多个传动比,从而达到变速的目的。AT变速器的主要特点为自动变矩、降低传动系统动载荷、使车辆起步动作平顺、防止发动机因过载熄火、换挡流畅、提高车辆通过性。但AT变速器的结构相对复杂,制造精度高,成本较高,传动效率比机械传动低,耗油量高。1.3　机械式自动变速器机械式自动变速器(AutomaticMechanicalTran-smission,AMT)是以普通机械变速器为原型开发出的一种自动变速器,它通过对传统干式离合器和齿轮变速器原有结构加装电子操纵系统而构成,主要由自动离合器、齿轮传动机构和自动变速操纵系统三部分组成。它能根据车速、油门及驾驶员指令等参数确定最佳挡位,控制离合器的分离与结合、换挡62　　　　　公　路　与　汽　运　　　　　　　　　　　　　　　　Highways&AutomotiveApplications　　　　　　总第166期　手柄的摘挡与挂挡等操作过程,最终实现换挡过程的自动化。此外,AMT变速器可以实现手动和自动两种运行模式,使驾驶员体验到驾驶的乐趣。与MT相比,AMT操作更简洁、省油9%、安全性高;与AT相比,AMT的传动效率更高、省油20%、生产及维护成本较低。但是AMT为非动力换挡,在汽车起步与换挡时不能很好地缓和冲击,使换挡冲击较大,降低了驾驶舒适性。不过,随着AMT变速器的不断改进,其舒适性已有明显提升。1.4　无级变速器无级变速器(ContinuousVariableTransmis-sion,CVT)是一种能连续地改变输入轴与输出轴传动比的变速器。目前,应用于汽车的无级变速器有带式、链式和摩擦式3种,其中以金属带式CVT最为常见。金属带式CVT主要由金属带、主从动工作轮、液压泵、齿轮传动机构和控制系统组成。工作轮由固定部分和可动部分构成,固定部分与可动部分之间形成V形槽,金属带在槽内与工作轮相啮合,当可动部分作轴向移动时,金属带与主、从动工作轮的工作半径发生变化,从而改变传动比。CVT变速器通过传动比连续变化技术,使车辆发动机与外界行驶条件达到最佳匹配,提高了整车动力性、燃油经济性和排放性能;装载CVT变速器的汽车在换挡时无动力中断,进一步提高了加速性能,并且在乘坐舒适性方面有较好的表现。但由于CVT技术含量高,金属带的可靠性与寿命不易保证,且常用的CVT变速器都靠摩擦力传递动力,扭矩过大易出现打滑现象,CVT变速器较少应用于大排量汽车中。另外,其制造成本较高。1.5　双离合自动变速器双离合自动变速器(DualClutchTransmis-sion,DCT)早在1940年就已出现,但由于时代的局限性,最终并未实现规模投产。直到20世纪末,德国大众汽车公司与博格华纳联合开发出首款应用于大规模生产的DCT变速器。DCT变速器采用2个离合器,在手动变速器的基础上增加了电子控制和液压驱动系统,将原平行轴式手动变速器的挡位拆分,并分别重新与2个离合器进行配置。当车辆以某挡位运行时,将微机判断的下一个挡位预先啮合挂挡,车辆速度达到换挡点后,只需进行2个离合器的切换即可完成换挡。在整个换挡期间,2个离合器轮流工作,从而实现不间断动力输出。DCT变速器不仅继承了手动变速器效率高、成本低、结构紧凑和质量轻的特点,还拥有自动变速器良好的动力性、燃油经济性与乘坐舒适性等优点,并且实现了换挡过程的无间断动力输出。但由于其结构自身特点,只能奇偶挡位换挡,不能跳挡换挡。DCT变速器正处于发展阶段,其技术难度大,只有少数厂家掌握其关键技术,但其发展迅速,在近年汽车市场中表现十分活跃。2　中国汽车变速器的发展状况中国的汽车市场主要分为乘用车市场和商用车市场,这两类汽车市场中各种变速器的应用有着各自的特点。而国外各类变速器的使用情况由于地域和国情的不同也有着各自的特点。因此,应从不同角度分析变速器的发展状况。中国变速器的发展是在全球变速器发展大环境下的一部分,且中国变速器技术在一定程度上参考了国外的技术和标准,所以研究国外变速器的发展情况对指导中国变速器的研究与开发具有重要意义。2.1　国内外汽车变速器发展状况当前,自动变速器在国际上已成为主要发展趋势,在美国汽车市场中自动变速器的占有率高达90%,在日本其占有率在80%以上,在欧洲乘用车市场上的占有率也在50%以上。而在中国,自动挡汽车约占10%。尽管中国自动变速器市场近年增长速度都在20%以上,但毕竟起步较晚,技术基础薄弱,大量自动变速器仍然依赖进口。近年,各类变速器在全球的产量都在增加,其中轻型车变速器的产量如图1所示。产量/万台年份4500MTATCVTAMT40003500300025002000150010005000200520102015图1　2005—2015年全球轻型车辆用变速器产量从图1可以看出:MT与AT变速器是二分天下,且其产量在逐年增加;但随着CVT与AMT技术的逐渐完善,其市场份额也在不断提高,尤其是72　2015年第1期赵德祥,等:中国汽车变速器的使用现状与发展趋势　AMT变速器具有巨大的发展空间。总体来看,自动变速器已占领了轻型车半数以上的市场,该趋势在人们愈加追求舒适便捷的今天还会进一步加大。自动变速器在不同地域的应用情况存在差异。在美国,AT变速器占主导地位,这主要是因为美国自动变速器起步较早,消费者对汽车驾驶舒适性有较高要求,而对耗油量并不敏感。在欧洲,驾驶者注重操控体验,并看重油耗,以致自动变速器发展空间不大,现今带有节能与运动特性的AMT与DCT变速器成为了欧洲市场的生力军。至于汽车工业发达的日本,CVT技术发展较快,尽管还有许多不足,但其国内消费群体仍然对无级变速器这种能使发动机与工况达到最佳匹配的技术极其热衷,日本已成为无级变速器装车率最高的国家。2.2　中国乘用车变速器发展状况目前,中国汽车市场中虽然手动变速器占有率最高,但消费者对自动变速器存在巨大的消费渴望,其装车率正在逐渐提高。2012年中国乘用车市场中自动变速器的配套率达到43%,预计2015年将增长到47%。乘用车自动变速器以AT为主导,大部分自主中高级乘用车都装备了国外供应商提供的AT变速器。而技术含量较高、换挡方式独特的DCT变速器的装车率不高,多为德系与美系在中国的合资车型中装载,近年国内部分企业也在自主开发DCT变速器,在一些车型上已有装载。DCT在国内的发展并不是一路平坦,尤其是对干式双离合自动变速器的质疑声一直不断,技术改进势在必行。CVT变速器在中国乘用车市场中多用于中日合资的中小排量车型且装车率远不及AT变速器,而AMT变速器虽然只在部分经济型轿车上有装配,但发展势头较好,潜力很大。近年,由于自动变速器大量依赖国外进口,而且选择余地小,匹配成本较高,自动变速器在性能与成本等方面已严重制约了中国自主品牌汽车的发展。也正是因为这种情况,大部分中国汽车生产企业都在开展先进自动变速器的自主研发。2008年底,由国家发展与改革委员会牵头,联合国内12家汽车生产企业组成中发联投资有限公司,与美国博格华纳共同研发生产DCT变速器,现今其产品已生产下线投入市场。2013年,由中国盛瑞公司自主研发的8AT自动变速器已建成了10万台产能的新工厂,为中国自动变速器的发展打开了局面,标志着中国自主高端自动变速器将不再完全依赖国外进口。2.3　中国商用车变速器发展状况当前,中国商用车仍然以手动变速器为主流,自动变速器装车率较低。但随着自动变速器整体市场影响的日益扩大,商用车自动变速器市场将展露出巨大的需求空间。目前,在国内商用车市场中,法士特、中国重汽、中国一汽等公司已先后推出了自主研发的自动变速器(主要为AMT),在货车与客车上都有应用。AT变速器在中国商用车上也有应用,许多城市的公交车上都装有AT变速器,其带来的驾驶轻松、乘坐舒适、故障率低等特点使其备受推崇,但高成本与高油耗成为了其普及的阻力。在此情况下,与AT变速器相比在乘坐舒适性与减少驾驶操作频率方面都有不俗表现的AMT变速器越来越受到公交公司的青睐,而且AMT在价格与油耗上远胜于AT变速器,这使得AMT变速器在公交车上的装车率不断提升。AMT变速器在大型客车上的应用也崭露头角,预计2014年装有AMT变速器的大型客车需求量在2000辆以上。不论是AT还是AMT变速器,各种产品都在看好客车这块市场,相信商用车自动变速器会在大中型客车领域取得突破性发展。在中重型货车中,AT变速器受传动效率低及价格较高等因素影响其配置较少,以机械式变速器为基础的AMT在中重型货车中却应用较为普遍。AMT的自身特点及在实际运行中的优秀表现,使得其在中重型货车中的需求持续增长,预计2014年将达到10万辆。AMT变速器在中重型货车领域已显现巨大的发展潜力,将来会有更多的中重型货车配置这一类型变速器。而且在整个商用车市场中,AMT变速器的发展空间也同样是巨大的。至于CVT与DCT变速器,由于这两种变速器能量产的产品的最大输出扭矩都在300N·m左右,而商用车变速器所需输出扭矩至少要达到500N·m,所以在国内还没有涉足这两款变速器规模生产的商用车企业。即便是变