汽車自動變速系統的能源效益及可靠性

Ｊｕｌｉａｎｏ　Ｖｉｄｉ

摘要：本文通過探討汽車自動變速系統的工作流程，分析了如何提升汽車變速系統的可靠性及能源效率等問題。

關鍵詞：自動變速系統；能源效益；可靠性；NS；LM71A1

汽車的動力傳動系統包括有一個內燃機、一個多齒輪比變速器及車輪。發動機轉矩及速度會因汽車所需的牽引動力而在變速器中進行轉換。此外，汽車的變速器還可控制車輪的轉動方向。

變速器一般分為手動及自動變速兩種。自動變速可自動控制磨擦單元、齒輪比的選擇及換檔。

自動變速會采用液壓油來達到潤滑及冷凍的效果，液壓油是一種非常特別的液體，可在任何惡劣的環境下運行。自動變速箱油(ATF)的主要功能為：把動力從發動機變矩器傳送到動力傳動裝置，吸收由變矩器產生的熱力并轉移到汽車前端的冷凍裝置；作為離合器磨擦的冷凍劑，它可吸收及散發由離合器或帶嚙合所產生的熱能；通過一個復雜的液壓控制系統把液體壓力傳送開去，該系統采用汽門、伺服機、泵、離合器總泵、液壓管路及管道來進行控制，作為行星齒輪、軸承、伺服機、離合器和軸襯的潤滑劑及冷凍劑。

冷起動及暖車過程

自動變速箱油于工作溫度下(約90℃/1950F)的黏度一般都非常低。可是假如油溫太低時(例如是0℃/30°F以下)，其粘度便會大幅增加，導致產生非常高的曳力矩(dragtorque)。結果，齒輪便難以嚙合，原因是當中的同步器件一般都不能應付這般高的轉矩力。假如齒輪不能嚙合或換檔，汽車便不能開動。基于這個原因，“冷起動”程序會因應油溫而被激活，以確保至少有一個齒輪能夠成功嚙合。

當汽車開始行駛后，除非需要明顯加速或拖拉笨重的物體(例如是拖車)，否則液壓油溫只會慢慢地上升，而這也意味著曳力矩也會緩慢地上升。假如汽車長期處于高曳力矩的環境，同步器件便會超載并且受損。

在齒輪箱加入一些損耗、將換檔點移到較高的轉速汽門及提高齒輪箱潤滑油的質量，這些均可加快暖車的過程。由此，發動機、齒輪箱及催化劑便可更快地達到最佳的運作溫度。變速器越快達到最優的工作溫度，便可越快啟動用于節省耗油量的齒輪換檔程序。

齒輪的換檔組成部份是經由液壓或電子起動汽門來控制，這些換檔單元的起動會顯著地受到溫度的影響，原因是自動變速箱油的粘度會隨著溫度而顯著地上升，因此溫度可以影響施加壓力的程度及時間特性。一旦自動變速箱油變熱，其溫度變化的幅度便會增大，因此當設定標準的換檔油壓時，必須考慮有關油溫的問題。

在高溫下運行

毫無疑問，自動變速箱油很容易受到溫度的影響，但相比對低溫的反應，其對高溫的反應要大得多。自動變速的過程會產生很多的磨擦，而這些磨擦會產生很多熱力。液體會不斷在變矩器中攪動并且被泵過測流口(metering orifice)和液壓電路。每當變速換檔時，離合器組件會產生出超平箱油所能帶走的熱力。變速器的負載越大，所產生的熱力便越大，而箱油也會變得更熱。

在高溫的環境下，變速箱油的工作壽命會被縮短。一旦溫度超出正常運作的水平(90℃/195°F以上)，潤滑油的氧化速度便會增加，導致其有效壽命被縮短。基于童每指定律，當溫度超出正常運作溫度12℃/200F時，箱油的預期工作壽命便會減半。

除上述的影響外，高溫還會對變速器活動組件的工作表面構成威脅。原因是當溫度越來越高時，從磨擦區被帶走的熱力便越少，因此齒輪被卡住的機會便會大增。當溫度上升超過175℃/350°F時，鋼鐵的硬度便會下降。假如我們考慮到齒輪和離合器工作表面的溫度通常都高于油溫時，我們便可預期齒輪的硬度會隨著油溫度而下降，即使油溫低于175℃/350°F。

橡膠密封件及冷凍劑流通管道對高油溫極其敏感。當橡膠密封件遇上高溫時便會變硬和變得脆弱，導致其工作壽命和可靠性大幅度降低。當汽車不能安裝金屬制的冷凍劑管道時，便需采用由PAl2塑料(酰胺12或尼龍12)制成的冷凍劑流通管道，該管道將轉矩器流通輸出端口與冷凍劑連接。在高溫(超出175℃/350°F)的環境下，塑膠制的冷凍管道可能會屈曲，以致箱油向上流并使冷凍劑失效。

ECU過熱

電子控制單元(ECU)的工作是監視和控制自動變速系統的運作。在某些情況下，ECU會被放置于齒輪箱罩內以盡量利用齒輪箱的現有空間，這表示控制單元會與自動變速箱油長期保持直接接觸。這種配置的優點包括可把連接ECU、傳感器及起動器的接線盡量縮短；減少插頭和連接器的數量；降低線路間的噪聲及使換檔的位置檢測更加準確。

假如變速器環境及冷凍劑的溫度過高，汽車的動力和控制電子元件便不能正常地運作，以致其壽命縮短并出現損壞。因此，變速器系統必須對過熱情況進行偵測甚至預測，并通過適當措施減少所產生的熱力及/或改善過熱的情況。對于一些極端的情況，系統必須更精確地測量溫度并把敏感的電子元件關閉以防止控制電子被完全破壞。結論

為了克服監察自動變速器溫度的各項挑戰，美國國家半導體特別對LM71進行優化，推出針對高溫應用的LM71A1，具備有SPI接口的數字溫度傳感器，其寬闊的工作溫度范圍(－40℃～+175℃)，使溫度的監察能同時于冷起動及過熱情況下進行。該器件現以裸片形式提供，并保證擁有更快的溫度響應，從而對暖車過程有更佳的控制。然而，它的最大特點是可在高溫(130～150℃)及高分辨率(0.03125℃/LSB)下達到極高的精確度，以確保能于極高溫的環境下精確地感測溫度。

為了把箱油維持在正常的運作范圍內，以及正確地控制汽門和換檔時間及防止機件過快退化和損壞，精確的溫度檢測便不可或缺。如此，便可獲得較高的燃油效益和提高系統的可靠性。LM71A1可幫助設計人員設計出針對變速器電子控制單元的高性能熱管理系統。