對自動變速器中單向離合器引起的沖擊現(xiàn)象的分析

薛矯智

（廣東機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510515）

0 引 言

自動變速器使用單向離合器消除降擋沖擊，有助于提高自動變速器的性能[1]。使用單向離合器以后，單向離合器結(jié)合時會引發(fā)一種傳動沖擊，這種特有的沖擊現(xiàn)象對自動變速器的影響不大，但給汽車傳動系統(tǒng)帶來一定的沖擊。隨著現(xiàn)在轎車發(fā)動機轉(zhuǎn)速的不斷提高，由單向離合器引起的這種沖擊能量會加大，這時單向離合器引起的沖擊不可輕視。分析這種沖擊現(xiàn)象，了解其過程，可以采取某些措施減小這種沖擊。

1 自動變速器使用單向離合器在降擋時會引起一種沖擊

自動變速器中使用單向離合器，在降擋過程中單向離合器分離進入超越狀態(tài)以后，發(fā)動機動力輸出中斷，在無負(fù)荷工況下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速急劇上升，當(dāng)單向離合器結(jié)合接通動力時，出現(xiàn)發(fā)動機對傳動系的沖擊。這種沖擊對傳動系有一定的不利影響。

1.1 單向離合器消除降擋沖擊

自動變速器降擋時，汽車的車速不能立刻改變，對于降擋后的傳動比而言，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速低于此時汽車車速所要求的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，這樣就會出現(xiàn)汽車對整個傳動系的沖擊。布置在降擋后的傳動路線上的單向離合器在降擋時起超越作用，使汽車慣性造成傳動系的運動和動力不能向前傳遞到發(fā)動機，從而消除了汽車對整個傳動系的沖擊[1]。單向離合器超越時，動力輸出中斷，發(fā)動機空載無負(fù)荷，使得轉(zhuǎn)速迅速上升，達到傳動比所要求的轉(zhuǎn)速時，單向離合器由超越變?yōu)榻Y(jié)合，恢復(fù)動力輸出。

1.2 單向離合器在結(jié)合時會引起沖擊

降擋時，在單向離合器出現(xiàn)超越以后，發(fā)動機動力輸出是中斷狀態(tài)，這時發(fā)動機在無負(fù)荷的工況下運轉(zhuǎn)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速急劇上升，轉(zhuǎn)速上升到該傳動比要求的轉(zhuǎn)速時，單向離合器由超越狀態(tài)變?yōu)榻Y(jié)合狀態(tài)。在單向離合器結(jié)合時，發(fā)動機在加速運轉(zhuǎn)，有一定的角加速度，而汽車是近似于等速行駛，在動力傳動路線上，組成單向離合器的2個轉(zhuǎn)動元件從分離變?yōu)橐韵嗤乃俣冉Y(jié)合時，就有沖擊出現(xiàn)。沖擊能量的大小與單向離合器結(jié)合時的狀態(tài)以及相關(guān)的轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)。

1.3 沖擊能量N

J為發(fā)動機到單向離合器的動力傳遞系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量；ε為單向離合器由超越變?yōu)榻Y(jié)合時，單向離合器被超越件的角加速度，其與發(fā)動機曲軸的角加速度以及此時變速器的傳動比有關(guān)。

2 降擋時單向離合器引起的沖擊分析

引入發(fā)動機無負(fù)荷加速的概念，利用無負(fù)荷加速過程中曲軸的轉(zhuǎn)速、角加速度變化規(guī)律，從而理解降擋時發(fā)動機曲軸角加速度的變化規(guī)律，并深入分析降擋時單向離合器引起的沖擊現(xiàn)象。

2.1 發(fā)動機無負(fù)荷加速過程的描述

發(fā)動機在無負(fù)荷狀態(tài)下低速運轉(zhuǎn)，突然加大節(jié)氣門時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速急劇上升的過程，就是發(fā)動機無負(fù)荷加速過程。發(fā)動機無負(fù)荷加速過程中，轉(zhuǎn)速、角加速度的變化過程如圖1所示。

2.2 發(fā)動機無負(fù)荷加速時曲軸的轉(zhuǎn)速與角加速度

角加速度ε具有突然增大然后不斷變小的變化規(guī)律，發(fā)動機無負(fù)荷加速時，起始轉(zhuǎn)速低有利于ε急升，之后因為隨轉(zhuǎn)速上升發(fā)動機進氣阻力加大、燃燒條件變差等各種不利因素的影響，ε會在達到最大值以后不斷減小，并趨于0，如果發(fā)動機結(jié)構(gòu)允許，曲軸轉(zhuǎn)速將達到最大值，之后曲軸轉(zhuǎn)速不再升高。

2.3 降擋時發(fā)動機曲軸的角加速度以及產(chǎn)生的沖擊

降擋時單向離合器分離動力輸出中斷，發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速上升，如同發(fā)動機無負(fù)荷加速過程一樣。降擋時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為n1，n1較低，對于現(xiàn)在多數(shù)發(fā)動機而言，在每2000n/min以下。降擋時發(fā)動機由負(fù)荷狀態(tài)變?yōu)闊o負(fù)荷狀態(tài)，工況有利于角加速度急升，角加速度不斷上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到n2時，單向離合器結(jié)合，發(fā)動機無負(fù)荷加速狀態(tài)結(jié)束。由于降擋過程出現(xiàn)的發(fā)動機無負(fù)荷加速過程只是發(fā)動機無負(fù)荷加速過程中的最初一段，在這一過程中，ε不斷上升，降擋后傳動比i越大n2就越大，所產(chǎn)生的角加速度ε越大。n2與 n1的關(guān)系是 n2=i.n1，i為降擋后的傳動比。通過n1和n2以及n1變化到n2的時間，可以計算出曲軸的平均角加速度，不過這個數(shù)值偏低。

2.4 單向離合器引起的沖擊分析

在降擋時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速在無負(fù)荷的條件下急劇上升，上升到該傳動比條件下的轉(zhuǎn)速時，單向離合器結(jié)合，發(fā)動機在無負(fù)荷的條件下轉(zhuǎn)速上升過程結(jié)束。在這個過程中，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速處于較經(jīng)濟的轉(zhuǎn)速，發(fā)動機運轉(zhuǎn)的角加速度處于不斷上升的過程。在單向離合器結(jié)合時，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速越高，此刻的角加速度ε越大，產(chǎn)生的沖擊就越大。

如果在各個擋位降擋時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速都是一樣的，那么降擋前后傳動比的比值越大，降擋后由單向離合器結(jié)束發(fā)動機無負(fù)荷加速過程的轉(zhuǎn)速越高，也就是此時的角加速度ε越大，產(chǎn)生的沖擊也越大。降擋前后傳動比的比值規(guī)律是低擋高于高擋，所以低擋時的沖擊較大。

汽車變速器的傳動比不是等比設(shè)置，如果在降擋時發(fā)動機轉(zhuǎn)速在各擋條件下都差不多，那么在低擋時，當(dāng)單向離合器結(jié)合時發(fā)動機的轉(zhuǎn)速較高，具有的角加速度ε較大，出現(xiàn)的沖擊大，因此在低擋位降擋時的沖擊能量N大于高擋位。

2.5 對轉(zhuǎn)動慣量J的分析

單向離合器引起的沖擊，并不完全是剛性的瞬間沖擊。從渦輪到要結(jié)合的單向離合器之間的轉(zhuǎn)動慣量引起的沖擊是剛性的瞬間沖擊，而從發(fā)動機到泵輪間的轉(zhuǎn)動慣量引起的沖擊，由于液力變矩器的作用，會使瞬間沖擊值下降較多，因而許多場合可以忽略使用單向離合器引起的這種沖擊現(xiàn)象。

雖然發(fā)動機以及到單向離合器的轉(zhuǎn)動件的轉(zhuǎn)動慣量較大，但能引起直接瞬間沖擊的轉(zhuǎn)動慣量是較小的，從液力變矩器的渦輪到單向離合器間的轉(zhuǎn)動慣量引起的沖擊占了瞬間沖擊量的較大分量。自動變速器降擋時，由于液力變矩器的鎖止離合器分離，液力變矩器的緩沖作用使發(fā)動機部分的轉(zhuǎn)動慣量引起的瞬間沖擊得到緩解，使總的轉(zhuǎn)動慣量引起的瞬間沖擊值有較大的下降。

從渦輪到單向離合器的一系列轉(zhuǎn)動件具有的轉(zhuǎn)動慣量，在單向離合器結(jié)合時所造成的沖擊無法緩解。這部分轉(zhuǎn)動慣量造成的瞬間沖擊能量占總瞬間沖擊能量的比例過大時，降擋時出現(xiàn)的沖擊現(xiàn)象就越明顯。從目前自動變速器的結(jié)構(gòu)來看，這一部分轉(zhuǎn)動慣量不大。

3 消除自動變速器使用單向離合器在降擋時的沖擊的方法

3.1 利用摩擦片打滑減小沖擊

如果降擋后的換擋執(zhí)行元件中單向離合器的工作狀態(tài)由制動器或離合器的摩擦片控制，如辛氏變速器在Ⅱ擋時使用制動器控制單向離合器的工作狀態(tài)，當(dāng)單向離合器出現(xiàn)超越以后，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速急升期，單向離合器進行結(jié)合時，此時控制制動器摩擦片有一定的打滑，也可以減輕單向離合器結(jié)合時產(chǎn)生的沖擊。

如果降擋后的換擋執(zhí)行元件中單向離合器的工作狀態(tài)沒有其他元件控制，如辛氏變速器的Ⅰ擋，可以利用降擋后的動力傳動路線上的其他摩擦片，使其在此時出現(xiàn)打滑，以減小沖擊。

這種控制方法的控制時機比較難掌握，現(xiàn)有的自動變速器中一般不采用，但這種控制理念隨著自動變速器技術(shù)的精細(xì)化將會得到采用。

3.2 推遲發(fā)動機點火提前角減小沖擊

降擋后，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速急劇上升到一定程度，用推遲發(fā)動機點火提前角的方法降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速急劇上升的角加速度，以減小單向離合器結(jié)合時產(chǎn)生的沖擊。這種控制可以降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速急劇上升的角加速度，但難以實現(xiàn)較恰當(dāng)?shù)目刂疲荒芙档鸵欢ǖ慕羌铀俣戎怠?/p>

4 自動變速器使用單向離合器和使用摩擦片在降擋時的性能比較

降擋時，單向離合器產(chǎn)生超越，這時發(fā)動機處于動力輸出中斷狀態(tài)，這種狀態(tài)有利于發(fā)動機轉(zhuǎn)速迅速上升，從而能盡快在新傳動比條件下輸出動力。在整個降擋過程中，發(fā)動機輸出動力、汽車行駛動能沒有損失，只有短暫的動力中斷現(xiàn)象，這樣有利于保持汽車車速和良好的加速能力。

動力傳動路線上沒有單向離合器進行降擋時，由于降擋后的傳動比不適應(yīng)，由液力變矩器以及相應(yīng)傳動路線上的摩擦片要消除這種不適應(yīng)（沖擊）。這種狀態(tài)下，實際上是汽車驅(qū)動發(fā)動機轉(zhuǎn)動，是一個倒拖過程，這時汽車的行駛動能出現(xiàn)損失，對于汽車在降擋過程中保持車速不利，有速度損失。這樣一個短暫的倒拖過程中，發(fā)動機實際上是動力輸出中斷，直到倒拖過程結(jié)束動力輸出才能恢復(fù)。雖然倒拖時動力輸出中斷的時間短于使用單向離合器造成的動力輸出中斷的時間，但由于造成了汽車動能損失，降擋后的汽車速度會低于使用單向離合器降擋后的汽車速度，影響到了加速性，雖然影響會較小。

降擋時使用單向離合器，汽車原有的行駛動能沒有損失，而使用摩擦片消除降擋沖擊，則會引起汽車動能的損失。使用單向離合器不僅能消除降擋沖擊，也不會引起降擋時汽車的動能損失，對于降擋時保持汽車的車速有利，還可以利用這個特點提高汽車的加速性能。

5 對自動變速器使用單向離合器的評價

使用單向離合器，從驅(qū)動輪傳來的轉(zhuǎn)速可以超越從發(fā)動機傳來的轉(zhuǎn)速，從發(fā)動機傳來的轉(zhuǎn)速不能超越從驅(qū)動輪傳來的轉(zhuǎn)速。單向離合器的這種超越性能，增強了汽車動力傳輸系統(tǒng)的性能，使汽車在一定條件下具有滑行能力，這不僅能消除降擋沖擊，也能消除行駛中車輪對傳動系統(tǒng)的沖擊，在行駛阻力突然下降，汽車出現(xiàn)滑行狀態(tài)下促成自動變速器及時升擋。因此，在自動變速器中使用單向離合器是提高自動變速器性能的一個有效手段。降擋時擋越低降擋沖擊越大，當(dāng)自動變速器的擋位較多時，在低擋的傳動路線上都布置單向離合器，較高的擋位由于沖擊小不采用單向離合器消除降擋沖擊，這樣使自動變速器的結(jié)構(gòu)不至于太復(fù)雜。

[1]薛矯智. 單向離合器對自動變速器性能影響[J]. 汽車工程師.2009，（10）：45-48.