汽車自動(dòng)變速器技術(shù)分析與展望

張志行 李進(jìn)

合肥工業(yè)大學(xué) 安徽省合肥市 230041

1 引言

自動(dòng)變速器（Automatic Transmission，簡(jiǎn)稱：AT），通常來說是一種可以在車輛行駛過程中能根據(jù)路面狀況和車輛行駛狀況自動(dòng)改變齒輪傳動(dòng)比的裝置，使駕駛員無需手動(dòng)操作檔桿，降低了駕駛者的操控負(fù)擔(dān)。自動(dòng)變速箱的作用有：（1）實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比在較大范圍內(nèi)變化，讓發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在較為理想的環(huán)境下，并且能夠擴(kuò)大車輪的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的配比，從而提高車輛對(duì)路況的適應(yīng)能力。（2）實(shí)現(xiàn)倒車行駛并且不改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。（3）實(shí)現(xiàn)空檔，從而中斷發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力供給。

自1939年，美國(guó)Buick汽車公司首次在其Oldsmobile轎車上裝用液力變速器以來，逐漸出現(xiàn)了基于發(fā)動(dòng)機(jī)工作信號(hào)自動(dòng)控制換檔的液力變速器，使自動(dòng)變速器進(jìn)入蓬勃發(fā)展時(shí)期。法國(guó)Renault汽車公司于60年代末首次將電子元件應(yīng)用于自動(dòng)變速器，此后日本汽車公司陸續(xù)采用該項(xiàng)技術(shù)。1982年，豐田汽車公司在其研發(fā)的電子控制變速器系統(tǒng)中采用電子控制單元技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電控變速系統(tǒng)的飛速發(fā)展。電控自動(dòng)變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出特性相匹配，在乘用車和商用車上已廣泛應(yīng)用。

2 主流自動(dòng)變速器詳析

目前汽車廣泛搭載的自動(dòng)變速器可以分為四類：液力自動(dòng)變速器（AT）、電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）、雙離合自動(dòng)變速器(DCT)、機(jī)械無極自動(dòng)變速器（CVT）。

2.1 液力自動(dòng)變速器（AT）

液力自動(dòng)變速器（AT）主要由液力傳動(dòng)部分、機(jī)械傳動(dòng)部分以及電子液壓控制部分組成。

核心部件為液力變矩器，由殼體、渦輪、導(dǎo)輪、泵輪等組成。其工作原理為：在一個(gè)充滿自動(dòng)變速器油（ATF）的腔體內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)首先帶動(dòng)泵輪旋轉(zhuǎn)，其次被攪動(dòng)的油液帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，接著在導(dǎo)輪的作用下，憑借相互作用力使泵輪和渦輪之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差以實(shí)現(xiàn)變速變矩。由于液力變矩器的可變范圍有限，因此需要在其后面配備行星齒輪變速系統(tǒng)，進(jìn)一步增大扭矩并擴(kuò)大變速范圍，改善了車輛的自適應(yīng)能力。電子液壓控制單元通過采集車速和節(jié)氣門開度信號(hào)，進(jìn)行分析計(jì)算后，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)換擋、鎖止和同步等控制。

AT的應(yīng)用廣泛，受到許多車企的青睞，其代表車型有：保時(shí)捷卡宴、馬自達(dá)阿特茲、福特蒙迪歐等。其生產(chǎn)廠家主要有：采埃孚（ZF）股份公司和愛信（AISIN）精機(jī)公司等。AT的集大成者當(dāng)屬寶馬，旗下有許多車型比如3系、5系、7系采用的都是與采埃孚合作開發(fā)的8AT自動(dòng)變速器。經(jīng)過多年的發(fā)展改進(jìn)和技術(shù)調(diào)校，此款變速器不僅換擋平順，而且傳動(dòng)效率高，降檔積極，升檔迅速，具有十分強(qiáng)勁的運(yùn)動(dòng)特性。正是由于此款采埃孚的8AT優(yōu)異表現(xiàn)使得寶馬許多車型被稱為同級(jí)別的性能和運(yùn)動(dòng)操控標(biāo)桿。

盡管AT在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造加工上存在諸多難點(diǎn)，但是經(jīng)過80年的優(yōu)化和改進(jìn)，其技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在美國(guó)、德國(guó)和日本都有較高的市場(chǎng)占有率，此外許多國(guó)產(chǎn)車型也搭載了AT自動(dòng)變速器。

2.2 電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）

電控機(jī)械式自動(dòng)變速箱（Automated Mechanical Transmission， 簡(jiǎn) 稱：AMT）是一款具備電控離合的手動(dòng)機(jī)械式變速器（MT）。AMT以MT為基礎(chǔ)，將MT的離合器分離與結(jié)合及換擋撥叉等手動(dòng)操控的部件實(shí)現(xiàn)電子自動(dòng)化控制。其主要結(jié)構(gòu)包括離合器、齒輪式機(jī)械變速器和電子控制單元（ECU）。ECU通過感知加速踏板和操縱桿的變化，由傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信號(hào)，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)供油進(jìn)氣、離合器的分離與結(jié)合、變速器換擋三者動(dòng)作變換與時(shí)間順序的完美匹配。

由于AMT變速器是基于傳統(tǒng)的MT改進(jìn)升級(jí)而來，因此制造成本和技術(shù)難度較低，多用于一些成本控制非常苛刻的微型車和小型車上，例如：上汽名爵MG3、奔馳SMART、雪佛蘭賽歐等。但同時(shí)因其在平順性優(yōu)化工作方面不夠完善導(dǎo)致其實(shí)際使用體驗(yàn)較差。

2.3 雙離合自動(dòng)變速器(DCT)

雙 離 合 變 速 器（Dual Clutch Transmission，簡(jiǎn)稱：DCT），其最大特點(diǎn)是內(nèi)置兩個(gè)離合器。DCT主要由雙離合器、多軸齒輪變速器、自動(dòng)換擋行星機(jī)構(gòu)和電控液壓系統(tǒng)組成。如下圖1所示，離合器1使用鍵類零件與輸入軸1連接，負(fù)責(zé)1、3、5擋齒輪以及倒擋齒輪的動(dòng)力輸入和中斷；離合器2與輸入軸2連接，負(fù)責(zé)2、4、6擋齒輪的動(dòng)力輸入和中斷。例如掛入某奇數(shù)擋位時(shí)，離合器1結(jié)合，相應(yīng)齒輪組嚙合傳動(dòng)對(duì)外輸出動(dòng)力。在下一檔換擋前，另一組嚙合的齒輪已被提前選掛，換擋時(shí)，處于工作狀態(tài)的離合器1分離，將使用中的齒輪脫離，同時(shí)該齒輪與離合器2接合并傳遞動(dòng)力進(jìn)入下一檔。在檔位變換期間兩組離合器共同配合工作，保證至少有一條動(dòng)力傳遞線路連通，使換擋時(shí)持續(xù)對(duì)外輸出動(dòng)力成為現(xiàn)實(shí)。

圖1 DCT結(jié)構(gòu)示意圖

DCT分為干式和濕式雙離合變速器兩種。兩者的差異點(diǎn)在于雙離合器摩擦片的散熱冷卻方法：濕式DCT的兩組離合器片浸泡在充滿油液的密閉腔室內(nèi)，依靠油液帶走工作中產(chǎn)生的熱量，而干式DCT的摩擦片則依靠空氣進(jìn)行冷卻。

DCT換擋速度極快且沒有動(dòng)力中斷，滿足了駕駛愛好者更加純粹的運(yùn)動(dòng)性駕駛需求。其制造成本和難度相較于AT大大降低，因此近些年被許多車型廣泛使用。比如現(xiàn)代菲斯塔、謳歌TLX-L、奔馳GLA、上汽名爵MG6等。客觀來看，縱然干式雙離合變速器在燃油經(jīng)濟(jì)性和成本控制上有一定優(yōu)勢(shì)，但由于換檔時(shí)頓挫明顯和故障率高等問題經(jīng)常被消費(fèi)者詬病。而濕式DCT雖然解決了以上問題但其傳動(dòng)效率有所下降。因此DCT是一把雙刃劍，無法同時(shí)兼顧平順舒適性和燃油經(jīng)濟(jì)性，這就需要車企對(duì)于定位不同的車型做出針對(duì)性選擇。

2.4 機(jī)械無極自動(dòng)變速器（CVT）

機(jī)械式無級(jí)變速器（Continuously Variable Transmission， 簡(jiǎn) 稱：CVT），有別于自動(dòng)變速器的換檔過程，其速比的變化是連續(xù)均勻的，所以動(dòng)力輸出平穩(wěn)流暢。CVT主要是由離合器、主動(dòng)和從動(dòng)輪組、金屬帶式無級(jí)變速機(jī)構(gòu)、電子控制模塊和中間減速機(jī)構(gòu)組成。CVT的工作原理為：在內(nèi)部傳動(dòng)系統(tǒng)里，兩錐型盤可在液壓的推力作用下收緊或張開，擠壓鋼片鏈條來調(diào)節(jié)兩輪組之間V型槽的寬度，使金屬帶鏈條帶動(dòng)的圓盤直徑發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比變化。

CVT具備極佳的換擋平順性和舒適性，具有精簡(jiǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和較低的制造成本，非常符合日系車企追求舒適家用的造車?yán)砟睿虼吮粡V泛搭載于中小型汽車上，如：本田思域、日產(chǎn)藍(lán)鳥、豐田雷凌等。此外，CVT可以維持在發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，具有良好的中后段加速能力。早期CVT的金屬帶無法承受較大扭矩而遭受質(zhì)疑，但隨著技術(shù)的改進(jìn)，目前CVT的可靠性有了質(zhì)的飛躍，逐漸搭載于一些中高端車型上，如：奧迪A6（FSI）、日產(chǎn)天籟2.0T版本。

2.5 小結(jié)，見表1

表 1 幾種自動(dòng)變速器特性分析

3 自動(dòng)變速器的發(fā)展趨勢(shì)

伴隨汽車行業(yè)的持續(xù)進(jìn)步，消費(fèi)者對(duì)車輛的綜合體驗(yàn)的要求日益提高，自動(dòng)變速器也因此向著高效化、智能化和電子電氣化的方向發(fā)展。

3.1 高效化

采取對(duì)自動(dòng)變速器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的改善和調(diào)校上的優(yōu)化等措施，可以提高其傳動(dòng)效率、改善燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放，使自動(dòng)變速器向著高效化發(fā)展，滿足環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展的要求。

3.2 智能化

在自動(dòng)變速器系統(tǒng)中使用先進(jìn)的微控制單元，能夠智能感知駕駛員的行為意圖，同時(shí)自動(dòng)采集車輛運(yùn)行過程中的各種參數(shù)，依靠其內(nèi)置優(yōu)化算法的多參數(shù)智能控制器維持車輛工作在最佳狀態(tài)。

3.3 電子化

相比液壓、氣動(dòng)或機(jī)械控制，電子控制具有明顯的優(yōu)勢(shì)：不僅響應(yīng)更迅速，還可通過傳動(dòng)系的聯(lián)合控制，改善了自動(dòng)變速器的換擋特性，比獨(dú)立控制具有更優(yōu)越的性能，有利于整車輕量化及成本的降低等。

4 結(jié)語

通過以上的分析與對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)自動(dòng)變速器的性能表現(xiàn)直接決定了整車的行駛品質(zhì)。未來自動(dòng)變速器需要在機(jī)電智能化、結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)化方面不斷改進(jìn)，進(jìn)一步提高車量設(shè)備的性能，這需要每一個(gè)技術(shù)人員和從業(yè)人員的堅(jiān)持與努力。