汽車自動變速器技術分析與展望

張志行　李進

摘 要：汽車傳動系統中最關鍵的部件為變速器，其性能表現是考量車輛設備駕駛運動性和乘坐平順性的重要指標。而自動變速器自問世以來憑借其智能化的操縱特性迅速普及開來，成為當前變速器市場的主流。本文基于自動變速器的發展歷程，通過對主流自動變速器的技術分析，引出了自動變速器可能的發展方向。

關鍵詞：汽車;自動變速器;技術分析;發展趨勢

1 引言

自動變速器（Automatic Transmission，簡稱：AT），通常來說是一種可以在車輛行駛過程中能根據路面狀況和車輛行駛狀況自動改變齒輪傳動比的裝置，使駕駛員無需手動操作檔桿，降低了駕駛者的操控負擔。自動變速箱的作用有：（1）實現傳動比在較大范圍內變化，讓發動機運轉在較為理想的環境下，并且能夠擴大車輪的轉矩和轉速的配比，從而提高車輛對路況的適應能力。（2）實現倒車行駛并且不改變發動機轉矩。（3）實現空檔，從而中斷發動機的動力供給。

自1939年，美國Buick汽車公司首次在其Oldsmobile轎車上裝用液力變速器以來，逐漸出現了基于發動機工作信號自動控制換檔的液力變速器，使自動變速器進入蓬勃發展時期。法國Renault汽車公司于60年代末首次將電子元件應用于自動變速器，此后日本汽車公司陸續采用該項技術。1982年，豐田汽車公司在其研發的電子控制變速器系統中采用電子控制單元技術，實現了電控變速系統的飛速發展。電控自動變速器與發動機輸出特性相匹配，在乘用車和商用車上已廣泛應用。

2 主流自動變速器詳析

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

2.1 液力自動變速器（AT）

液力自動變速器（AT）主要由液力傳動部分、機械傳動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、導輪、泵輪等組成。其工作原理為：在一個充滿自動變速器油（ATF）的腔體內，發動機首先帶動泵輪旋轉，其次被攪動的油液帶動渦輪旋轉，接著在導輪的作用下，憑借相互作用力使泵輪和渦輪之間產生轉速差以實現變速變矩。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，進一步增大扭矩并擴大變速范圍，改善了車輛的自適應能力。電子液壓控制單元通過采集車速和節氣門開度信號，進行分析計算后，向執行機構發出指令，實現換擋、鎖止和同步等控制。

AT的應用廣泛，受到許多車企的青睞，其代表車型有：保時捷卡宴、馬自達阿特茲、福特蒙迪歐等。其生產廠家主要有：采埃孚（ZF）股份公司和愛信（AISIN）精機公司等。AT的集大成者當屬寶馬，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的8AT自動變速器。經過多年的發展改進和技術調校，此款變速器不僅換擋平順，而且傳動效率高，降檔積極，升檔迅速，具有十分強勁的運動特性。正是由于此款采埃孚的8AT優異表現使得寶馬許多車型被稱為同級別的性能和運動操控標桿。

盡管AT在結構設計和制造加工上存在諸多難點，但是經過80年的優化和改進，其技術已經十分成熟，在美國、德國和日本都有較高的市場占有率，此外許多國產車型也搭載了AT自動變速器。

2.2 電控機械式自動變速器（AMT）

電控機械式自動變速箱（Automated Mechanical Transmission，簡稱：AMT）是一款具備電控離合的手動機械式變速器（MT）。AMT以MT為基礎，將MT的離合器分離與結合及換擋撥叉等手動操控的部件實現電子自動化控制。其主要結構包括離合器、齒輪式機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，由傳感器采集發動機轉速等信號，向執行機構發出指令，實現發動機供油進氣、離合器的分離與結合、變速器換擋三者動作變換與時間順序的完美匹配。

由于AMT變速器是基于傳統的MT改進升級而來，因此制造成本和技術難度較低，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。但同時因其在平順性優化工作方面不夠完善導致其實際使用體驗較差。

2.3 雙離合自動變速器（DCT）

雙離合變速器（Dual Clutch Transmission，簡稱：DCT），其最大特點是內置兩個離合器。DCT主要由雙離合器、多軸齒輪變速器、自動換擋行星機構和電控液壓系統組成。如下圖1所示，離合器1使用鍵類零件與輸入軸1連接，負責1、3、5擋齒輪以及倒擋齒輪的動力輸入和中斷;離合器2與輸入軸2連接，負責2、4、6擋齒輪的動力輸入和中斷。例如掛入某奇數擋位時，離合器1結合，相應齒輪組嚙合傳動對外輸出動力。在下一檔換擋前，另一組嚙合的齒輪已被提前選掛，換擋時，處于工作狀態的離合器1分離，將使用中的齒輪脫離，同時該齒輪與離合器2接合并傳遞動力進入下一檔。在檔位變換期間兩組離合器共同配合工作，保證至少有一條動力傳遞線路連通，使換擋時持續對外輸出動力成為現實。

DCT分為干式和濕式雙離合變速器兩種。兩者的差異點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，依靠油液帶走工作中產生的熱量，而干式DCT的摩擦片則依靠空氣進行冷卻。

DCT換擋速度極快且沒有動力中斷，滿足了駕駛愛好者更加純粹的運動性駕駛需求。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濟性和成本控制上有一定優勢，但由于換檔時頓挫明顯和故障率高等問題經常被消費者詬病。而濕式DCT雖然解決了以上問題但其傳動效率有所下降。因此DCT是一把雙刃劍，無法同時兼顧平順舒適性和燃油經濟性，這就需要車企對于定位不同的車型做出針對性選擇。

2.4 機械無極自動變速器（CVT）

機械式無級變速器（Continuously Variable Transmission，簡稱：CVT），有別于自動變速器的換檔過程，其速比的變化是連續均勻的，所以動力輸出平穩流暢。CVT主要是由離合器、主動和從動輪組、金屬帶式無級變速機構、電子控制模塊和中間減速機構組成。CVT的工作原理為：在內部傳動系統里，兩錐型盤可在液壓的推力作用下收緊或張開，擠壓鋼片鏈條來調節兩輪組之間V型槽的寬度，使金屬帶鏈條帶動的圓盤直徑發生變化，從而實現傳動比變化。

CVT具備極佳的換擋平順性和舒適性，具有精簡的機械結構和較低的制造成本，非常符合日系車企追求舒適家用的造車理念，因此被廣泛搭載于中小型汽車上，如：本田思域、日產藍鳥、豐田雷凌等。此外，CVT可以維持在發動機的最大功率轉速區間內運轉，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疑，但隨著技術的改進，目前CVT的可靠性有了質的飛躍，逐漸搭載于一些中高端車型上，如：奧迪A6（FSI）、日產天籟2.0T版本。

2.5 小結，見表1

3 自動變速器的發展趨勢

伴隨汽車行業的持續進步，消費者對車輛的綜合體驗的要求日益提高，自動變速器也因此向著高效化、智能化和電子電氣化的方向發展。

3.1 高效化

采取對自動變速器在結構設計上的改善和調校上的優化等措施，可以提高其傳動效率、改善燃油經濟性、降低排放，使自動變速器向著高效化發展，滿足環境友好和可持續發展的要求。

3.2 智能化

在自動變速器系統中使用先進的微控制單元，能夠智能感知駕駛員的行為意圖，同時自動采集車輛運行過程中的各種參數，依靠其內置優化算法的多參數智能控制器維持車輛工作在最佳狀態。

3.3 電子化

相比液壓、氣動或機械控制，電子控制具有明顯的優勢：不僅響應更迅速，還可通過傳動系的聯合控制，改善了自動變速器的換擋特性，比獨立控制具有更優越的性能，有利于整車輕量化及成本的降低等。

4 結語

通過以上的分析與對比，不難發現自動變速器的性能表現直接決定了整車的行駛品質。未來自動變速器需要在機電智能化、結構精簡化方面不斷改進，進一步提高車量設備的性能，這需要每一個技術人員和從業人員的堅持與努力。

參考文獻：

[1]葉勤.汽車自動變速器技術及其發展[J].重慶工學院學報，2006，20（5）.

[2]李曉靜，羅永革.汽車機械自動變速器系 統的組成及其發展[J].湖北汽車工業學院學報，2006，20（1）.

[3]寧紅.第九屆國際汽車變速器及驅動技術研討會[J].汽車技術，2017（5）：44.