常淑英 許萬良

摘 要：變速器是汽車傳動(dòng)系中最主要的部件之一。變速箱由變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)兩部分組成。變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要作用是改變轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速的數(shù)值和方向;操縱機(jī)構(gòu)的主要作用是控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變速器傳動(dòng)比的交換，即實(shí)現(xiàn)換檔，以達(dá)到變速變距。

關(guān)鍵詞：變速器;中間軸;設(shè)計(jì);傳動(dòng)比;齒輪

目前國(guó)際上存在5種自動(dòng)變速器，即液力機(jī)械式自動(dòng)變速（automatictransmission，AT）、電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（automated mechanicaltransmission，AMT）、機(jī)械無級(jí)式自動(dòng)變速器（continuously variabletransmission，CVT）、無限變速機(jī)械式自動(dòng)變速器（infinitely variabletransmission，IVT）、雙離合器式自動(dòng)變速器（dual clutch transmiss ion，DCT）.上，通過分析這5種自動(dòng)變速器的傳動(dòng)機(jī)理、發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀、生產(chǎn)與應(yīng)用情況和優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)其共性關(guān)鍵技術(shù)，提出發(fā)展趨勢(shì)，以達(dá)到對(duì)自動(dòng)變速器的全面認(rèn)識(shí)。

一、五種變速器的發(fā)展歷史

20世紀(jì)30年代后期到50年代是AT的成長(zhǎng)期，多采用液力偶合器和行星齒輪變速器;60年代采用多元件工作輪;70年代使用閉鎖離合器;80年代采取增加擋位和使用電子控制的技術(shù)，近幾年，則通過采用CAD/CAM技術(shù)來提高生產(chǎn)效率。

1985年，日本五十鈴公司率先研制成功NAVI-5型全自動(dòng)機(jī)械式變速器并裝車.1986年，AMT技術(shù)第1次應(yīng)用在F1法拉利賽車上.1995年，本田的部分Civic轎車裝載了AMT.1996年，寶馬M3轎車M序列式變速器采用了全新電液控制系統(tǒng)，有自動(dòng)和手動(dòng)2種模式.ZF公司也推出了新產(chǎn)品ASTronic系列，可以靈活選擇各種駕駛模式（動(dòng)力型或經(jīng)濟(jì)型），并將變速器所有功能集成在一個(gè)單元里，提高其可靠性，是世界上第一臺(tái)完全一-體化的AMT.2006年，馬瑞利公司推出了第3代AMT產(chǎn)品，換擋時(shí)間大幅縮短，控制在300ms以內(nèi)。

19世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了機(jī)械式CVT，但發(fā)展緩慢。20世紀(jì)70年代以后，隨著先進(jìn)制造加工技術(shù)的出現(xiàn)及完善，其獲得了迅速和廣泛的發(fā)展。20世紀(jì)80年代以后，美國(guó)，日本等國(guó)研究重點(diǎn)是高效率大轉(zhuǎn)矩CVT開發(fā).21世紀(jì)以來，其發(fā)展更為迅猛，全球超過700萬輛帶式CVT汽車，應(yīng)用車型超過60多款。

1905年，IVT就已經(jīng)誕生，它主要使用圓盤和滾輪構(gòu)成的速變器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于摩擦本身帶來的能量損耗大、發(fā)熱量高、傳遞轉(zhuǎn)矩小和材料不耐用等缺點(diǎn)，沒有進(jìn)行批量生產(chǎn)后來英國(guó)Torotrak公司研發(fā)出IVT并注冊(cè)專利，業(yè)界一直將它視為CVT.2002年，美國(guó)Torvec公司開發(fā)出另一種類型IVT.2003年3月，在美國(guó)底特律舉行的汽車工程師學(xué)會(huì)年會(huì)上將其單獨(dú)分類。

20世紀(jì)30年代末，Rudolf Franke首先提出DCT的想法.1985年，保時(shí)捷將雙離合器（Porsche doppel kupplungen，PDK）技術(shù)應(yīng)用在跑車上.1999年，大眾公司和美國(guó)BorgWarner公司合作，制造出直接換擋變速箱（odirect shiftgearbox，DSG）即DCT，于2003年初率先裝車使用.實(shí)車結(jié)果表明DCT車輛換擋平順性與AT相當(dāng)，百公里油耗及加速性能都優(yōu)于MT.截至2007年底，全球DCT轎車已經(jīng)超過100萬輛.2008年初大眾在高爾車上裝載采用干式雙離合器技術(shù)的第二代DCT。

二、汽車自動(dòng)變速器的建模

數(shù)學(xué)建模法：自動(dòng)變速器中應(yīng)用數(shù)學(xué)建模主要在傳動(dòng)裝置的力學(xué)分析和換擋過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析方面。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中常用的方法有特征方程法、相對(duì)速度法、杠桿法等;動(dòng)力學(xué)分析的主要方法有牛頓第二定律法、Lagrange 方程法等。在進(jìn)行力學(xué)分析的時(shí)候?yàn)榱撕?jiǎn)化模型有時(shí)會(huì)假設(shè)剛性、準(zhǔn)靜態(tài)平衡或穩(wěn)態(tài)的條件。研究顯示為了準(zhǔn)確研究橫向軸的撓性對(duì)齒輪動(dòng)力學(xué)的影響，進(jìn)行可靠地動(dòng)力學(xué)分析，在嚙合狀態(tài)附近應(yīng)該考慮橫向軸的撓度和齒隙的因素;慣性、加速度等特別是在速比或負(fù)載急劇變化時(shí)對(duì)扭矩傳遞有很大影響，準(zhǔn)靜態(tài)簡(jiǎn)化會(huì)使模型精度下降，對(duì)后續(xù)控制過程、滑動(dòng)的分析等造成不利的影響;某些非線性因素如帶輪彈性和余隙等對(duì)CVT系統(tǒng)的推力比、扭矩容量和滑移性能有很大的影響。

信號(hào)方塊建模法：仿真軟件以信號(hào)方塊圖的形式提供給用戶各種功能模塊，用戶可以直接用鼠標(biāo)對(duì)其拖放，建立它們之間的信號(hào)連接，從而完成建模。模型中各個(gè)功能模塊連接之間的信息傳遞是單向的。該建模方式要求使用者對(duì)所研究對(duì)象的系統(tǒng)方程比較熟悉，因此，模型的正確與否很大程度上取決于建模人員對(duì)研究對(duì)象本質(zhì)了解程度的高低。該建模方式主要適用于控制系統(tǒng)。

三、仿真技術(shù)

有限元法仿真：有限元法由于具有能夠解決結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件等任意力學(xué)問題的優(yōu)點(diǎn)，在汽車自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)分析中得到廣泛應(yīng)用。目前，市場(chǎng)上有大量成熟的通用化有限元軟件，如ANSYS，NASTRAN。各種自動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)件，尤其是軸、齒輪和殼體，都可以用有限元法進(jìn)行靜態(tài)分析、固有特性分析和動(dòng)分析。

傳動(dòng)系統(tǒng)軟件仿真：對(duì)傳動(dòng)系或整體自動(dòng)變速器進(jìn)行仿真時(shí)，由于涉及的學(xué)科較多，一般采用專業(yè)的商業(yè)系統(tǒng)建模軟件。較為常用的有MatlabSimulink，SimulationX，Cruise 和Advisor等。

硬件在環(huán)仿真（hardware- in-the-loop simulation）：簡(jiǎn)稱HILS，HILS系統(tǒng)構(gòu)件包括：車輛模型，軟硬件接口模型，HILS系統(tǒng)硬件，HILS系統(tǒng)管理與應(yīng)用軟件，部分真實(shí)車輛零部件負(fù)載和需要測(cè)試的控制器。HILS基本原理是利用車輛實(shí)時(shí)仿真模型代替實(shí)車，仿真模型運(yùn)行于實(shí)時(shí)處理器中，通過電氣I/0接口與實(shí)際控仿真模型代替實(shí)車，仿真模型運(yùn)行于實(shí)時(shí)處理器中，通過電氣I/0接口與實(shí)際控制器相連接，實(shí)現(xiàn)控制器測(cè)試，HILS系統(tǒng)為控制器提供了等同于實(shí)際車輛的運(yùn)行環(huán)境。HILS 仿真可以用于自動(dòng)變速器輔助自動(dòng)測(cè)試技術(shù)和換擋。

四、結(jié)論

從各種自動(dòng)變速器的傳動(dòng)機(jī)理出發(fā)，給出了其發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀，詳細(xì)分析了當(dāng)前自動(dòng)變速器的共性關(guān)鍵技術(shù)，綜合對(duì)比了各種自動(dòng)變速器的優(yōu)缺點(diǎn)，最后提出今后自動(dòng)變速器的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1]韓俊偉、大功率AT變速器控制系統(tǒng)及其故障檢測(cè)功能的研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué).2013.7

[2]宋勇道.基于兩檔雙離合器自動(dòng)變速器的純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)與換檔控制技術(shù)研究.吉林大學(xué).2013.12

[3]東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院.汽車變速器疲勞壽命的研究與發(fā)展綜述.2014.6