雷先華，何美生，周熙欽，賀奧賓

（湖南交通工程學(xué)院機(jī)電系，湖南衡陽(yáng) 421000）

0 引言

汽車(chē)變速器作為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，它的性能直接影響到整車(chē)的動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)和使用性能。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，全世界汽車(chē)保有量持續(xù)上升，截至2016年底中國(guó)汽車(chē)保有量達(dá)到1.94億，居世界第一[1]。變速器一直以來(lái)都是研究者們研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，現(xiàn)有傳統(tǒng)機(jī)械式變速器已經(jīng)不能滿足駕駛者苛刻的使用要求，自動(dòng)變速器有著起步平穩(wěn)、換擋沖擊小、油耗低，深受廣大消費(fèi)者的青睞且市場(chǎng)占有率逐年上升。

目前，在汽車(chē)新技術(shù)大繁榮背景下，國(guó)內(nèi)外汽車(chē)上廣泛應(yīng)用的自動(dòng)變速器主要有液力機(jī)械式自動(dòng)變速器（AT）、電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）、機(jī)械無(wú)級(jí)式自動(dòng)變速器（CVT）、雙離合自動(dòng)變速器（DCT）等，其他自動(dòng)變速器都是在此基礎(chǔ)上衍生而來(lái)的。本文就上述廣泛應(yīng)用的幾款變速器的發(fā)展歷程和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析和對(duì)比，并對(duì)自動(dòng)變速器的新飛躍活齒CVT（HN-CVT）和磁流變雙離合自動(dòng)變速器（MRDCT）技術(shù)進(jìn)行分析和展望。

1 汽車(chē)自動(dòng)變速器現(xiàn)狀

1.1 液力機(jī)械式自動(dòng)變速器（AT）

20世紀(jì)30年代，全世界第一臺(tái)液力自動(dòng)變速器正式誕生，戴姆勒公司首次實(shí)現(xiàn)液力耦合器裝車(chē)，并把機(jī)械式傳動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐毫κ絺鲃?dòng)。20世紀(jì)50年代，首次研發(fā)出由液力變矩器和行星齒輪機(jī)構(gòu)組成的自動(dòng)變速器。20世紀(jì)60年代，由于液力變矩器傳遞效率很低，研究重點(diǎn)逐漸傾向更加高效率的液力變矩器。到了20世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了高效率鎖止離合器的液力變矩器。AT制造工藝經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，性能和技術(shù)都是4種變速器中最成熟的，故障率小，故占據(jù)自動(dòng)發(fā)變速器市場(chǎng)份額的首位，深受歐美國(guó)家消費(fèi)者的喜愛(ài)。伴隨著6AT、7AT的研發(fā)成功，8AT也在研究者的努力下研發(fā)成功，以后將朝著更多擋位發(fā)展[2]。

1.2 電控機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）

AMT基于傳統(tǒng)的機(jī)械式變速器上配備一套電控執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它結(jié)合了AT和MT兩者優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)電液一體化控制的自動(dòng)變速器。AMT可電控系統(tǒng)根據(jù)節(jié)氣門(mén)、車(chē)速和駕駛者指令等參數(shù)，確定最佳擋位，利用模糊控制代替人工對(duì)離合器和制動(dòng)器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋[3]。

AMT發(fā)展經(jīng)歷了半自動(dòng)、全自動(dòng)和智能化階段，我國(guó)的AMT研究起步較晚，與國(guó)際水平仍有一定的差距[4]。此外，AMT已經(jīng)開(kāi)發(fā)了AMT zeroshift（零點(diǎn)換擋）的傳輸類(lèi)型。這種傳輸是可以在不需要時(shí)間的情況下（零秒）轉(zhuǎn)換齒輪的傳動(dòng)裝置，不僅傳動(dòng)裝置較容易制造，價(jià)格也比AT便宜，而且節(jié)省燃料、轉(zhuǎn)矩傳遞過(guò)程中不會(huì)中斷[5]。

1.3 機(jī)械無(wú)級(jí)式自動(dòng)變速器（CVT）

CVT出世至今已有百多年的歷史`，但把這種理念轉(zhuǎn)化為汽車(chē)上的應(yīng)用是奔馳公司，在1886年就將研發(fā)的V型橡膠帶式CVT應(yīng)用裝車(chē)。傳統(tǒng)的金屬帶式CVT由主動(dòng)輪組、從動(dòng)輪組、金屬帶、液壓操縱系統(tǒng)組成[6]。CVT通過(guò)液壓操縱系統(tǒng)控制主動(dòng)錐齒輪和從動(dòng)錐齒輪金屬帶的軸向移動(dòng)改變圓盤(pán)的半徑大小從而改變傳動(dòng)比。因?yàn)橹鲝膭?dòng)輪的工作半徑在金屬帶的作用下可以連續(xù)調(diào)節(jié)，最終達(dá)到速比的無(wú)級(jí)變化。無(wú)級(jí)變速器使汽車(chē)在任何工況下都可以達(dá)到最佳傳動(dòng)比，達(dá)到節(jié)能減排的目的。CVT同時(shí)衍生出了IVT，可以實(shí)現(xiàn)小型輕量化，速比過(guò)零點(diǎn)；且傳遞的轉(zhuǎn)矩比帶式CVT大，發(fā)熱小。

我國(guó)CVT技術(shù)起步較晚，直到2012年奇瑞汽車(chē)公司自主研發(fā)CVT裝車(chē)，才標(biāo)志著我國(guó)CVT變速器真正實(shí)現(xiàn)自主化。

1.4 雙離合自動(dòng)變速器(DCT)

20世紀(jì)40年代，由RudolphFranke教授申請(qǐng)了全球首項(xiàng)DCT發(fā)明專(zhuān)利，雖然進(jìn)行了裝車(chē)實(shí)驗(yàn)，但沒(méi)有批量生產(chǎn)。20世紀(jì)80年代初，保時(shí)捷公司研發(fā)了雙離合變速器(PDK)應(yīng)用于賽車(chē)上，但也未能產(chǎn)生實(shí)際價(jià)值。直到2003年博格華納集團(tuán)和大眾公司共同研發(fā)出了技術(shù)穩(wěn)定的6速雙離合自動(dòng)變速器(DSG)。目前大眾已將DSG技術(shù)廣泛應(yīng)用于Golf、AudiTT等多款新主流車(chē)型上[7]。雙離合變速器為了實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)換擋，將原有的機(jī)械式變速器擋位按奇數(shù)擋和偶數(shù)擋分開(kāi)布置。由離合器1、2分別控制奇數(shù)擋和偶數(shù)擋，即變速器有2個(gè)擋位在工作過(guò)程中總是結(jié)合的。達(dá)到換擋不中斷動(dòng)力的目的，降低換擋沖擊。

自1990年以來(lái)，DCT成為各大汽車(chē)廠商和研發(fā)部門(mén)研究的熱點(diǎn)，其中以大眾DSG為代表的雙離合變速器占據(jù)主要市場(chǎng)，現(xiàn)在已經(jīng)演變成干式和濕式雙離合，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外汽車(chē)廠商。

AT、AMT、CVT、DCT在組成結(jié)構(gòu)、工作原理和換擋控制策略等都發(fā)展成熟，在換擋舒適性、功率傳遞、經(jīng)濟(jì)性、生產(chǎn)難易度等方面這4種自動(dòng)變速器系統(tǒng)有各自的特點(diǎn)[8]。AT增矩作用明顯，功率傳遞效率高，零件及總成壽命長(zhǎng)，生產(chǎn)成本低，但變矩范圍有限，耗油量大，總成復(fù)雜，對(duì)速度反應(yīng)靈敏性較差，必將朝著機(jī)構(gòu)總成輕量化，換擋控制優(yōu)化發(fā)展。AMT總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操縱，造價(jià)低，適用于重型車(chē)輛，但換擋過(guò)程平順性較差，控制參量，自動(dòng)化程度要求高，必將朝著優(yōu)化控制策略、減小換擋沖擊和智能化發(fā)展。CVT結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單，舒適性高，傳遞效率較高，加速性能好，燃油經(jīng)濟(jì)性好，但扭矩和轉(zhuǎn)矩傳遞范圍受限，傳動(dòng)鋼帶使用壽命短，制造成本高，工藝性差。所以提高CVT扭矩傳遞能力，傳遞效率，鋼帶壽命，降低制造成本勢(shì)在必行。DCT換擋時(shí)間短，沖擊小，功率傳遞不受限制，生產(chǎn)集成性好。但控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)生產(chǎn)制造較困難，控制方法比較復(fù)雜，且被少數(shù)國(guó)外廠家掌控，所以DCT技術(shù)發(fā)展還需要改善換擋性能，完善控制技術(shù)，降低生產(chǎn)成本，提高電路集成化。

2 汽車(chē)自動(dòng)變速器的新飛躍

2.1 活齒CVT（HN-CVT）

活齒CVT屬于我國(guó)自主創(chuàng)新，在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位的一種新型無(wú)級(jí)變速器。它徹底改變了以往無(wú)級(jí)變速長(zhǎng)期以來(lái)靠摩擦傳動(dòng)的方式，極大地提高了無(wú)級(jí)變速傳遞動(dòng)力的功率和效率，綜合性能發(fā)生質(zhì)的飛躍。它是一種概念新、效率高、功率大的非摩擦式機(jī)械無(wú)級(jí)變速器[9]?；铨XCVT擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，概念新穎；擁有多項(xiàng)專(zhuān)利，市場(chǎng)范圍廣，實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值大；其輸出功率和轉(zhuǎn)矩都較傳統(tǒng)CVT有很大的提高。

活齒CVT的基本結(jié)構(gòu)是由主動(dòng)棘輪、從動(dòng)棘輪、金屬齒形鏈、滑片及活齒單元組成。HN-CVT采用活齒嚙合傳動(dòng)（圖1），它的齒“一死一活”，“死齒”位于金屬鏈條上的固定齒，“活齒”位于活齒單元上一個(gè)個(gè)可移動(dòng)滑片。通過(guò)改變液壓力使錐輪軸向移動(dòng)，錐輪軸向產(chǎn)生的壓力使活齒單元在滾輪作用下沿錐輪嵌槽徑向移動(dòng)，從而改變金屬齒形鏈與主從動(dòng)棘輪中活齒單元的工作半徑，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。

圖1 活齒CVT結(jié)構(gòu)

CVT工作前，活齒位于活齒槽中；工作時(shí)，活齒槽中的滑片在鋼帶壓力和錐盤(pán)離心力共同作用下，甩出并與金屬齒形鏈的鏈齒嚙合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞?；铨X在運(yùn)動(dòng)和受力方向不同時(shí)，它可以根據(jù)當(dāng)前的嚙合齒形所需及時(shí)變形而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)嚙合（圖2）。因?yàn)辇X片可以在槽中自由活動(dòng)，所以在嚙合傳動(dòng)時(shí)HN-CVT仍可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速[10]。

圖2 活齒CVT的工作原理圖

活齒CVT綜合了傳統(tǒng)CVT和MT變速器大功率、高效率無(wú)級(jí)機(jī)械傳動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，克服了扭矩有限、傳動(dòng)帶制造的缺點(diǎn)，不僅動(dòng)力性強(qiáng)，燃油經(jīng)濟(jì)性提高了，同時(shí)無(wú)級(jí)傳動(dòng)提高了整車(chē)使用性能。

2.2 磁流變雙離合自動(dòng)變速器（MRDCT）

針對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)和控制方法的優(yōu)化問(wèn)題，研究者研發(fā)了一種磁流變雙離合自動(dòng)變速器（MRDCT），用MRDCT來(lái)取代傳統(tǒng)的摩擦片式雙離合器，以達(dá)到簡(jiǎn)化DCT機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方法的目的[11]。磁流變液是能夠在磁場(chǎng)控制下轉(zhuǎn)化形態(tài)的一種智能材料，在強(qiáng)磁場(chǎng)中，它能由牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)橘e漢姆塑性體，流體黏度和剪切屈服應(yīng)力以倍數(shù)增大，流動(dòng)性較低；當(dāng)磁場(chǎng)消失，它又重新回到牛頓流體狀態(tài)。磁流變液的黏度很低，整個(gè)磁流變效應(yīng)可在極短的時(shí)間內(nèi)完成，并且整個(gè)反應(yīng)過(guò)程是可逆的[12]。

磁流變雙離合變速器由輸入軸、輸出軸、磁流變液、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、磁流單向離合器、換擋控制系統(tǒng)組成。在換擋時(shí)，磁流變液在電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生磁鏈，這種鏈狀結(jié)構(gòu)增大了液體的剪切應(yīng)力，并通過(guò)這種力傳遞動(dòng)力，相當(dāng)于磁流變液自身固化把主、被動(dòng)件結(jié)合在一起作機(jī)械連接，此時(shí)離合器處于結(jié)合狀態(tài)。

與傳統(tǒng)的DCT結(jié)構(gòu)相比，MRDCT是一款具有可控性能高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性能好、反應(yīng)速率極快的雙離合自動(dòng)變速器。不僅保留傳統(tǒng)DCT特點(diǎn)，而且進(jìn)一步降低成本，散熱性能更佳。是DCT技術(shù)的又一次發(fā)展，解決制約雙離合模塊技術(shù)壟斷問(wèn)題。該研究的不足在于活齒CVT的活齒單元和MRDCT的磁流變液的選材上還未達(dá)到理想的效果，更佳的材料還在探索中。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有廣泛應(yīng)用的自動(dòng)變速器，從機(jī)構(gòu)、工作原理、換擋控制策略、傳遞效率、經(jīng)濟(jì)性和舒適性等各方面對(duì)4種自動(dòng)變速器進(jìn)行系統(tǒng)分析，進(jìn)而提出傳統(tǒng)自動(dòng)變速器需克服的弊端和未來(lái)的發(fā)展方向。

簡(jiǎn)析了兩種新型的活齒CVT和磁流變DCT變速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理。相比于傳統(tǒng)的自動(dòng)變速器，新型變速器雖然有質(zhì)的飛躍，但是在機(jī)械結(jié)構(gòu)、材料選取、控制系統(tǒng)以及實(shí)用性方面還有待于進(jìn)一步研究。