自动变速器技术发展未来

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汽车自动变速技术的新发展
1 概述

    从1940年美国通用奥兹莫比尔品牌车辆装用第一台自动变速器开始，汽车自动变速器的发展已经经历了60多年的时间。目前，汽车上应用较多的自动变速器主要有液力自动变速器（AT），机械式自动变速器（AMT）和机械式无级变速器（CVT）。

    在城市客车和公共汽车上，美国自动变速器的装车率是100%，欧洲发达国家也在90%以上；日本中高级轿车上装用自动变速器车辆的比例超过了80%，美国则一直在90%以上。

    2 汽车自动变速器结构的发展

    2.1 AT的发展

    由于AT具有自动变矩以适应外界阻力的变化、吸收和衰减振动和冲击、延长传动系寿命和提高乘坐舒适性等突出的优点，在汽车上获得了广泛的应用。但这种类型的自动变速器存在效率偏低和反应迟缓的缺点，使得其在结构上向如下方向发展。

    2.1.1 变矩器部件结构优化

    基于三维叶栅理论和模拟仿真的优化设计，可以使循环圆形状及泵轮、涡轮和导轮的叶片形状与角度的设计更精确、合理，使变矩器的结构更紧凑，效率也更高（最高效率达90%以上）。

    2.1.2 行星齿轮多挡位化

    5挡或6挡自动变速器正逐步取代4挡自动变速器的主导地位。挡位增多可以使自动变速器具有更大的速比范围和更细密、合理的挡位之间的速比分配，从而改善汽车的动力性、燃油经济性和换挡平顺性。丰田公司推出的A750E/A750F自动变速器以及宝马7系列和奥迪A8装配的ZF公司的6挡自动变速器6HP26的性能试验都充分说明了多挡位化的优点。

    2.1.3 变速器功率/质量比增大

    在增加挡位、提高变矩比和增强功能的情况下，减小体积、增大功率/质量比。采取的主要措施有：

    a. 通过采用仿真技术和有限元计算工具优化变速器部件的结构设计，如齿轮齿形和齿数的优化设计等；

    b. 将多个功能集成到一个部件上，从而减少部件数目，如丰田公司的A750E/A750F自动变速器将3个离合器合成一体，装入同一个离合器鼓内，同时该变速器还采用了多功能换挡阀，通过换挡阀的共用，减少了换挡阀的数目；

    c. 新型部件的应用，如日本AISINAW公司新推出的6挡自动变速器TF-80SC，采用了经过改进设计的先进带式制动器，该制动器不但适用于大功率自动变速器，并具有较好的换挡性能，而且与常用的湿式多片盘式制动器相比还大大减少了尺寸，减轻了质量；

    d. 油泵外壳、变速器外壳以及行星架等部件广泛采用轻质铝合金制做；e.减少压铸件的壁厚。

    2.1.4优化结构，降低噪声

    为了降低变速器的噪声，主要从以下几方面做工作：通过优化齿轮的螺旋角和齿宽，提高相啮合齿轮的接触面积以及通过仿真技术获得具有较小噪声的齿形结构；提高变速器零部件的形位公差；在减轻部件质量的同时，通过有限元设计，增加部件刚度，减少高转速下的振动和噪声。

    2.2 AMT的发展

    AMT结构简单、成本较低，兼备了手动变速器较高的传动效率和自动变速器的便捷，因而在汽车上获得了越来越多的应用。但是，由于AMT是非动力换挡，换挡过程中动力的中断必然会对汽车的平顺性、动力性和经济性产生影响，因而AMT现在的发展方向是动力传动一体化控制，也就是通过发动机、离合器和变速器的协调控制，改善汽车的各种性能。同时，为了从根本上解决AMT中断动力换挡带来的问题，双离合器式自动变速器成为一种新的发展方向。双离合器式自动变速器通常是将奇、偶数挡位分别与两个离合器相连，当车辆以某一个挡位运行时，下一个即将运行的挡位可以始终处于啮合状态，当达到下一个挡位的换挡点时，只需要将处于接合状态的离合器分离、处于分离状态的离合器接合。这种控制过程完全类似于AT的换挡过程，是动力换挡，但双离合器式自动变速器是基于平行轴式手动变速器发展而来的，继承了手动变速器传动效率高、结构简单等优点，而且可以利用手动变速器的生产设备和技术，因而这种新的变速器类型特别适合我国手动变速器占主导地位的国情。

    2.3 CVT的发展

    从理论上讲，CVT在各种负荷下都能实现平稳无级变速，但实际上，CVT变速器可能出现高噪声以及当发动机持续高转速时变速器存在打滑效应等问题。CVT主要向以下方向发展。

    2.3.1 紧凑结构

    随着CVT传递转矩能力的不断提高，已经能够和350N•m的大功率汽车发动机相匹配。为了满足前轮驱动汽车装配空间的要求，增加装有CVT车型的变型能力、提高CVT系统结构的紧凑性、减少CVT的体积，已成为今后CVT发展的一个方向。主要采取的措施有：扁平液力变矩器的开发和使用；应用可动轮轮缸的双活塞结构，在活塞外径不变的情况下，可以减少液压系统压力；小尺寸高精度压力控制阀、滚子叶片泵等新结构部件的使用；主、从动轮外径和主、从动轮间距的尺寸优化设计；轴承的优化设计，如减小轴承直径、优化轴承布置等。

    2.3.2 减轻质量

    新型轻质高刚度合金材料的使用和基于有限元的部件设计方法的应用以及部件的合理布置，使得在增加CVT转矩传递能力的同时，提高了CVT的功率/质量比。

    2.3.3 大传动比

    大的传动比可以进一步提高CVT与发动机的匹配性能，改善整车的经济性和动力性，扩大CVT的应用范围。增大传动比一直是CVT研发的重点。最新的研究正在从以下方面来增大CVT系统的传动比：新结构CVT传动系统的研发，如平行盘式CVT的研发等；增加主、从动轮和传动带的强度，提高CVT传递转矩的能力；改进传动带的润滑结构。

    3 换挡品质的提高

    随着电子技术、控制技术以及汽车其他新技术和新结构的不断发展，人们对自动变速器换挡品质的要求也不断提高。换挡品质主要表现在换挡过渡过程的舒适性和零部件所受载荷两方面。换挡品质的提高主要集中在两个方面：一个是换挡过渡过程的高品质，另一个是换挡控制系统的自适应性能。

    3.1 换挡过程的高品质

    对于有级变速器，人们既希望换挡过程能快速完成，又希望换挡过程平顺，然而在其传动比变化过程中都会产生不同程度的冲击，冲击严重时，不仅人不能忍受，还将大大增加动力传动系的动载荷。通常主要从以下方面来提高自动变速器的换挡品质。

    3.1.1 换挡过程发动机联合控制

    汽车换挡时，由于发动机所受负荷和转速都会发生突然变化，使发动机处于不稳定的工作状态，因此应研究发动机在换挡过程中负荷发生变化时的响应，根据换挡过程对发动机转矩、转速的要求，对发动机进行联合控制。

    3.1.2 离合器的控制

    由于AT车辆液力变矩器具有缓和冲击的作用，换挡品质通常都比较好，AT车辆换挡过程的高品质依赖于压紧油压时间过程的精确控制。发动机转速、主从动片转速差、油门开度α、油门开度的变化率dα/dt等因素都会对AMT车辆离合器的接合过程产生影响。因此要研究离合器在不同条件下的接合规律，建立其控制模型，采用性能优良的控制策略，使处于不同使用工况的汽车离合器接合平稳、不出现过度滑磨，以提高AMT车辆换挡品质。
3.1.3 提高换挡系统部件特性的稳定性

    换挡系统部件特性的稳定性主要包括离合器摩擦副性能的稳定性和液压油性能的稳定性。为了获得高的换挡品质，摩擦副材料在不同温度、载荷和速度下，应该具有足够的摩擦因数和良好的摩擦稳定性、良好的耐磨性、足够的力学强度和工作平稳性等；液压系统的传动液应该具有良好的摩擦性能、氧化稳定性和防腐蚀性能，具有长的使用周期。

    3.2 提高换挡控制系统的自适应性能

    换挡控制系统的自适应能力主要表现在两个方面，一个是控制系统参数的自适应性能，另一个是控制系统温度的自适应性能。

    3.2.1 控制系统参数的自适应性能

    汽车是一个时变系统。随着行驶程长的增加，发动机工作状况恶化、摩擦材料磨损、润滑油变质等，都可能对变速器的换挡品质产生严重的影响。实现对车辆当前工作状况的实时辨识和基于参数辨识的自适应控制是提高汽车实际换挡品质的重要方法。

    3.2.2 温度自适应控制性能

    随着外界温度的变化（如夏天南方气温近40℃，而北方冬季气温可能降至-30℃以下），液压系统液压油的粘度发生改变，这使得液压系统的响应特性发生明显的变化，导致自动变速系统的换挡品质变差，因而改善和提高液压系统的温度自适应性能也是提高自动变速系统换挡品质的重要方法。通常从两方面进行改善，一个是选用粘度指数高的液压油，二是进行液压系统的温度自适应控制。温度自适应控制既可以采用需要温度传感器的开环控制，也可以采用不需要温度传感器的闭环控制。

    4 汽车自动变速器换挡规律的智能化

    通常自动变速器仅以车速和节气门开度作为换挡控制参数，根据平路行驶时确定的最佳燃油经济性或最佳动力性换挡规律进行换挡。这种未考虑行驶环境信息，仅基于汽车行驶状态的换挡系统虽然在通常的行驶环境中具有令人满意的性能，但当汽车在特定的行驶环境行驶时可能产生问题，如：上坡行驶时的换挡循环问题、下坡行驶时不能自主利用发动机的牵阻作用使汽车减速的问题、转弯时的频繁换挡问题以及湿滑路况下的打滑问题等。为解决这些问题，一般通过在自动变速器上加装各种辅助按键（如运动、雪地、冬天等模式按键）以及设置换挡手柄的不同柄位等方法来帮助驾驶员完成驾驶任务。虽然在这些众多辅助装置的帮助下，通常的自动变速器能够工作于各种行驶环境中，但大量的按键和手柄柄位显然增加了驾驶员的工作负担，提高了对驾驶员操纵技能的要求。另一方面，随着社会经济的发展，今后的汽车驾驶应该不再仅仅是一种劳动，而更应该成为一种乐趣的观念正在为人们接受。怎样使汽车自动变速器也具有人的智慧，能够自主地根据行驶环境和驾驶员的个性意愿来换挡，成为今后自动变速技术发展的方向和汽车向未来全智能模式发展的重要课题。

    近年来，国外各大汽车制造厂相继开展了这方面的研究工作。本文从研究的内容、方法和国外的代表性系统等方面介绍自动变速器换挡规律智能化的进展。

    4.1 研究的内容

    汽车智能自动变速研究的内容主要集中于两个方面，一个是汽车对行驶环境的适应；一个是汽车对驾驶员个性和意图的适应。对行驶环境的适应主要包括对上、下坡道，湿滑路面、弯道以及高速公路，山区复杂路面、颠簸路面等的推理和识别；对驾驶员的研究主要包括对驾驶员意图（如加速、减速、停车等）的推理和识别以及对驾驶员个性的理解（运动型、经济型、普通型以及妇女、老龄驾驶员等）。

    4.2 研究的方法

    智能换挡系统的研究范围非常广泛，不同研究机构所采用的方法也不相同，主要有统计方法、模糊推理方法、神经网络方法以及专家系统方法等。

    a. 统计方法行驶环境和驾驶员个性一般都服从一定的统计分布，因而从大量的道路试验中提取模式分类的特征是很有效的方法。文献根据在高速公路和崎岖山道上实测的节气门开度的均值及其方差的分布，设计了基于模糊规则的行驶环境识别系统。

    b. 模糊推理方法该方法是进行智能换挡系统研究最常采用的方法。不论在何种行驶环境中，一般熟练的驾驶员都能很好地完成驾驶汽车的任务，因而很多换挡控制策略直接来自于驾驶员的经验，而驾驶员的经验是最容易用模糊规则表达的。

    c. 神经网络方法神经网络具有很强的非线性映射和从数据中提取规律的优势，因而也是进行智能换挡系统研究的有力手段。由于当前计算机的速度以及神经芯片的价格原因，这种方法目前多用来进行离线计算，再将其结果用于换挡的实时控制。

    4.3国外智能化自动变速器系统介绍

    近年来，世界各大汽车厂取得的一些阶段性成果已经迅速应用于新开发的车型上，成为汽车厂商新的利润增长点，比较有代表性的有以下几种系统。

    a. BMW和ZF公司合作开发推出的5HP-305挡自动变速器为了避免因行驶阻力增大和车速波动引起的换挡循环，当系统识别出行驶阻力较大且持续时间较长时，能够自动增大换挡延迟；当发动机熄火或系统识别出行驶阻力不大时，能够取消已增大的换挡延迟。此后，BMW、ZF和BOSCH公司合作推出的5HP-24可以通过对驾驶员操纵加速踏板动作的评价，推断出驾驶员的要求，然后根据评价结果选用预先设定的4种模式之一。行驶状况识别模块能根据当前行驶工况（如减速、下坡行驶、曲线行驶或停、走工况）对换挡曲线作适当的修改。

    b. 德国大众第三代自动变速器AG4AG4取消了运动、经济模式按键，系统能够根据道路负荷、交通环境和驾驶员的驾驶习惯自主进行挡位选择。

    c. 三菱公司的“fuzzyshift4AT”系统该系统引入了“模糊控制”的概念，能根据收集的汽车行驶状况信息，通过模糊逻辑判断后自动选择最适当的换挡方式。因而，该系统可以防止车辆在上坡或转弯/弯道的情况下自动换至高挡，在下坡时可以自动从高挡换至低挡。

    d. 法国PSA集团和雷诺公司合作开发的自动变速器该变速器采用先进电脑控制和模糊逻辑技术，可以根据驾驶者的性情、路面状况、车身负荷以及周边环境等多种因素选择最合适的挡位，以提高车辆行驶性能、降低油耗、确保汽车行车安全。

    5 结束语

    增强自动变速系统对不同行驶环境的适应性和对不同风格驾驶员的适应能力，实现智能换挡，不仅可以有效地减轻驾驶员的工作强度，而且对提高汽车的操纵稳定性、燃油经济性、安全性和减少废气排放等都具有重要的意义。

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自动变速器技术未来将持续发展并呈现多元化趋势。随着智能化、电动化及网联化的推进，自动变速器技术将不断革新。预计未来的自动变速器将更加注重燃油经济性与动力性能的平衡，同时实现更低排放和更高效率。此外，自动变速器的智能化将提升驾驶的便捷性和安全性，如自适应换挡、智能预测技术等的应用将更为广泛。总之，未来的自动变速器技术将朝着更高效、智能、环保的方向发展。