汽车变速箱
汽车变速箱是汽车上不可或缺的核心部件,由于汽车行驶工况非常复杂,家用小轿车在高速公路上行驶速度甚至可能超过150km/h,而在城市堵车工况,车辆低速蠕行,速度可能不足5km/h,最高车速和最低车速相差30倍。车辆正常行驶的时候,驱动力约为车辆重量的0.15倍(GVW),而在急加速的时候,驱动力则可能超过车辆重量的2倍(GVW),最大驱动力和维持恒速运动所需的驱动力相差13倍以上。
城市工况
高速工况
现代汽车发动机转速范围大多不超过6000r/min,需要满足如此复杂的速度变化范围和动力放大区间,必须采用具有多个不同速比的变速箱,以实现发动机动力到驱动轮之间的最优转化,应对爬坡、高速、低速蠕行等多种复杂工况的燃油经济性和动力充裕性要求。
汽车变速箱分类
汽车变速箱的作用既包括改善动力性能,应对复杂驾驶工况;也包括提高舒适性、燃油经济性等要求,最重要的是能够和车辆整体寿命保持一致,具有高可靠性和长使用寿命。
另外,随着车辆整体燃油经济性要求逐年提高,汽车变速箱降低重量,减小安装空间,也越发重要。
汽车变速箱按照控制逻辑、传动方式,可以分成多种不同的变速箱,包括:手动变速箱(MT)、机械式自动变速箱(AMT)、传统自动变速箱(AT)、双离合变速箱(DCT)、无级变速箱(CVT);此外,随着混合动力汽车普及,混合动力车专用变速箱、电动汽车变速箱的应用也越来越广泛。
普通家用轿车的变速箱,通常设计4-9个挡位,又尤以5-6挡位的变速箱最为普遍。对于内燃机汽车,为了更好的匹配发动机最佳工作转速范围,采用的变速箱挡位越来越多。
1、手动变速箱
手动变速器,俗称手动挡,即需要驾驶员脚踩离合、手拨动变速杆才能改变传动比完成换挡的变速器。另外,电控机械变速器(AMT)也是基于手动变速器(MT)增加自动离合器系统和自动选换挡系统升级而来,故电控机械变速器(AMT)也常被归入手动变速器。
(1)手动变速器(MT: Manual Transmission)
手动变速器采用多个齿比不同的齿轮组,通过同步器选择传动路径,从而获得多个不同的变速比。
优势:结构简单,维修成本较低,传动效率高,燃油经济性好,相对省油,富有驾驶乐趣。
劣势:换挡操作繁琐,对于驾驶员的技术要求比较高,另外,城市道路越来越拥堵,加上红绿灯又多,需要频繁的启停在拥堵的城市里需要频繁地踩离合、换挡,驾驶员容易疲劳。
(2)序列式变速箱(SMG: Sequential Manual Gearbox)
序列式变速箱是只能按顺序加挡或减挡的手动变速器,它最大的特点就是换挡只能进行顺序或者倒序逐一加减挡而不能跳挡。
序列式变速箱具有结构简单、空间占比小、重量轻、换挡快、传递效率高的优点,非常符合赛车追求动力极致的需求,故因这些优点为赛车所用,不过虽然用到赛车上但不代表其各方面都比普通变速箱优秀,比如耐用性和平顺性。
另外因其结构简单、换挡动作简单、传动效率高,在摩托车上也普遍采用序列式变速箱,通过脚踩换挡操纵杆即可进行换挡。
(3)电控机械变速器(AMT: Automatic Mechanical Transmission)
电控机械变速器是自动化的手动变速器,电控机械变速器是给手动变速器配备了电控液动(或电控电动)的离合器操纵系统和电控液动(或电控电动)的选换挡系统,以达到代替驾驶员完成繁琐的换挡操作动作的目的。
优势:性价比高、操作简单、燃油经济性好。
劣势:顿挫感强、舒适性差、换挡速度慢。
2、自动变速箱
自动变速器是指能够自动根据汽车车速和驾驶员油门深度进行自动选换合适挡位的汽车变速器,无需驾驶员操纵换挡杆进行换挡的汽车变速器都应该归类于自动变速器,常见的自动变速器包括液力自动变速(AT:AutomaticTransmission)、双离合变速器(DCT:Dual Clutch Transmission; DSG:Direct ShiftGearbox;PDK:Porsche Doppelkupplung)、无级变速器(CVT: Continuously Variable Transmission)。
(1)液力自动变速箱(AT:Automatic Transmission)
因液力自动变速器(AT)是最“古老”的自动变速器,故我们提到自动变速器通常指液力自动变速器,由液力变矩器、行星齿轮系统和液压系统、电控系统组成,通过液力变矩器和行星齿轮组合的方式来达到变速变矩。
优势:自动换挡减轻驾驶员负担,承载能力强,市场上技术最成熟的自动变速箱,可靠性高。
劣势:结构复杂,制造成本高,维修技术要求高,维护保养成本较高,传动效率较低。
(2)双离合变速器(DCT、DSG、PDK)
双离合变速器(DCT:Dual Clutch Transmission)有别于一般的自动变速器系统,它采用两个输入离合器输入动力,奇数挡位与一个输入离合器联接,偶数挡位与另一个输入离合器联结,实质上相当于将两套AMT布置在一起,当奇数挡位输入离合器联结传递动力时,偶数挡位离合器断开联结,可实现挡位预选,当达到换挡条件时:奇数挡位输入离合器传递扭矩减小的同时偶数挡位输入离合器逐渐接合输入扭矩逐渐增大直至奇数挡位输入离合器完全断开联结不传递扭矩。
同理,当偶数挡位输入离合器联结传递动力时,奇数挡位齿轮组也可实现挡位预选,达到换挡条件时,偶数挡位输入离合器逐渐减小传递的扭矩,奇数挡位输入离合器逐渐增大传递扭矩。
故,双离合变速器不仅有非常高的传动效率,还能提供无间断的动力输出,并且拥有无可匹敌的快速换挡能力。
基于DCT(Dual Clutch Transmission)技术的各公司不同双离合变速器,命名略有不同。
大众:DSG(Direct Shift Gearbox);
保时捷:PDK(Porsche Doppel Kupplung);
奥迪:S Tronic;
宝马:M DKG(M-Doppel Kuppling Getriebe)或M DCT(M-Dual Clutch Transmission);
福特:Power Shift;
三菱:TC-SST(Twin Clutch-Super Sport Transmission);
日产:GR6(Rear Gearbox 6 Speed)。
优势:自动换挡减轻驾驶员负担,换挡速度快,传动效率高,换挡过程中可以无动力中断,齿轮、同步器等可沿用MT成熟技术。
劣势:结构相对复杂,对变速箱控制要求较高,换挡过程可能产生较强顿挫感。
(3)无级变速器(CVT: Continuously Variable Transmission)
常见的无级变速器(CVT:Continuously VariableTransmission)采用可以改变工作半径的两个锥盘组和一条传动带完成速比的变化,速比可连续变化,没有其它类型变速器换挡时那种不可避免地会产生换挡冲击,换挡过程如丝般顺滑,完全没有“顿挫”感。
另外,还有超环面摩擦式无级变速器、带有功率分流的液压式无级变速器等不太常见的无级变速器。
优势:换挡过程平顺,动力持续而顺畅。
劣势:动力响应稍慢,缺少驾驶乐趣,能够承受的最大扭矩偏小,不适合大扭矩发动机。
3、混合动力变速箱
混合动力变速箱根据不同汽车主机厂的技术路线不同,内部结构不同,特别是涉及混合动力变速箱内部的电机的布局位置不同,相应的产生的驱动力大小、燃油经济性、驾驶舒适性不同。
由于混合动力变速箱较为复杂,本文不展开说明,感兴趣的读者可以自行搜索感兴趣的厂商的混合动力变速箱结构原理介绍。
4、电动车用变速器
电动汽车的传动系统大多采用固定齿比减速器(单挡变速器)单挡变速器结构简单、成本低,开发难度低,一般采用两级齿轮减速,在第二级输出齿轮集成差速器。
电动车行业单一挡位基本上属于事实上的标准开发,实际上电动车也可以开发两挡甚至多挡变速器?多挡位变速器,可以有效的改善车辆的动力性能,因为低速挡的减速比更大,车辆在急加速时可以获得更大的驱动力,相应的爬坡能力更强;而高速挡的减速比更小,在巡航或高速工况,可以降低驱动电机的转速,提升电机驱动效率,同时获得更高的极限车速。
另外,多档位变速箱还可以减小驱动电机体积、电机极限转速的要求,进而降低电机的外围设备的性能要求,如轴承、齿轮等,可降低汽车生产成本。
但电动车用变速器的应用,又受到汽车最大速度的限制,电动汽车的电池包放电倍率限制,电动机不一定能够持续维持高速运转;同时,随着电机逐渐优化,最大转速的提高,使得电动车多挡变速器的需求逐渐降低。
电动车多挡变速器的需求并非一成不变,根据电动汽车定位不同,对于动力、最大速度等设计目标不同,未来一定会有更多的不同选择。