對自動變速器中單向離合器引起的沖擊現象的分析

薛矯智

（廣東機電職業技術學院，廣東 廣州 510515）

0 引 言

自動變速器使用單向離合器消除降擋沖擊，有助于提高自動變速器的性能[1]。使用單向離合器以后，單向離合器結合時會引發一種傳動沖擊，這種特有的沖擊現象對自動變速器的影響不大，但給汽車傳動系統帶來一定的沖擊。隨著現在轎車發動機轉速的不斷提高，由單向離合器引起的這種沖擊能量會加大，這時單向離合器引起的沖擊不可輕視。分析這種沖擊現象，了解其過程，可以采取某些措施減小這種沖擊。

1 自動變速器使用單向離合器在降擋時會引起一種沖擊

自動變速器中使用單向離合器，在降擋過程中單向離合器分離進入超越狀態以后，發動機動力輸出中斷，在無負荷工況下，發動機轉速急劇上升，當單向離合器結合接通動力時，出現發動機對傳動系的沖擊。這種沖擊對傳動系有一定的不利影響。

1.1 單向離合器消除降擋沖擊

自動變速器降擋時，汽車的車速不能立刻改變，對于降擋后的傳動比而言，發動機的轉速低于此時汽車車速所要求的發動機轉速，這樣就會出現汽車對整個傳動系的沖擊。布置在降擋后的傳動路線上的單向離合器在降擋時起超越作用，使汽車慣性造成傳動系的運動和動力不能向前傳遞到發動機，從而消除了汽車對整個傳動系的沖擊[1]。單向離合器超越時，動力輸出中斷，發動機空載無負荷，使得轉速迅速上升，達到傳動比所要求的轉速時，單向離合器由超越變為結合，恢復動力輸出。

1.2 單向離合器在結合時會引起沖擊

降擋時，在單向離合器出現超越以后，發動機動力輸出是中斷狀態，這時發動機在無負荷的工況下運轉，發動機轉速急劇上升，轉速上升到該傳動比要求的轉速時，單向離合器由超越狀態變為結合狀態。在單向離合器結合時，發動機在加速運轉，有一定的角加速度，而汽車是近似于等速行駛，在動力傳動路線上，組成單向離合器的2個轉動元件從分離變為以相同的速度結合時，就有沖擊出現。沖擊能量的大小與單向離合器結合時的狀態以及相關的轉動慣量有關。

1.3 沖擊能量N

J為發動機到單向離合器的動力傳遞系統的轉動慣量；ε為單向離合器由超越變為結合時，單向離合器被超越件的角加速度，其與發動機曲軸的角加速度以及此時變速器的傳動比有關。

2 降擋時單向離合器引起的沖擊分析

引入發動機無負荷加速的概念，利用無負荷加速過程中曲軸的轉速、角加速度變化規律，從而理解降擋時發動機曲軸角加速度的變化規律，并深入分析降擋時單向離合器引起的沖擊現象。

2.1 發動機無負荷加速過程的描述

發動機在無負荷狀態下低速運轉，突然加大節氣門時，發動機轉速急劇上升的過程，就是發動機無負荷加速過程。發動機無負荷加速過程中，轉速、角加速度的變化過程如圖1所示。

2.2 發動機無負荷加速時曲軸的轉速與角加速度

角加速度ε具有突然增大然后不斷變小的變化規律，發動機無負荷加速時，起始轉速低有利于ε急升，之后因為隨轉速上升發動機進氣阻力加大、燃燒條件變差等各種不利因素的影響，ε會在達到最大值以后不斷減小，并趨于0，如果發動機結構允許，曲軸轉速將達到最大值，之后曲軸轉速不再升高。

2.3 降擋時發動機曲軸的角加速度以及產生的沖擊

降擋時單向離合器分離動力輸出中斷，發動機轉速迅速上升，如同發動機無負荷加速過程一樣。降擋時發動機的轉速為n1，n1較低，對于現在多數發動機而言，在每2000n/min以下。降擋時發動機由負荷狀態變為無負荷狀態，工況有利于角加速度急升，角加速度不斷上升，當轉速上升到n2時，單向離合器結合，發動機無負荷加速狀態結束。由于降擋過程出現的發動機無負荷加速過程只是發動機無負荷加速過程中的最初一段，在這一過程中，ε不斷上升，降擋后傳動比i越大n2就越大，所產生的角加速度ε越大。n2與 n1的關系是 n2=i.n1，i為降擋后的傳動比。通過n1和n2以及n1變化到n2的時間，可以計算出曲軸的平均角加速度，不過這個數值偏低。

2.4 單向離合器引起的沖擊分析

在降擋時，發動機轉速在無負荷的條件下急劇上升，上升到該傳動比條件下的轉速時，單向離合器結合，發動機在無負荷的條件下轉速上升過程結束。在這個過程中，發動機的轉速處于較經濟的轉速，發動機運轉的角加速度處于不斷上升的過程。在單向離合器結合時，發動機的轉速越高，此刻的角加速度ε越大，產生的沖擊就越大。

如果在各個擋位降擋時發動機的轉速都是一樣的，那么降擋前后傳動比的比值越大，降擋后由單向離合器結束發動機無負荷加速過程的轉速越高，也就是此時的角加速度ε越大，產生的沖擊也越大。降擋前后傳動比的比值規律是低擋高于高擋，所以低擋時的沖擊較大。

汽車變速器的傳動比不是等比設置，如果在降擋時發動機轉速在各擋條件下都差不多，那么在低擋時，當單向離合器結合時發動機的轉速較高，具有的角加速度ε較大，出現的沖擊大，因此在低擋位降擋時的沖擊能量N大于高擋位。

2.5 對轉動慣量J的分析

單向離合器引起的沖擊，并不完全是剛性的瞬間沖擊。從渦輪到要結合的單向離合器之間的轉動慣量引起的沖擊是剛性的瞬間沖擊，而從發動機到泵輪間的轉動慣量引起的沖擊，由于液力變矩器的作用，會使瞬間沖擊值下降較多，因而許多場合可以忽略使用單向離合器引起的這種沖擊現象。

雖然發動機以及到單向離合器的轉動件的轉動慣量較大，但能引起直接瞬間沖擊的轉動慣量是較小的，從液力變矩器的渦輪到單向離合器間的轉動慣量引起的沖擊占了瞬間沖擊量的較大分量。自動變速器降擋時，由于液力變矩器的鎖止離合器分離，液力變矩器的緩沖作用使發動機部分的轉動慣量引起的瞬間沖擊得到緩解，使總的轉動慣量引起的瞬間沖擊值有較大的下降。

從渦輪到單向離合器的一系列轉動件具有的轉動慣量，在單向離合器結合時所造成的沖擊無法緩解。這部分轉動慣量造成的瞬間沖擊能量占總瞬間沖擊能量的比例過大時，降擋時出現的沖擊現象就越明顯。從目前自動變速器的結構來看，這一部分轉動慣量不大。

3 消除自動變速器使用單向離合器在降擋時的沖擊的方法

3.1 利用摩擦片打滑減小沖擊

如果降擋后的換擋執行元件中單向離合器的工作狀態由制動器或離合器的摩擦片控制，如辛氏變速器在Ⅱ擋時使用制動器控制單向離合器的工作狀態，當單向離合器出現超越以后，在發動機轉速急升期，單向離合器進行結合時，此時控制制動器摩擦片有一定的打滑，也可以減輕單向離合器結合時產生的沖擊。

如果降擋后的換擋執行元件中單向離合器的工作狀態沒有其他元件控制，如辛氏變速器的Ⅰ擋，可以利用降擋后的動力傳動路線上的其他摩擦片，使其在此時出現打滑，以減小沖擊。

這種控制方法的控制時機比較難掌握，現有的自動變速器中一般不采用，但這種控制理念隨著自動變速器技術的精細化將會得到采用。

3.2 推遲發動機點火提前角減小沖擊

降擋后，在發動機轉速急劇上升到一定程度，用推遲發動機點火提前角的方法降低發動機轉速急劇上升的角加速度，以減小單向離合器結合時產生的沖擊。這種控制可以降低發動機轉速急劇上升的角加速度，但難以實現較恰當的控制，只能降低一定的角加速度值。

4 自動變速器使用單向離合器和使用摩擦片在降擋時的性能比較

降擋時，單向離合器產生超越，這時發動機處于動力輸出中斷狀態，這種狀態有利于發動機轉速迅速上升，從而能盡快在新傳動比條件下輸出動力。在整個降擋過程中，發動機輸出動力、汽車行駛動能沒有損失，只有短暫的動力中斷現象，這樣有利于保持汽車車速和良好的加速能力。

動力傳動路線上沒有單向離合器進行降擋時，由于降擋后的傳動比不適應，由液力變矩器以及相應傳動路線上的摩擦片要消除這種不適應（沖擊）。這種狀態下，實際上是汽車驅動發動機轉動，是一個倒拖過程，這時汽車的行駛動能出現損失，對于汽車在降擋過程中保持車速不利，有速度損失。這樣一個短暫的倒拖過程中，發動機實際上是動力輸出中斷，直到倒拖過程結束動力輸出才能恢復。雖然倒拖時動力輸出中斷的時間短于使用單向離合器造成的動力輸出中斷的時間，但由于造成了汽車動能損失，降擋后的汽車速度會低于使用單向離合器降擋后的汽車速度，影響到了加速性，雖然影響會較小。

降擋時使用單向離合器，汽車原有的行駛動能沒有損失，而使用摩擦片消除降擋沖擊，則會引起汽車動能的損失。使用單向離合器不僅能消除降擋沖擊，也不會引起降擋時汽車的動能損失，對于降擋時保持汽車的車速有利，還可以利用這個特點提高汽車的加速性能。

5 對自動變速器使用單向離合器的評價

使用單向離合器，從驅動輪傳來的轉速可以超越從發動機傳來的轉速，從發動機傳來的轉速不能超越從驅動輪傳來的轉速。單向離合器的這種超越性能，增強了汽車動力傳輸系統的性能，使汽車在一定條件下具有滑行能力，這不僅能消除降擋沖擊，也能消除行駛中車輪對傳動系統的沖擊，在行駛阻力突然下降，汽車出現滑行狀態下促成自動變速器及時升擋。因此，在自動變速器中使用單向離合器是提高自動變速器性能的一個有效手段。降擋時擋越低降擋沖擊越大，當自動變速器的擋位較多時，在低擋的傳動路線上都布置單向離合器，較高的擋位由于沖擊小不采用單向離合器消除降擋沖擊，這樣使自動變速器的結構不至于太復雜。

[1]薛矯智. 單向離合器對自動變速器性能影響[J]. 汽車工程師.2009，（10）：45-48.