自動變速箱匹配研究

許少華

摘 要：如何將自動變速箱與汽車發(fā)動機進行正確的匹配，不僅影響到汽車的性能及使用壽命，同時影響到汽車的安全性。自動變速箱與發(fā)動機的匹配要考慮性能和發(fā)動機的輸出功率兩方面，確保轉(zhuǎn)速與車速、扭矩與驅(qū)動力相匹配。

關(guān)鍵詞：變速箱；匹配；評價指標

1 概述

汽車采用機械齒輪變速器具有效率高，工作可靠，結(jié)構(gòu)比較簡單等優(yōu)點，故被廣泛地應用在各種汽車上。但為了適應汽車行駛條件的變化，必須經(jīng)常換擋，頻繁的換擋操作，不僅要求司機有較好的駕駛技術(shù)，而且要求變速器有較高的質(zhì)量。而汽車采用自動變速器有很多優(yōu)點，比如使汽車的駕駛更方便，提高發(fā)動機和傳動系的使用壽命，提高汽車的通過性，具有良好的適應性，較大程度地減少汽車的尾氣排放量，提高汽車乘客的乘車舒適程度等。汽車自動變速器匹配的研究在國外處于較為成熟的發(fā)展階段，但在國內(nèi)的技術(shù)水平還相對比較落后。因此，對自動變速器匹配研究顯得尤為重要。

2 自動變速箱的種類及特點

2.1 液力機械式 液力機械式自動變速系統(tǒng)（Automatic Trans-mission，AT）是指液力變矩器加行星齒輪排式自動變速系統(tǒng)。AT是目前主流的自動變速系統(tǒng)，應用范圍較為廣泛。其優(yōu)點是相關(guān)技術(shù)發(fā)展較為成熟，有著較為可靠的性能；但是它也存在諸多缺點，例如由于結(jié)構(gòu)復雜而導致的制造工藝難度大、產(chǎn)品過于沉重、性價比不高等。經(jīng)過不斷地發(fā)展，其功能與相關(guān)技術(shù)已經(jīng)接近發(fā)展至極限，很難進一步取得突破性變化。

2.2 電控機械式 電控機械式自動變速系統(tǒng)（Automated Mechanical Trans-mission，AMT）是在手動變速器的基礎(chǔ)上加裝微機控制的自動操縱機構(gòu)，實現(xiàn)機械變速器電動控制的自動變速系統(tǒng)。AMT代替了駕駛員手動進行的分和離合器以及換擋操作，實現(xiàn)換檔操縱自動化。其主要功能靠電控系統(tǒng)來實現(xiàn)，傳動效率高，并且成本較低，同時它的自動變速功能也讓操作更加簡單方便。

2.3 無級變速式 無級變速傳動（Continuously Variable Trans-mission，CVT）主要有金屬帶式和牽引式兩種。它可以自由改變傳動比，從而實現(xiàn)全程無級變速，換擋過程非常得流暢，使汽車保持平穩(wěn)的車速。其缺點是需要經(jīng)常保養(yǎng)，養(yǎng)護費用高，使用壽命也較短。

圖1 AT自動變速箱 圖2 CVT自動變速箱

3 自動變速箱與發(fā)動機的匹配

對于汽車而言，將發(fā)動機與變速箱組形成較好的匹配關(guān)系，才能保證汽車的性能及使用壽命。發(fā)動機的扭矩和輸出功率的關(guān)系并不是固定不變的，而是一種比較復雜的變化關(guān)系。通常，用發(fā)動機特性曲線來定性地描述輸出功率和扭矩的關(guān)系。不同排量的發(fā)動機，甚至同一排量但根據(jù)不同需求設(shè)計的同一排量的不同發(fā)動機，其特性曲線也是不同的。

變速箱有很多種類，但是根據(jù)其齒輪的密集程度可分為普通類和密齒類兩種；發(fā)動機根據(jù)其渦輪的轉(zhuǎn)速高低可以分為低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速兩類。對于高轉(zhuǎn)速發(fā)動機，它扭矩曲線往往有兩個峰值，一個峰值出現(xiàn)在較低的轉(zhuǎn)速時，另一個峰值出現(xiàn)在較高的轉(zhuǎn)速時。一般駕駛員都會選擇換擋時機在盡量保證換完檔后轉(zhuǎn)速正好對應第一個峰值，可以保證車輛在換擋之后有較大的加速驅(qū)動力。對于高轉(zhuǎn)速小扭矩的發(fā)動機來說，兩個峰值間的曲線較為平緩，峰值持續(xù)時間較短；對于低轉(zhuǎn)速大扭矩的發(fā)動機來說，扭矩峰值持續(xù)時間較長。由于高轉(zhuǎn)速小扭矩發(fā)動機在每次換擋之后的加速時間較短，需要較大的扭矩來幫助加速，因此匹配齒類變速箱更合適。而普通變速箱擋位之間加速時間較長正好滿足發(fā)動機扭矩峰值持續(xù)時間較久的需要，因此低轉(zhuǎn)速大扭矩發(fā)動機匹配普通變速箱更合適。

由于自動變速箱與發(fā)動機直接相連，它的性能和工作狀態(tài)將影響到發(fā)動機的有效輸出功率的輸出。所以在與發(fā)動機匹配時，必須分析一下自動變速箱的工作狀態(tài)，從而保證發(fā)動機和自動變速箱都工作在有效范圍。

4 匹配原則與評價指標

4.1 匹配原則 ①由于當車輛起步時，瞬時速度變化最大，相應地負載也最大。此時理想的工作狀態(tài)為自動變速箱的零負載輸入特性曲線通過發(fā)動機的最大實際輸出轉(zhuǎn)矩點，才能保證車輛在瞬時啟動或者負載最大時獲得最大輸出轉(zhuǎn)矩。②車輛在起步之后的加速過程中，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速以及功率隨著車速的增快而增大。此時的理想工作狀態(tài)為自動變速箱的最大工作效率輸入特性曲線通過發(fā)動機的最大實際輸出功率所對應的轉(zhuǎn)矩點。③車輛整體在行駛過程中應該有良好的經(jīng)濟性。也就是說，自動變速箱與發(fā)動機的共同理想工作范圍應該在發(fā)動機燃燒效率最高工況附近。

4.2 評價指標 設(shè)置自動變速箱與發(fā)動機的匹配性能評價指標的意義在于，可以通過量化分析，對一些參數(shù)進行計算分析，從而可以用數(shù)據(jù)對匹配性能作出比較客觀的評價。

①最大輸出轉(zhuǎn)矩MTmax，表示車輛從瞬時起步以及加速所能客服重負載的能力。

MTmax=MT0

式中，MT0表示車輛啟動時（即轉(zhuǎn)速比為零）時自動變速箱的輸出力矩，單位為N·m。

②高效力矩范圍DM，表示自動變速箱與發(fā)動機的共同工作范圍的動力性能。

DM=MT1/MT2

式中，MT1，MT2為對應于共同工作范圍最高和最低轉(zhuǎn)速的輸出轉(zhuǎn)矩。

③正常工作情況下的平均單位燃料消耗量ge

ge=ge（nT）dnT/nTmax

式中，nTmax為空載時的最大渦輪轉(zhuǎn)速，r/min；ge（nT）為共同工作特性中的單位燃料燃燒特性曲線。

5 總結(jié)

如何將自動變速箱與汽車發(fā)動機進行正確的匹配，不僅影響到汽車的性能及使用壽命，同時影響到汽車的安全性。現(xiàn)如今，自動變速箱的應用越來越廣泛，發(fā)展越來越迅速。自動變速箱的匹配不僅對于汽車生產(chǎn)者非常重要，也越來越成為汽車消費者選擇汽車的重要依據(jù)。自動變速箱與發(fā)動機的匹配要考慮性能和發(fā)動機的輸出功率兩方面，確保轉(zhuǎn)速與車速、扭矩與驅(qū)動力相匹配。