動力傳動系統及變速器的現狀與前景展望

【】 隆 比

0 概述

目前，寬敞而舒適的新型寬體輕客為代表的家用汽車正在逐漸成為主流車型。對汽車尾氣排放問題的要求日趨嚴格，對汽車性能的要求也在日漸提升。除了行駛性能外，廢氣排放性能、燃油耗性能、舒適性也已成為重要性能指標。為此，不僅需改善發動機性能，變速器也要與發動機相協調匹配，進而能夠最大限度地發揮其性能。目前市場上的手動變速器(MT)及自動變速器(AT)已實現了多級化，而無級變速器(CVT)同樣也已取得較大的發展，并且開發出了全新的雙離合變速器(DCT)。而且，除了傳統型發動機外，與電機進行有機結合的混合動力汽車(HV)，插電式混合動力汽車(PHEV)，以及純電動汽車(EV)，預計在將來也會得以大幅推廣。

本文主要闡述了當前內燃機與動力傳動系統的技術現狀與發展前景。

1 內燃機與動力傳動系統

以典型汽油機為例，研究其動力傳動系統所應具備的性能與技術。論述了其中對汽車正常行駛、轉向、停車有較大的關系的變速器技術。

配裝有傳統發動機的汽車，其動力傳動系統首要的性能要求是可按照駕駛員的意愿提供并傳遞驅動力，并兼顧發動機的燃油經濟性。同時，要求有較好的操縱性及順暢平滑的噪聲-振動-平順性(NVH)性能。

通常，在低轉速工況下發動機會產生低扭矩，而在高轉速工況下則會產生高扭矩。換言之，汽車起動或從低速向高速過渡時，需要較大的驅動力。即在低車速行駛狀態下，需要逐漸過渡到高轉速工況。此外，要使進入行駛狀態的車輛的速度維持在恒定的巡航狀態，可使用較小的扭矩行駛。為了使這種矛盾的兩種狀態進行正常過渡，需要配備適合的變速器。

為了按照駕駛員的意愿控制車輛行駛動力，其技術關鍵是迅速而順暢地實現變速器的變速動作。為此，技術人員進行了以減少多級AT的級間變速比為目的的研究，以及關于CVT的開發。此類技術，對于擴大AT的有效變速比范圍及壓縮變速時向起到了顯著作用。此外，隨著變速器的多級化、無級化技術的發展，按照轉速與扭矩的關系，充分地改善了發動機的燃油消耗率，同時從其他方面對燃油經濟性進行持續改善，如改善變速器的傳動效率，即削減摩擦帶來的能量損失。如齒輪等旋轉體由于攪拌潤滑油而產生阻力，以及離合器、制動器的拖曳阻力矩等為主要因素，均可視作摩擦帶來的能量損失。對于攪拌阻力，采用擋板的間壁隔離旋轉體與機油室，并進行合理的轉軸布置，使旋轉體(如一級和二級帶輪)布置在油面上方(圖1)。摩擦以外的損耗，因為油泵產生油壓而需要較高的作功量，尤其是在高壓下運轉的CVT。為削減損耗，可利用提高工作油(CVT流體)的金屬摩擦因素，以降低傳動帶夾緊液壓力，以及削減各部位的潤滑油泄漏量以降低輸油量。另外，通常與自動變速器匹配使用的液力變矩器，不需要操作離合器即可使用，同時，由于其扭矩的放大作用，有利于提高起步時的驅動力。另一方面，液力聯軸節會帶來一定的能量損失。由于在液力變矩器中內置了鎖止離合器，直接連接輸入軸與輸出軸的方式，能夠減少能量損失。近年來，拓寬鎖止范圍的研究還在不斷進行中。

圖1 通過轉軸的合理布置以削減潤滑油攪拌阻力

在汽車的NVH性能中，噪聲對變速器有著較大影響。典型的齒輪噪聲是由齒輪的嚙合率與齒形精度所決定的。此外，隨著鎖止范圍的不斷擴大，在同樣的運轉條件下造成發動機轉速降低，有時會導致噪聲出現。其解決方案是通過與液力變矩器直接連接以提高傳動效率，以及通過改善扭轉減振器的性能以提高減振性。在CVT的輸入側、輸出側的帶輪間傳遞動力有金屬傳動帶與鏈條兩種方式(圖2)。鏈條傳動的效率更高，但由于與鏈輪的接觸間隔較大，接觸時的能量密度高，進而容易產生噪聲。在投入量產時，其對策是使用短節鏈帶，縮短銷的節距以降低能量密度，以及在變速器殼體的外部設置隔噪材料。

圖2 CVT的動力傳動要素

2 動力傳動系統的關鍵零件——齒輪

圖3 軋鋼機人字齒輪座

由于齒輪具備的傳動能力較高，以及較低的制造成本，能夠高精度地進行大量生產等顯著優勢，所以，從機械式鐘表用的小齒輪，到軋機用的人字齒輪等大型齒輪(圖3)，因此目前仍在廣泛應用。

在汽車的動力傳動系統中，主要使用的齒輪是斜齒輪(圖4)、直齒圓柱齒輪、行星齒輪(圖5)、傘齒輪、雙曲面齒輪(圖6)等。

圖4 斜齒輪

圖5 行星齒輪

圖6 雙曲面齒輪

斜齒輪多數被應用于MT、DCT、HV和EV的變速器上。近年來，為了提高傳動效率，并實現輕量化目標，利用材料、熱處理加工方法、表面改性等措施，力求大幅提高斜齒輪強度。為改善燃油經濟性，同樣也需改善齒輪傳動效率。齒面的摩擦因數會直接對齒輪傳動效率造成影響，摩擦因數則是根據齒面粗糙度與油膜厚度所決定的。乘用車用的變速器的齒輪傳動效率非常高，可達99%左右。然而由于變速器的多級化，使齒輪的數量有所增加，要求進行技術開發，以求進一步實現齒輪傳動的高效化。

行星齒輪是在太陽齒輪周邊與多個小齒輪嚙合，小齒輪外側與內齒輪的齒圈相嚙合，目前被應用于AT、CVT和HV。齒輪反作用力可在行星齒輪內部得以消除。由于增加了小齒輪個數，可以實現緊湊的設計。而且，由于輸入及輸出的部件較多，通過將行星齒輪布置成3～4列，制成8～10檔的變速機構，使多級AT實現了高性能的目標。

雙曲面齒輪傳動在最末端減速器上得以應用，一方面使來自汽車傳動軸的傳遞動力與輪胎方向互相垂直，另一方面則進行減速。雙曲面齒輪則通過減小偏移量及螺旋角，拋光滾筒，以降低齒面粗糙度，提高雙曲面齒輪傳動效率。此外，通過將不等高齒優化為等高齒以實現齒輪的高強度化。同時提出了利用5軸加工機率，加工出新型的錐齒輪。

表1 各國購置環保車型補貼(獎勵)、法規的動向

3 HV、PHV用的動力傳動系統

自1997年豐田汽車公司在世界上率先推出HV商品車輛“Prius”，距今已有20年的發展歷史。由于其燃油耗、動力性能方面相比傳統型內燃機汽車具有一定優勢，HV的市場份額擴展到23%，在汽車市場占有一席之地。

近年來，為了保護生態環境，各國制定的燃油耗法規在測試精度及技術等方面可謂日趨嚴格。僅配裝有傳統發動機的車輛，已經難以實現節能減排的目標。按照日本政府設定的目標，至2030年，要求HV的市場占有率為30%～40%；插電式混合動力車(PHEV)為20%～30%；燃料電池車(FCV)的市場份額為3%，新一代汽車仍需大幅度普及，并在充電設備和氫氣站等基礎設施完善方面重點投入。各國為了實現燃油耗法規及環保法規規定的目標，為促進PHEV，EV等環保型車輛的普及，實施國家補貼政府及制定相關法規(表1)，預計今后環保型車輛銷量會大幅增長(圖7)。

圖7 未來世界不同車種的預測

為了普及新一代汽車EV，需達到與汽油車旗鼓相當的續航里程(500 km以上)，但電池儲能容量較為有限。為此，將大幅度超過目前鋰電池性能極限的革新型電池投入實用勢在必行，但要實現新型電池的實用化還需要很長時間。

綜上所述，目前以礦物燃料為動力來源的HV(柴油機、汽油機HV)及PHEV，在一段時間內還將作為主力車型并得以使用，預計在將來陸續開發的各種各樣的HV系統之間會呈現激烈競爭的態勢。

對于HV所要求的主要性能除了要具備與傳統內燃機汽車相匹配的動力性能之外，還應保證電動機的驅動及制動性能良好，并使其具備較低的成本。近年來，尤其是PHEV利用電動機驅動以擴大行駛范圍，有利于滿足環保法規。目前，可大致分為雙電機(指驅動電機、發電用電機)、單電機、帶傳動交流發電機等系統，并已被應用至HV車輛中。

根據電機的熱負荷極限，在以前置發動機、前輪驅動車(FF)為主體的較小型車輛上，以電力控制為主體的雙電機系統應用較多；而大型的前置發動機、后輪驅動車輛(FR)以及中置發動機、后輪驅動車輛(MR)則以發動機為主體，組合了傳統的變速器的單電機系統目前已成為主流(圖8)。預計該趨勢還將持續發展下去。

圖8 本田公司全新運動體驗車(NSX)的動力傳動系統組成部分

雙電機系統的自由度較高。如以豐田公司的Prius為代表的混合動力車型，是以其中一臺電機進行驅動與制動能量回收，而以另一臺電機進行發電的過程作為基本運作方式，利用機構連接，構成可以并聯方式進行機械式動力傳動與電動式動力傳動的系統(圖9)。日產汽車公司的note e-Power車上則完全取消了機械式動力傳動，只使用電驅動的發動機(圖10)。由于各類車輛的使用環境有所不同，各種系統的優劣性能會轉變，上述系統可能會同時采用。動力傳動系統需要持續降低摩擦，以及提高對電機的冷卻效果，同時，為了滿足PHEV的技術需求，除改善燃油經濟性外，還應降低耗電量，也要引入進一步提高效率的機械輔助系統。

圖9 豐田公司Prius動力傳動系統部件

圖10 日產公司note e-Power發動機

由于單電動機系統多數用于大型前驅車，作為基礎部件的變速器性能的重要性是不言而喻的。當初曾提出過取消液力變矩器，并將其置換為電機的方案。但考慮到其起步性能，配裝液力變矩器的方案的應用范圍在不斷增加。

4 EV中的動力傳動系統

為削減CO2排放，2010年日產汽車公司向市場推出“LEAF”汽車及相應的電機(圖11和圖12)。以電機為動力源的EV，除了行駛平穩、噪聲低以及，還可及時響應駕駛員的動力要求。但是，蓄電池具有儲能容量不足的技術難點，目前尚無法實現與配裝內燃機的傳統汽車相同的續航里程。

圖11 日產公司的LEAF EV車

圖12 日產汽車公司LEAF車輛的電機——減速器組件

為了滿足未來環境法規要求，EV的市場份額將不斷擴大，為了促進EV的普及，各國出臺了相關政策及措施(如鼓勵購買EV的補貼辦法)，通過相關法規的實施，會大幅度增加EV的銷量。

圖13 日產汽車公司LEAF汽車減速器內部結構

目前對于EV而言，至關重要的技術要求是不斷延長其續航里程。為了在蓄電池的儲能容量有限的條件下實現該目的，變速器可提高傳動效率并改善電動機的工作點。如圖13所示，目前的EV用變速器，不依靠變速機構，僅僅是通過減速器的形式，其動力傳動效率極為優異，但進一步提高傳動效率的空間較小。另一方面，隨著電機的型式不同，傳動效率也存在一定差異。雖然由于電機工況的改變引起其效率的變化與內燃機相比并不大，但通過改善工作點而提高能量效率，仍有一定的改善空間。由于在EV上采用了具備變速功能的高效率變速器，續航里程也得以延長。

從EV在行駛方面的性能來看，其變速功能是必不可少的。除了要求與內燃機汽車有同樣的行駛性能情況外，還應具有快速起步的和高速行駛的優點。假設能夠確保必要的起步驅動力，則電機由于自身的轉速上限，車輛最高速度會因此受到限制。為了改變這一劣勢，需要增加變速功能。

然而，即便具備了變速功能，也不應削弱EV安靜且順暢的的行駛性能。未來電機會逐漸實現小型化及高轉速化，也是順應了該發展趨勢的體現。為滿足環保要求，EV還是有可持續發展的價值與潛力。

5 結語

近年來，AT的多級化以及DCT技術，引領著世界變速器技術潮流。但是，未來發動機與電機的混合動力技術會逐漸成為主流。將發動機、電機、變速器進行有機結合，利用復雜的控制以提高車輛性能，即“電控匹配”技術。通過對相關零件的有效改良，與新型的多學科、多領域技術組合起來，確保在不遠的未來能夠開發出具有較高價值的行業產品，并持續領先于世界。