汽車自動變速器技術的總結與展望*

雷先華，何美生，周熙欽，賀奧賓

（湖南交通工程學院機電系，湖南衡陽 421000）

0 引言

汽車變速器作為動力傳動系統的重要部件，它的性能直接影響到整車的動力、經濟和使用性能。隨著社會經濟的不斷發展，全世界汽車保有量持續上升，截至2016年底中國汽車保有量達到1.94億，居世界第一[1]。變速器一直以來都是研究者們研究的重點和熱點，現有傳統機械式變速器已經不能滿足駕駛者苛刻的使用要求，自動變速器有著起步平穩、換擋沖擊小、油耗低，深受廣大消費者的青睞且市場占有率逐年上升。

目前，在汽車新技術大繁榮背景下，國內外汽車上廣泛應用的自動變速器主要有液力機械式自動變速器（AT）、電控機械式自動變速器（AMT）、機械無級式自動變速器（CVT）、雙離合自動變速器（DCT）等，其他自動變速器都是在此基礎上衍生而來的。本文就上述廣泛應用的幾款變速器的發展歷程和優缺點進行分析和對比，并對自動變速器的新飛躍活齒CVT（HN-CVT）和磁流變雙離合自動變速器（MRDCT）技術進行分析和展望。

1 汽車自動變速器現狀

1.1 液力機械式自動變速器（AT）

20世紀30年代，全世界第一臺液力自動變速器正式誕生，戴姆勒公司首次實現液力耦合器裝車，并把機械式傳動轉變為液力式傳動。20世紀50年代，首次研發出由液力變矩器和行星齒輪機構組成的自動變速器。20世紀60年代，由于液力變矩器傳遞效率很低，研究重點逐漸傾向更加高效率的液力變矩器。到了20世紀70年代，出現了高效率鎖止離合器的液力變矩器。AT制造工藝經過幾十年的發展，性能和技術都是4種變速器中最成熟的，故障率小，故占據自動發變速器市場份額的首位，深受歐美國家消費者的喜愛。伴隨著6AT、7AT的研發成功，8AT也在研究者的努力下研發成功，以后將朝著更多擋位發展[2]。

1.2 電控機械式自動變速器（AMT）

AMT基于傳統的機械式變速器上配備一套電控執行機構，它結合了AT和MT兩者優點，實現機電液一體化控制的自動變速器。AMT可電控系統根據節氣門、車速和駕駛者指令等參數，確定最佳擋位，利用模糊控制代替人工對離合器和制動器進行控制，實現自動換擋[3]。

AMT發展經歷了半自動、全自動和智能化階段，我國的AMT研究起步較晚，與國際水平仍有一定的差距[4]。此外，AMT已經開發了AMT zeroshift（零點換擋）的傳輸類型。這種傳輸是可以在不需要時間的情況下（零秒）轉換齒輪的傳動裝置，不僅傳動裝置較容易制造，價格也比AT便宜，而且節省燃料、轉矩傳遞過程中不會中斷[5]。

1.3 機械無級式自動變速器（CVT）

CVT出世至今已有百多年的歷史`，但把這種理念轉化為汽車上的應用是奔馳公司，在1886年就將研發的V型橡膠帶式CVT應用裝車。傳統的金屬帶式CVT由主動輪組、從動輪組、金屬帶、液壓操縱系統組成[6]。CVT通過液壓操縱系統控制主動錐齒輪和從動錐齒輪金屬帶的軸向移動改變圓盤的半徑大小從而改變傳動比。因為主從動輪的工作半徑在金屬帶的作用下可以連續調節，最終達到速比的無級變化。無級變速器使汽車在任何工況下都可以達到最佳傳動比，達到節能減排的目的。CVT同時衍生出了IVT，可以實現小型輕量化，速比過零點；且傳遞的轉矩比帶式CVT大，發熱小。

我國CVT技術起步較晚，直到2012年奇瑞汽車公司自主研發CVT裝車，才標志著我國CVT變速器真正實現自主化。

1.4 雙離合自動變速器(DCT)

20世紀40年代，由RudolphFranke教授申請了全球首項DCT發明專利，雖然進行了裝車實驗，但沒有批量生產。20世紀80年代初，保時捷公司研發了雙離合變速器(PDK)應用于賽車上，但也未能產生實際價值。直到2003年博格華納集團和大眾公司共同研發出了技術穩定的6速雙離合自動變速器(DSG)。目前大眾已將DSG技術廣泛應用于Golf、AudiTT等多款新主流車型上[7]。雙離合變速器為了實現短時間內換擋，將原有的機械式變速器擋位按奇數擋和偶數擋分開布置。由離合器1、2分別控制奇數擋和偶數擋，即變速器有2個擋位在工作過程中總是結合的。達到換擋不中斷動力的目的，降低換擋沖擊。

自1990年以來，DCT成為各大汽車廠商和研發部門研究的熱點，其中以大眾DSG為代表的雙離合變速器占據主要市場，現在已經演變成干式和濕式雙離合，廣泛應用于國內外汽車廠商。

AT、AMT、CVT、DCT在組成結構、工作原理和換擋控制策略等都發展成熟，在換擋舒適性、功率傳遞、經濟性、生產難易度等方面這4種自動變速器系統有各自的特點[8]。AT增矩作用明顯，功率傳遞效率高，零件及總成壽命長，生產成本低，但變矩范圍有限，耗油量大，總成復雜，對速度反應靈敏性較差，必將朝著機構總成輕量化，換擋控制優化發展。AMT總體結構簡單，易于操縱，造價低，適用于重型車輛，但換擋過程平順性較差，控制參量，自動化程度要求高，必將朝著優化控制策略、減小換擋沖擊和智能化發展。CVT結構原理簡單，舒適性高，傳遞效率較高，加速性能好，燃油經濟性好，但扭矩和轉矩傳遞范圍受限，傳動鋼帶使用壽命短，制造成本高，工藝性差。所以提高CVT扭矩傳遞能力，傳遞效率，鋼帶壽命，降低制造成本勢在必行。DCT換擋時間短，沖擊小，功率傳遞不受限制，生產集成性好。但控制執行機構生產制造較困難，控制方法比較復雜，且被少數國外廠家掌控，所以DCT技術發展還需要改善換擋性能，完善控制技術，降低生產成本，提高電路集成化。

2 汽車自動變速器的新飛躍

2.1 活齒CVT（HN-CVT）

活齒CVT屬于我國自主創新，在國際上處于領先地位的一種新型無級變速器。它徹底改變了以往無級變速長期以來靠摩擦傳動的方式，極大地提高了無級變速傳遞動力的功率和效率，綜合性能發生質的飛躍。它是一種概念新、效率高、功率大的非摩擦式機械無級變速器[9]。活齒CVT擁有自主知識產權，概念新穎；擁有多項專利，市場范圍廣，實現的經濟價值大；其輸出功率和轉矩都較傳統CVT有很大的提高。

活齒CVT的基本結構是由主動棘輪、從動棘輪、金屬齒形鏈、滑片及活齒單元組成。HN-CVT采用活齒嚙合傳動（圖1），它的齒“一死一活”，“死齒”位于金屬鏈條上的固定齒，“活齒”位于活齒單元上一個個可移動滑片。通過改變液壓力使錐輪軸向移動，錐輪軸向產生的壓力使活齒單元在滾輪作用下沿錐輪嵌槽徑向移動，從而改變金屬齒形鏈與主從動棘輪中活齒單元的工作半徑，從而實現無級變速。

圖1 活齒CVT結構

CVT工作前，活齒位于活齒槽中；工作時，活齒槽中的滑片在鋼帶壓力和錐盤離心力共同作用下，甩出并與金屬齒形鏈的鏈齒嚙合，實現動力傳遞。活齒在運動和受力方向不同時，它可以根據當前的嚙合齒形所需及時變形而實現無級嚙合（圖2）。因為齒片可以在槽中自由活動，所以在嚙合傳動時HN-CVT仍可以實現無級變速[10]。

圖2 活齒CVT的工作原理圖

活齒CVT綜合了傳統CVT和MT變速器大功率、高效率無級機械傳動等優點，克服了扭矩有限、傳動帶制造的缺點，不僅動力性強，燃油經濟性提高了，同時無級傳動提高了整車使用性能。

2.2 磁流變雙離合自動變速器（MRDCT）

針對機械機構和控制方法的優化問題，研究者研發了一種磁流變雙離合自動變速器（MRDCT），用MRDCT來取代傳統的摩擦片式雙離合器，以達到簡化DCT機械結構和控制方法的目的[11]。磁流變液是能夠在磁場控制下轉化形態的一種智能材料，在強磁場中，它能由牛頓流體轉變為賓漢姆塑性體，流體黏度和剪切屈服應力以倍數增大，流動性較低；當磁場消失，它又重新回到牛頓流體狀態。磁流變液的黏度很低，整個磁流變效應可在極短的時間內完成，并且整個反應過程是可逆的[12]。

磁流變雙離合變速器由輸入軸、輸出軸、磁流變液、換擋執行機構、磁流單向離合器、換擋控制系統組成。在換擋時，磁流變液在電流產生的磁場作用下產生磁鏈，這種鏈狀結構增大了液體的剪切應力，并通過這種力傳遞動力，相當于磁流變液自身固化把主、被動件結合在一起作機械連接，此時離合器處于結合狀態。

與傳統的DCT結構相比，MRDCT是一款具有可控性能高、結構簡單、經濟性能好、反應速率極快的雙離合自動變速器。不僅保留傳統DCT特點，而且進一步降低成本，散熱性能更佳。是DCT技術的又一次發展，解決制約雙離合模塊技術壟斷問題。該研究的不足在于活齒CVT的活齒單元和MRDCT的磁流變液的選材上還未達到理想的效果，更佳的材料還在探索中。

3 結束語

本文針對現有廣泛應用的自動變速器，從機構、工作原理、換擋控制策略、傳遞效率、經濟性和舒適性等各方面對4種自動變速器進行系統分析，進而提出傳統自動變速器需克服的弊端和未來的發展方向。

簡析了兩種新型的活齒CVT和磁流變DCT變速器的機械結構和工作原理。相比于傳統的自動變速器，新型變速器雖然有質的飛躍，但是在機械結構、材料選取、控制系統以及實用性方面還有待于進一步研究。