某越野汽車匹配液力自動變速箱動力性研究與應用

劉 剛，湯俊勇，李 軍，汪泉雨，駱 偉

（東風特種裝備事業部（東風越野車有限公司），湖北 武漢 430056）

隨著社會經濟的發展，人們生活水平的提高，越野車作為一種特殊的交通工具進入了千家萬戶。同時，越野汽車也是應急搶險、消防救援時的重要裝備之一，是順利完成日常訓練、戰時保障的基礎，其具有優越的機動性能和越野性能，是人員輸送、物資投送的重要運輸裝備。因此，現在汽車行業內越來越重視越野汽車的技術升級，特別是機動性能和越野性能的提高。本文以某款匹配液力自動變速箱的越野汽車為例，闡述了動力性仿真分析及試驗測試。

1 自動變速箱技術的發展

液力自動變速箱從上世紀30年代誕生至今，通過不斷的技術創新，產品不斷迭代發展。世界上第一臺自動變速箱是美國 GM公司制造的，我國在汽車發動機與液力自動變速箱匹配方面的研究起步較晚，國內汽車行業和高校經過30多年的研究，取得了較大成果。

目前車用的自動變速箱可以分為三類：液力自動變速箱（Automatic Transmission, AT），電控機械式自動變速器（Automated Mechanical Transmission, AMT）以及無極自動變速箱（Continuously Variable Transmission, CVT）。

1.1 AT箱

AT箱是由液力變矩器與一套平行軸式齒輪組或旋轉軸式齒輪組構成，通過液力傳動和機械傳動將發動機動力傳遞給驅動輪。在換擋時，通過控制離合器的分離和結合來完成無動力中斷的換擋過程。這種變速箱的主要優點有：

（1）可根據外界的阻力變化自動變矩；

（2）可有效避免因車輛載荷突變導致的發動機熄火；

（3）減少傳動系統傳遞的動態載荷，有效吸收振動和沖擊，提高傳動系統的使用壽命；

（4）液力傳動特有的隔振性能，有效降低汽車換擋沖擊，提高駕乘舒適性；

（5）提高汽車通過性能。汽車在雪地、沙地、泥濘地等松軟路面上起步及加速時，車輪滑轉小，汽車能以穩定的車速行駛。

目前AT箱大多采用閉鎖離合器，有效提高了液力變矩器的工作效率，變矩器在汽車起步加速以及克服較大行駛阻力時才解鎖發揮變矩作用，在穩定工況時變矩器保持閉鎖狀態不起作用。隨著 AT箱的技術發展以及生產制造工藝的快速發展，AT箱在未來將成為自動變速箱的主力產品。因此，對AT箱的匹配研究具有非常重要的意義。

1.2 AMT

AMT自動變速箱是在齒輪式手動換擋變速箱的基礎上，通過控制器來實現變速箱的選換擋及離合器結合操作，從而實現自動變速功能。

根據汽車行駛路況，并結合駕駛員的意圖，在整車開發階段需要對換擋策略、發動機油門開度進行標定，通過標定匹配，實現整車最優的動力性與燃油經濟性。

1.3 CVT

CVT采用無級變速技術，它采用傳動帶和工作直徑可變的主、從動輪相配合來傳遞動力，可以實現傳動比的連續改變，從而得到傳動系與發動機工況的最佳匹配。

CVT無極變速箱的主要優勢包括：

（1）組成結構簡單，變速箱體積小，零件少；

（2）傳動速比范圍寬，與發動機的匹配更有利于降低油耗；

（3）機械效率高，功率損失小。

2 車輛液力自動變速器結構

借鑒當前世界先進水平，目前國內自主液力自動變速箱的研發、生產制造技術已取得顯著成果，多款自主液力自動變速箱已實現裝車量產。以某款越野汽車匹配的液力自動變速箱為例，進行結構分析說明，該液力自動變速箱由前箱體、變矩器、主箱體、中間軸、后蓋以及控制器等模塊組成。

該款液力自動變速箱具有液力傳動與機械傳動綜合的特點。在結構上將液力變矩器、行星變速機構、液壓控制和冷卻潤滑系統等部件綜合在一個箱體內。自動變速器采用集成扭轉減振器和閉鎖離合器的液力變矩器、行星變速機構、液壓控制和冷卻潤滑系統及自動換擋電控系統，使車輛具備了動力換擋和自動換擋功能；通過采用電液比例電控系統，進一步提升換擋品質，確保動力換擋過程的連續性；采用新型換擋方式，實現了液力變矩器閉鎖工況自動換擋，縮短了換擋時間，有效提高了整車動力性。該款液力自動變速箱外形如圖1所示。

圖1 液力自動變速箱外形圖

因此，越野汽車匹配液力自動變速箱優勢明顯，對匹配液力自動變速箱進行研究具有非常重要的實際意義。

3 某越野車匹配液力自動變速箱動力性分析

以匹配液力自動變速箱的某款越野汽車作為研究對象，進行動力性分析。借助目前常用的CRUISE軟件來進行整車動力性仿真，不僅可以降低研發經費，而且可以得到與實際試驗非常接近的結果。

3.1 動力系統匹配

以某款越野汽車整車基本參數及動力性指標要求作為輸入，如表1所示。

表1 某款越野汽車基本參數及動力性指標要求

其中，發動機外特性曲線如圖2所示。

圖2 發動機外特性曲線圖

該款越野汽車匹配某液力自動變速箱，該液力自動變速箱主要組成部件有液力變矩器、行星變速機構、自動變速器電子控制系統電控裝置及冷卻潤滑系統等。采用液力變矩器主要優點在于操作簡便，起步、換擋平順，且發動機不易熄火。液力變矩器原始特性一般由臺架試驗測得，該款液力越野汽車匹配自動變速箱的液力變矩器原始特性如圖3所示。

圖3 液力變矩器原始特性曲線圖

利用發動機外特性曲線與不同速比時液力變矩器轉矩曲線的交點，也就是發動機油門全開時發動機與液力變矩器的共同工作點，即可確定液力變矩器輸入、輸出特性參數，即發動機與液力變矩器共同工作輸出特性，根據此輸出特性可以確定汽車的動力性。

3.2 仿真模型

利用 CRUISE軟件。首先建立整車模型，如圖4所示。在整車模型中定義好整車的基礎參數，包括軸距、整備質量、整車總質量、迎風面積、風阻系數等參數。另外，發動機、液力變矩器、變速器、分動箱、前后驅動橋以及車輪等參數分別在整車模型中各對應的子模塊中定義。定義好各參數后，就可以進行整車動力性仿真計算了。

圖4 整車模型

3.3 計算結果

經理論仿真計算，該款越野汽車動力性匹配結果如表2所示。

表2 某款越野汽車動力性匹配結果

最高車速對應變速箱最高擋、分動箱高擋時的車速值。其中，原地起步加速到80 km/h最短時間對應分動箱高擋，加速時間如圖5所示。

圖5 加速時間曲線圖

4 整車動力性試驗驗證

分別根據國標 GB/T12544—2012《汽車最高車速試驗方法》、GB/T12543—2009《汽車加速性能試驗方法》、GB/T12539—2018《汽車爬陡坡試驗方法》，對該越野汽車的整車性能指標進行驗證，試驗環境符合國標相關規定。其中，整車加速試驗如圖6所示，整車爬坡試驗如圖7所示。

圖6 整車加速試驗

圖7 整車爬坡試驗

經整車動力性試驗驗證，該越野汽車動力性試驗結果見表3。從試驗結果分析，與傳統匹配手動變速箱的越野車相比，加速性能提高最為明顯，加速時間減少了35%。

表3 試驗結果

5 結論

（1）經分析研究，液力自動變速箱具有液力傳動與機械傳動綜合的特點，該越野汽車匹配液力自動變速箱的優勢明顯。采用新型換擋方式，實現了液力變矩器閉鎖工況自動換擋，縮短了換擋時間，有效提高了整車動力性；

（2）利用常用的CRUISE軟件來進行整車動力性仿真，不僅可以降低研發經費，而且可以得到與實際試驗非常接近的結果；

（3）根據某款越野汽車的具體參數，對其匹配液力自動變速箱進行了動力性仿真分析。匹配液力自動變速箱的越野汽車能夠達到較好的動力輸出，加速性能可提升35%。