启飞汽车

作者:黎华  来源：大众汽车.学术版
 
摘要
 
    本款变速器将无级变速技术和混合动力系统相结合，采用机械传动和液压传动相结合的方式达到高效节能的目的，并且提高车辆的动力性能，改造成本远低于油电混合驱动方式。前期试验结果表明，该装置的城市工况节油率达20%左右。本款变速器系统的应用可以有效减轻驾驶者劳动强度、降低油耗、减少环境污染，具有巨大的社会效益，因此本款变速器的研发具有重要的理论意义和实际应用价值。

一、汽车自动变速器的基本情况

　　
（一）国外自动变速器的基本情况

　　世界上第一台用于大规模生产的的全自动变速器是通用公司在二十世纪四十年代生产的Hydra-Matic，这台变速器使用液力耦合器（而不是液力变矩器）和三排行星齿轮提供四个前进档和一个倒档。Hydra-Matic最初被装于奥兹莫比尔，而后凯迪拉克和庞蒂克也采用了这种变速器。
　　自动变速器最重要的改进是在二战期间，别克公司为坦克开发了液力变矩器，到1948年，这种液力变矩器与其它部件结合成为液力变速器而定型成为通用的自动变速器。
　　二十世纪七十年代到九十年代相继出现了带锁定离合器的液力变矩器、四速自动变速器、复合式辛普森行星齿轮机构等形式的自动变速器
　　二十世纪九十年代以来五速和六速自动变速器广泛应用于福特，通用，丰田和本田等汽车上、同时也逐步出现了自动手动式自动变速器、无级变速器、双离合器式自动变速器等结构形式的自动变速器。
　　
（二）国内自动变速器的基本情况

　　自动变速器在我国一直是处于十分落后状态，除了70年代长春第一汽车制造厂曾为红旗牌轿车配置了自动变速器之后，将近二十多年来，国产轿车从未出现过自动变速器总成。自从20世纪80年代以来，国外大量的现代轿车进人我国市场，特别在一些国际化大都市，装备有自动变速器的进口轿车的保有量迅速增长。
　　
二、原理及及采用理论

　　
（一）原理

　　本款自动变速器由变速机构系统、液压马达/泵、液压储能器和TCU控制器系统四部分组成，在控制系统作用下，当汽车制动或遇红灯停车时，液压泵将能量变成液压能储存起来，当汽车再行驶时，液压能通液压马达转化为机械能驱动汽车前进，当车辆低速前进或怠速停车时，控制系统自动优化发动机工况，使油耗在最低耗能状态下工作，并在必要时实现发动机的自动熄火和启动。液压马达与液压泵的切换、液压驱动系统与发动机驱动系统的切换、制动能回收和发动机工况优化全部是在控制系统软件作用下自动切换，不仅实现了能耗的降低，而且实现了自动变速，降低了驾驶员的劳动强度。
　　
（二）本款变速器选用此种方案的优势

　　（1）从成本的角度看，实现混合动力系统所需要的同等功率液压泵和液压蓄能器与电池和电机相比，价格要便宜得多。
　　（2）从循环使用寿命看，在目前电池的技术水平上，单体电池能达到千次循环使用寿命，在几十个电池串联成组条件下，循环寿命如何，尚难预料。但液压蓄能器的循环寿命是经过工业级考验的，在数万次到数十万次之间是可以保证实现，且性能不会衰退，这是电池很难以达到的。
　　（3）从安全的角度考虑，电池的安全性尚有待检验，但液压系统和液压蓄能器的安全性是数十年的工业应用证明可以保证的。
　　（4）机械与液压技术相对比较成熟，已有近百年的应用历史，其产业化的难度和风险相比于油电混合应当小很多。
　　
三、实施方案

　　在安装有内燃机的汽车上，配置液压蓄能器作为蓄能装置，配置两台变量液动机作为混合动力驱动装置，通过能源管理系统和以行星轮系加传动齿轮组为主体构成的机液分流分段无级变速传动系统，实现将机械、液压两大技术通过分汇流传动有机的集成。
　　
（一）装置结构
 

　　101：内燃发动机、102：飞轮、103：差动行星轮系、104：机械传动机构、105：动力合成与主减速器、106：液压储能器、107：第一液动机、108：第二液动机、109：液压控制阀块、110：低压油箱、111：行星轮锁止器、112：低速档、113： 高速档
　　本装置各部件之间的连接关系是：
　　内燃发动机101的输出轴通过飞轮102和带锁止器的差动行星轮系103的输入端固定连接；差动行星轮系103的输出端和机械传动机构104的输入轴固定连接；传动机构104的输出轴与动力合成与主减速器105依次固定连接；差动行星轮系103的控制端和第一液动机107的动力轴固定连接，第二液动机108的动力轴和动力合成与主减速器105的动力合成轴固定联结；
　　第一液动机107的高压端、第二液动机108的高压端均通过液压控制器109与液压储能器106、液压油箱110以液压管路方式相连，第一液动机107的低压端、第二液动机108的低压端和低压油箱110也以液压管路方式相连。
　　
（二）档位实现方式

　　一般内燃发动机本身具有从怠速到最高转速的近似恒扭矩调速功能，在本项目中又加上分流传动无级变速和机械传动机构的两级变速，由此构成有四个节点的高效主传动链：
　　（1）无级起步工况：主传动路线为：101-102-103-104-105
　　联动调节发动机节气门的开度、第一液动机107和第二液动机108的排量，即可调节系统输出力矩大小，汽车即以不同的加速度起步。此为辅助传动路线， 辅助传动路线为：101-102-103-107-109-108-105。
　　（2）低速档工况：传动机构设置为低速档112，此为节点1；如行星轮系锁止器111锁止，行星轮系成为刚体直接传动，整个变速器即为直接传动档，此为节点2。
　　（3）高速档工况：传动机构设置为低速档113，行星轮系同样有太阳轮制动和行星轮系被锁止成刚体直接传动两种模式，即又形成整个变速器的一小、一大两个升速比的纯机械啮合传动节点：节点3和节点4。
   （4）减速工况：根据驾驶者的意图，以第二液动机108以及机械制动方式制动减速，部分回收机械能。 
　　
四、研发过程中遇到的问题及解决方案
 
（一）液压离合器和制动器打滑、摩擦片扭曲变形、烧结问题及解决方案
 
　　在此之前，由于缺乏经验出现过如下问题 
　　A、摩擦片有打滑、扭曲变形等情况； 
　　B、 远离活塞端的摩擦片和其对偶片有烧结现象； 
　　C、离合器和制动器摩擦片对偶片外齿与铸造箱体内齿摩擦产生铁粉； 
　　针对以上问题对结构及设计进行了核算和优化，对于A问题，摩擦片打滑、扭曲变形等情况，分析发现是由于选取摩擦面时安全系数取值较小造成，导致作用于摩擦面上的力值稍小。，重新设计时将输入扭矩安全系数从1.12增到1.29，使得液压离合器趋于稳定。 
　　在合理匹配摩擦面和空间尺寸的问题上，以液压离合器C3为例，液压工作压力为P=1kgf/cm2，活塞外径为D=16.3cm， 活塞内径为d=6.6cm， 摩擦系数f =0.1， n 为摩擦面数量，根据公式扭矩 
　　M=F*R=P*S*f*n*9.8*R 
　　= P *[3.14（D2-d2） /4] *f*n*9.8*R 
　　代入数据后整理得n*R=0.895 
　　由上式可知，摩擦片数与作用力臂成反比。摩擦副数的选择，应在保证传递所需转矩的前提下尽量少。摩擦副数少，则分离彻底，分离状态下的磨损小，功率损失少。实际情况是由于结构限制，要减少摩擦面数，就要增大力臂R，，为此，设计时特意抬高R值，使得R值达到65mm，由此算出摩擦面为1377，故选择14个摩擦面。同时由于抬高了R值，右侧的挡板也相应的抬高作用点，使活塞作用点和挡板作用点在一个水平线上。这样经过结构的调整及摩擦面的重新选择，合理优化后，经试验证明完全消除了摩擦片打滑、扭曲变形等情况。 
　　对于B问题，远离活塞端的摩擦片有烧结现象的问题，经分析发现，是由于路试时控制系统在控制离合器吸合时间隔时间过短及摩擦片对偶片散热不良造成，为此，在程序控制上适当延长切换时间并且在摩擦片对偶片上打散热孔同时在离合器缸底部加单向阀，经试验证明解决了上述问题。 
　　对于C问题， 离合器摩擦片对偶片外齿与铸铁箱体内齿摩擦产生铁粉采取了将铸铁箱体内齿与箱体分离采用锻件，提高其强度和硬度的方式得以解决。 
　　经过上述改进，使得该款变速器离合器组件趋于稳定。 
　　
（二）液压离合器旋转配油漏油严重的问题及解决方案
 
　　由于国内汽车公司至今未能批量生产出自主知识产权的汽车自动变速器，故国内市场上也没有成型的液压离合器配油密封装置，只有军工与航空工业中有应用，且大都采用引进的产品。配油机构是液压离合器以及润滑系统必备的辅助机构，对密封性能和滑动阻力要求很高，早期选用了铸铁环作为配油环，在实验时发现泄漏量较大达到240ml/min[3]，不能满足小于120ml/min泄漏量的要求。为了减少泄漏量，我们对配油盘材料进行了多种材料的研究与试验，最终确定用聚四氟乙烯为材质的配油环。[4]同时并对几种接口方式做了泄漏量测试，测试结果证明勾口形式的泄漏量可达到低于50ml/min，效果最佳，最终确定了采用聚四氟乙烯材质勾口密封配油环。 
　　
结论
 
　　我国汽车产业长期以来依赖于外来技术，急需自主创新的重大科技成果，迄今为止，已经诞生了几十年的自动档变速器技术，我国没有掌握，也不能独立自主的生产出来，仿制剽窃国外研发成果现象十分普遍，受到了世界汽车产业界的诸多批评。本款变速器的研发成功，将促进我国汽车产业的自主创新水平，在传动领域追赶并赶超世界先进水平，带动汽车零部件制造业的发展，具有十分重要的意义。
 

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