汽车变速器技术的变革和未来发展趋势

汽车变速器基本分为5大类：手动变速器（MT）、自动手动变速器（AMT，例如奇瑞QQ）、无级变速器（CVT）、双离合器变速器（DCT，例如一汽迈腾轿车所用02E变速器）和自动变速器（AT）。这些变速器各自都有不同的优势。例如，自动变速器的传动效率虽然只有85%，但舒适性、安全性好；手动变速器的传动效率高；无级变速器的换档性能、舒适性、安全性更好；而双离合器变速器则兼容了自动变速器和手动变速器的双重优点，既保证了驾驶安全性、舒适性，同时还提高了传动效率。

从结构上看，MT、AMT和DCT还是有许多相同之处，但自动变速器AT和无级变速器CVT就截然不同了。从整体控制上各自有各自的风格。但从未来发展趋势上看，谁是最大的赢家还很难确定。当前几款主流变速器如图5-14所示。下面对几款变速器特点及发展趋势进行分析。

1）手动变速器是汽车中最常见的变速器之一。它的基本原理是用几根平行轴（输入轴、输出轴和中间轴）及若干相啮合的直齿或斜齿齿轮进行动力传递，它们构成了变速器的主体，当然还有一根倒档轴以及同步器等部件。其工作过程就是靠驾驶人通过变速杆实现不同的齿轮啮合，最终实现不同档位的齿轮比。

图5-14 当前几款主流变速器

2）AMT变速器实际上是由一个机器系统来完成操作离合器和选档这两个动作。AMT变速器汽车驾驶简单，它省去了离合器踏板，驾驶人只要踩加速踏板，速选器系统会自动地选择换档的最佳时机，从而消除了发动机、离合器和变速器的错误使用，以避免错换档位。这一点对新手和整车的可靠性都非常重要。速选器大大减化了驾驶的复杂性，让AMT汽车驾驶更加简便、省心，且能够保证最低的动力损耗。由速选器完成驾驶人踩离合器换档的动作，选择的换档时机要比驾驶人完成得更准确。因此，在能源日益紧缺和CO₂排放压力越来越大的背景下，AMT变速器顺应了节能减排这一趋势，是一项非常适合中国市场的先进技术。AMT变速器的制造成本远低于电液控自动变速器，国内的很多车型都准备采用这一技术。AMT变速器工作原理如图5-15所示。

3）无级变速器（CVT）则只需两组可移动锥轮以及工作起中间的传动带或传动链即可实现无数个前进档的变速过程。CVT采用传动带或传动链和可变槽宽的锥轮进行动力传递及传动比的选择，即当锥轮变化槽宽时，相应改变主动轮与从动轮上传动带的接触半径进行变速。CVT是真正无级化了，与AT比较，它具有较高的运行效率和低油耗。通过近几年市场上的应用看，其发展势头也比较迅猛。目前，在我国应用的车型由原来的一两种车型迅速发展到五六种车型甚至更多。图5-16为中国CVT未来几年的市场展望。

图5-15 AMT变速器工作原理图

图5-16 中国CVT市场的展望调查

当前，全世界各大汽车厂商为了提高产品的竞争力，大力进行CVT的研发工作。现在NISSAN、TOYOTA、FORD、GM、AUDI等著名汽车品牌中，都有配备CVT变速器的轿车销售，全世界CVT轿车的年产量已达到近50万辆。有一点值得注意的是，装备有CVT的汽车市场，由最初的日本、欧洲已经渗透到北美市场。无级变速器汽车已经成为当今汽车发展的主要趋势。

4）双离合器变速器（DCT）最早是德国大众技术，因此在大众车系里又称DSG变速器。它可以说是目前世界上最先进的、具有革命性的变速器系统。大众汽车在2002年于德国沃尔夫斯堡首次向世界展示了这一技术创新。DSG变速器旨在满足消费者对驾驶运动感和车辆节油的双重要求，为那些酷爱手动变速器的驾驶者们提供了一个最佳选择。DSG带来低油耗的同时，车辆性能方面没有任何损失，同样具有出色的加速性和最高时速，并且与传统自动变速器一样可以实现顺畅换档，不影响牵引力，因此，既保证了其舒适性，同时还体现其动感加速性。DSG变速器结构图如图5-17所示。

图5-17 DSG变速器结构原理图

DSG变速器的特点如下：

•新一代DSG变速器采用了2个离合器和6个前进档的传统齿轮变速器作为动力的传送部件，这是目前世界上较先进的、具有革命性的自动变速器。

•DSG变速器没有液力变矩器，也没有离合器踏板。

•DSG变速器在传动过程中的能耗损失非常有限，大大提高了车辆的燃油经济性。

•DSG变速器的反应非常灵敏，具有良好的驾驶乐趣。

•车辆在加速过程中不会有动力中断的感觉，使车辆的加速更加强劲、圆滑。100km加速时间比传统手动变速器还短。

•DSG变速器的动力传送部件是一台三轴式6前进档的传统齿轮变速器，增加了传动比的分配。

•DSG变速器的多片湿式双离合器是由电子液压控制系统来操控的，两个离合器的工作过程是一个工作，一个不工作，不会同时出现两个离合器都参与工作的情况。

•双离合器的使用，可以使变速器同时有两个档位啮合，使换挡操作更加快捷。

•DSG变速器也有手动和自动两种控制模式，除了变速杆可以控制外，转向盘上还配备有手动控制的换档按钮，在行驶中两种控制模式之间可以随时切换。(www.xing528.com)

•选用手动模式时，如果不进行升档操作，即使将加速踏板踩到底，DSG变速器也不会作出升档反应。

•模糊逻辑控制可以根据驾驶人的意愿进行换档控制。

•在手动控制模式下，可以跳跃降档。

继2003年推出6速DSG变速器之后，2008年3月大众公司又发布了一款最新研制的7速DSG变速器，采用7速DSG变速器后，车辆能够在1档状态下获得更为出色的加速能力。而第7档则提升了整车的舒适性和燃油经济性。

5）电子控制液力自动变速器（AT）近些年新技术也不断在使用，它正朝着多档位、数字化控制等方面发展。

日本最大的自动变速器生产商AISIN AW公司，2006年成功推出型号为AA80E型8前速自动变速器，已使用在雷克萨斯LS460轿车上（图5-18）。这就形成了更大的总传动比范围，发动机转速与行驶状态的最优化匹配，意味着发动机提高了动力、燃油经济性并降低了运行噪音。

图5-18 雷克萨斯LS460使用的AA80E型8前速自动变速器

我国权威机构在2006年对汽车变速器市场进行了详细分析报道，如图5-19所示。

图5-19 2006年汽车变速器市场细分图

自动变速器朝着多档位发展：自动变速器技术由过去传统的简单4前速电子控制（3个电磁阀）发展到今天的6～8前速（多电磁阀控制）的模糊逻辑控制加网络控制。档位数的增多意味着总的传动比范围在加宽，因此换档时间会变得提前，同时又是在发动机低转速下完成，因此既保证了燃油经济性，同时还满足了其加速性能。

机械结构逐渐简化：虽说新型变速器档位数在增多，但并不意味着变速器整体结构变得复杂、体积变得庞大，这是因为其机械元件的组合，由过去众多数量的换档执行元件控制多个行星排来实现简单4前1倒的变速功能，发展到5个换档执行元件控制的莱佩莱捷式行星轮组，通过逻辑组合即可实现6前1倒的变速功能，零部件数量减半。ZF公司生产6HP系列变速器就是一个例子，其结构如图5-20所示。

图5-20 宝马6HP系列变速器内部结构

电子控制比较人性化：在机械和液压方面越来越简化，元件少了，阀门数量也少了；但在电子控制方面，整体控制策略却越来越复杂，而且控制要求越来越精确。特别在转矩协调控制、安全保护控制、模糊逻辑控制、重叠换档控制等人性化方面更加明显。

为了改善换档质量，体现驾驶舒适性，在自动变速器换档过程中，发动机必须实现转矩协调控制。发动机在自动变速器换档过程中，主要通过瞬间改变喷油量和延迟点火等功能来维持换档过渡平顺性能。安全保护控制主要是指当自动变速器机械、液压、电子控制等方面出现故障时，而且该故障能够对变速器构成较大威胁，为保护变速器不进一步受到伤害，自动变速器ECU通过接收各传感器信息后所启动的一项保护措施。模糊逻辑控制的是微电脑具有模仿人体大脑的功能，能够预测到驾驶人的下一个动作，并最终实现最佳换档时间控制，以及换档点的任意切换控制等。在这里重点介绍重叠换档控制，因为好多维修人员对其认识仍比较模糊。

换挡过程实际上是摩擦元件的摩擦力交替的过程，在常见的摩擦式离合器与离合器或离合器与制动器在换档中，若摩擦力矩替换过程的定时不当，将会引起输出转矩的急剧变动。两个离合器之间或离合器与制动器之间摩擦力矩的替换，总会有或多或少的中断间隔或重叠。重叠不足或重叠过多，都会产生不应有的换档冲击。

重叠不足是指待分离的离合器过快地泄油分离，待结合的离合器未能建立足够的油压，因而出现两个离合器传递转矩间断的现象。在这个重叠不足的时间内，输出转矩先是下降过多，随后又急剧上升，形成较大的转矩扰动。与此同时，发动机转速也得不到平稳地过渡，先是因负荷减小而增速，后又因负荷急剧增大而降速。

重叠过多是指在待结合的离合器已经能够传递很大的转矩时，应分离的离合器还没有很好地泄油分离，因而出现两个执行机构同时工作的情况。在一个短暂时间内，两个档位重叠工作，使发动机和输出轴都受到制动作用，因而输出轴有很大的转矩扰动。随后又因应分离的离合器分离，使变速器输出轴的转矩又急剧升高。重叠过多的转矩扰动比重叠不足时更严重。同时发动机的转速先是急降，后再回升，表现出不稳的情况。重叠过多的升档过程最不平稳。

所以要对两个交替换档的执行元件的泄油、充油过程进行控制，以得到最满意的交替衔接。过去，传统自动变速器是通过换档定时控制来避免换档执行元件交替转换时出现时间差和过度重叠的现象。而在一些新式自动变速器换档控制上，允许两个元件交替转换时出现重叠，目前一些5前速和6前速变速器具有这种重叠换档控制。

例如：ZF公司生产的6HP系列变速器在执行全部换档（从第1-6档位和从第6-1档位）时，相邻两档的换档执行元件在交替作业中，就是利用重叠换档。也就是说，在换档期间，正在传递力的离合器在释放前保持一段时间，直到相应的准换档离合器随着正在传递力的离合器压力的下降接收到适合的转矩为止。转矩的协调是通过加档时短时间降低发动机转矩，或在减档时增加发动机转矩来支持换档过程。

重叠换档的最大优势：借助于重叠换档，使用离合器的电子液压控制几乎可以替代空转。

执行器数量在增多的同时其控制类型也在改变：现在，自动变速器执行器电磁阀数量越来越多，开关型电磁阀少了而频率的电磁阀多了，控制油路的机械滑阀数量也越来越少了（多电磁阀控制的目的是改善换档质量）。一个滑阀可能会根据油路的转换实现多用途，一个简单的电磁阀也会实现多用途，它既可以实现换档控制，同时也可以担负油压调节控制。在过去传统型电子控制自动变速器中，换档油路的切换是靠开关型电磁阀来控制的，只是一个开关型的切换油路（为使换档执行元件接合时不必产生过大的振动，在油路的缓冲控制中，通常采用节流和储能装置实现减缓控制），而在6HP系列中的执行器中，采用6个具有高流量特点高频率的脉宽调制电磁阀，其中一个（EDS5）主要用来完成系统压力调节功能，另外一个（EDS6）用来完成发动机与变速器的机械连接功能（TCC），剩下4个电磁阀（EDS1-A、EDS2-B、EDS3-C、EDS4-E/D）分别控制着5个换档执行元件的接合与分离。也就是说，换档油路控制由原来的开关型转变为调节型，这样就大大改善了其换档质量。