汽车cvt结构和性能的研究.docx

192汽车CVT结构和性能的研究 摘要： 改善燃油经济性和二氧化碳排放水平是新型轿车开发工作中优先考虑的问题。新开发的6档自动变速器和CVT将应用在车辆上。这些变速器可完全满足降低燃油消耗和排放的要求，并在任何情况下都能提高驾驶舒适性。将它们于5档后轮驱动和4档前轮驱动自动变速器相比，即可发现新变速器系统的优越性。在NEDC(新欧洲循环驾驶)试验中可节约6%8%的燃油。关键词：汽车,自动变速器,无级变速器,燃油经济性,加速性Abstract：The improvement in fuel economy and in CO2 emission levels has a high priority in the development work of new passenger cars and new modelsNewly developed 6一speed automatic transmissions and continuously variable transmissions (CVT)will be available in vehicles in the near futureThese transmissions will fulfill the requirements to reduce fuel consumption and emissions and will increase driving com fort at the same timeA comparison with the state of the art solutions，ie5一speed automatic transmissions forrear wheel driven and 4-speed automatics for front wheel driven cars，shows the advantage of the new transmission systems The new designs lead to a fuel consumption reduction in the New European Driving Cycle(NEDC)of 6 to 8%.Key words: Automobile , Automatic Transmission , CVT , Fuel economy , Acceleration引言目前在轿车开发过程中，降低燃油消耗是检验新品种和新车型的一个关键。在欧洲，背后的促进力量来自：1991年德国汽车制造商自行决定在2005年实现减少燃油消耗25%，同时欧洲汽车协会(ACEA)在1995年建议将汽车燃油消耗降至欧洲可接受的水平。德国汽车制造商预测以汽车工业平均水平而论在14年内能将轿车的平均油耗从8升100km 降到6升100km ，相当于从每加仑56.8英里增加到每加仑75.7英里。ACEA 的协议建立在到2008年汽车的二氧化碳排放将从180gkm(112gmi)降至140gkm(87gmi) 。这样一个雄心勃勃的目标只能通过各方面的改进才能实现。为达到该目标，除了改进发动机外，传动系统也应做出贡献。作为传动系的主要部件，变速器尤为重要。除了最低燃油消耗和高的性价比外，在评判轿车水平方面，驾驶舒适性正成为一个重要的依据。本文将重点对传动系统中的变速器的进行研究和论述，来说明对变速器的改进对汽车经济性的贡献。第1章 变速器的种类简介及运用1. 1变速器的功能变速器是汽车传动系中重要的机构，它的作用主要有3个，分别是：第一，在较大范围内改变汽车行驶速度的大小和汽车驱动轮上扭矩的大小。由于汽车行驶条件不同，要求汽车行驶速度和驱动扭矩能在很大范围内变化。例如在高速路上车速应能达到100km/h，而在市区内，车速常在50km/h左右。空车在平直的公路上行驶时，行驶阻力很小，则当满载上坡时，行驶阻力便很大。而汽车发动机的特性是转速变化范围较小，而转矩变化范围更不能满足实际路况需要。第二，实现倒车行驶 。汽车发动机曲轴一般都是只能向一个方向转动的，而汽车有时需要能倒退行驶，因此，往往利用变速箱中设置的倒档来实现汽车倒车行驶。第三，实现空档 。当离合器接合时，变速箱可以不输出动力。例如可以保证驾驶员在发动机不熄火时松开离合器踏板离开驾驶员座位。变速箱由变速传动机构和变速操纵机构两部分组成。变速传动机构的主要作用是改变转矩和转速的数值和方向；操纵机构的主要作用是控制传动机构，实现变速器传动比的变换，即实现换档，以达到变速变矩。机械式变速箱主要应用了齿轮传动的降速原理。简单的说，变速箱内有多组传动比不同的齿轮副，而汽车行驶时的换档行为，也就是通过操纵机构使变速箱内不同的齿轮副工作。如在低速时，让传动比大的齿轮副工作，而在高速时，让传动比小的齿轮副工作。1. 2变速器的种类1.2.1手动变速器（MT）手动变速器(MT：Manual Transmission)采用齿轮组，由于每挡的齿轮组的齿数是固定的，所以各挡的变速比是个定值(也就是所谓的“级”)。比如，一挡变速比是3.455,二挡是2.056,再到五挡的0.85,这些数字再乘上主减速比就是总的传动比，总共只有5个值(即有5级)，所以说它是有级变速器。手动变速器是最常见的变速器，它的基本构造用一句话概括，就是两轴一中轴，即指输入轴、轴出轴和中间轴，它们构成了变速器的主体，当然还有一根倒档轴。手动变速器又称手动齿轮式变速器，含有可以在轴向滑动的齿轮，通过不同齿轮的啮合达到变速变扭目的。1.2.2液力自动变速器（AT）液力自动变速器传动部件主要是液力变矩器和多组行星齿轮组成。它仍然分为多档，实际上是一种分段的无级变速器。目前它是国外用的最多的自动变速器，在美国采用液力自动变速器的轿车已达90%以上，日本已达73%，欧洲为65%。它的效率在8690%。其优点：免除了手动变速器的换挡和脚踩离合的频繁操作，使开车变得简单、省力。动力性优越，在大阻力、低转速下发动机不会熄火。缺点是：结构复杂、重量大、效率低、成本高、油耗高。从发展来看，液力自动变速器已走过60多年历史，其功能和潜力的开发已经接近极限，长期存在的不足比如：启动速度慢、工作效率低、油耗大等问题到目前为止还未有突破性改进。1.2.3电控机械自动变速器（AMT）电控机械自动变速器是在现有的手动变速器基础上，增加了一套自动换挡机构而成。自动换挡机构已成功应用的有两类，一是以电机为主的电控换挡机构，二是由油缸为主的电液控制系统。AMT的研究始于上世纪70年代，瑞典Scania系统、德国Daimler Benz的ESP系统、美国Eaton的SAMT系统，1983年，日本五十铃公司在世界上最先研制成功电子控制全机械式有级自动变速器NAVI-5，装于ASKA轿车投放市场，美国Eaton公司于1983年宣布成功地将重型货车的手动变速器实现了自动化，德国ZF公司对Ecosplit变速器的16挡也完全实现了自动换挡，并于1988年装于Geneva货车上。AMT是动力中断情况下的换挡，需要频繁地控制离合器，由于轿车的惯量小，离合器的控制好坏直接影响起步和换挡的平顺性，同时，每辆汽车的离合器行程存在差异，因此，离合器起步控制和换挡操纵规律是困恼AMT技术发展的难点，造成AMT自动离合器磨损和坡道、弯道一外换挡等不良现象，难于正确反映驾驶员操纵意图，相对广泛应用的AT来说，AMT换挡品质较差。这一阶段主要是研究自动离合器，而对于换挡控制于换挡控制策略，AMT还不十分成熟。1.2.4金属带式无极自动变速器（CVT）金属式无极自动变速器由可轴向分合的楔形带轮和钢带组件构成，变速原理类似于V形橡胶带无级变速器传动。金属带技术的发展可追述到V形橡胶带传动。1928年，荷兰Dr.HubDoorne兄弟创立了VanDoornes AutomobielfabriekNV汽车厂，1958年在Eindhoven制造了橡胶带自动变速器Variomatic,该变速器整个装置比较笨重，在后桥需要较大的安装空间，经管如此，它仍销售了120万台。上世纪60年代荷兰的汽车设计者开始研究结构更紧凑，传递功率更大的CVT，经过分析，他们认为金属带可以传递更大的功率密度。随后开展了对金属带的研究。1973年，第一台装用钢带的CVT变速器装用在DAF66汽车上。第2章CVT的发展历史及现状2.1 无级变速器的发展历史达芬奇在1490年，概念化了1级无级变速。第一个有关无级变速器的专利环形无极变速器提交于1886年，并最终在1935年欧洲和美国被授予的第一个相关专利。金属带式CVT的装车使用只有十几年的时间,但是CVT技术的发展已有100 多年的历史。1886 年,Daimler Benz 在首辆采用汽油机的汽车上装上了橡胶带CVT。 1906 年,美国卡特车装用了简单的金属盘摩擦传动无级变速器。 1912年，英国摩托车制造商Rudge-Whitworth建造了Rudge Multi。Rudge Multi是一个很大的改进版本的较高境界的Gradua齿轮。该Rudge Multi是如此成功，以至于从1913年开始无级变速器齿轮最终被禁止在著名的旅游杯比赛中使用。1930 年Austin Sixteen 车上,装用了牵引式CVT。 电子控制技术特别是计算机控制技术的发展,使得无级变速传动得到应用与发展。 20 世纪60 年代后期,荷兰工程师Van Doorne 研究出金属带CVT,这是CVT技术具有划时代意义的事件。 1972 年,H. Van Doorne 成立了独立的公司。 1978 年,意大利Fiat 公司的汽车开始装用Van Doorne 的CVT。 1987 年,美国Fort 汽车公司的汽车装有这种CVT。目前,市场上的CVT有三种产品: P821 型,采用电磁离合器作为起动装置,机液或电液控制系统,以外齿轮泵作为液压源,实用于发动机排量在1. 3 以下的小型轿车; P811 型,实用于发动机排量在1. 8 以下的中型轿车; P844 型,采用新型金属传动带,将液力变矩器与CVT综合,全电子控制系统,实用于发动机排量在3. 3 以下的豪华轿车。1990 年美国生产出计算机控制的无级调速液压自动变速器(CVT) ,此后日本、美国、德国等轿车生产商大多采用此项技术。 日本在研制CVT的初期,即将电子控制技术与CVT技术结合,成功地开发出电子控制技术的CVT,即ECVT,陆续装在Rex ,Sambar 和Justy 上。1992年3月日产尼桑在富士重工ECVTN的基础上开发了N -无级变速器。在20世纪90年代末，日产开始设计自己的无级变速器，允许较高的扭矩和传递动力。这种模式的变速箱被用于日本的一些市场。日产也是唯一的在最近几年，使轧辊的无级变速器推向市场的汽车制造商。其环形无级变速器，名为Extroid ，可以在日本市场的Y34日产凯莱和V35天然气GT- 8 中看见它们的身影，然而，在日产尼桑收购Cedric/Gloria时，这种变速箱还不流行。丰田汽车在1997年的普锐斯汽车上运用来了功率分流传动（PST）装置，以及后来的在国际上销售的所有丰田和雷克萨斯的混合动力车都继续使用该系统（在混合动力驱动名称的下面有标志） 。虽然出售是类似ECVT的东西，但事实上这种装置是没有固定的传动比的。PST系统允许电动机或内燃机（ ICE ）来驱动汽车或两者共同来推动车辆。完整的系统的反应（在计算机控制下）是类似于电容式电压互感器无级变速器，它速度相对较低，并不断在低功率或更低和不断高功率或更高功率转换。2.2无级变速技术的发展现状2.2.1 金属带式无级变速器国外的研究领域金属带式无级变速器的结构、力学分析、传动效率等,在国外已研究成熟,国外的研究热点主要集中在CVT电液控制系统的控制策略上,如CVT 电液控制系统的智能PID 控制、鲁棒控制、模糊控制、神经网络控制等。金属带式无级变速器的结构、力学分析、传动效率等研究在国内已取得很大的进展,但CVT 电液控制系统的控制策略、实验仿真等研究在国内刚刚起步。2.2.2 我国对于金属带式无级变速器的研究展望自“九·五”以来,轿车金属带式无级自动变速器的开发和研制已经被列入国家的重大科技攻关计划,重庆大学、吉林大学等承担了多项金属带式无级变速器方面的国家自然科学基金项目。以奇瑞汽车有限公司为代表的汽车制造厂商承担了科技部金属带式无级变速器的国家重点攻关项目。2003 年,洛阳三明实业有限公司经过多年研究,攻克了CVT 的某些关键技术,经国家汽车质量监督检验中心台架试验和道路试验以及东风汽车工程研究院试验,通过了河南省科技厅组织的鉴定,鉴定认为CVT 具备了产业化条件,今年6月初,实施该项技术产业化的洛阳联合变速器有限公司挂牌成立可以投入批量生产。随着制造业信息化进程的加快,人们对控制系统提出越来越高的要求,要求系统控制精度更高,响应速度更快等。由于系统中被控对象受不确定的干扰信号的作用以及被控对象模型本身不准确,如果用传统的控制方法(PID 控制) ,系统往往会产生很大的误差,控制效果不理想。以LQG最优控制为代表的现代控制理论完全依赖于被控对象的数学模型,当数学模型准确时,所设计的控制器才能满足控制性能的要求。实际液压系统如位置伺服系统常受时变不确定干扰信号的作用,其数学模型亦不准确,为获得理想的控制效果,可采用自适应控制、模糊控制、鲁棒H 控制。第3章 轿车金属带式无级变速器研究的重要意义及其特点3.1 CVT的研究意义目前的轿车发动机都是高速汽油发动机，发动机的热效率越高燃油利用率越高，也就越省油。而发动机的热效率随压缩比的增加而增加，现在轿车汽油发动机压缩比一般在9.3-10.5之间。同时，还采用配气系统可变装置（可变气门升程、可变凸轮轴转角、可变进气管长度等）和稀燃技术，来达到节油目的。汽车的传动系对汽车的燃油经济性有重要影响。变速器档位越多，不但汽车换档平顺，而且使发动机增加了处于经济工况下运行的机会，有利于提高燃油经济性。因此现代汽车都趋向于5档或以上变速器，或者采用无极变速，保证在任何条件下具有使发动机在最经济工况下工作的可能性。在速度不变的情况下，接合高速档时，传动比小，发动机转速低；接合低速档时，传动比大，相应的发动机转速高。由发动机负荷特性可知，当发动机负荷相同时，一般是转速越低燃油消耗率越小。在一定的行驶条件下，传动系的速比越小，汽车的燃油经济性越高，因此汽车的经济行驶都在高档位。为了在良好路面条件下以较高车速行驶，轿车在变速器内装置速比小于1的超速档，在车速相同的情况下，挂上超速档可使发动机转速比较低，相对也降低了燃油消耗。目前轿车大量使用的变速箱，无论是手动还是自动，其传动比是有级的。在其工作过程中，经常需要进行挡与挡之间的变换，当传动比发生变化是，发动机需要加速或减速，工作处于不稳定的状态，带来动力传动系统的冲击，使发动机的排放增加。而无级变速系统能够使发动机工作在高效益区，达到最高的燃油经济性能，因而无级变速系统的传动效率远高于有级变速系统，且变速的过程中动力不中断，因而提高了汽车的动力性能。所以，对无级变速器进行研究不仅有它的理论好处还有它的实际需要。3.2 无级变速器的技术特点CVT传动速比可以无级调节,使在更大范围内控制发动机的工作点成为可能,可以真正实现发动机-变速器- 道路载荷的最佳匹配,是汽车理想的变速器。CVT 挡位无级调节,换挡过程中没有动力中断,可以充分发挥发动机的动力性,提高换挡的平顺性,减少换挡冲击。同时,CVT 提供了达0. 5 的超速比,扩大了车辆变速的范围,使车辆可在发动机较低转速与较高转矩工况下输出功率,不仅减少噪声,增加动力传动系统效率,降低辅助装置的动力损耗,同时使发动机转矩增加,燃烧效率提高,排气中的废气污染物也将减少。发动机排气总量减少与温度升高使催化转换反应条件也得到改善。以下分别从CVT的几项性能来介绍其特点。并重点介绍其在经济性方面与不装有无级变速器的汽车的比较。3.2.1 动力性汽车的后备功率决定了汽车的爬坡能力和加速能力。汽车的后备功率越大,汽车的动力性越好。由于CVT 的无级变速特性,使其能够获得后备功率最大的传动比,所以CVT 的动力性明显优于机械变速器(MT) 和自动变速器(AT) 。试验显示,CVT 汽车加速性能(0 - 100Km/ h) 比AT 汽车的加速性能提高7. 511. 5 % ,速度较高时加速性优于MT 汽车。3.2.2 传动效率变速装置的传动效率对汽车的经济性和动力性有影响。富士重工于1988 年装备CVT的Subaru Justy 汽车进行效率测定,结果为ECVT90% ,5档机械变速器、93% ,3档自动变速器82%85%。据近期试验结果,CVT 传动效率在92%96%之间。3.2.3 排放由于CVT 系统具有较宽的速比变化范围,可使发动机工作在最佳状态,从而改善了燃烧过程,减少了废气排放。汽车行驶时所排出的有害物质含量常与发动机工作状态有关,当发动机在非稳态工况时,它所排出废气中的有害物质含量高。而有级式机械传动,速比变化量由人工操作完成,导致发动机转速变化较大,使发动机处于非稳态工况。所以,汽车排放废气中有害物含量高,污染环境严重。对于自动变速,可控制发动机在排放污染较小的工况下工作。据德国ZF公司测定,装备CVT后比安装4 - AT的汽车减少排放约10%左右。由于汽车传动自动变速有如此众多的优点,因此,汽车特别是轿车,采用自动变速传动已成为趋势。3.2.4 可靠性安装CVT后的汽车随着技术的改进,可靠性不断提高。据统计,在1987年到1989年间生产的42400个CVT中,故障率为3.4%,而据1993年资料表明,在60万个CVT中,出现故障的只有147个,故障率降到0.025%。3.2.5 价格CVT 结构简单,零部件数目比液力机械AT(约500个)少大约300个,若起动部件采用诸如电磁离合器和多片离合器等则成本可低于液力机械AT。在1996年,装备CVT 的本田轿车比装备4档AT轿车便宜200美元。意大利Fiat公司开发的CVT比AT降低30%。由于它的起动性能差,需要另装起动部件,现在较多CVT选装液力变矩器。若采用液力变矩器则成本一般接近液力机械自动变速器。3.2.6 经济性CVT可以在相当宽的范围内实现无级变速，从而获得传动系与发动机工况的最佳匹配，提高整车的燃油经济性。德国的大众公司在自己的Golf VR6轿车上分别安装了4-AT和CVT进行ECE市区循环和ECE郊区循环测试，证明CVT能够有效节约燃油，安装4-AT和CVT的大众公司的Golf VR6汽车的燃油消耗对比：试验油耗 4-AT CVT ECE市区循环，L/100km 14.4 13.2 ECE郊区/远程循环，L/100km 10.8 9.8 90km/h匀速，L/100km 8.3 7.0 120km/h，L/100km 10.3 9.2第4章 无级变速器与手动、自动变速器的经济性比较4.1 汽车燃油经济性介绍汽车的燃油经济性是指在保证动力性的条件下，汽车以尽量少的燃油消耗量经济行驶的能力。燃油经济性好，可以降低汽车的使用费用、减少国家对进口石油的依赖性、节约石油资源;同时也降低了发动机产生的二氧化碳（温室效应气体）的排放量，起到防止地球变暖的作用。发动机的燃油消耗率与排放污染是有密切联系的，只能在保证排放达到有关法规要求的前提下来降低发动机的燃油消耗率，提高汽车的燃油经济性。由于节约燃料、保护环境已经成为全球关注的重大事件，汽车燃油经济性受到各国政府、汽车制造业与汽车使用者进一步的重视。4.1.1 汽车燃油经济性的评价指标汽车的燃油经济性常用一定运行工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。在我国及欧洲，燃油经济性的指标单位为升100km，即行驶100km所消耗的燃油升数。美国为MPG或mile/Usgal，指的是每加仑燃油能行驶的英里数。等速行驶百公里燃油消耗量是常用的一种评价指标，指汽车在一定载荷下，以最高档在水平良好路面上等速行驶100km的燃油消耗量。但是，在实际运行情况中，特别是在市区行驶的频繁出现的加速，减速，怠速，停车等行驶工况下，需要用一种循环行驶试验工况来模拟实际汽车运行情况。4.1.2 影响汽车燃油经济性的因素汽车的燃油经济性与行驶时的行驶阻力,燃油消耗率,传动效率都有关系。发动机的燃油消耗率，一方面取决于发动机的类型,设计制造的水平；另一方面又与行驶时发动机的负荷率有关。从万有特性图上可以看出,发动机负荷率低时，b值显著增大。当然，总的汽车燃油消耗还与加速,减速,制动,怠速停车等工况以及汽车附件的使用有关。总的来说,汽车的燃油消耗除了与行驶阻力,发动机燃油消耗率以及传动效率有关之外，还同停车怠速油耗，汽车附件消耗及制动能量损失有关。在城市循环工况中，后三个因素的影响相当大，它们消耗的能量达燃油化学能的25.2%。但传统结构的汽车在这些方面尚未找到突破性的提高燃油经济性措施。4.2 汽车燃油经济性数学模型的建立评价汽车燃油经济性的指标是汽车单位行驶里程(通常为100 km ) 的燃油消耗量。然而, 汽车等速、加速、减速、怠速等行驶工况的燃油消耗量的计算方法各不相同。4.2.1汽车不同行驶工况下的燃油消耗量4.2.1.1等速行驶工况燃油消耗量由发动机转速ne 和发动机转矩T e 在发动机万有特性图上可确定相应的燃油消耗率ge, 则整个等速过程的百公里燃油消耗量为 Qe=（P ·ge）/(1.02·ua·g) （1）式中P 发动机提供的功率, kWge燃油消耗率, g/(kW ·h)燃油密度, kg/Lua汽车行驶速度, km/h汽油的g 可取为6196 7115 N /L , 柴油可取7194 8113 N /L某一轻型货车的有关数据及符号说明 货车总质量 3880 车轮半径 0.367 传动系机械效率 0.85 滚动阻力系数 0.013 空气阻力系数迎风面积 2.77 主减速器传动比 5.83 重力加速度 9.8 一挡变速器传动比 6.09 二挡变速器传动比 3.09 三挡变速器传动比 1.71 四挡变速器传动比 1.00 发动机功率 滚动阻力功率 空气阻力功率 燃油消耗率 货车时速 燃油密度 此处取MATLAB计算机模拟clear,close allG=3880*9.8; %货车重量f=0.013; %滚动阻力系数CDA=2.77; %空气阻力系数*迎风面积 nr=0.85; %传动系机械效率r=0.367; %车轮半径ig=1.0; %变速器传动比i0=5.83; %主减速器传动比for a=1:8 n(a)=input('n='); b(a)=input('b='); ua(a)=(0.377*r*n(a)/(ig*i0); p(a)=(G*f*ua(a)/3600)+(CDA*(ua(a)3)/76140)/nr; Qs(a)=(p(a)*b(a)/(1.02*ua(a)*7.05);end,ua,p,Qsplot(ua,Qs)title('汽车等速百公里燃油消耗曲线'),grid on,xlabel('ua/(km/h)'),ylabel('Qe/(L/100km)')n=815b=700n=1207b=550n=1614b=450n=2012b=395n=2603b=345n=3006b=340n=3403b=340n=3804b=340ua = 19.3418 28.6448 38.3038 47.7493 61.7750 71.3391 80.7608 90.2775p = 3.4342 5.6333 8.5929 12.3730 20.0690 27.0634 35.5911 46.0744Qs = 17.2836 15.0413 14.0385 14.2337 15.5863 17.9368 20.8368 24.13074.2.1.2 加速行驶工况燃油消耗量整个加速行驶过程的燃油消耗量为4.2.1.3 减速行驶工况燃油消耗值减速行驶时, 发动机处于强制怠速状态, 其燃油消耗量即为正常怠速燃油消耗, 所以减速工况燃油消耗量等于减速行驶时间与怠速燃油消耗率的乘积。整个减速过程燃油消耗量为式中Q i怠速单位时间燃油消耗量,mL /sua2、ua3 减速过程的起始和终了车速,km/h4.2.1.4 怠速停车时燃油消耗量若怠速停车时间为ts ( s) , 则燃油消耗量为4.2.2 整个循环工况的百公里燃油消耗量对于由等速、加速、减速、怠速停车等行驶工况组成的循环, 其整个试验循环的百公里燃油消耗量为4.3 手动、自动变速器及无级变速器燃油消耗的比较过去主要采用4档和5档手动变速器(MT)。由于采用机械机构，效率很高，但随着交通日益拥挤和对舒适性的重视，已不能满足许多用户的需要。因此4档和5档自动变速器(AT)被采用。目前这些自动变速器能提供很高的驾驶舒适性，但由于较高动力损失造成较高的燃油消耗。所以除了上述变速器外，正在或即将投入市场其它类型的变速器主要用于降低轿车油耗。手动变速器的趋势是6档+ 自动换档，这就是所谓的机械自动变速器(AMT)。在传统机械变速器上安装液力或机电执行机构的AMT系统，可采用换档程序自动实现换档的切换。自动变速器系统的换档特性是无动力中断现象。在2001年首台6档自动变速器投入市场。除此之外，采用钢带或链条传递转矩的CVT 和由滚子传动演变而来的锥盘式CVT也已投入市场。基于机械变速器的双离合器变速器正在开发中。由于可进行动力换档，它们都属于自动变速器的范畴。如上所述，对燃油消耗和驾驶性能作比较的变速器仅限于那些已大规模生产的和将要投入应用的产品。标准传动的结构是发动机前置后驱形式(RWD)。适用于上述转矩范围的6档手动变速器将增加。欧洲RWD车辆的变化是将5档自动变速器改成6档。图4是5档和6档自动变速器的对比。预计CVT将在发动机横置的前驱车辆中增加份额，已做了关于4、5、6档自动变速器和CVT在上述车型的对比。图4是5档自动变速器和ZFCFT23CVT 的性能对比。4.3.1 六档手动变速器的燃油消耗关于近年来投入市场的6档手动变速器燃油消耗和加速性能的报告看，它与先期的5档手动变速器相比，虽然增加了档位但在试验循环中，油耗并未降低。试验表明，6档手动变速器和5档变速器相比，油耗增加了2%5%，加速性能降低了5%2%。这主要由以下原因造成： 6档变速器所增加的速比仅为16% 由于增加了齿轮数和同步器数量，变速器功率损失高 低档位处的速比间隔过小 试验循环中第6档无明显影响作为变速器和驱动桥主减速器的设计结果，发动机转速的增加起因于在试验循环中特殊的换档点。因此6档手动变速器中第6档齿轮无助于改善油耗、排放和加速性能。4.3.2 六档自动变速器的燃油消耗ZF 5HP24 5档自动变速器适用的发动机转矩为420Nm，因此可适用8缸内燃机，总速比为I=4.44。相比6档自动变速器6HP26的适用转矩达440Nm,总速比为I=6.04。所增加的速比(约36%)明显降低了油耗。由Lepelletier行星齿轮机构组成的主机械传动的效率高达99%以上。除此之外，在变速器的开发过程中许多具有进一步降低油耗潜力的优化措施已被采纳 。以下措施需特别提及： 开发了新型变排量转子泵，减少了泄漏和机械损失。 通过减少泄漏特别是在液压控制系统中的泄漏，优化了润滑油供给。 优化了变速器中的油道以减少牵引损失。 使用高效的润滑油，特别在工作温度低时能减小润滑油的牵引损失。 改善变矩器锁止离合器的性能，使之能在低车速时使用。 改进了换档元件的尺寸以利于待机控制(standbycontro1)(空档怠速)。 除了经济模式外，优化了自适应换档模式，可根据驾驶员类型和驾驶风格加以调整。其结果见图5，对配备4.4升8缸内燃机和主减速器的中高档车辆油耗仿真表明，由于总速比较大，能降低约2%的油耗。而上面所提到的那些优化措施和新润滑油也能降低2%的油耗。如果采用了待机控制，又能降低2%的油耗。因此6HP26与5HP24相比在NEDC循环中可降低5%6%的油耗。同时从图6中可知，0100kmh加速时间缩短了0.3秒，提高了4.4秒后的距离增加了3.1m或9% ，这对任何轿车而言都有半个车长。结论可用油耗加速曲线描述，这里根据不同的主减速比对6HP26作了仿真计算(见图6)。根据欧洲的情况，曲线左侧底部是最佳方案。该曲线表明加速性能相同时所选的后桥速比(iRAR =3.15)对减少油耗的贡献。如采用更大的主减速比，还能进一步提高加速性，但会减少对油耗的好处。图7是以美国惯例作出的油耗加速曲线，最佳点在曲线的右上方。4.3.3 CVT的燃油消耗目前绝大部分小型轿车、低档中型轿车和中型轿车采用发动机变速器横置驱动方式，例如东欧的轿车。在欧洲手动变速器在这些车辆中占有主导地位。毫无疑问4档变速器会被自动变速器替代。第一台5档变速器于1998年进入市场。虽然尚无6档自动变速器应用于这些车辆，但它们正在开发中。CVT已占领了很大一部分市场，还有更多的产品正处于开发中。图8是ZF的CFT23 CVT-5和4档自动变速器油耗加速曲线的比较。自动变速器的总速比I= 4.14，而CFT23的速比I=6.00。计算时所用车辆为中型轿车，配备2.0升4缸内燃机。从曲线中可知，CVT能节约11%的油耗并改善加速性能。仿真时假设CVT与发动机参数匹配达到最优(例如在滑行时切断燃油供给)，这仍需通过试验论证。并非所有仿真潜力都能被利用，但减小的油耗将看作为在优化了驾驶性能，如果考虑到真实情况，油耗大约能降低8%左右。但是加速性并不在显示之列。在配备2.4升5缸发动机的中型轿车上做了CFT23和5档自动变速器的对比试验，初步结果见图9。从中可知，CVT在O60mph加速性上提高了6%，而燃油消耗降低了5.0% 9.6% 。需注意的是，在这些油耗和加速性试验中，并未涉及所有可能降低油耗的措施。可以推论，还有进一步优化的潜力。图10是V63.0升发动机的中高档轿车上CVT和5档、6档自动变速器理论上的对比。5档变速器的总速比约为I=5.6，6档变速器和CVT的总速比为I=6.0。所选择的驱动桥能确保在NEDC循环中具有相同的燃油消耗曲线。由于发动机较小，比较时必须确保6档自动变速器和CVT具有相同的燃油消耗量。在仿真结果中得到的一个重要信息是当CVT和6档自动变速器油耗相同时,CVT在加速性方面领先了6%。CVT具有更好的驾驶性能是因为其速比可与牵引双曲线精确吻合，而有级变速器不可能做到这一点。这在节气门全开时特别有效。结 论本文通过对各种变速器的介绍，对无级变速器进行阐述，通过其发展历史，了解无极变速器发展的流程以及社会功用。燃油经济性的好坏，直接影响汽车的使用费用，国家对进口石油的依赖性，同时也降低了发动机产生的二氧化碳的排放量，起到防止地球变暖的作用。重点比较了轿车用各种自动变速器在加速性和油耗方面的特点，给出了各种已批量投入和即将投入批量市场的新型自动变速器所具有的显著优点。在后驱车辆上采用新开发的6档自动变速器，与目前标准的5档自动变速器相比其油耗降低5%6%，而加速性则提高4%左右。在前驱(FWD)车辆上，与4档自动变速器相比，6档自动变速器和CVT 具有节约8%油耗的潜力。在对比中，CVT在改善加速性方面具有明显的优势(10%以上)。与6档自动变速器相比，在油耗相同时，CVT 加速性更好。因此，这些新型自动变速器能明显改善油耗，以帮助汽车工业有效降低车辆的油耗和排放。同时，它们也将提供给驾驶员更佳的性能和提高驾驶舒适性。19