汽車變速系統研究與設計

別佳騏

摘 要：隨著科技、經濟的高速發展，汽車的使用人群不斷擴大，其使用體驗、設計合理度開始備受用戶關注。變速系統作為汽車的一個尤為重要的部分，與整車動力性能、燃油經濟性、駕駛感受息息相關。本文就汽車變速系統的研究與設計進行論述，為汽車變速系統的優化設計提供了理論參考價值。

關鍵詞：汽車變速系統;傳動比;車輛工程;機械設計;自動控制

1 前言

大多數汽車使用內燃機作為動力機。內燃機普遍具有這樣的特性：在低轉速區運行時，輸出扭矩與輸出功率都極低，輸出高扭矩的轉速區段為中轉速區，輸出高功率的轉速區段為高轉速區。在這種前提下，如果汽車不配置變速系統，發動機使用固定傳動比驅動整車，幾乎不可能做到既在低速時取得較大的輪上輸出扭矩、容易起步，又在一般行駛速度下以較為省油的工況工作，還能得到較高的極限車速。

故以內燃機為動力機的汽車，需要配置變速系統，才能使得整車滿足日常使用需求。變速系統有較大的研究價值，且設計上具有較大的優化空間。

2 變速系統的關鍵評價指標

（1）傳動效率。即傳動組件的機械效率。其表征傳動組件能否將進入輸入端的動能盡可能多地傳遞到輸出端。每車型在不同工況下傳動效率都有一定差異，此指標應由各工況下的效率綜合計算得到。例如CVT的效率變化范圍較大，在70%～90%之間[1，2]。

（2）最低、最高擋總傳動比。分別在最低擋位、最高擋位下，發動機至車輪的總傳動比。此指標將影響輪上扭矩輸出能力、車輛的最高速度。

（3）速比范圍。最低擋位傳動比與最高擋位傳動比的商。其通過變速箱最高檔位與最低檔位差別的大小，反映變速系統的變速能力的高低。

（4）擋位數。變速系統具有n個可選的傳動比，也就是具有n個擋位。擋位數表征了在最低傳動比與最高傳動比之間其余可選傳動比的豐富程度。

（5）相鄰擋級差。兩個相鄰擋位間傳動比的商。表征兩個相鄰檔位傳動比的接近程度以及換擋動作前后的轉速差異大小。

3 常見變速系統型式

（1）MT手動變速系統。MT是歷史最久的變速系統。駕駛員可直接通過變速桿改變變速箱內的機械結構，使得輸入軸與輸出軸實現不同的聯接。這種系統簡單而可靠，傳動效率較高，可操作性強;但占用了駕駛員的部分注意力，且換擋的過程時間較長，會有明顯的動力中斷，加速過程是不均勻、間歇的。

（2）AMT電控機械自動變速系統。AMT是自動變速系統中最接近手動變速系統的一種。因為其是在手動變速系統的結構上加入了電控系統，也就是說機械原理沒有改變，只是換擋操作由電腦替代駕駛員來完成。這種系統造價較低，結構簡單，但換擋時間長，難以解決動力連續性問題。典型的應用是在入門級的自動擋車型上。

（3）AT帶液力變矩器的自動變速系統。AT是目前應用最普遍的自動變速系統型式，變速功能由行星齒輪組、液力變矩器共同完成。其最大的特點是液力變矩器取代了離合器的地位，其巧妙的流體力學設計實現了利用轉差來增矩，在車輛起步時，不至于像手動變速車型在半聯動狀態下的轉差只引起熱能轉化。但由于液力變矩器的存在，整個傳動系統不是剛性聯接，這決定了AT的傳動效率無法做到太高。

（4）CVT無級自動變速系統。CVT與其他變速系統存在明顯界限。其連續可調的傳動比，區別于其它變速系統的離散傳動比，可以調到任意值，不存在“擋”的概念。理論上它是最優的一種變速系統，因為其能夠將任何行駛狀態及時匹配到發動機的相對最佳工況，且變速時平順舒適。但其不用齒輪而是利用鋼帶進行傳動，無法承受特別大的扭矩，速比范圍也受到很大限制。

4 汽車變速系統的設計思路

（1）分析汽車的使用場景以及發動機特性曲線。首先根據車輛的種類，來考慮其使用場景，需要在哪些道路上行駛，能大體分析出整車所需要達到的性能參數。當選定了一款合適的發動機之后，需仔細研究發動機的特性曲線，利用變速系統與其相配合達到要求的整車性能。

（2）確定變速系統的參數和型式。首先要依據整合油耗要求確定整個傳動系統的傳動效率，確保綜合工況下機械損耗在一定比例內，這關系到材料、質量、潤滑劑等多方面的設計，同時將對變速系統型式作第一道篩選。然后要根據汽車的使用需求，進一步縮小變速系統型式的選擇范圍。

汽車變速器I檔速比的選取，現行的理論方法是根據汽車最大爬坡度的要求來確定[2]。而最高檔速比的選取，則和極限車速有一定關系。在汽車行駛縱向作用有各種外力，包括驅動力和其它行駛阻力[3，4]，那么一般要存在某一個擋位，當發動機輸出最大功率時，所對應的轉速的行駛阻力功率剛好與此功率值相等，這樣才可得到最高的極限車速，這個擋位通常也是最高擋位。

一般家用轎車的速比范圍要在4.0以上，而貨運車則一般需要更高。

（3）手動變速系統的考慮重點。在這里僅討論手動變速的家用轎車。其擋位數較少，5個是較為常見的，其有很大程度上是為了考慮操作簡單、頻次盡量低。

也是因為此原因，手動變速器的相鄰擋級差都不會太小，不然在某段時間下，換擋時間占比將超出可接受范圍。

其還有一個通用設計原則：低擋區一般級差較大，高擋位區一般級差較小。這是因為如果完全等比，在加速過程中將會出現因低擋位加速較快，換擋極為頻繁的問題。

（4）自動變速系統的考慮重點。自動變速系統要重視軟件與機械的配合。由于發動機是一個復雜的滯后系統，特別是汽油發動機，系統中的油氣、水溫等對其工作影響較大，要求控制器具有較高的定量知識的能力[4]。升降擋觸發邏輯也需從安全、舒適、動力、等維度加以綜合評估。

自動變速系統的設計中，還應重視可操作性。駕駛員有時需要為獲得預想效果而對變速系統進行一定的干預。從這個方面講，手自一體是最優的，多前進擋或多模式其次，單模式最次。

參考文獻：

[1]鮑偉，葛建軍，肖旭，曹將.（2018）.濕式雙離合器微滑摩控制關鍵問題研究[J].汽車工程，40（10）：72-79.

[2]王齊天.高等級發動機潤滑油潤滑特性分析[J].中國化工貿易，2019，11（016）：223.

[3]成起強，李江江，王新，房亮.輸出軸離合器式手動變速箱工作原理分析[J].價值工程，2018，493（17）：132-133.

[4]廖武，張永康.一種汽車主減速器傳動比選擇方法[J].汽車實用技術，2018，270（15）：100-101.