英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
汽车自动变速器
Albert Dick ，德国采埃孚（ZF）集团, 弗里德里希, 德国
关键词：机械式自动变速器；无级变速器；双离合变速器；混合变速器；手动变速器；液力式自动变速器；变速器油
摘要：本文简述了汽车传动系统自动变速器的相关要求，并介绍了多种不同的变速器。概述了现代汽车自动变速器多方面的设计要求，包括不同的基本结构及润滑油和添加剂的要求。
变速器基础
变速器可以使用在固定的机器上，例如，发电设施；或者用在移动设施上，例如，汽车。变速器将发动机提供的能量转化为最佳的扭矩和转矩（RPM），从而保证汽车的稳定运转。因此，提高变速器的效率能够减少变速造成的动力损失。轿车的变速器可以分为手动变速器（MTs），机械式自动变速器（AMTs）和液力式自动变速器（ATS)。自动变速器的换挡是通过负荷的转换和传动比的改变，而没有牵引力的中断。当今市场上的自动变速器都是基于以下三种技术之一：变速器（AT），无级变速器（CVT）和双离合变速器（DT），而最新的轿车动力传动系统发展则融合了这些变速器技术。
变速效率是变速器性能的重要指标，但并不是唯一指标。变速器能量损失由变速比和运行工况共同决定。由于变速通常在瞬间完成，稳定的运行状态和满载时的效率不适合作为变速器性能的唯一指标；因此，汽车自动变速器的能耗是基于仿真工具和测功机试验的综合比较分析的结果。
汽车对自动变速器的需求
发动机
自动变速器汽车配备的发动机都是通过奥托循环或迪塞尔循环运行，大部分这些发动机都设有4,6或8个气缸。这些发动机的性能特性不适合直接传输动力到驱动轮，如今使用的多档变速器和启动元件是必需的，因为内燃发动机不能在0转速的时候提供转矩，其只能在狭小的转速范围内提供最大功率，并且只能在狭窄的操作范围内提供最小的燃油消耗。（见图1）
与单比变速器组合的发动机，存在的限制我们可以在图2中（4档）看到，牵引力双曲线下面的阴影面积显示出第四档不能使用的区域。这个区域可以通过引入额外的比率（在1档到3档之间）最小化，不同的传动比使可用发动机功率被画成一组接近理想牵引力双曲线的曲线（见图2）。
图1，发动机转矩图，111千瓦的发动机特定燃料消耗量( g/kWh)
当传动比组数增加时，牵引力双曲线的近似值变得更加精确，因此无级变速器用于此是最佳的。然而因为无级变速器采用摩擦力传输的特点，导致其内部传输能量损耗处于劣势。图2中的虚线表示0%坡度时车速所需要的牵引力，也称为行驶阻力曲线。通过1到3档在行驶阻力曲线之上允许显著剩余的牵引力，这些剩余的牵引力可以使汽车加速。
与手动变速器不同，自动变速器设有其在最佳时间点自动换挡的硬件和软件控制系统和操作启动的元件以保证驾驶员和乘客的高度舒适性。
随着对乘用车二氧化碳排放要求的日益严格，导致目前使用涡轮增压技术减小发动机排量成为潮流，涡轮增压技术能减小发动机的排量而不影响动力，但对变速器有附加要求。给低气缸数增加动力（正进气压力），导致发动局曲轴不规则运转增多。为了避免变速器由于动态扭转应力的增加而过载，阻尼系统必须不断改进和提高。
图2，4档变速器的发动机特性曲线
轿车结构及相应的传动系统布局
汽车各种类型的布局方案可以显著影响传动系统和变速器，要选择适当的变速系统，这些因素都要被考虑。
影响布局的主要因素是车辆中发动机的位置和发动机的方向。发动机在车辆中的位置可以分为前置发动机、中置发动机或后置发动机。发动机和变速器可以相对于行驶方向纵向或横向布置。第三个重要因素是驱动桥，驱动桥可以分为前轮驱动、后轮驱动或全轮驱动。
下面的传动系统布局图（见图3至5）是自动变速器汽车最常见的三个布局组合。这些布局方案同样适用于全轮驱动汽车。
液力式自动变速器（ATS）是世界上第一种汽车自动变速器，在很长一段时间也是唯一一种自动变速器。这种变速器是通用汽车在1939年首次大规模生产。即使在今天，如图3所示的自动变速器标准传动布局仍然广泛应用。
图3，发动机和变速器器纵向安装在后轮驱动汽车前，也称为标准传动系统布局。
图4所示的布局结构，是对驾驶动态的优化布局，可以结合使用液力式自动变速器和双离合变速器。双离合变速器对以高发动机转速强调运动驾驶特性的汽车具有显著优势，不同于标准传动布局，其差速器和驱动桥齿轮被集成到自动变速器上。
图4，纵向前置，后置，中置发动机在后轮驱动汽车布局。
图5所示的布局，在低价位的汽车细分市场尤其受欢迎。不同于图3所示标准的传动布局，其差速器和驱动桥齿轮被集成到自动变速器上。由于发动机方向垂直于车辆行驶方向，驱动桥保持90度是没有必要的。因此整个传动系统更轻，更紧凑，成本更低。
图5，横置式发动机与变速器前轮驱动汽车传动系统布局。
之前的许多年，那款唯一的自动变速器，液力式自动变速器，采用与横置、前置发动机布局结合，如今，无级变速器和双离合变速器已经开始与传统自动变速器竞争。由于无级变速器和双离合变速器的能减少二氧化碳排放、档位转换更顺畅的压力，传统液力式自动变速器正经历一场创新的变革以确保其持续的影响力和竞争性。
自动变速器的需求和自动变速器油
变速器需求
所有的汽车变速器（手动变速器，机械式自动变速器，液力式自动变速器，双离合变速器，无级变速器）都有指定的最佳动力性、最小燃油消耗、最佳驾驶舒适性的要求，同时需要保持特定的经济性（见图6）。
图6，自动变速器的要求
图7，轿车自动变速器要求的例子
所有的具体要求都来自于最基本的要求，一些具体要求的例子如图7中所示。
汽车的整车空间、重量和性能都受到严格的要求。因此，汽车变速器不像对于固定的有限的目标传输那样，所有的工况要求都必须满足，这是由最小行驶里程和特定负载频谱定义的。
至于变速器油的寿命，变速器油可以分为2类：一类是不需要换油的，另一类是需要换油的。变速器油的寿命很大程度上取决于变速器的温度。
来自变速器的热油和冷却系统里的冷油在油底壳中混合，从而降低油温。油温的主要影响因素是：变速器传输的功率，效率损失，冷却系统性能，以及变速器冷却系统和车辆（发动机）冷却系统之间的接口。
除了油底壳油液的温度，局部温度也可以在变速器油的老化中起着重要作用，局部温度明显高于油底壳的温度。
在所有工况下，变速器内部润滑和冷却液分配系统必须限制变速器局部温度在一个低水平。允许的温度水平取决于各个传动部件的损坏模式，变速器油及其添加剂的热稳定性，和每个操作状态累计的老化时间。
汽车变速器的功能特性
与手动变速器（MTs）不同，机械式自动变速器（AMTs）和液力式自动变速器（ATs）自动改变档位，即无需司机通过换挡杆改变档位。机械式自动变速器（AMTS）是由手动变速器改装而成的。
机械式自动变速器按以下顺序执行任务：中断传动（断开离合器），改变传动比，连接传动（合上离合器）。
使用机械式自动变速器时，中断传动（断开离合器）会让司机感受到动力中断，这极大的影响了驾驶的舒适性。这种动力中断不会有一个积极的反馈，司机在开始换挡的过程中是意想不到的。而液力式自动变速器换挡时无动力中断，提高了驾驶的舒适性。
在双离合变速器（DTs）和液力式自动变速器变速器（ATS）中，上述的任务顺序是同时进行的，而无级变速器（CVTs），其传动比是在不中断动力的情况下变换的。
由于汽车自动变速器受到换挡舒适性方面的严格要求，使其各个摩擦转换部件和传动油都受到摩擦学方面的严格要求。这些要求必须在各种工况下并且在其整个寿命期内都要满足。对于无级变速器来说，严格的舒适性要求使其在变速器油的稳定性、金属摩擦副的摩擦系数在较宽的温度范围内和变速器寿命都有严格要求。如无级变速器的滑动摩擦部件，都必须要受到保护，不然可能会在短时间内发生过热损坏。
这些对摩擦的要求不仅限于润滑剂的选择，还对添加剂的配方有着严格要求，尤其是所谓摩擦改进剂，必须能够满足各个部件的要求。
为了实现全自动换挡，机械式自动变速器、无级变速器和双离合变速器需要一个手动变速器上没有的换挡控制系统。这些控制系统由机械部件（离合器和齿轮或变速器）、液压控制系统和供油系统（滤油器、油泵）、由液压元件驱动的（电磁阀，压力调节器）和电子元件（处理器、传感器等）共同作用，并用专用程序控制。
自动变速器的启动元件是一个会被用户直接，自动变速器的第一步是液力变矩器，液力变矩器优越的舒适性使其成为标准的自动变速器启动元件。在进一步进程中，锁止离合器的安装降低了换挡时的相对滑动，有助于减少不必要的效率损失。
近年来，双离合变速器已经占据了一部分变速器市场。双离合变速器运用两个离合器控制两组档位，没有任何的动力中断。这是对起步离合器富有逻辑又便利的设计。
无级变速器可以使用液力变矩器或湿式离合器作为启动离合器。
与手动变速器不同，自动变速器中润滑液的冷却能力和润滑齿轮、轴承、同步器的能力都要严格要求。因此润滑液必须使用优质的添加剂。轿车自动变速器使用的油最主要的要求如下：
基础油的剪切稳定性——耐久性，泄漏稳定性，在齿轮和轴承间的流体动力接触弹性
摩擦学——纸与钢和钢与钢的接触摩擦系数
高温粘度——泄漏损失和润滑
低温粘度——在低温条件下，抽油泵的汽蚀特性和声学特性，离合器的转矩
热稳定性——润滑油的耐久性
弹性体的相容性——密封元件的耐久性
防腐蚀——保护金属表面
除氧——油泵的汽蚀特性和声学特性
与塑料的相容性——塑料部件的耐久性
散热/清除污物——维护系统功能
结合相容性——电子元件的耐久性
变速器寿命的变化
在轿车整个寿命期内，变速器一直在磨损。磨损可分为初始磨损和持续磨损。磨损在机械、液压或电子元件上都有可能发生，并且可能导致磨损产生的颗粒进入润滑油。当发生这种磨损时，变速器油会提供传输和清洗功能，然后被油底壳中的磁铁吸附在一起，从而防止这些颗粒干扰变速器运行。
在变速器运行过程中，变速器油本身也会发生变化。基础油的老化会导致油粘度降低，即油会变得更稀。如果在变速器油路中泄漏过多油液，而没有足够的油给变速器提供润滑，可能会导致非常严重的后果。为了防止这样的情况发生，在汽车的寿命期内可能需要更换油液以保证润滑油的品质。
除了粘度的变化，润滑油的摩擦性能也可能随老化而改变。这导致润滑油对摩擦接触点的润滑能力下降，造成如离合器、齿轮、轴承、轴套的损伤和破坏。
对于司机而言，摩擦性能变化的感受是十分明显的，因为其对换挡离合器的影响特别大，这是负责变速器舒适换挡的主要部件之一。
由于变化和磨损在系统设计中是不可避免的，因此只能设定一个限定的目标以满足可靠性。这些系统必须足够承受这些变化和磨损。现代轿车的自动变速器设计通常可以在软件程序的帮助下改进这些功能。程序可以识别变化的影响并调整控制信号，通过这样的方式，使司机的驾驶感受更舒适。但要注意，这种调整只有在一定磨损极限内才有效。这些磨损极限是基于变速器设计的可靠性，预计载荷的精确性以及运行条件设定的。
参考文献：
1. Naunheimer H, Bertsche B, Ryborz J, Novak W (1994/2011) Automotive transmission, 2nd edn. Springer, Berlin/Heidelberg
2. Ottenbruch P, Gaubitz B, Schauder B, Sasse Chr (2005) Drehmomenteuro;ubertragung und Schwingungsentkopplung zwischen Motor und Getriebe – Louml;sungen feuro;ur die neuro;achste Motoren- und Getriebegeneration [Torque transfer and vibration decoupling between engine and transmission – solutions for the next engine and transmission generation]. In: 4th International CTI Symposium Innovative Vehicle Transmissions, Berlin
3. Niko M, Baur P, Funk P, Rettenmaier M, Reiszlig;er W (2008) The new 7-speed double clutch transmission for the Porsche 911 Carrera. VDI Congress, Friedrichshafen
4. Fischer M, Remmlinger U, Patzner J (2008) New 7-speed dual clutch transaxles. VDI Congress, Friedrichshafen
5. Nowatschin K, Flei
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[147348]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
