重型汽車變速器的技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展趨勢

    重型汽車變速器是指與重型商用車和大型客車匹配的變速器，盡管在行業(yè)中對變速器的容量劃分沒有明確的界限，但我們通常將標(biāo)定輸入扭矩在900Nm以上的汽車變速器稱為重型汽車變速器。
　　1 國外重型汽車變速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
　　在國外，變速器專業(yè)化生產(chǎn)廠家很注重產(chǎn)品系列化，為主機(jī)廠選擇最滿意的變速器提供了極大的方便和靈活性。例如德國ZF(采埃孚)公司有中心距8.0、95、105、115、120、143、154mm7種基型變速器，適應(yīng)輸入扭矩為130—1900Nm，檔位數(shù)從3—17個，有各種操縱方式的變速器適應(yīng)不同匹配要求的車輛。日本豐田汽車公司愛信精機(jī)公司備有中心距72、78、88、98、135mm5種基型組合，286種變速器供用戶選擇。而我國眾多的汽車變速器生產(chǎn)企業(yè)，尚沒有形成本企業(yè)的變速器系列化產(chǎn)品。
    德國ZF公司生產(chǎn)的9S109同步器型倍檔9檔組合式變速器，主變速器有5個前進(jìn)檔，副變速器為行星齒輪系傳動結(jié)構(gòu)。當(dāng)副變速器中的同步器接合套與固定外齒圈接合時，行星齒輪內(nèi)齒圈被固定而不能轉(zhuǎn)動，則副變速器掛入低檔，此時將主變速器分別掛入5個不同檔位可得到組合式變速器5個較大的傳動比。當(dāng)使接合套與副變速器高檔齒圈接合時，行星齒輪軸、輸出軸、行星齒輪內(nèi)齒圈和副變速器輸入軸齒輪固定在一起而同步旋轉(zhuǎn)，則副變速器掛入高檔(直接檔)，主變速器的5個檔位傳動比即分別等于組合式變速器。
    個較小的傳動比。由于有兩個傳動比數(shù)值很接近，故省掉一個傳動比，組成9檔變速器。變速器最大輸入扭矩1250Nm，總質(zhì)量310kg，與發(fā)動機(jī)直接連接或獨(dú)立安裝，左臥式或右臥式。變速器的操縱系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)軸遠(yuǎn)距離操縱或直接操縱，雙XH型換檔排列，副變速器由壓縮空氣自動換檔，爬行檔和倒檔用嚙合套換檔，其他檔用同步器換檔。
    1.2　美國伊頓公司富勒系列雙副軸變速器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
　　美國伊頓公司生產(chǎn)的BT-11509C雙中間軸倍檔9檔組合式機(jī)械變速器，主副變速器皆采用雙中間軸結(jié)構(gòu)。主變速器有5個前進(jìn)檔。副變速器為2檔(高檔和低檔)齒輪傳動，由于有2個傳動比很接近，故省掉一個，組成9檔變速器。
　　雙中間軸倍檔組合式變速器具有如下優(yōu)點(diǎn)：
　　(1)由于一軸和二軸上各檔齒輪同時與兩根中間軸上對應(yīng)的齒輪相嚙合，功率分流，從理論上講，每對齒輪上傳遞的扭矩為1/2，這就使每對齒輪傳遞的扭矩減少50%，使變速器的中心距、齒輪模數(shù)和寬度可以減小，從而減小變速器的質(zhì)量和尺寸，特別是長度尺寸。
　　(2)由于二軸從動齒輪在軸上處于徑向浮動狀態(tài)，兩根中間軸的軸心線均勻分布在以二軸理論軸心為圓心、以中心距為半徑的圓柱面上，所以二軸上各檔齒輪及一軸齒輪在與兩根中間軸上的對應(yīng)齒輪相嚙合產(chǎn)生的徑向力達(dá)到平衡，即互相抵消。二軸不承受徑向力，只傳遞扭矩，這樣二軸可以設(shè)計得細(xì)一些，結(jié)構(gòu)可以簡單一些，其后軸承可以選擇較小的規(guī)格，這也有助于減小變速器的質(zhì)量和尺寸。
　　(3)由于二軸齒輪的徑向浮動和二軸的鉸接式
　　浮動的結(jié)果，使得齒輪在嚙合時能自動抵消一部分制造和裝配誤差，嚙合質(zhì)量優(yōu)于單中間軸。嚙合區(qū)容易達(dá)到設(shè)計要求，實(shí)際使用情況也證實(shí)了這點(diǎn)。這就有利于降低嚙合噪聲和提高耐用度。
　　(4)由于雙中間軸倍檔組合式變速器可以明顯地減小變速器的質(zhì)量和軸向尺寸，利用這種優(yōu)點(diǎn)，可提高變速器的最大傳遞功率和扭矩，擴(kuò)大使用范圍。
　　這是短軸距大功率重型汽車和特種車輛最理想的變速器。RT-11509C型變速器最大輸入扭矩1500Nm，最大輸入功率265kW，總長度735mm，XXH或單H操縱，可左操縱亦可右操縱，總質(zhì)量270kg。
    2 國內(nèi)機(jī)械式重型汽車變速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
　　國內(nèi)重型車變速器產(chǎn)品的技術(shù)多源于美國、德國、日本幾個國家，引進(jìn)技術(shù)多為國外上世紀(jì)80—90年代的產(chǎn)品。作為汽車高級技術(shù)領(lǐng)域的重型汽車變速器在國內(nèi)漫長的引進(jìn)消化過程中，如今已有長足的進(jìn)步，能夠在原有技術(shù)引進(jìn)的基礎(chǔ)上，通過改型自行開發(fā)出符合配套要求的新產(chǎn)品，每年重型車變速器行業(yè)都能有十幾個新產(chǎn)品推向市場。但從當(dāng)今重型車變速器的發(fā)展情況來看，在新產(chǎn)品開發(fā)上國內(nèi)重型車變速器仍然走的是一般性的開發(fā)過程，沒有真正的核心技術(shù)產(chǎn)品；從國內(nèi)重型汽車變速器市場容量來看，有三分之一的產(chǎn)品來自進(jìn)口，而另外三分之二的產(chǎn)品中有80%以上源自國外技術(shù)，國內(nèi)自主開發(fā)的重型汽車變速器產(chǎn)品銷量很小，從而說明國內(nèi)重型汽車變速器廠家的自主開發(fā)能力仍然很薄弱，應(yīng)對整車新車型配套產(chǎn)品的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。我國城市車輛將重點(diǎn)發(fā)展的13.8m客車上使用的變速器，目前只有ZF一家能向國內(nèi)企業(yè)供應(yīng)，就足以說明國內(nèi)的重型車變速器企業(yè)仍然很渺小，在技術(shù)方面仍然有很長的路要走。
    國內(nèi)重型汽車變速器幾乎由陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司、綦江齒輪傳動有限公司、山西大同齒輪集團(tuán)有限責(zé)任公司、一汽哈爾濱變速器廠等幾大家包攬。這些企業(yè)生產(chǎn)的變速器產(chǎn)品針對的市場各有側(cè)重，像陜西法士特在8t以上重型車市場占有率達(dá)到40%以上，并且在15t以上重型車市場占有絕對的優(yōu)勢，擁有85%以上的市場份額；綦江齒輪傳動有限公司主要為安凱、西沃、亞星奔馳、桂林大宇及廈門金龍等企業(yè)的7～12m高檔大、中型客車以及總質(zhì)量在14～50t重型載貨車、鞍式牽引車、自卸車及各種專用車、特種車配套；山西大同齒輪集團(tuán)配套市場主要在8～10t級的低噸位重型載貨車。
    3　機(jī)械式重型汽車變速器的技術(shù)特點(diǎn)
　　重型汽車的裝載質(zhì)量大，使用條件復(fù)雜。欲保證重型汽車具有良好的動力性、經(jīng)濟(jì)性和加速性，必須擴(kuò)大變速器傳動比的范圍并增加檔位數(shù)。為避免變速器的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜和便于系列化生產(chǎn)，多采用組合式機(jī)械變速器。即以一二種4～6檔變速器為主體，通過更換系列齒輪副和配置不同的副變速器，得到一組不同檔位數(shù)、不同傳動比范圍的變速器系列。目前，組合式機(jī)械變速器已成為重型汽車采用的主要型式。組合式機(jī)械變速器一般分為倍檔(分段式配檔)組合式機(jī)械變速器和半檔(插入式配檔)組合式機(jī)械變速器。
    3.1　倍檔組合式機(jī)械變速器
　　倍檔組合式機(jī)械變速器是在主變速器后部串聯(lián)安裝一個2檔(高檔和低檔)副變速器，將主變速器的檔位數(shù)增加1倍，所增加的檔位傳動比數(shù)值等于主變速器傳動比和副變速器傳動比的乘積，而且齒輪對數(shù)少于檔位數(shù)，因此箱體尺寸縮短，軸的長度減短，剛度增大，所以增大了變速器的容量。例如在一個5檔主變速器后端，串聯(lián)安裝一個具有高、低2檔的副變速器，即可組成10檔(或9檔)倍檔組合式機(jī)械變速器。增加倍檔組合式變速器最大輸入扭矩和最低檔傳動比的技術(shù)難點(diǎn)是副變速器低檔齒輪的強(qiáng)度容量不足，超出齒輪輪齒的承載能力。解決的辦法是將由一個輪齒承受的載荷分流給幾個輪齒來承擔(dān)。這樣一來，輸入齒輪扭矩不變，每個輪齒的負(fù)荷將等于同時接觸齒數(shù)的平均數(shù)值。
    倍檔組合式變速器的副變速器功率分流方法有兩種：一種是采用行星齒輪系的傳動方法，這種結(jié)構(gòu)非常緊湊，體積小而扭矩容量大，直到現(xiàn)在仍廣泛應(yīng)用；另一種功率分流的方法是采用雙中間軸傳動結(jié)構(gòu)。雙中間軸傳動最大工藝難點(diǎn)是保證主傳動齒輪能和所嚙合的雙中間軸齒輪的輪齒同時接觸問題，解決的辦法是用浮動主傳動齒輪的方法來消除齒軸對位的制造誤差，確保輪齒同時接觸，達(dá)到功率分流的目的。與此相適應(yīng)的換檔同步器也有一定的浮動量。
    3.2　半檔組合式機(jī)械變速器
　　將副變速器傳動比均勻地插入傳動比間隔大的主變速器各檔傳動比之間，使變速器的檔位數(shù)增加1倍。半檔副變速器串聯(lián)在主變速器前部，它只有一對齒輪副和換檔同步器。早期的半檔副變速器由單獨(dú)的一個箱子組成，近年來發(fā)展成將半檔齒輪副直接放到主變速器之內(nèi)，既縮短變速器長度又簡化半檔結(jié)構(gòu)。半檔副變速器由一對類似一軸常嚙合齒輪副組成，齒圈套在動力輸入軸上自由轉(zhuǎn)動，當(dāng)動力輸入軸上的齒圈與主變速器一軸結(jié)合時，各檔傳動比均由主變速器一軸齒輪副組成。當(dāng)齒圈與動力輸入軸上的接合齒連接時，常嚙合齒輪與主變速器上的中間軸連接，因此主變速器中間軸也旋轉(zhuǎn)，由此組成的各檔傳動比均勻地插人主變速器各檔傳動比之間。型號為ZFAK/6—80十GV80的半檔組合式機(jī)械變速器，由6檔AS6-80主變速器串聯(lián)半檔副變速器組成。最大輸入扭矩為750Nm，傳動比范圍0.83～9.0，倒檔傳動比為7.05/8.46。這種變速器曾在歐洲廣泛使用，如曼、依維柯、斯太爾、沃爾沃等。ZF公司開發(fā)的ECOSPLIT-16S型16檔組合式機(jī)械變速器，在4檔主變速器前端加裝一對半檔齒輪副等機(jī)構(gòu)，再在后端串聯(lián)行星齒輪傳動副變速器。主變速器二軸一直伸入半檔齒輪副的動力輸入軸孔內(nèi)，主變速器一軸在中間軸上自由轉(zhuǎn)動。變速器最大輸入扭矩1600Nm，傳動比范圍為1.00～13.63或0.85—11.46，倒檔傳動比為9.41/11.06或8.64/10.15，長度約950mm，總質(zhì)量約300kg。
    半檔組合式變速器在國外被廣泛應(yīng)用，特別是在歐洲中型和中重型汽車大量采用這種變速器，其中長途汽車(包括大客車)應(yīng)用得更多些。汽車發(fā)動機(jī)功率從85～200kW的各種車輛多用半檔副變速器增加檔位，因?yàn)榘霗n組合式變速器的長度小于倍檔組合式變速器，而且它的結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維修保養(yǎng)容易，深受用戶青睞。國外中型和重型汽車發(fā)動機(jī)功率在200kWl)l下的基本上都采用半檔組合變速器，發(fā)動機(jī)功率在200kW以上的多采用倍檔(或倍檔加半檔)組合式變速器。
    4　自動變速器的應(yīng)用與發(fā)展趨勢
　　自動變速器能滿足車輛頻繁起步、頻繁加速的要求，并可以連續(xù)加速至最高車速，提高車輛起步加速性能，從而提高整車特別是城市客車的整體運(yùn)行速度。同時由于變扭器的作用，自動變速器在車輛起步階段能增加扭矩，有利于發(fā)動機(jī)功率的充分利用。
    國外城市大客車已普遍裝用自動變速器，它在美國的普及率基本上是100%，西歐為95%，而我國只有深圳、上海少數(shù)幾個城市在使用。代表國際先進(jìn)技術(shù)水平的為ZF、Voith、Allison3種自動變速器。借鑒國外變速器研制的經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)技術(shù)，可以起到事半功倍的作用。以下介紹2種變速器的結(jié)構(gòu)原理和技術(shù)特點(diǎn)。
    4.1　液力自動變速器(簡稱AT)
    與手動變速器相比，液力自動變速器在結(jié)構(gòu)和使用上與手動變速器有很大的不同。手動變速器主要由齒輪和軸組成，通過不同的齒輪組合產(chǎn)生變速變矩；而AT是由液力變扭器、行星齒輪和液壓操縱系統(tǒng)組成，通過液力傳遞和齒輪組合的方式來達(dá)到變速變矩。其中液力變扭器是AT最具特點(diǎn)的部件。液力變扭器的泵輪和渦輪就好似相對放置的2臺風(fēng)扇，一臺風(fēng)扇吹出的風(fēng)力會帶動另一臺風(fēng)扇的葉片旋轉(zhuǎn)，風(fēng)力成了動能傳遞的媒介。用液體代替空氣成為傳遞能量的介質(zhì)，泵輪就會通過液體帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，再在泵輪和渦輪之間加上導(dǎo)輪，通過反作用力使泵輪和渦輪之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速差就可以實(shí)現(xiàn)變速變矩了。由于液力變扭器自動變速變矩范圍不夠大，因此在渦輪后面再串聯(lián)幾排行星齒輪提高效率，液壓操縱系統(tǒng)會隨發(fā)動機(jī)工作變化自行操縱行星齒輪，從而實(shí)現(xiàn)自動變速變矩。
    Voith自動變速器專用于城市客車，是全自動液力機(jī)械式變速器，其液力變扭器用于加速和減速。由于輸人功率被一個差速齒輪裝置一分為二，其效率高于一般的液壓傳動變速器。
　　液力自動變速器的主要優(yōu)點(diǎn)如下：
　　(1)在機(jī)械傳動裝置中，行星傳動機(jī)構(gòu)比普通齒輪傳動機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、體積小、傳動比大及效率高等優(yōu)點(diǎn)。
　　(2)AT不用離合器換檔，檔位少變化大，連接平穩(wěn)，因此操作容易，既給駕駛員帶來方便，也給乘客帶來舒適。缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)復(fù)雜，制造和修理都較困難。目前在汽車上使用，前途越來越不被看好。
    4.2　電控機(jī)械自動變速器(簡稱AMT)
　　電控機(jī)械自動變速器，是在傳統(tǒng)的固定軸式變速器和干式離合器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用電子技術(shù)、模糊控制理論和變速理論，以電子控制單元ECU為核心，通過液壓控制系統(tǒng)控制離合器的分離與結(jié)合，以及選檔、換檔操作，通過對發(fā)動機(jī)節(jié)氣門的調(diào)節(jié)，由電子控制單元ECU來實(shí)現(xiàn)汽車起步、換檔的自動操作。
　　AMT控制的基本原理：根據(jù)駕駛員的意思(油門踏板、制動踏板等)和車輛的狀態(tài)(發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出軸轉(zhuǎn)速、車速、檔位等)，依據(jù)一定的規(guī)律(換檔規(guī)律、離合器接合規(guī)律等)，借助于相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(供油執(zhí)行機(jī)構(gòu)、選換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)、離合器分離和接合執(zhí)行機(jī)構(gòu))，對車輛的動力傳動系統(tǒng)(發(fā)動機(jī)、離合器、變速器)進(jìn)行聯(lián)合操縱，實(shí)現(xiàn)起步、換檔的自動操縱。
　　電控機(jī)械自動變速器的主要特點(diǎn)如下：
　　(1)方便靈活，能減輕駕駛員勞動強(qiáng)度，提高行車安全性。這是從手動排檔轉(zhuǎn)變成自動排檔后的一個最重要的特點(diǎn)。
　　(2)經(jīng)濟(jì)省油，延長車輛的使用壽命。同AT相比，AMT效率幾乎與機(jī)械式變速器相同，這樣也就比目前汽車上使用的其它自動變速器更節(jié)約能源，可改善環(huán)境污染程度。
    (3)結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝，維修保養(yǎng)方便。它的主要缺點(diǎn)有兩點(diǎn)，一是汽車不是無級變速，是有級的，在換檔時存在動力的中斷；二是在裝車和調(diào)試時要有專業(yè)的調(diào)試員。
    4.3　我國自動變速器的發(fā)展趨勢
  　自動變速器主要有液力自動變速器(AT)、電控機(jī)械式自動變速器(AMT)、無級自動變速器(CVT)。其技術(shù)關(guān)鍵是電子技術(shù)、電液控制和傳感技術(shù)。我國目前的基礎(chǔ)工業(yè)難以滿足AT的高技術(shù)、高投資要求，加之與這些產(chǎn)品匹配的發(fā)動機(jī)排量差異大，生產(chǎn)AT難以系列化。對于CVT，必須開發(fā)其關(guān)鍵部件——液力變扭器，它性能優(yōu)良，還可以與AMT組成新的液力機(jī)械傳動，是自動變速器的“靈魂”。我國目前的國情應(yīng)以AMT為主方向，它性價比高，價格是AT的1/4～1/3，人世之后它仍有競爭力；生產(chǎn)繼承性好，改造資金投入少；生產(chǎn)批量靈活，小批量、小得益，大批量、大得益；相對于各種車型，其硬件開發(fā)和軟件研制在結(jié)構(gòu)上、理論上是相通的，成果可推廣到各類型汽車上。
　  5　結(jié)語
　　隨著國內(nèi)汽車市場的發(fā)育成長，變速器產(chǎn)品型譜逐步細(xì)化，產(chǎn)品的針對性越來越強(qiáng)，因此在保證現(xiàn)有變速器生產(chǎn)和改進(jìn)的同時，要充分認(rèn)識到加入WTO后良好的合作開發(fā)機(jī)遇，取長補(bǔ)短，同時更應(yīng)認(rèn)識到供方、買方、替代者、產(chǎn)品競爭者的巨大壓力。要緊跟重型商用車行業(yè)向高檔、高技術(shù)含量和智能化方向發(fā)展的趨勢，要緊跟客車低地板化、綠色環(huán)保化、城市公交大型化的發(fā)展方向，開發(fā)和生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、適合我國國情的重型車用變速器。