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汽车自动变速器新技术聚焦

来源:红黑大战2019-04-19 10:07

摘要:

  随着全球汽车工业的快速发展,汽车发展经历了三大革命性阶段,即动力革命阶段、传动革命阶段和控制革命阶段。目前各发达国家汽车正处于控制革命的阶段。控制革命阶段的本质就是实现控制的自动化和智能化。控制革命阶段的特点是由各总成的单独控制,向着模块化、一体化综合集成控制方式迈进,从一般化控制向智能化、网络化控制方向发展。其中汽车自动变速器技术的发展,在控制革命中又占据了重要地位。特别是在机械结构、液压控...

  随着全球汽车工业的快速发展,汽车发展经历了三大革命性阶段,即动力革命阶段、传动革命阶段和控制革命阶段。目前各发达国家汽车正处于控制革命的阶段。控制革命阶段的本质就是实现控制的自动化和智能化。控制革命阶段的特点是由各总成的单独控制,向着模块化、一体化综合集成控制方式迈进,从一般化控制向智能化、网络化控制方向发展。其中汽车自动变速器技术的发展,在控制革命中又占据了重要地位。特别是在机械结构、液压控制以及电子控制等方面也不断从传统控制型逐渐朝着人性化控制类型迈进。


  一、整体机械结构逐步简化


  从近几年新型自动变速器整体结构上看,机械和液压方面的结构设计似乎越来越简化,行星排数量没有增加、换挡执行元件和液压阀门数量的减少,导致错综复杂的油路变得更加简单,但挡位传动比的数量却增多了,因此在其电子控制方面就要求越来越精确。


  全球著名自动变速器供应商ZF公司,不久前推出了8前速变速器,并应用在了宝马、奥迪等车系上。在其机械结构上,8挡变速器使用了带4个行星齿轮组和5个换挡元件的全新齿轮组概念(见图1)。由于每个挡位只需要3个换挡元件控制,因此变速器内部的能量损失大大地降低,传动简图见图2。


  二、机械元件的改进


  1液力变扭器在结构上的新改进


  2006年后新款宝马车系上所选用的新型GA6HPTU型6速自动变速器,使用了一种新型结构的液力变扭器。该种液力变扭器内装有高效扭转减振系统。装有汽油发动机的车辆上用的是一个所谓的涡轮扭转减振器(TTD),见图3;柴油发动机车辆上则用的是一个双减振器液力变扭器(ZDW),见图4。


  (1)涡轮扭转减振器(TTD)


  涡轮扭转减振器是一种经典的扭转减振器,其初级侧(发动机侧)与液力变扭器的涡轮以固定方式连接。因此提高了初级侧的飞轮质量,从而明显改善了减振特性。变扭器锁止离合器分离时,即处于变扭器运行模式时来自涡轮的动力不像通常那样传输到变速器输入轴上。涡轮将动力传输到扭转减振器的初级侧。涡轮扭转减振器的次级侧与变速器输入轴连接在一起。因为液力变扭器不传输振动,所以扭矩减振器不必承担减振功能。在这种情况下,其工作方式与一个钢性传动元件非常相似。变扭器锁止离合器接合时,动力直接从离合器传输到涡轮扭转减振器的初级侧。由于此时与变扭器涡轮之间为钢性连接,因此提高了初级侧的飞轮质量。动力通过涡轮扭转减振器传输到变速器输入轴上。扭转振动可以非常有效地过滤掉。通过这个系统可以在不降低舒适性的情况下,使变扭器锁止离合器的接合时间明显提前。这样可以使变速器与发动机之问的连接更直接,从而提高动力性且降低了耗油量和尾气排放量。


  (2)双减振器液力变矩器(ZDW)


  双减振器液力变扭器主要由一个前置减振器和一个涡轮扭转减振器组成。第一个减振器的初级侧与变扭器锁止离合器连接,次级侧与第二个减振器的初级侧连接,后者的连接方式像带有变扭器涡轮的TTD一样为钢性连接。变扭器锁止离合器分离时动力传输与TTD相同。动力从涡轮经过双减振器(未经过减振)传输给变速器输入轴。变扭器锁止离合器接合时,动力通过由一个环形弹簧组成的第一个减振器传输。动力从此处传输给第二个减振器,该减振器的功能与TTD相当,也由两个环形弹簧组成。整个锁止控制过程也就是相当于两次减振处理。由于进一步改善了减振特性,因此变速器更适应柴油发动机的转动不均匀性。


  2换挡执行元件一离合器在结构上的改进


  现在一些新式自动变速器的离合器活塞在设计时加入了一个静态的压盖,用一油封封住其外边缘,见图5。该压盖在离合器的工作侧与回位侧(弹簧力)形成一个压力平衡腔(主、副活塞之间)。工作腔内的ATF离心力与平衡腔的离心力一样,两种离心力抵消活塞在弹簧力的作用下与离合器片分离,主动片和从动片之间就有足够的间隙,就不会产生不必要的摩擦。工作时主活塞从静态平衡压盖的外油封滑过。在过去传统型离合器中只有一个主活塞,为了消除因转动而造成的残余压力,在离合器结构设计时,活塞上加装一个单向球。有些车型将此单向球安装在离合器鼓上,起密封作用,离合器压力释放时单向球打开将离合器因转动形成的残余压力尽快的释放掉。


  3油泵的改进


  除了机械液压离合器以外,油泵也得到了很大的改进。(大众途锐09D型自动变速器)在一些新款车型自动变速器上,新式油泵不再采用铜套与变扭器驱动勃颈相配合,而是采用滚针轴承,见图6。这样就大大减少了因磨损而损坏油泵的问题。也就是说这种结构的更新将使油泵的使用寿命大大提高。


  三、液压控制系统的更新


  新型自动变速器液压系统中,机械阀门的数量越来越少,有些变速器机械阀门数量甚至已不到10个。新型自动变速器中线性占空比控制式电磁阀越来越多,同时这些电磁阀需要一个比较稳定的供油压力,减压阀(也叫电磁压力调节阀)便应运而生。减压阀是一个调节式阀门,其主要作用就是为全部电磁阀提供约500kPa左右的衡压。不论外界压力如何变化,该阀门输出压力永远都是一个恒压(弹簧力不变的情况下),所以当该阀门出现故障时(正常磨损或动作不灵敏),其输出压力不再是规定的恒压而变为错误压力,但电脑并不知道此错误的压力,仍按固有的指令程序进行控制,因此就会导致出现换挡质量的故障。


  四、传感器逐步走向数字化


  过去传统型变速器的传感器大部分都是模拟信号的磁电型传感器以及开关触点型传感器为主,而现在大部分新型自动变速器的传感器则被数字信号的霍尔型传感器所替代。自动变速器电脑只识别数字信号,模拟信号则需要转换为数字信号后才被采纳,这样信息传递更加可靠控制越发精确。目前,一些高端车型的自动变速器不但在速度传感器上采用数字信号,而且在位置信号和温度信号上也采用霍尔形式的数字传感器,比如奥迪的09E或09L变速器等同时部分车型电脑与传感器采用集成控制。


  五、执行器控制类型逐步走向频率化


  过去传统型电子控制自动变速器中换挡油路的切换是靠开关型电磁阀来控制的,该油路只是一个开关型的切换油路(为使换挡执行元件接合时不必产生过大的振动,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6挡系列变速器中的执行器多采用6个具有高流量特点、高频率的脉宽调制电磁阀,见图7,其中EDS5主要用来完成系统压力调节功能,EDS6用来完成发动机与变速器的机械连接功能(TCC),EDS1-A、EDS2-B、EDS3-C、EDS4-E/D则分别控制着5个换挡执行元件的接合与分离,也就是说换挡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挡质量。目前这款变速器主要广泛应用在宝马、奥迪、捷豹等高级轿车上。


  六、电子控制上的更新


  1智能型控制


  新式电子控制自动变速器中的智能化控制新技术,将使驾驶汽车变得更加轻松,其实施将带来机械传动领域的数字革命。因为智能化控制新技术具有一定的“智慧”,而且具有模仿人体大脑功能及决策功能,其传感器能够自动感知不同驾驶员的驾驶性情、不同路况,识别出行驶阻力、上坡、下坡等路况信息。并将相关信息告诉“大脑”――中央控制器,中央控制器则根据传感器提供的信息自动地在最佳时间进行换挡变速,并同步控制发动机输出恰当的扭矩和转速。驾驶员只需任意操作加速踏板,就可实现自动换挡变速。新型智能化自动变速器的实施将带来机械传动领域的数字革命,将把传统的汽车升华成骑在轮子上的“计算机”。


  2自适应控制


  就新型自动变速器而言,除一些其它新式控制类型外,大部分自动变速器的“适应性控制”意义都比较大。适应性控制功能根据其控制类型大致分为动态控制和稳态控制。


  动态控制主要用于监控换挡时的传动比的变化,这种反馈式控制主要用于精确的控制换挡油压。而稳态控制主要是考虑换挡执行元件摩擦片材料的摩擦系数发生变化时带来的影响。一是温度的影响,计算机通过变速器内部的油温传感器感知ATF温度的变化,使材料的摩擦系数随油温升高而变化的因素能在计算机控制程序中加以修正。二是摩擦系数降低的影响,摩擦系数降低有两方面的原因,首先是可能的泄漏,离合器的泄漏会造成容量下降,引起摩擦片打滑、发热,进而使摩擦系数进一步降低最终导致变速器摩擦片烧损;其次是自然磨损,离合器、制动器中的摩擦片长时间摩擦必然形成磨损。磨损后导致元件冲油时间加长继而使摩擦系数降低。通用公司大部分自动变速器所采用的控制方法是:当一个挡位状态确定后,计算机通过输入及输出轴转速传感器监控齿轮传动比,如果不是所要求的传动比(与计算机内部存储数据进行比较得到),比如说离合器或制动器打滑即会得到错误的传动比,这样为了维持换挡压力通过微电脑控制电磁阀使油压进一步升高,直至得到该正确传动比。这个调节程序对传动比的偏离非常灵敏,可以起到保护自动变速器的作用,也使得油泵能在最小所需压力下工作,有利于提高经济性。这就是一些美国车系的自动变速器闭环控制。


  3模糊逻辑控制


  对于模糊控制它不依赖于系统精确的数学模型,它采用的探索式控制规则本质上是线性的,而且模糊控制对过程参数改变不敏感,这对于经常在不同工况下工作的自动变速器来说是非常重要的。运用模糊理论进行控制的关键是模糊控制器的设计。模糊控制器是模拟人类控制特征的一种语言控制器,其设计主要包括模糊控制器的结构选择、模糊规则的选取、确定模糊控制器模糊化和解模糊方法及模糊控制器输入和输出变量的论域等,核心是模糊规则的选取,总结一下模糊控制的功能说白了就是微电脑具有模仿人体大脑的功能。能够预测到驾驶者的下一个动作,并最终实现最佳换挡时间控制等。


  自动变速器本身结构比较复杂,维修工艺和成本高,是集机、电、液一体化的高技术产品,其故障率较手动变速器要高,也是汽车维修中的难点和热点。新型自动变速器整体结构技术及控制技术的变革,定将对变速器的维修带来一定的困难。而且需要大量专业设备和专业技师才能完成诊断和修复作业。因此学习和掌握新型自动变速器新技术对其故障诊断及维修要领势在必行。作者: 薛庆文

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