汽车变速系统研究与设计

别佳骐

摘 要：随着科技、经济的高速发展，汽车的使用人群不断扩大，其使用体验、设计合理度开始备受用户关注。变速系统作为汽车的一个尤为重要的部分，与整车动力性能、燃油经济性、驾驶感受息息相关。本文就汽車变速系统的研究与设计进行论述，为汽车变速系统的优化设计提供了理论参考价值。

关键词：汽车变速系统;传动比;车辆工程;机械设计;自动控制

1 前言

大多数汽车使用内燃机作为动力机。内燃机普遍具有这样的特性：在低转速区运行时，输出扭矩与输出功率都极低，输出高扭矩的转速区段为中转速区，输出高功率的转速区段为高转速区。在这种前提下，如果汽车不配置变速系统，发动机使用固定传动比驱动整车，几乎不可能做到既在低速时取得较大的轮上输出扭矩、容易起步，又在一般行驶速度下以较为省油的工况工作，还能得到较高的极限车速。

故以内燃机为动力机的汽车，需要配置变速系统，才能使得整车满足日常使用需求。变速系统有较大的研究价值，且设计上具有较大的优化空间。

2 变速系统的关键评价指标

（1）传动效率。即传动组件的机械效率。其表征传动组件能否将进入输入端的动能尽可能多地传递到输出端。每车型在不同工况下传动效率都有一定差异，此指标应由各工况下的效率综合计算得到。例如CVT的效率变化范围较大，在70%～90%之间[1，2]。

（2）最低、最高挡总传动比。分别在最低挡位、最高挡位下，发动机至车轮的总传动比。此指标将影响轮上扭矩输出能力、车辆的最高速度。

（3）速比范围。最低挡位传动比与最高挡位传动比的商。其通过变速箱最高档位与最低档位差别的大小，反映变速系统的变速能力的高低。

（4）挡位数。变速系统具有n个可选的传动比，也就是具有n个挡位。挡位数表征了在最低传动比与最高传动比之间其余可选传动比的丰富程度。

（5）相邻挡级差。两个相邻挡位间传动比的商。表征两个相邻档位传动比的接近程度以及换挡动作前后的转速差异大小。

3 常见变速系统型式

（1）MT手动变速系统。MT是历史最久的变速系统。驾驶员可直接通过变速杆改变变速箱内的机械结构，使得输入轴与输出轴实现不同的联接。这种系统简单而可靠，传动效率较高，可操作性强;但占用了驾驶员的部分注意力，且换挡的过程时间较长，会有明显的动力中断，加速过程是不均匀、间歇的。

（2）AMT电控机械自动变速系统。AMT是自动变速系统中最接近手动变速系统的一种。因为其是在手动变速系统的结构上加入了电控系统，也就是说机械原理没有改变，只是换挡操作由电脑替代驾驶员来完成。这种系统造价较低，结构简单，但换挡时间长，难以解决动力连续性问题。典型的应用是在入门级的自动挡车型上。

（3）AT带液力变矩器的自动变速系统。AT是目前应用最普遍的自动变速系统型式，变速功能由行星齿轮组、液力变矩器共同完成。其最大的特点是液力变矩器取代了离合器的地位，其巧妙的流体力学设计实现了利用转差来增矩，在车辆起步时，不至于像手动变速车型在半联动状态下的转差只引起热能转化。但由于液力变矩器的存在，整个传动系统不是刚性联接，这决定了AT的传动效率无法做到太高。

（4）CVT无级自动变速系统。CVT与其他变速系统存在明显界限。其连续可调的传动比，区别于其它变速系统的离散传动比，可以调到任意值，不存在“挡”的概念。理论上它是最优的一种变速系统，因为其能够将任何行驶状态及时匹配到发动机的相对最佳工况，且变速时平顺舒适。但其不用齿轮而是利用钢带进行传动，无法承受特别大的扭矩，速比范围也受到很大限制。

4 汽车变速系统的设计思路

（1）分析汽车的使用场景以及发动机特性曲线。首先根据车辆的种类，来考虑其使用场景，需要在哪些道路上行驶，能大体分析出整车所需要达到的性能参数。当选定了一款合适的发动机之后，需仔细研究发动机的特性曲线，利用变速系统与其相配合达到要求的整车性能。

（2）确定变速系统的参数和型式。首先要依据整合油耗要求确定整个传动系统的传动效率，确保综合工况下机械损耗在一定比例内，这关系到材料、质量、润滑剂等多方面的设计，同时将对变速系统型式作第一道筛选。然后要根据汽车的使用需求，进一步缩小变速系统型式的选择范围。

汽车变速器I档速比的选取，现行的理论方法是根据汽车最大爬坡度的要求来确定[2]。而最高档速比的选取，则和极限车速有一定关系。在汽车行驶纵向作用有各种外力，包括驱动力和其它行驶阻力[3，4]，那么一般要存在某一个挡位，当发动机输出最大功率时，所对应的转速的行驶阻力功率刚好与此功率值相等，这样才可得到最高的极限车速，这个挡位通常也是最高挡位。

一般家用轿车的速比范围要在4.0以上，而货运车则一般需要更高。

（3）手动变速系统的考虑重点。在这里仅讨论手动变速的家用轿车。其挡位数较少，5个是较为常见的，其有很大程度上是为了考虑操作简单、频次尽量低。

也是因为此原因，手动变速器的相邻挡级差都不会太小，不然在某段时间下，换挡时间占比将超出可接受范围。

其还有一个通用设计原则：低挡区一般级差较大，高挡位区一般级差较小。这是因为如果完全等比，在加速过程中将会出现因低挡位加速较快，换挡极为频繁的问题。

（4）自动变速系统的考虑重点。自动变速系统要重视软件与机械的配合。由于发动机是一个复杂的滞后系统，特别是汽油发动机，系统中的油气、水温等对其工作影响较大，要求控制器具有较高的定量知识的能力[4]。升降挡触发逻辑也需从安全、舒适、动力、等维度加以综合评估。

自动变速系统的设计中，还应重视可操作性。驾驶员有时需要为获得预想效果而对变速系统进行一定的干预。从这个方面讲，手自一体是最优的，多前进挡或多模式其次，单模式最次。

参考文献：

[1]鲍伟，葛建军，肖旭，曹将.（2018）.湿式双离合器微滑摩控制关键问题研究[J].汽车工程，40（10）：72-79.

[2]王齐天.高等级发动机润滑油润滑特性分析[J].中国化工贸易，2019，11（016）：223.

[3]成起强，李江江，王新，房亮.输出轴离合器式手动变速箱工作原理分析[J].价值工程，2018，493（17）：132-133.

[4]廖武，张永康.一种汽车主减速器传动比选择方法[J].汽车实用技术，2018，270（15）：100-101.