某越野汽车匹配液力自动变速箱动力性研究与应用

刘 刚，汤俊勇，李 军，汪泉雨，骆 伟

（东风特种装备事业部（东风越野车有限公司），湖北 武汉 430056）

随着社会经济的发展，人们生活水平的提高，越野车作为一种特殊的交通工具进入了千家万户。同时，越野汽车也是应急抢险、消防救援时的重要装备之一，是顺利完成日常训练、战时保障的基础，其具有优越的机动性能和越野性能，是人员输送、物资投送的重要运输装备。因此，现在汽车行业内越来越重视越野汽车的技术升级，特别是机动性能和越野性能的提高。本文以某款匹配液力自动变速箱的越野汽车为例，阐述了动力性仿真分析及试验测试。

1 自动变速箱技术的发展

液力自动变速箱从上世纪30年代诞生至今，通过不断的技术创新，产品不断迭代发展。世界上第一台自动变速箱是美国 GM公司制造的，我国在汽车发动机与液力自动变速箱匹配方面的研究起步较晚，国内汽车行业和高校经过30多年的研究，取得了较大成果。

目前车用的自动变速箱可以分为三类：液力自动变速箱（Automatic Transmission, AT），电控机械式自动变速器（Automated Mechanical Transmission, AMT）以及无极自动变速箱（Continuously Variable Transmission, CVT）。

1.1 AT箱

AT箱是由液力变矩器与一套平行轴式齿轮组或旋转轴式齿轮组构成，通过液力传动和机械传动将发动机动力传递给驱动轮。在换挡时，通过控制离合器的分离和结合来完成无动力中断的换挡过程。这种变速箱的主要优点有：

（1）可根据外界的阻力变化自动变矩；

（2）可有效避免因车辆载荷突变导致的发动机熄火；

（3）减少传动系统传递的动态载荷，有效吸收振动和冲击，提高传动系统的使用寿命；

（4）液力传动特有的隔振性能，有效降低汽车换挡冲击，提高驾乘舒适性；

（5）提高汽车通过性能。汽车在雪地、沙地、泥泞地等松软路面上起步及加速时，车轮滑转小，汽车能以稳定的车速行驶。

目前AT箱大多采用闭锁离合器，有效提高了液力变矩器的工作效率，变矩器在汽车起步加速以及克服较大行驶阻力时才解锁发挥变矩作用，在稳定工况时变矩器保持闭锁状态不起作用。随着 AT箱的技术发展以及生产制造工艺的快速发展，AT箱在未来将成为自动变速箱的主力产品。因此，对AT箱的匹配研究具有非常重要的意义。

1.2 AMT

AMT自动变速箱是在齿轮式手动换挡变速箱的基础上，通过控制器来实现变速箱的选换挡及离合器结合操作，从而实现自动变速功能。

根据汽车行驶路况，并结合驾驶员的意图，在整车开发阶段需要对换挡策略、发动机油门开度进行标定，通过标定匹配，实现整车最优的动力性与燃油经济性。

1.3 CVT

CVT采用无级变速技术，它采用传动带和工作直径可变的主、从动轮相配合来传递动力，可以实现传动比的连续改变，从而得到传动系与发动机工况的最佳匹配。

CVT无极变速箱的主要优势包括：

（1）组成结构简单，变速箱体积小，零件少；

（2）传动速比范围宽，与发动机的匹配更有利于降低油耗；

（3）机械效率高，功率损失小。

2 车辆液力自动变速器结构

借鉴当前世界先进水平，目前国内自主液力自动变速箱的研发、生产制造技术已取得显著成果，多款自主液力自动变速箱已实现装车量产。以某款越野汽车匹配的液力自动变速箱为例，进行结构分析说明，该液力自动变速箱由前箱体、变矩器、主箱体、中间轴、后盖以及控制器等模块组成。

该款液力自动变速箱具有液力传动与机械传动综合的特点。在结构上将液力变矩器、行星变速机构、液压控制和冷却润滑系统等部件综合在一个箱体内。自动变速器采用集成扭转减振器和闭锁离合器的液力变矩器、行星变速机构、液压控制和冷却润滑系统及自动换挡电控系统，使车辆具备了动力换挡和自动换挡功能；通过采用电液比例电控系统，进一步提升换挡品质，确保动力换挡过程的连续性；采用新型换挡方式，实现了液力变矩器闭锁工况自动换挡，缩短了换挡时间，有效提高了整车动力性。该款液力自动变速箱外形如图1所示。

图1 液力自动变速箱外形图

因此，越野汽车匹配液力自动变速箱优势明显，对匹配液力自动变速箱进行研究具有非常重要的实际意义。

3 某越野车匹配液力自动变速箱动力性分析

以匹配液力自动变速箱的某款越野汽车作为研究对象，进行动力性分析。借助目前常用的CRUISE软件来进行整车动力性仿真，不仅可以降低研发经费，而且可以得到与实际试验非常接近的结果。

3.1 动力系统匹配

以某款越野汽车整车基本参数及动力性指标要求作为输入，如表1所示。

表1 某款越野汽车基本参数及动力性指标要求

其中，发动机外特性曲线如图2所示。

图2 发动机外特性曲线图

该款越野汽车匹配某液力自动变速箱，该液力自动变速箱主要组成部件有液力变矩器、行星变速机构、自动变速器电子控制系统电控装置及冷却润滑系统等。采用液力变矩器主要优点在于操作简便，起步、换挡平顺，且发动机不易熄火。液力变矩器原始特性一般由台架试验测得，该款液力越野汽车匹配自动变速箱的液力变矩器原始特性如图3所示。

图3 液力变矩器原始特性曲线图

利用发动机外特性曲线与不同速比时液力变矩器转矩曲线的交点，也就是发动机油门全开时发动机与液力变矩器的共同工作点，即可确定液力变矩器输入、输出特性参数，即发动机与液力变矩器共同工作输出特性，根据此输出特性可以确定汽车的动力性。

3.2 仿真模型

利用 CRUISE软件。首先建立整车模型，如图4所示。在整车模型中定义好整车的基础参数，包括轴距、整备质量、整车总质量、迎风面积、风阻系数等参数。另外，发动机、液力变矩器、变速器、分动箱、前后驱动桥以及车轮等参数分别在整车模型中各对应的子模块中定义。定义好各参数后，就可以进行整车动力性仿真计算了。

图4 整车模型

3.3 计算结果

经理论仿真计算，该款越野汽车动力性匹配结果如表2所示。

表2 某款越野汽车动力性匹配结果

最高车速对应变速箱最高挡、分动箱高挡时的车速值。其中，原地起步加速到80 km/h最短时间对应分动箱高挡，加速时间如图5所示。

图5 加速时间曲线图

4 整车动力性试验验证

分别根据国标 GB/T12544—2012《汽车最高车速试验方法》、GB/T12543—2009《汽车加速性能试验方法》、GB/T12539—2018《汽车爬陡坡试验方法》，对该越野汽车的整车性能指标进行验证，试验环境符合国标相关规定。其中，整车加速试验如图6所示，整车爬坡试验如图7所示。

图6 整车加速试验

图7 整车爬坡试验

经整车动力性试验验证，该越野汽车动力性试验结果见表3。从试验结果分析，与传统匹配手动变速箱的越野车相比，加速性能提高最为明显，加速时间减少了35%。

表3 试验结果

5 结论

（1）经分析研究，液力自动变速箱具有液力传动与机械传动综合的特点，该越野汽车匹配液力自动变速箱的优势明显。采用新型换挡方式，实现了液力变矩器闭锁工况自动换挡，缩短了换挡时间，有效提高了整车动力性；

（2）利用常用的CRUISE软件来进行整车动力性仿真，不仅可以降低研发经费，而且可以得到与实际试验非常接近的结果；

（3）根据某款越野汽车的具体参数，对其匹配液力自动变速箱进行了动力性仿真分析。匹配液力自动变速箱的越野汽车能够达到较好的动力输出，加速性能可提升35%。