重型汽車變速器的技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)

    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(duì)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(gè)，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(gè)前進(jìn)檔，副變速器為行星齒輪系傳動(dòng)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(shí)，行星齒輪內(nèi)齒圈被固定而不能轉(zhuǎn)動(dòng)，則副變速器掛入低檔，此時(shí)將主變速器分別掛入5個(gè)不同檔位可得到組合式變速器5個(gè)較大的傳動(dòng)比。當(dāng)使接合套與副變速器高檔齒圈接合時(shí)，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(gè)檔位傳動(dòng)比即分別等于組合式變速器。
    個(gè)較小的傳動(dòng)比。由于有兩個(gè)傳動(dòng)比數(shù)值很接近，故省掉一個(gè)傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)前進(jìn)檔。副變速器為2檔(高檔和低檔)齒輪傳動(dòng)，由于有2個(gè)傳動(dòng)比很接近，故省掉一個(gè)，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(shí)與兩根中間軸上對(duì)應(yīng)的齒輪相嚙合，功率分流，從理論上講，每對(duì)齒輪上傳遞的扭矩為1/2，這就使每對(duì)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(dòng)齒輪在軸上處于徑向浮動(dòng)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(duì)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(jì)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(dòng)和二軸的鉸接式
　　浮動(dòng)的結(jié)果，使得齒輪在嚙合時(shí)能自動(dòng)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(jì)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(gè)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(jí)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(gè)新產(chǎn)品推向市場(chǎng)。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(chǎng)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(duì)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(dòng)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(duì)的市場(chǎng)各有側(cè)重，像陜西法士特在8t以上重型車市場(chǎng)占有率達(dá)到40%以上，并且在15t以上重型車市場(chǎng)占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，擁有85%以上的市場(chǎng)份額；綦江齒輪傳動(dòng)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(chǎng)主要在8～10t級(jí)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(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和加速性，必須擴(kuò)大變速器傳動(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)比數(shù)值等于主變速器傳動(dòng)比和副變速器傳動(dòng)比的乘積，而且齒輪對(duì)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(gè)5檔主變速器后端，串聯(lián)安裝一個(gè)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(dòng)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(gè)輪齒承受的載荷分流給幾個(gè)輪齒來承擔(dān)。這樣一來，輸入齒輪扭矩不變，每個(gè)輪齒的負(fù)荷將等于同時(shí)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(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)。雙中間軸傳動(dòng)最大工藝難點(diǎn)是保證主傳動(dòng)齒輪能和所嚙合的雙中間軸齒輪的輪齒同時(shí)接觸問題，解決的辦法是用浮動(dòng)主傳動(dòng)齒輪的方法來消除齒軸對(duì)位的制造誤差，確保輪齒同時(shí)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(dòng)量。
    3.2　半檔組合式機(jī)械變速器
　　將副變速器傳動(dòng)比均勻地插入傳動(dòng)比間隔大的主變速器各檔傳動(dòng)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(duì)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(gè)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(duì)類似一軸常嚙合齒輪副組成，齒圈套在動(dòng)力輸入軸上自由轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)動(dòng)力輸入軸上的齒圈與主變速器一軸結(jié)合時(shí)，各檔傳動(dòng)比均由主變速器一軸齒輪副組成。當(dāng)齒圈與動(dòng)力輸入軸上的接合齒連接時(shí)，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(dòng)比均勻地插人主變速器各檔傳動(dòng)比之間。型號(hào)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(dòng)比范圍0.83～9.0，倒檔傳動(dòng)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(duì)半檔齒輪副等機(jī)構(gòu)，再在后端串聯(lián)行星齒輪傳動(dòng)副變速器。主變速器二軸一直伸入半檔齒輪副的動(dòng)力輸入軸孔內(nèi)，主變速器一軸在中間軸上自由轉(zhuǎn)動(dòng)。變速器最大輸入扭矩1600Nm，傳動(dòng)比范圍為1.00～13.63或0.85—11.46，倒檔傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)變速器的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)
　　自動(dòng)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(shí)由于變扭器的作用，自動(dòng)變速器在車輛起步階段能增加扭矩，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)功率的充分利用。
    國外城市大客車已普遍裝用自動(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)變速器(簡稱AT)
    與手動(dòng)變速器相比，液力自動(dòng)變速器在結(jié)構(gòu)和使用上與手動(dòng)變速器有很大的不同。手動(dòng)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(duì)放置的2臺(tái)風(fēng)扇，一臺(tái)風(fēng)扇吹出的風(fēng)力會(huì)帶動(dòng)另一臺(tái)風(fēng)扇的葉片旋轉(zhuǎn)，風(fēng)力成了動(dòng)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(huì)通過液體帶動(dòng)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(dòng)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(huì)隨發(fā)動(dòng)機(jī)工作變化自行操縱行星齒輪，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速變矩。
    Voith自動(dòng)變速器專用于城市客車，是全自動(dòng)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(gè)差速齒輪裝置一分為二，其效率高于一般的液壓傳動(dòng)變速器。
　　液力自動(dòng)變速器的主要優(yōu)點(diǎn)如下：
　　(1)在機(jī)械傳動(dòng)裝置中，行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)比普通齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小、體積小、傳動(dòng)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(dòng)變速器(簡稱AMT)
　　電控機(jī)械自動(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)踏板等)和車輛的狀態(tài)(發(fā)動(dòng)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(duì)車輛的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)(發(fā)動(dòng)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(dòng)操縱。
　　電控機(jī)械自動(dòng)變速器的主要特點(diǎn)如下：
　　(1)方便靈活，能減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高行車安全性。這是從手動(dòng)排檔轉(zhuǎn)變成自動(dòng)排檔后的一個(gè)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(dòng)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(jí)變速，是有級(jí)的，在換檔時(shí)存在動(dòng)力的中斷；二是在裝車和調(diào)試時(shí)要有專業(yè)的調(diào)試員。
    4.3　我國自動(dòng)變速器的發(fā)展趨勢(shì)
  　自動(dòng)變速器主要有液力自動(dòng)變速器(AT)、電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)、無級(jí)自動(dòng)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(dòng)機(jī)排量差異大，生產(chǎn)AT難以系列化。對(duì)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(dòng)，是自動(dòng)變速器的“靈魂”。我國目前的國情應(yīng)以AMT為主方向，它性價(jià)比高，價(jià)格是AT的1/4～1/3，人世之后它仍有競(jìng)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(shí)，要充分認(rèn)識(shí)到加入WTO后良好的合作開發(fā)機(jī)遇，取長補(bǔ)短，同時(shí)更應(yīng)認(rèn)識(shí)到供方、買方、替代者、產(chǎn)品競(jìng)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(shì)，要緊跟客車低地板化、綠色環(huán)�；�、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(shí)產(chǎn)權(quán)、適合我國國情的重型車用變速器。