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0 概述

目前，寬敞而舒適的新型寬體輕客為代表的家用汽車正在逐漸成為主流車型。對(duì)汽車尾氣排放問題的要求日趨嚴(yán)格，對(duì)汽車性能的要求也在日漸提升。除了行駛性能外，廢氣排放性能、燃油耗性能、舒適性也已成為重要性能指標(biāo)。為此，不僅需改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，變速器也要與發(fā)動(dòng)機(jī)相協(xié)調(diào)匹配，進(jìn)而能夠最大限度地發(fā)揮其性能。目前市場(chǎng)上的手動(dòng)變速器(MT)及自動(dòng)變速器(AT)已實(shí)現(xiàn)了多級(jí)化，而無級(jí)變速器(CVT)同樣也已取得較大的發(fā)展，并且開發(fā)出了全新的雙離合變速器(DCT)。而且，除了傳統(tǒng)型發(fā)動(dòng)機(jī)外，與電機(jī)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的混合動(dòng)力汽車(HV)，插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)，以及純電動(dòng)汽車(EV)，預(yù)計(jì)在將來也會(huì)得以大幅推廣。

本文主要闡述了當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展前景。

1 內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

以典型汽油機(jī)為例，研究其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)所應(yīng)具備的性能與技術(shù)。論述了其中對(duì)汽車正常行駛、轉(zhuǎn)向、停車有較大的關(guān)系的變速器技術(shù)。

配裝有傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車，其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)首要的性能要求是可按照駕駛員的意愿提供并傳遞驅(qū)動(dòng)力，并兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，要求有較好的操縱性及順暢平滑的噪聲-振動(dòng)-平順性(NVH)性能。

通常，在低轉(zhuǎn)速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生低扭矩，而在高轉(zhuǎn)速工況下則會(huì)產(chǎn)生高扭矩。換言之，汽車起動(dòng)或從低速向高速過渡時(shí)，需要較大的驅(qū)動(dòng)力。即在低車速行駛狀態(tài)下，需要逐漸過渡到高轉(zhuǎn)速工況。此外，要使進(jìn)入行駛狀態(tài)的車輛的速度維持在恒定的巡航狀態(tài)，可使用較小的扭矩行駛。為了使這種矛盾的兩種狀態(tài)進(jìn)行正常過渡，需要配備適合的變速器。

為了按照駕駛員的意愿控制車輛行駛動(dòng)力，其技術(shù)關(guān)鍵是迅速而順暢地實(shí)現(xiàn)變速器的變速動(dòng)作。為此，技術(shù)人員進(jìn)行了以減少多級(jí)AT的級(jí)間變速比為目的的研究，以及關(guān)于CVT的開發(fā)。此類技術(shù)，對(duì)于擴(kuò)大AT的有效變速比范圍及壓縮變速時(shí)向起到了顯著作用。此外，隨著變速器的多級(jí)化、無級(jí)化技術(shù)的發(fā)展，按照轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系，充分地改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率，同時(shí)從其他方面對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行持續(xù)改善，如改善變速器的傳動(dòng)效率，即削減摩擦帶來的能量損失。如齒輪等旋轉(zhuǎn)體由于攪拌潤(rùn)滑油而產(chǎn)生阻力，以及離合器、制動(dòng)器的拖曳阻力矩等為主要因素，均可視作摩擦帶來的能量損失。對(duì)于攪拌阻力，采用擋板的間壁隔離旋轉(zhuǎn)體與機(jī)油室，并進(jìn)行合理的轉(zhuǎn)軸布置，使旋轉(zhuǎn)體(如一級(jí)和二級(jí)帶輪)布置在油面上方(圖1)。摩擦以外的損耗，因?yàn)橛捅卯a(chǎn)生油壓而需要較高的作功量，尤其是在高壓下運(yùn)轉(zhuǎn)的CVT。為削減損耗，可利用提高工作油(CVT流體)的金屬摩擦因素，以降低傳動(dòng)帶夾緊液壓力，以及削減各部位的潤(rùn)滑油泄漏量以降低輸油量。另外，通常與自動(dòng)變速器匹配使用的液力變矩器，不需要操作離合器即可使用，同時(shí)，由于其扭矩的放大作用，有利于提高起步時(shí)的驅(qū)動(dòng)力。另一方面，液力聯(lián)軸節(jié)會(huì)帶來一定的能量損失。由于在液力變矩器中內(nèi)置了鎖止離合器，直接連接輸入軸與輸出軸的方式，能夠減少能量損失。近年來，拓寬鎖止范圍的研究還在不斷進(jìn)行中。

圖1 通過轉(zhuǎn)軸的合理布置以削減潤(rùn)滑油攪拌阻力

在汽車的NVH性能中，噪聲對(duì)變速器有著較大影響。典型的齒輪噪聲是由齒輪的嚙合率與齒形精度所決定的。此外，隨著鎖止范圍的不斷擴(kuò)大，在同樣的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致噪聲出現(xiàn)。其解決方案是通過與液力變矩器直接連接以提高傳動(dòng)效率，以及通過改善扭轉(zhuǎn)減振器的性能以提高減振性。在CVT的輸入側(cè)、輸出側(cè)的帶輪間傳遞動(dòng)力有金屬傳動(dòng)帶與鏈條兩種方式(圖2)。鏈條傳動(dòng)的效率更高，但由于與鏈輪的接觸間隔較大，接觸時(shí)的能量密度高，進(jìn)而容易產(chǎn)生噪聲。在投入量產(chǎn)時(shí)，其對(duì)策是使用短節(jié)鏈帶，縮短銷的節(jié)距以降低能量密度，以及在變速器殼體的外部設(shè)置隔噪材料。

圖2 CVT的動(dòng)力傳動(dòng)要素

2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零件——齒輪

圖3 軋鋼機(jī)人字齒輪座

由于齒輪具備的傳動(dòng)能力較高，以及較低的制造成本，能夠高精度地進(jìn)行大量生產(chǎn)等顯著優(yōu)勢(shì)，所以，從機(jī)械式鐘表用的小齒輪，到軋機(jī)用的人字齒輪等大型齒輪(圖3)，因此目前仍在廣泛應(yīng)用。

在汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，主要使用的齒輪是斜齒輪(圖4)、直齒圓柱齒輪、行星齒輪(圖5)、傘齒輪、雙曲面齒輪(圖6)等。

圖4 斜齒輪

圖5 行星齒輪

圖6 雙曲面齒輪

斜齒輪多數(shù)被應(yīng)用于MT、DCT、HV和EV的變速器上。近年來，為了提高傳動(dòng)效率，并實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)，利用材料、熱處理加工方法、表面改性等措施，力求大幅提高斜齒輪強(qiáng)度。為改善燃油經(jīng)濟(jì)性，同樣也需改善齒輪傳動(dòng)效率。齒面的摩擦因數(shù)會(huì)直接對(duì)齒輪傳動(dòng)效率造成影響，摩擦因數(shù)則是根據(jù)齒面粗糙度與油膜厚度所決定的。乘用車用的變速器的齒輪傳動(dòng)效率非常高，可達(dá)99%左右。然而由于變速器的多級(jí)化，使齒輪的數(shù)量有所增加，要求進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，以求進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)齒輪傳動(dòng)的高效化。

行星齒輪是在太陽齒輪周邊與多個(gè)小齒輪嚙合，小齒輪外側(cè)與內(nèi)齒輪的齒圈相嚙合，目前被應(yīng)用于AT、CVT和HV。齒輪反作用力可在行星齒輪內(nèi)部得以消除。由于增加了小齒輪個(gè)數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)緊湊的設(shè)計(jì)。而且，由于輸入及輸出的部件較多，通過將行星齒輪布置成3～4列，制成8～10檔的變速機(jī)構(gòu)，使多級(jí)AT實(shí)現(xiàn)了高性能的目標(biāo)。

雙曲面齒輪傳動(dòng)在最末端減速器上得以應(yīng)用，一方面使來自汽車傳動(dòng)軸的傳遞動(dòng)力與輪胎方向互相垂直，另一方面則進(jìn)行減速。雙曲面齒輪則通過減小偏移量及螺旋角，拋光滾筒，以降低齒面粗糙度，提高雙曲面齒輪傳動(dòng)效率。此外，通過將不等高齒優(yōu)化為等高齒以實(shí)現(xiàn)齒輪的高強(qiáng)度化。同時(shí)提出了利用5軸加工機(jī)率，加工出新型的錐齒輪。

表1 各國(guó)購(gòu)置環(huán)保車型補(bǔ)貼(獎(jiǎng)勵(lì))、法規(guī)的動(dòng)向

3 HV、PHV用的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

自1997年豐田汽車公司在世界上率先推出HV商品車輛“Prius”，距今已有20年的發(fā)展歷史。由于其燃油耗、動(dòng)力性能方面相比傳統(tǒng)型內(nèi)燃機(jī)汽車具有一定優(yōu)勢(shì)，HV的市場(chǎng)份額擴(kuò)展到23%，在汽車市場(chǎng)占有一席之地。

近年來，為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，各國(guó)制定的燃油耗法規(guī)在測(cè)試精度及技術(shù)等方面可謂日趨嚴(yán)格。僅配裝有傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛，已經(jīng)難以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。按照日本政府設(shè)定的目標(biāo)，至2030年，要求HV的市場(chǎng)占有率為30%～40%；插電式混合動(dòng)力車(PHEV)為20%～30%；燃料電池車(FCV)的市場(chǎng)份額為3%，新一代汽車仍需大幅度普及，并在充電設(shè)備和氫氣站等基礎(chǔ)設(shè)施完善方面重點(diǎn)投入。各國(guó)為了實(shí)現(xiàn)燃油耗法規(guī)及環(huán)保法規(guī)規(guī)定的目標(biāo)，為促進(jìn)PHEV，EV等環(huán)保型車輛的普及，實(shí)施國(guó)家補(bǔ)貼政府及制定相關(guān)法規(guī)(表1)，預(yù)計(jì)今后環(huán)保型車輛銷量會(huì)大幅增長(zhǎng)(圖7)。

圖7 未來世界不同車種的預(yù)測(cè)

為了普及新一代汽車EV，需達(dá)到與汽油車旗鼓相當(dāng)?shù)睦m(xù)航里程(500 km以上)，但電池儲(chǔ)能容量較為有限。為此，將大幅度超過目前鋰電池性能極限的革新型電池投入實(shí)用勢(shì)在必行，但要實(shí)現(xiàn)新型電池的實(shí)用化還需要很長(zhǎng)時(shí)間。

綜上所述，目前以礦物燃料為動(dòng)力來源的HV(柴油機(jī)、汽油機(jī)HV)及PHEV，在一段時(shí)間內(nèi)還將作為主力車型并得以使用，預(yù)計(jì)在將來陸續(xù)開發(fā)的各種各樣的HV系統(tǒng)之間會(huì)呈現(xiàn)激烈競(jìng)爭(zhēng)的態(tài)勢(shì)。

對(duì)于HV所要求的主要性能除了要具備與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相匹配的動(dòng)力性能之外，還應(yīng)保證電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)性能良好，并使其具備較低的成本。近年來，尤其是PHEV利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)以擴(kuò)大行駛范圍，有利于滿足環(huán)保法規(guī)。目前，可大致分為雙電機(jī)(指驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電用電機(jī))、單電機(jī)、帶傳動(dòng)交流發(fā)電機(jī)等系統(tǒng)，并已被應(yīng)用至HV車輛中。

根據(jù)電機(jī)的熱負(fù)荷極限，在以前置發(fā)動(dòng)機(jī)、前輪驅(qū)動(dòng)車(FF)為主體的較小型車輛上，以電力控制為主體的雙電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用較多；而大型的前置發(fā)動(dòng)機(jī)、后輪驅(qū)動(dòng)車輛(FR)以及中置發(fā)動(dòng)機(jī)、后輪驅(qū)動(dòng)車輛(MR)則以發(fā)動(dòng)機(jī)為主體，組合了傳統(tǒng)的變速器的單電機(jī)系統(tǒng)目前已成為主流(圖8)。預(yù)計(jì)該趨勢(shì)還將持續(xù)發(fā)展下去。

圖8 本田公司全新運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)車(NSX)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)組成部分

雙電機(jī)系統(tǒng)的自由度較高。如以豐田公司的Prius為代表的混合動(dòng)力車型，是以其中一臺(tái)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)能量回收，而以另一臺(tái)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電的過程作為基本運(yùn)作方式，利用機(jī)構(gòu)連接，構(gòu)成可以并聯(lián)方式進(jìn)行機(jī)械式動(dòng)力傳動(dòng)與電動(dòng)式動(dòng)力傳動(dòng)的系統(tǒng)(圖9)。日產(chǎn)汽車公司的note e-Power車上則完全取消了機(jī)械式動(dòng)力傳動(dòng)，只使用電驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)(圖10)。由于各類車輛的使用環(huán)境有所不同，各種系統(tǒng)的優(yōu)劣性能會(huì)轉(zhuǎn)變，上述系統(tǒng)可能會(huì)同時(shí)采用。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)需要持續(xù)降低摩擦，以及提高對(duì)電機(jī)的冷卻效果，同時(shí)，為了滿足PHEV的技術(shù)需求，除改善燃油經(jīng)濟(jì)性外，還應(yīng)降低耗電量，也要引入進(jìn)一步提高效率的機(jī)械輔助系統(tǒng)。

圖9 豐田公司Prius動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)部件

圖10 日產(chǎn)公司note e-Power發(fā)動(dòng)機(jī)

由于單電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)多數(shù)用于大型前驅(qū)車，作為基礎(chǔ)部件的變速器性能的重要性是不言而喻的。當(dāng)初曾提出過取消液力變矩器，并將其置換為電機(jī)的方案。但考慮到其起步性能，配裝液力變矩器的方案的應(yīng)用范圍在不斷增加。

4 EV中的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

為削減CO2排放，2010年日產(chǎn)汽車公司向市場(chǎng)推出“LEAF”汽車及相應(yīng)的電機(jī)(圖11和圖12)。以電機(jī)為動(dòng)力源的EV，除了行駛平穩(wěn)、噪聲低以及，還可及時(shí)響應(yīng)駕駛員的動(dòng)力要求。但是，蓄電池具有儲(chǔ)能容量不足的技術(shù)難點(diǎn)，目前尚無法實(shí)現(xiàn)與配裝內(nèi)燃機(jī)的傳統(tǒng)汽車相同的續(xù)航里程。

圖11 日產(chǎn)公司的LEAF EV車

圖12 日產(chǎn)汽車公司LEAF車輛的電機(jī)——減速器組件

為了滿足未來環(huán)境法規(guī)要求，EV的市場(chǎng)份額將不斷擴(kuò)大，為了促進(jìn)EV的普及，各國(guó)出臺(tái)了相關(guān)政策及措施(如鼓勵(lì)購(gòu)買EV的補(bǔ)貼辦法)，通過相關(guān)法規(guī)的實(shí)施，會(huì)大幅度增加EV的銷量。

圖13 日產(chǎn)汽車公司LEAF汽車減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

目前對(duì)于EV而言，至關(guān)重要的技術(shù)要求是不斷延長(zhǎng)其續(xù)航里程。為了在蓄電池的儲(chǔ)能容量有限的條件下實(shí)現(xiàn)該目的，變速器可提高傳動(dòng)效率并改善電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)。如圖13所示，目前的EV用變速器，不依靠變速機(jī)構(gòu)，僅僅是通過減速器的形式，其動(dòng)力傳動(dòng)效率極為優(yōu)異，但進(jìn)一步提高傳動(dòng)效率的空間較小。另一方面，隨著電機(jī)的型式不同，傳動(dòng)效率也存在一定差異。雖然由于電機(jī)工況的改變引起其效率的變化與內(nèi)燃機(jī)相比并不大，但通過改善工作點(diǎn)而提高能量效率，仍有一定的改善空間。由于在EV上采用了具備變速功能的高效率變速器，續(xù)航里程也得以延長(zhǎng)。

從EV在行駛方面的性能來看，其變速功能是必不可少的。除了要求與內(nèi)燃機(jī)汽車有同樣的行駛性能情況外，還應(yīng)具有快速起步的和高速行駛的優(yōu)點(diǎn)。假設(shè)能夠確保必要的起步驅(qū)動(dòng)力，則電機(jī)由于自身的轉(zhuǎn)速上限，車輛最高速度會(huì)因此受到限制。為了改變這一劣勢(shì)，需要增加變速功能。

然而，即便具備了變速功能，也不應(yīng)削弱EV安靜且順暢的的行駛性能。未來電機(jī)會(huì)逐漸實(shí)現(xiàn)小型化及高轉(zhuǎn)速化，也是順應(yīng)了該發(fā)展趨勢(shì)的體現(xiàn)。為滿足環(huán)保要求，EV還是有可持續(xù)發(fā)展的價(jià)值與潛力。

5 結(jié)語

近年來，AT的多級(jí)化以及DCT技術(shù)，引領(lǐng)著世界變速器技術(shù)潮流。但是，未來發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的混合動(dòng)力技術(shù)會(huì)逐漸成為主流。將發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、變速器進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，利用復(fù)雜的控制以提高車輛性能，即“電控匹配”技術(shù)。通過對(duì)相關(guān)零件的有效改良，與新型的多學(xué)科、多領(lǐng)域技術(shù)組合起來，確保在不遠(yuǎn)的未來能夠開發(fā)出具有較高價(jià)值的行業(yè)產(chǎn)品，并持續(xù)領(lǐng)先于世界。