摘 要:全驱越野车辆行驶工况具有复杂多样性的特征。行驶阻力及地面附着力频繁变化时,如果驾驶员处理不当,则会出现车辆动力中断的现象,导致驾驶表现变差。全驱越野车要保证高通过性、高可靠性及舒适性,就对自动变速箱提出了较高的要求。而装备AT自动变速箱的车辆在以上三方面具有明显的优势,并且由于AT自动变速箱的工作原理和特性,不会出现动力中断,非常适用于越野及频繁起步的工况。
关键词:全驱越野车;AT变速箱;通过性;可靠性;舒适性;可行性分析。
0 引言
全驱越野车行驶工况极其恶劣且载荷变化比较大,如何适用行驶阻力及地面附着力的频繁变化,是提升全驱越野车不同驾驶员适应性、操纵方便性等指标的关键问题所在,因此,为了解决以上问题,匹配自动变速箱是解决问题的最佳选择之一[1]。
自动变速箱主要包含以下4种:
1)AMT 机械式自动变速箱是在手动变速箱的基础上加装电子选换挡机构实现挡位自动切换,它能减轻驾驶员劳动强度,但换挡存在动力中断,换挡品质低,它主要用于低端市场乘用车和商用车。
2)AT 液力机械式自动变速箱由液力变矩器、离合器、行星齿轮机构、换挡操纵机构等组成,随着电子技术的发展,综合性能又进一步提高,特别是在重型车辆及通过性要求较高的全驱越野车车辆其优势更加明显,AT的应用更加广泛[2]。
3)CVT 无级变速箱的速比是一系列的连续值,具有良好的经济性和舒适性,但钢带传递扭矩有限,只能匹配小排量的发动机。
4)DCT 双离合器自动变速箱具有传动效率高的优点,且换挡过程动力不中断,国内乘用车匹配率较高。DCT包括干式和湿式之分,干式离合器易出现过热问题,暂不能应用到环境恶劣的重型车辆上。
使用离合器的AMT系统和手动变速箱一样,是断开动力源后换挡,对输出到车轮的动力还是有很大的影响,换挡的平顺性则难以和AT相媲美[3]。
本文针对全驱越野车的行驶工况特点,对匹配AT自动变速箱进行可行性分析论证。
1 离合传动系统分析
1.1 液力变矩器
液力变矩器安装在发动机和行星变速机构之间
实现发动机转矩的增大及转速传递,主要包括泵轮、涡轮和导轮,见图1。
图1 液力变矩器工作原理示意图
由于液力变矩器工作构件靠液体联系,动力传递柔和,能防止传动系统过载和有效减小起步和换挡冲击。同时在一定范围内能实现转速和转矩的无极变化特性,提高了车辆的起步性能和通过性。在车辆行驶阻力比较大的越野工况和低速行驶时,离合器处于解锁状态,发挥液力变矩器的优越性,进而提升越野能力[4]。
液力变矩器速比等于涡轮转速与泵轮转速的比值,计算公式如(1)所示:
液力变矩器变矩比等于涡轮转矩与泵轮转矩的比值,计算公式如(2)所示:
某型号液力变矩器无因次特性曲线见图2[5]。
图2 液力变矩器无因次特性曲线
由图2可以看出,全驱越野车在低速起步工况,变矩器起到对发动机输出扭矩放大的作用,顺利通过障碍,符合越野车使用工况。
而AMT变速箱没有液力变矩器,在低速工况无法实现对发动机输出扭矩增大的作用,且机械构件为刚性连接,无法消除发动机输出轴的振动。
1.2 离合器
全驱越野车行驶工况复杂,对离合器要求较高,AMT离合器主要由主动部分、从动部分、压紧机构及操纵机构组成,见图3。当需离合器分离时,执行机构将离合器摩擦片与飞轮分离,这样发动机的转矩就不能传递到变速箱输入轴。相反,需要离合器结合时,膜片弹簧将离合器摩擦片与飞轮压紧而传递扭矩,从而使发动机驱动车轮。
图3 AMT摩擦离合器压盘和从动盘
图4 离合器保护算法示意图
当离合器发生过载时,有以下保护措施:
1)离合器扭矩可逐步提高至离合器完全接合,以此避免离合器继续承受负载。这种方式可使车辆更为快速的使发动机转速降低,并且必要时使发动机熄火;
2)根据计算出的离合器负载限制可允许的起步挡;
3)根据所应用的边界条件,可在起步或蠕动行驶过程中进行自动降挡;
4)如果即便在离合器已接合时仍未能消除离合器打滑,则将由变速箱控制装置以发动机介入的方式对发动机扭矩进行限制。
综上所述,触发离合器保护功能后,限制了车辆部分功能,动力性降低。
国标对全驱越野车有最低稳定车速不大于3km/h的要求,且全驱越野车工况蠕行较多,而AMT变速箱是干式离合器,紧靠自然风冷散热,在低速半离合状态、坡道频繁起步和换挡等极端工况下,离合器滑摩功很大,离合器温度急剧升温,容易触发离合器保护,且高温对离合器硬件的损坏是不可逆的。
AT变速箱有液力变矩器和多片湿式离合器,即使在低速和极端恶劣工况,可以增加离合器润滑流量快速降低离合器温度,所以AT变速箱更适合匹配全驱越野车车。
2 换挡品质
高品质的换挡表现为换挡时平滑、快捷、无噪声及对器件造成的磨损程度低于允许值。AT变速箱之所以得到广泛应用就是因为它满足以上4点。
AMT变速箱机械结构决定了换挡工程必须要分离离合器,造成动力中断,动力中断时间包含部分离合器分离、摘挡、选挡、同步、挂挡、部分接合离合器的时间。在离合器分离到滑摩点之后和离合器接合到滑摩点之后,离合器可以传递部分或全部扭矩,但是发动机的输出扭矩已经减少,所以这部分时间虽然没有完全动力中断,但可等效于部分时间动力中断。在摘挡、选挡、同步和挂挡期间,动力完全无法传递,所以是绝对动力中断时间。所以整个换挡过程车辆经历加速、滑行、再加速三个阶段,这就会影响驾驶舒适性,也会对车辆动力性造成影响。尤其在加速过程中和上坡行驶过程中,失去动力的感觉更明显。
图5 AMT换挡过程
尤其坡道行驶时,坡道阻力的增加造成换挡间隙车速下降尤为迅速。见图6。
图6 AMT坡道换挡过程
AT变速箱换挡快捷和平顺。自动变速箱输入转矩的交换及重新分配仅发生在分离的离合器和结合的离合器之间,在短时间的换挡过程中其传递的扭矩不变,实现动力不中断换挡,车辆表现为驾驶舒适性及动力性较好[6]。动力升挡控制原理见图7。
图7 AT变速箱动力升档控制原理图
3 结论
针对全驱越野车复杂多样的行驶工况,分析车辆匹配AT自动变速箱的可行性,得出以下结论:
1)AT自动变速箱匹配有液力变矩器,在车辆行驶阻力比较大的越野工况和低速行驶时,离合器处于解锁状态,可实现对发动机输出扭矩进行放大,进而提升越野能力,而AMT不具备此优势。
2)全驱越野车越野及低速蠕行工况较多,离合器滑摩功很大,若没有及时冷却,则损坏离合器硬件且不可逆。AT变速箱有液力变矩器和湿式多片离合器,离合器冷却效果好,而AMT为干式离合器,在频繁起步的工况,由于车速较低,对流换热效果差,容易触发离合器热保护,甚至烧毁离合器,影响车辆功能。
3)全驱越野车对动力性要求较高,AT变速箱为无动力中断换挡,驾驶舒适性及动力性较好。而AMT变速箱换挡时必须要分离离合器,造成整车动力中断,甚至大坡道换挡时,由于坡道阻力增加,车速比换当前还要低,动力性较差。
综上所述,全驱越野车更适合匹配AT自动变速箱。
参考文献:
[1] 张泰. 越野汽车液力变矩器和机械自动变速系统的控制理论与试验 [D]. 长春:吉林大学博士学位论文,2004.
[2] 李艳琴,李春沛等,重型汽车液力机械自动变速箱应用概述[J].汽车应用,2010,6:30-32.
[3] 刘贻樟.AMT控制技术[M].机械工业出版社,2016.
[4] 易军. 履带车辆自动变速系统智能控制策略及实验研究 [D]. 武汉:华中科技大学博士学位论文,2007.
[5] 李兴忠. 越野车用液力机械式自动变速箱控制系统关键技术研究[D]. 长春:吉林大学博士学位论文,2014.
[6] 徐向阳.自动变速箱电控系统及其应用软件开发技术[M].机械工业出版社,2018.