内燃机汽车中，手动变速箱的演变，如何提高驾驶性能和燃油经济性

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文丨江柊留声机

编辑丨江柊留声机

随着现代汽车工业的不断发展和创新，传动系统作为车辆的核心部件之一，也在不断演化和改进。

传统的内燃机汽车传动技术在过去的几十年中取得了显著的进展，从最初的手动变速箱逐渐演变为多速自动变速箱（AT）、双离合器变速箱（DCT）以及无级变速箱（CVT）等多种形式。

这些技术的引入不仅提升了车辆的驾驶性能和燃油经济性，也为汽车工业的可持续发展提供了坚实的基础。

本文旨在探讨传统内燃机汽车传动技术的进展与演化，以及新型传动方案的发展趋势。从多个角度，包括系统结构、优化方法、动力学控制以及电动化等方面，对传统内燃机汽车传动技术的发展历程进行全面的回顾和分析。

传输方案综合及参数优化

AT 是一个具有多个自由度 (DOF) 的系统，由多个行星齿轮组 (PGS)、平行轴齿轮副 (PGP) 和换档元件 (SE) 机械连接。它通过接合不同的 SE 来减少系统的自由度数量，从而实现不同的齿轮比。

根据PGS、SE和DOF的数量，候选传输方案的最大数量N可以计算为。

N=CpC3n+p×CLC2n+p×(A33)

其中L、n和p分别是 SE、DOF 和 PGS 的数量。

以3个PGS、3个SE、4个DOF的传输方案综合问题为例，候选传输方案总数约为19亿个，其中很难找到最好的。

基准综合方法从基本方案开始，可以从现有的具有良好性能的传输方案中进行选择。通过添加或删除部分PGS和SE或者调整PGS和PGP的固定比率，从基本方案扩展出新的传输方案。

在8速AT方案的基础上，通过增加1个SE综合了13速AT方案。通过调整 PGP 的固定比可以实现 9、11 或 13 速离合顺序。

该方法计算量小，便于手动操作。然而，它在很大程度上依赖于设计者的经验和所选基本方案的特征。因此，最终的解通常不是全局最优解。

各基本部件的相对转速关系，可以启发新的传动方案。通过确定传动比的顺序，可以找到所有可能的档位。

在各齿轮的连接处添加辅助部件，得到PGS和SE的数量。根据各基本部件的合理速度，得出该方案的性能。对齿轮的连接条件施加约束，合成过程大大简化。

该方法计算精度较低，对专业技能要求较高。随着自由度数量的增加，传输方案变得越来越复杂，使得基于该方法的合成变得繁琐。综合所有可行的传输方案也很困难。

通过分析PGS基本组件的组合及其结构和参数特征等重要因素，推导出所有可行的方案。使用这种方法成功地发现了多种早期传播。

然而随着 PGS、SE 数量和速度的增加，候选传输方案的数量急剧增加，计算工作量也随之增加。因此，大多数人认为该方法对于合成少于三个自由度的传输方案是有效的。

PGS可以用杠杆来表示，其中太阳轮、齿圈和行星架之间的运动学遵循杠杆法则 ，因此杠杆法在很大程度上是直观的。

然而，整个方案需要简化为二自由度系统，对于具有三个以上自由度的方案的合成来说，这变得更加详尽的工作。

通过将平面图上的所有组件定义为点并将它们的连接定义为边，图论在表示AT方案方面表现良好。此外平面性检查算法可以用来判断传输方案的结构可行性，以便进一步评估和参数优化。因此基于图论的传输方案的综合对于计算机实现来说要容易得多。

对该方法投入了大量精力，并提出了基于图论的改进综合模型。以PGS为基本单元的方案综合图论模型，采用成分分析法实现计算机辅助设计。

一种带有 PGS 的 AT 方案的轴编码合成方法。每个 PGS 的基轴部件均已编码。通过排列组合算法，集成了一个可以构造所有可能的传输方案的完整编码序列。当合成具有更多自由度的传输方案时，该方法非常出色。

然而初始方案数据库通常很大，导致整体计算效率较低，因为需要更多的内存和更多的计算工作来删除不合理的方案。结合轴编码规则、分量分析和图论，建立了四自由度AT方案的综合模型。将深度优先搜索算法和DMP算法结合起来，提高了计算效率。

一般来说，可以利用基准法、折线图分析和杠杆分析来快速综合和分析新方案。然而这些方法对设计者提出了极高的要求。此外它们仅适用于合成少于三个自由度的方案。图论方法将方案转化为图模型并消除具有机械干扰的解。

组件分析法和代码合成法可以通过枚举的方式得到所有可能的方案。然而随着 DOF 和 PGS 数量的增加，该方案变得更加复杂。需要建立更详细的约束以减少计算时间。

综合DHT方案时必须考虑EM的位置。许多工作在AT综合前人成果的基础上研究了DHT系统的配置设计。研究已经为一两个 PGS 建立了杠杆模型。

DHT方案可以通过确定发动机和EM的连接位置来获得。然而，由于其复杂的杠杆转换规则，这种用于合成 DHT 的杠杆分析也仅适用于两个或三个自由度。

首先建立 PGS 的图模型。随机选择一定数量的点作为与能源的固定连接。然后将离合器连接引入图形模型中。

所有的设计方案都是遍历所有点得到的。提出了一种基于模型的设计方法来有效地实现上述设计过程。通过分析DHT系统各工作模式的特点，推导出不同的约束条件，最终得到满足设计要求的配置方案。

同时，以轮对为图论中的基本拓扑单元，讨论了DHT系统结构设计的相应计算算法。尽管已经采用了基于图论的设计过程及其计算机辅助合成，但仍然需要关注如何找到多自由度和高效率的最佳解决方案。

FEV 提出了一种综合多轴 DCT 方案的方法。通过将双离合器轴引入动力传输路径，合成了多个n  +  x档位的DCT方案，每个方案具有与原始n档DCT方案相同的结构尺寸。

总之，已经进行了许多关于传输方案综合的研究。然而，随着组件和自由度数量的增加，合成的计算效率正在下降，因为检测机械干涉和同构方案需要更多的时间。因此，如何提高合成算法的通用性和效率将是一个持续的研究热点。

传统内燃机汽车传动技术进展

近年来，新型AT和DCT方案不断出现，速度数量不断增加。越来越多的汽车制造商正在将这些新颖的多速变速器引入其车辆，作为持续努力提高车辆的驾驶性能和燃油经济性的一部分。一方面，降低了最高传动比以提高车辆巡航时的燃油经济性。

另一方面，最低传动比已增加，以提高车辆起步或缓慢行驶时的驾驶性能。不断增加的速度数允许更小的档位，从而提供舒适和平稳的换档。CVT方案没有太大变化。主要类型仍为链条或皮带传动。

将辅助变速箱与一个 齿轮组 (RGS) 和三个 SE 集成在一起，以实现更宽的速比范围 。其他 CVT 概念，例如环形变速器，距离工业化还很远。

不同公司纵向应用的AT方案。2001 年推出了基于 Lepelletier 概念的六速 AT，配有一台 PGS、一台 RGS 和五台 SE。2007 年推出了带有四个 PGS 和五个 SE 的八速 AT，而不是基于 Lepelletier 的结构 。

该系统有四个自由度，这意味着每个速度需要使用三个 SE。该变速箱是市场标杆，因为它在节省燃油、功率重量比和功能方面取得了长足进步。

DCT 结合了 MT 的优点（即高效率）和 AT 的优点（即动力换档）。由于没有液力变矩器，双离合变速器需要更高的一档比来启动车辆。

几种已量产的DCT方案。第一款乘用车 DCT，来自大众汽车 (VW) 的 DQ250，于 2003 年投入批量生产。采用湿式多片双离合器模块，将齿轮分为奇数齿轮和偶数齿轮。DCT 相对于 AT 的优点是只有一个分离的离合器会导致阻力损失。

2007 年大众推出了配备 LuK 干式双离合器模块的七速 DCT 。与DQ250相比，DQ200效率更高，但扭矩容量较低。DQ500 于 2009 年上市，是一款带有湿式多片双离合器模块的七速 DCT。大众汽车在更大、更高输出功率的车辆中使用这种 DCT。

近年来，由于与减少CO 2和燃油经济性相关的立法压力，变速器往往具有更高的速度。然而，驾驶模拟表明，将速度数增加到 10 以上不会明显改善燃油经济性 。因此人们对机械和液压系统研究了不同的优化方法，以提高传动效率。

为了提高电动汽车的动态性能和经济性，或者降低电动汽车的最大扭矩和最大电动速度，从而减小电动汽车的尺寸和成本，人们对电动汽车的多速变速器进行了大量研究。

研究表明，经过优化的传动比和换档图的两速变速器不仅可以降低约5-16%的能耗，而且可以将动态性能提高近20%，最高车速提高近30%。然而，传输速度的持续提高并不会明显降低轻型客车的能耗，反而会增加成本。

此外，具有合理齿比范围的CVT可以最大限度地提高EM的效率，但结构复杂。综上所述人们普遍认为，从成本、传动效率和电磁效率来看，两速和二四速分别是乘用车和商用车的最佳选择。

大多数电动汽车的多速变速箱技术都是从传统的内燃机汽车变速箱发展而来的。主要配置是AMT DCT 、AT电动无级变速器(ECVT)和其他新配置。AMT 效率最高、成本最低，但换档质量最差。ECVT 和 AT 具有最佳的换档质量，但价格昂贵且效率较低。

通常为了平衡成本和性能之间的权衡，会设计新的配置。电动汽车不同多速变速器配置的五种典型结构。AMT 使用执行电机和同步器进行换档，但会出现动力中断。

DCT和AT均采用离合器到离合器的换档控制策略来实现动力换档。通过牵引电机和调速电机的协调控制，ECVT可以实现两轴的差动控制和扭矩矢量控制。新配置使用离心式离合器和制动带来实现不间断换档。

在分布式电力驱动中，车轮由电动机直接驱动。一般来说，分布式驱动电动汽车有两种典型类型。在第一种类型中，电机安装在轮毂中。在第二种类型中，在电动机和车轮之间使用变速箱。在一些实际情况下，只有两个电动机而不是四个，电动机直接驱动前轮或后轮。

由于成熟的轮内电机和电机轮毂的优点，分布式驱动电动汽车的集成和动态控制在过去二十年引起了研究人员的关注。据报道，分布式驱动电动汽车可以用过执行器系统来代表。纵向和横向的运动控制相对困难但灵活。

为了提高安全性、敏捷性、操控性和燃油经济性，大量方法已应用于运动控制分布式驱动电动汽车的另一个热点研究课题是如何减少非簧载质量对车辆动力学和控制的影响。

为了分布式驱动电动汽车的产业化，该技术的研究和改进正在进行中。分布式驱动电动汽车将在不久的将来在道路上广泛使用。

随着现代汽车工业的持续发展和创新，传动系统作为车辆的核心组成部分之一，也在不断演化和改进。

传统的内燃机汽车传动技术在过去几十年中取得了显著的进步，从最初的手动变速箱逐渐演变为多速自动变速箱（AT）、双离合器变速箱（DCT）以及无级变速箱（CVT）等多种形式。

这些技术的引入不仅提升了车辆的驾驶性能和燃油经济性，也为汽车工业的可持续发展奠定了坚实基础。