效率和舒适性的改善——“犬牙啮合式”变速箱
随着排放法规的日趋严格,汽车制造商为降低排放所做的努力已不再局限于改善燃烧过程和后期处理。许多公司认为,现代发动机技术已经发展到这样一个阶段:与投入巨额开发成本相比,技术进步带来的收效却很小。
因此为了改善排放,最重要的是要着眼于整车的性能。作为车上第二昂贵的部件,变速箱理所当然地成为第二步改善的目标。
所有变速箱技术中,手动变速箱的效率最高,输出功率可达输入功率的96%。但并不是所有人都能驾驭手动变速箱,也不是所有人都愿意用它。因为用手动变速箱需要踩离合器,这在交通繁忙的时候很不舒服。驾驶员容易疲劳,而由扭矩中断导致的“点头”效应也会使乘客很难受。
由于驾驶员操纵离合器而产生的扭矩中断是手动变速箱的主要缺点。在换档加速时,每升高一档,驾驶员都必须通过松开油门并踩下离合器来使扭矩暂时中断。完成整个过程大概只需一秒钟,但在这段时间里车辆会暂时停止加速,速度也会降低。
与此截然相反的是传统的自动变速箱。由于采用了变矩器,这种变速箱的换档质量不错但效率相对较差—即使最近有所改进。因此,最近进行了许多研究,试图发现传统自动变速箱的有效替代方案。
主要的技术仍是无级变速(CVT)、双离合器变速(DCT)和手自一体(AMT)变速器。它们在不同的方面优于传统的行星齿轮式自动变速器。
无极变速器采用带链或锥盘滚轮来产生无限多种变速比。与传统自动变速器相比,其效率和成本都有所改善。之所以有这些优点,是因为它结构简单。这种变速器的零部件很少,通常只有一根橡胶或金属传动带、一个液压作用的驱动带轮、一个机械扭矩感应式驱动带轮、一些微处理器和传感器等。
这种变速器的工作原理是改变两个主带轮表面之间的距离。带轮上挂传动带的地方开了V形的槽。一侧的带轮沿轴向固定,另一侧的带轮可在液压的作用下移动。
在驱动后,液压缸可增加或减少带轮两侧之间的距离。这样会使传动带在带轮侧壁上的位置上下变动,变动的方式取决于驾驶情况。这样会使变速比发生变化。锥盘滚轮型变速箱的工作原理与此类似但用的是驱动盘和动力滚轮。
CVT变速器“无级”的特点对技术人员最有吸引力。因为没有档位,CVT可以使发动机保持在最佳的功率范围内,这样可以使效率提高并在相同的油耗下增加行驶里程。CVT可将发动机工作曲线上的每一点转换为其本身工作曲线上相应的点。
CVT可使发动机工作在最佳功率范围内,增加换档效率并降低燃油消耗
这种变速器最受日本汽车制造商的青睐,并且日本变速器生产商JATCO是主要的生产者。但在欧美国家,情况有所不同。尽管奥迪和其他一些制造商在一些车型上推出了CVT,但在这方面他们追赶的步伐仍然很缓慢。
DCT实际上是将两台手动变速箱合在一起。换档过程是通过在两台变速箱的离合器之间相互切换实现的。这种变速器的换档质量和传统自动变速箱相同,但由于系统会发生滑动、流体阻力和液压损失,其效率和加速性能只比传统行星齿轮自动变速器稍有提高。开发控制系统的成本也很高。
DCT的换档质量和自动变速器相等,但开发成本太高
“最近在传统自动变速器技术上取得的进展,使开发和生产CVT或DCT的呼声有所降低。”变速箱生产企业Zeroshift公司的执行总裁Bill Martin说。“由于成本过高,有些汽车厂已经取消了DCT项目。”
AMT是成本最低的自动变速器技术。AMT用执行器来代替传统的离合器踏板和换档杆。这种变速器保留了手动变速器的高效率和加速性能,但某些型号的变速器的换档质量不高。扭矩中断和“点头”效应仍是主要的缺点。
那么什么是最好的替代方案?变速器方面的新技术是曾出不穷的,但ZeroshIft公司声称其变速器的效率优于手动变速器,能提高市区驾驶的燃油经济性。同时,其换档效率可以和改进后的自动变速器相媲美。
Zeroshift公司采用的是一种改进版的AMT技术。这种技术用先进的犬牙啮合(dog engagement)系统代替同步器。
犬牙啮合技术许多年前就已在赛车运动中采用,目的是为了加快换档速度。传统的犬牙式变速箱并不适合用在公路上,因为驱动环或犬牙之间的空间很大,会产生后坐一由扭矩突然变向而产生的一种不舒适的窜动。
Zeroshift公司通过增加第二套驱动犬牙来解决这一问题。这种技术还使每组犬牙只能传递两种相反方向扭矩中的一种。“通过对两套犬牙的啮合和分离,可在上一个档位没有分离的情况下换入新的档位。”Martin说。“换档质量超过采用现代化的6档变速器的豪华轿车。
Zeroshift对犬牙啮合技术进行了改进,采用了两套牙齿,只沿两个相反的方向传递扭矩
换档可在瞬间完成,而扭矩不会发生中断。而且这种方法既可用于升档也可用于降档。
“在使用传统的AMT变速器时,由于需要关闭并重新打开油门,换档过程中排放会达到高峰,而通过这种无过渡的换档方式则可以消除这种现象。”Martin说,“这样还能降低燃油消耗。”
尽管该技术在变速器领域还比较新,但该公司称已经引起了欧美各大汽车制造商的注意。最大的吸引力在于其成本比DCT低,Martin说。
由于可以保留大部分手动变速箱的结构,这种变速箱的成本和复杂性都不会高于传统的AMT变速箱。控制系统的开发成本也会大大降低。这对试图减少排放和削减成本的工程师来说是个好消息。
“大部分汽车制造商都来参观过。”Martin说。”有些公司马上就和我们签合同,另一些未作决定,拒绝的则一个都没有。”这再清楚不过地表明了汽车制造商现在正在将动力系统开发的重点转移到变速箱上。