动力传动系统及变速器的现状与前景展望

【】 隆 比

0 概述

目前，宽敞而舒适的新型宽体轻客为代表的家用汽车正在逐渐成为主流车型。对汽车尾气排放问题的要求日趋严格，对汽车性能的要求也在日渐提升。除了行驶性能外，废气排放性能、燃油耗性能、舒适性也已成为重要性能指标。为此，不仅需改善发动机性能，变速器也要与发动机相协调匹配，进而能够最大限度地发挥其性能。目前市场上的手动变速器(MT)及自动变速器(AT)已实现了多级化，而无级变速器(CVT)同样也已取得较大的发展，并且开发出了全新的双离合变速器(DCT)。而且，除了传统型发动机外，与电机进行有机结合的混合动力汽车(HV)，插电式混合动力汽车(PHEV)，以及纯电动汽车(EV)，预计在将来也会得以大幅推广。

本文主要阐述了当前内燃机与动力传动系统的技术现状与发展前景。

1 内燃机与动力传动系统

以典型汽油机为例，研究其动力传动系统所应具备的性能与技术。论述了其中对汽车正常行驶、转向、停车有较大的关系的变速器技术。

配装有传统发动机的汽车，其动力传动系统首要的性能要求是可按照驾驶员的意愿提供并传递驱动力，并兼顾发动机的燃油经济性。同时，要求有较好的操纵性及顺畅平滑的噪声-振动-平顺性(NVH)性能。

通常，在低转速工况下发动机会产生低扭矩，而在高转速工况下则会产生高扭矩。换言之，汽车起动或从低速向高速过渡时，需要较大的驱动力。即在低车速行驶状态下，需要逐渐过渡到高转速工况。此外，要使进入行驶状态的车辆的速度维持在恒定的巡航状态，可使用较小的扭矩行驶。为了使这种矛盾的两种状态进行正常过渡，需要配备适合的变速器。

为了按照驾驶员的意愿控制车辆行驶动力，其技术关键是迅速而顺畅地实现变速器的变速动作。为此，技术人员进行了以减少多级AT的级间变速比为目的的研究，以及关于CVT的开发。此类技术，对于扩大AT的有效变速比范围及压缩变速时向起到了显著作用。此外，随着变速器的多级化、无级化技术的发展，按照转速与扭矩的关系，充分地改善了发动机的燃油消耗率，同时从其他方面对燃油经济性进行持续改善，如改善变速器的传动效率，即削减摩擦带来的能量损失。如齿轮等旋转体由于搅拌润滑油而产生阻力，以及离合器、制动器的拖曳阻力矩等为主要因素，均可视作摩擦带来的能量损失。对于搅拌阻力，采用挡板的间壁隔离旋转体与机油室，并进行合理的转轴布置，使旋转体(如一级和二级带轮)布置在油面上方(图1)。摩擦以外的损耗，因为油泵产生油压而需要较高的作功量，尤其是在高压下运转的CVT。为削减损耗，可利用提高工作油(CVT流体)的金属摩擦因素，以降低传动带夹紧液压力，以及削减各部位的润滑油泄漏量以降低输油量。另外，通常与自动变速器匹配使用的液力变矩器，不需要操作离合器即可使用，同时，由于其扭矩的放大作用，有利于提高起步时的驱动力。另一方面，液力联轴节会带来一定的能量损失。由于在液力变矩器中内置了锁止离合器，直接连接输入轴与输出轴的方式，能够减少能量损失。近年来，拓宽锁止范围的研究还在不断进行中。

图1 通过转轴的合理布置以削减润滑油搅拌阻力

在汽车的NVH性能中，噪声对变速器有着较大影响。典型的齿轮噪声是由齿轮的啮合率与齿形精度所决定的。此外，随着锁止范围的不断扩大，在同样的运转条件下造成发动机转速降低，有时会导致噪声出现。其解决方案是通过与液力变矩器直接连接以提高传动效率，以及通过改善扭转减振器的性能以提高减振性。在CVT的输入侧、输出侧的带轮间传递动力有金属传动带与链条两种方式(图2)。链条传动的效率更高，但由于与链轮的接触间隔较大，接触时的能量密度高，进而容易产生噪声。在投入量产时，其对策是使用短节链带，缩短销的节距以降低能量密度，以及在变速器壳体的外部设置隔噪材料。

图2 CVT的动力传动要素

2 动力传动系统的关键零件——齿轮

图3 轧钢机人字齿轮座

由于齿轮具备的传动能力较高，以及较低的制造成本，能够高精度地进行大量生产等显著优势，所以，从机械式钟表用的小齿轮，到轧机用的人字齿轮等大型齿轮(图3)，因此目前仍在广泛应用。

在汽车的动力传动系统中，主要使用的齿轮是斜齿轮(图4)、直齿圆柱齿轮、行星齿轮(图5)、伞齿轮、双曲面齿轮(图6)等。

图4 斜齿轮

图5 行星齿轮

图6 双曲面齿轮

斜齿轮多数被应用于MT、DCT、HV和EV的变速器上。近年来，为了提高传动效率，并实现轻量化目标，利用材料、热处理加工方法、表面改性等措施，力求大幅提高斜齿轮强度。为改善燃油经济性，同样也需改善齿轮传动效率。齿面的摩擦因数会直接对齿轮传动效率造成影响，摩擦因数则是根据齿面粗糙度与油膜厚度所决定的。乘用车用的变速器的齿轮传动效率非常高，可达99%左右。然而由于变速器的多级化，使齿轮的数量有所增加，要求进行技术开发，以求进一步实现齿轮传动的高效化。

行星齿轮是在太阳齿轮周边与多个小齿轮啮合，小齿轮外侧与内齿轮的齿圈相啮合，目前被应用于AT、CVT和HV。齿轮反作用力可在行星齿轮内部得以消除。由于增加了小齿轮个数，可以实现紧凑的设计。而且，由于输入及输出的部件较多，通过将行星齿轮布置成3～4列，制成8～10档的变速机构，使多级AT实现了高性能的目标。

双曲面齿轮传动在最末端减速器上得以应用，一方面使来自汽车传动轴的传递动力与轮胎方向互相垂直，另一方面则进行减速。双曲面齿轮则通过减小偏移量及螺旋角，抛光滚筒，以降低齿面粗糙度，提高双曲面齿轮传动效率。此外，通过将不等高齿优化为等高齿以实现齿轮的高强度化。同时提出了利用5轴加工机率，加工出新型的锥齿轮。

表1 各国购置环保车型补贴(奖励)、法规的动向

3 HV、PHV用的动力传动系统

自1997年丰田汽车公司在世界上率先推出HV商品车辆“Prius”，距今已有20年的发展历史。由于其燃油耗、动力性能方面相比传统型内燃机汽车具有一定优势，HV的市场份额扩展到23%，在汽车市场占有一席之地。

近年来，为了保护生态环境，各国制定的燃油耗法规在测试精度及技术等方面可谓日趋严格。仅配装有传统发动机的车辆，已经难以实现节能减排的目标。按照日本政府设定的目标，至2030年，要求HV的市场占有率为30%～40%；插电式混合动力车(PHEV)为20%～30%；燃料电池车(FCV)的市场份额为3%，新一代汽车仍需大幅度普及，并在充电设备和氢气站等基础设施完善方面重点投入。各国为了实现燃油耗法规及环保法规规定的目标，为促进PHEV，EV等环保型车辆的普及，实施国家补贴政府及制定相关法规(表1)，预计今后环保型车辆销量会大幅增长(图7)。

图7 未来世界不同车种的预测

为了普及新一代汽车EV，需达到与汽油车旗鼓相当的续航里程(500 km以上)，但电池储能容量较为有限。为此，将大幅度超过目前锂电池性能极限的革新型电池投入实用势在必行，但要实现新型电池的实用化还需要很长时间。

综上所述，目前以矿物燃料为动力来源的HV(柴油机、汽油机HV)及PHEV，在一段时间内还将作为主力车型并得以使用，预计在将来陆续开发的各种各样的HV系统之间会呈现激烈竞争的态势。

对于HV所要求的主要性能除了要具备与传统内燃机汽车相匹配的动力性能之外，还应保证电动机的驱动及制动性能良好，并使其具备较低的成本。近年来，尤其是PHEV利用电动机驱动以扩大行驶范围，有利于满足环保法规。目前，可大致分为双电机(指驱动电机、发电用电机)、单电机、带传动交流发电机等系统，并已被应用至HV车辆中。

根据电机的热负荷极限，在以前置发动机、前轮驱动车(FF)为主体的较小型车辆上，以电力控制为主体的双电机系统应用较多；而大型的前置发动机、后轮驱动车辆(FR)以及中置发动机、后轮驱动车辆(MR)则以发动机为主体，组合了传统的变速器的单电机系统目前已成为主流(图8)。预计该趋势还将持续发展下去。

图8 本田公司全新运动体验车(NSX)的动力传动系统组成部分

双电机系统的自由度较高。如以丰田公司的Prius为代表的混合动力车型，是以其中一台电机进行驱动与制动能量回收，而以另一台电机进行发电的过程作为基本运作方式，利用机构连接，构成可以并联方式进行机械式动力传动与电动式动力传动的系统(图9)。日产汽车公司的note e-Power车上则完全取消了机械式动力传动，只使用电驱动的发动机(图10)。由于各类车辆的使用环境有所不同，各种系统的优劣性能会转变，上述系统可能会同时采用。动力传动系统需要持续降低摩擦，以及提高对电机的冷却效果，同时，为了满足PHEV的技术需求，除改善燃油经济性外，还应降低耗电量，也要引入进一步提高效率的机械辅助系统。

图9 丰田公司Prius动力传动系统部件

图10 日产公司note e-Power发动机

由于单电动机系统多数用于大型前驱车，作为基础部件的变速器性能的重要性是不言而喻的。当初曾提出过取消液力变矩器，并将其置换为电机的方案。但考虑到其起步性能，配装液力变矩器的方案的应用范围在不断增加。

4 EV中的动力传动系统

为削减CO2排放，2010年日产汽车公司向市场推出“LEAF”汽车及相应的电机(图11和图12)。以电机为动力源的EV，除了行驶平稳、噪声低以及，还可及时响应驾驶员的动力要求。但是，蓄电池具有储能容量不足的技术难点，目前尚无法实现与配装内燃机的传统汽车相同的续航里程。

图11 日产公司的LEAF EV车

图12 日产汽车公司LEAF车辆的电机——减速器组件

为了满足未来环境法规要求，EV的市场份额将不断扩大，为了促进EV的普及，各国出台了相关政策及措施(如鼓励购买EV的补贴办法)，通过相关法规的实施，会大幅度增加EV的销量。

图13 日产汽车公司LEAF汽车减速器内部结构

目前对于EV而言，至关重要的技术要求是不断延长其续航里程。为了在蓄电池的储能容量有限的条件下实现该目的，变速器可提高传动效率并改善电动机的工作点。如图13所示，目前的EV用变速器，不依靠变速机构，仅仅是通过减速器的形式，其动力传动效率极为优异，但进一步提高传动效率的空间较小。另一方面，随着电机的型式不同，传动效率也存在一定差异。虽然由于电机工况的改变引起其效率的变化与内燃机相比并不大，但通过改善工作点而提高能量效率，仍有一定的改善空间。由于在EV上采用了具备变速功能的高效率变速器，续航里程也得以延长。

从EV在行驶方面的性能来看，其变速功能是必不可少的。除了要求与内燃机汽车有同样的行驶性能情况外，还应具有快速起步的和高速行驶的优点。假设能够确保必要的起步驱动力，则电机由于自身的转速上限，车辆最高速度会因此受到限制。为了改变这一劣势，需要增加变速功能。

然而，即便具备了变速功能，也不应削弱EV安静且顺畅的的行驶性能。未来电机会逐渐实现小型化及高转速化，也是顺应了该发展趋势的体现。为满足环保要求，EV还是有可持续发展的价值与潜力。

5 结语

近年来，AT的多级化以及DCT技术，引领着世界变速器技术潮流。但是，未来发动机与电机的混合动力技术会逐渐成为主流。将发动机、电机、变速器进行有机结合，利用复杂的控制以提高车辆性能，即“电控匹配”技术。通过对相关零件的有效改良，与新型的多学科、多领域技术组合起来，确保在不远的未来能够开发出具有较高价值的行业产品，并持续领先于世界。