文献综述-重型变速器技术发展现状及原因探析

重型变速器技术发展现状及原因探析 马戈 2010 字体： 大 中 小 前些年，我国重卡主要以驾驶室的更新换代为主，新产品重视的是驾驶室造型的新颖性及其内部的舒适性。然而，当相对豪华和舒适的驾驶室成为普遍基本 属性的情况下，行业所关注的重点不再是 “ 长相 ”而是 “ 内涵 ” 。因为，如果缺乏 “ 内涵 ” 而仅靠 “ 长相 ” 来提高产品竞争力、来吸引消费者，已非易事。 在市场需求发生重大变化的背景下，近年来，重卡的产品研发更加注重提升 “ 内涵 ” 产品性能。在与重卡 “ 内涵 ” 密切相关的多种性能中，动力性和经济性成为目前用户关注的焦点、产品销售的卖点。因此，各重卡企业都不约而同地将产品研发的方向，转向了底盘特别是动力系统总成的升级换代。 在动力系统总成升级换代的过程中，与大功率重型发动机一样，重型变速器的研发与应用也已成为关注 的重点。 关于商用车变速器的级别，虽然目前尚无明确的划分标准，但业内通常将标定输入扭矩在 900Nm 以上的汽车变速器称为重型变速器，主要是指匹配于重型卡车及大型客车的变速器总成。 通过对重卡新品的观察及对市场主流车型的分析发现，总体而言，我国重型变速器产品技术目前呈现一种多挡化、轻量化和自动化的发展局面。 1. 多挡化、轻量化和自动化发展现状 多挡化 在重卡发动机向大功率方向发展的同时，对多挡位重型变速器的需求也在与日俱增。 一直以来，我国中重 型商用车所用的变速器几乎都是 7 挡、 8 挡和 9 挡，而且采用 9 挡及 9 挡以上变速器的商用车少之又少。然而，在近年来上市的重型卡车中，配置 9 挡变速器的车型明显增多，而且配置12 挡甚至 16 挡变速器的车型也在增加。近年来，国内主流重卡新产品变速器的配置情况，见表 1。 另外，市场分析也可以印证重型变速器多挡化的这一发展局面。对 2010 年一季度重卡市场构成的分析表明， 10 挡以上变速器的销量大于往年。法士特的销售数据显示，在该公司的各类产品中，两年前推出的12 挡、 16 挡等高挡位变速器，每月销量均保持在 2 万台左右，其小小 10 挡等变速器的销量也比较大。 通过对国内外重型商用车变速器产品分析可知，组合式手动机械变速器是目前多挡位变速器的主流形式。 行业上的普遍做法是，以一、两种 4 6 挡基本型变速器为主，通过更换系列齿轮副和配置不同的副 变速器，设计出一组不同挡位数、不同传动比范围的系列化多挡变速器。 目前，国内专业厂家生产的多挡变速器，主要有法士特的 16 挡全同步器变速器和大齿的 12 挡、 16 挡变速器，以及綦齿推出的 12 挡、 16 挡全同步器变速器。 从国外的发展情况来看，我国重型变速器的多挡化是必然的发展方向。 轻量化 目前，在我国商用车领域，具有轻量化概念的重型变速器日益增多。 在多个品牌重卡上得到较为广泛应用的法士特双中间轴变速器，是轻量化方面较有代 表性的产品。为实现轻量化的目标，法士特公司对变速器的结构进行了优化设计，采用的是细高齿设计，齿部为非标准渐开线 K 形齿修形设计，主变速器配有高性能的双锥面同步器。其多挡化双中间轴变速器，在设计上比单中间轴变速器的前进挡增加了 1 2 个挡位。 另外，中国重汽围绕重型变速器轻量化的课题，在结构优化设计方面也研发出比较好的产品。其 列重型变速器采用的是双中间轴主变速器 +行星齿轮减速机构副变速器的设计，主变速器的二轴前部可以实现浮动，二轴后端与行星架内的太阳轮固定。这一优化设计保证了重载能力的提高。此外，该 变速器的外壳采用了全开放式壳体和拨叉内置式技术，整体结构显得更加紧凑。 綦齿公司在产品轻量化设计方面的工作是，其 9 挡以上变速器采用单中间轴主传动和行星倍挡传动组合副变速器的结构，在相同速比情况下，与齿轮传动相比，结构较为紧凑。 近年来，许多企业均有轻质材料重型变速器问世。法士特研发出全铝合金外壳的 12 挡变速器；大齿公司推出 12 挡变速器，采用的也是铸铝件外壳；中国重汽新型 425 宽胎牵引车所采用的铝合金壳变速器，比原来的铁壳变速器减轻约 90 自动化 与多挡化和轻量化一样，重型变速器的自动化现象也是目前重卡领域的一大热点。 由于对重卡操纵方便性、驾驶舒适性及燃油经济性的要求与日俱增，因此，在重卡动力总成升级换代过程中，除挡位较多的 12、 16 挡变速器不断有新产品问世之外，还有一种具有新概念特点自动换挡变速装置，也不断有新产品上市，装车率正在日益增长。 目前，具有操纵方便和节省燃油特点的、能够进行自动换挡的 速器（ 成为我国重卡领域近年来研发和推广的主流重型变速器 之一。 一般认为， 速器的 “，是英文 “的缩写。据汽车机械式变速器分类的术语及定义 465 1999的规定， “中文名称是 “ 自动换挡机械式变速器 ” ，并注释为 “ 换挡功能不靠手力而自动实现的机械式变速器 ” 。 刚刚进入我国重卡行业不久的 速器 ,目前有多种叫法 电子控制机械式自动变速器、机械式自动变速器、自动机械变速器、电脑控制液力换 挡手动变速器及手自一体式变速器等。为叙述方便，本文简称其为 “速器 ” 。 与汽车工业许多新技术的发展过程一样， 速技术也是诞生于乘用车领域、然后被逐渐 “ 移植 ”到商用车领域。 就商用车 术的发展历程来看，每个国家或地区都有其各自的特点。 在欧洲，自第一套商用车 速器于 1986 年开始装车使用后， 速器在商用车领域的应用率逐年提高。 2003 年，装用 速器的重卡，比重达到 20%。到 2008 年，在欧洲市场上，近 50%的手动变速器被 速器取代，部分自动变速 器市场也被 速器占据。市场的情况是这样，企业的情况也是如此。采埃孚公司称，在其 2008 年的变速器产量中， 速器占 50%。 在美国， 速器近年来在重型卡车上的配备数量也在不断增长。据肯沃思公司称，目前，在该公司生产的重型牵引车中，有 12%的车型装用了 速器。另一家重型卡车生产企业 弗莱特林那公司也称，在其售出的重型卡车中，有 15%装用了自动变速器。欧美主流重卡车型所用 速器及其产品特点详见表 2。 一直以来，我国商用车特别是中重型卡车，所采用的变速装置基本上都是清一色的手动机械式变速器，只有少量高档客车和公交客车装有自动变速器。由此可见，重卡使用 速器在我国可以说是个 “ 新生事物 ” 。尽管对 速器知之甚少，缺乏研制 验，但这一 “ 新生事物 ” 还是得到了重卡行业的广泛认可和快速普及，而 且相关企业对其 制系统的开发，态度非常积极，热情十分高涨，投入也较大。目前，这个 “ 新生事物 ” 已在多家企业开花结果。 第一台装用具有自动换挡功能变速器的重卡，是中国重汽 2008 年底推出的 7。该车装配的自动变速装置，是中国重汽与威伯科公司合作开发的、名为 “的 速器。 东风商用车公司与大齿集团及北京理工大学联合开发用于重型商用车的 12 挡 速器（输入扭矩1500Nm ），已经顺利完成样车的各种道路试验，计划于 2011 年装车。 一汽集团为 卡车研发的 速器，在 2006 2008 年进入产品化阶段。 2008 年 12 月装于 4牵引车交付用户进行使用检验。目前，一汽解放的 型变速器已具备批量生产能力。 据了解，法士特、綦齿和大齿等企业研制的 速器均已进行装车试验，技术日趋成熟。 在国内企业开展重卡 速器研发及商业化之际，采埃孚、伊顿、沃尔沃及威博格等跨国公司，也都在我国重卡市场投放了各自的 速器。 2. 多挡化、轻量化和自动化原因探析 挡化 为什么近年来对 12 挡甚至 16 挡等多挡变速器的需求在逐渐增多呢？ 分析表明，重型商用车对变速器多挡化的需求，主要是为了提高传递效率，但最终是为了提高整车的燃油经济性。 A、提高传递效率 重型变速器的设计目标之一就是要满足车辆重载和爬坡的要求。如今，需求量在不断增加的 9 挡、 12 挡及 16 挡等多挡变速器，在传递效率方面大有提高，因此既可满足低速重载的性能，又很适合高速行驶。 国外有关研究表明，若车桥、变速器等装置的传动效率提高 10%，那么燃油效率可以提高 7%。 现将 7 挡和 12 挡变速器的速比进行一下对 比，看看多挡变速器的传递效率及操纵方便性。 由速比参数可知，在前进挡方面， 12 挡变速器设定了与 7 挡变速器 1、 2 挡位中间速比大小相当的 1挡高挡，不论是重载还是在坡道行驶，离合器的操作都很方便，既减轻了离合器的磨损，还可以在交通阻塞的路上低速行驶。若选择起步挡 2 挡低挡的话，车辆起动后，不必使用分离箱就可以跳跃换挡。 在 12 挡变速器的第 6 挡设计方面， 6 挡低挡选用的是与 7 挡变速器的 7 挡相同的总传动比， 6 挡高挡的速比大约比 7 挡速比小 20。车辆在高速行驶时，用较低的发动机转速就可以进行比较经济的运行， 从而可以提高传递的效率。此外，发动机的低转速还有利于降低车辆高速运行时的噪声。 B、提高燃油经济性 随着重卡功率的加大、输入扭矩的增加和车速的提高及运输成本的上涨，变速器的燃油经济性受到越来越多的用户的关注。对此，业内专家认为，重型商用车变速器要达到节油的目的，目前的主要措施和办法是，可以通过安装同步器和增多挡位来实现。 在复杂的路面上，无同步器的变速器换挡时一般使用 “ 两脚离合 ” 的方式进行换挡。在其换低挡（高挡换低挡）时，驾驶者先踏一脚离合器，使变速器与发动机脱开；再踏第二脚，在空挡位置加 油门，以减少齿轮的转速差以便最终啮合。所以有驾驶者认为，这一脚油增加了耗油量。在变速器加装了同步器后，换挡无需踏油门，可以节油，而且换挡时同步过程是自动完成的，换挡一步到位，基本上不需要什么技巧。 一般而言，重卡载运重量较大，使用条件比较复杂。为了保证其在运输过程中具有良好的动力性、经济性和加速性，希望变速器能够增加挡位的呼声越来越高。 产品研发人员者与车辆驾驶人员均认为，具有多挡化特点是重型变速器，的确是重卡节油的重要途径之一。 一般说来，降低油耗的关键是使发动机高效缓慢运转，这就 要求减小驱动系统的速比。例如，如果采用 6 挡或 7 挡变速器，那么就要减小传动比，这样一来，起步挡的传动比也会随之变小，就会影响汽车重载时的起动性；如果加宽挡位之间的速比，加速性和爬坡性能会减弱。因此，从事长途运输的重卡采用多挡变速器之后，就可以解决这些问题，从而达到节省燃油的目的。 由于挡位范围较宽，各挡的速比级差较小，所以，车辆在坡道上行驶时，可以选择最佳的挡位，这样就不至于影响车辆的起动性，而且发动机一直是在经济状态下运行。其实，无论车辆在何种路况下行驶，挡位较多的重型变速器都可以使驾驶者通过选择合适的挡位达到节油的目。 在我国目前的重型变速器产品中，以挡位较多的 16 挡变速器最为适合 265360上大功率国 重卡。此类变速器可使整车具有更低的燃油消耗、更高的平均车速和更简化的操作，并且使整个传动系具有更长 的寿命。 目前，国内专业厂家 法士特、大齿、綦齿等企业，基本都有节油特点比较突出的 12 挡和 16 挡重型变速器。 轻量化 我国重型变速器目前为什么会出现轻量化的趋势呢？ 近年来，随着节能减排活动的深入开展、随着计重收费政策的广泛执行，要求卡车降低整车自身重量的呼声日益提高。各大企业的重卡轻量化 “ 瘦身 ” 运动开展的如火如荼。 在此大趋势下，动力系统的轻量化问题也被提上议事日程。变速器也就自然而地成了轻量化项目的重点课题之一。 据欧洲铝协的材料表明，汽车重 量每降低 100百公里可节约 油；若整车重量降低 10%，燃油效率可提高 6% 8%。对于卡车来说，自重每减轻一吨，其百公里油耗就可减少一升。对素有 “ 油老虎 ”之称的重卡而言，在计重收费情况下，车辆自重每降低一吨，用户每年将会增加 10 万元的净收益。 目前，欧美重卡采用轻量化变速器已比较普遍。 例如：曼 510引车所用的 列 12 挡 速器，比手动变速器轻 50 依维柯 引车使用的采埃孚 列 16 挡 速器 ，比原手动变速器轻 70 沃尔沃 列 速器的重量约比手动变速器轻 70 曼 2 引车配置的 速器，重量减轻约 80 一般认为，减轻变速器自身重量的途径主要有两个方面：一是优化设计、改善布局结构；二是采用轻质材料（如：在保证可靠性的基础上，采用不比铸铁逊色的铝合金制作变速器壳体等）。 在优化设计、改善布局方面，结构独特的双中间轴变速器，为轻量化奠定了基础。因为其动力输入一分为二的功率分流方式，改善了齿轮、轴承和 壳体的受力情况，从而大幅压缩了齿轮的宽度及总成的尺寸。此举为产品的轻量化设计提供了重要前提。此外，还为各种短轴距重卡的总布置带来极大的方便。 自动化 一般认为，具有自动操纵功能的商用车重型变速器，不但操作简单、使用灵活和可以降低驾驶者的劳动强度。采用现代电子技术改造传统的手动机械式变速器，在结构、成本、维护和寿命，特别是油耗等方面更具有优势。 通常技术专家分析认为，自动变速器的工况是根据油门大小、发动机转速、发动机运转加速度等构成的变速图形来判断车辆行驶状态的。下面看看 速与燃油经济性的关系： （ 1）自动变速点 在变速图中定出自动变速点，考虑到经济运行方面的因素，操作上快速加挡、慢速减挡。由于 6 挡或 7 挡变速器的挡间速比较大，功率带比较窄的大型柴油机无法充分发挥其动力性能。而多挡变速器的特点之一，是使用了副变速器，使挡