车辆传动与操纵

1、一 现代车辆传动技术的主要形式及其发展趋势（1）随着科学技术的发展，车辆传动技术也在不断地变化和发展，概括起来主要有以下几种形式：液力传动：主要有液力耦合器和液力变矩器两种类型，也称动液传动。液力变矩器由于其良好的特性广泛应用于各种类型的车辆上，应用于车辆的主传动当中，泵轮与发动机飞轮相连接，涡轮与传动装置输入轴相连接。其主要特性是：a、可以实现无级变速，具有良好的自适应性；b、工作轮之间没有刚性摩擦，降低动力传动系统的动载荷，提高动力传动系统的使用寿命；c、具有良好的低速稳定性；d、提高了车辆行驶的舒适性能；e、液力元件体积小，容量大；f、传动效率低。液压传动：也称静夜传动，采用液压泵和液压

2、马达构成开式或闭式传动系统，液压泵与动力输入机构相连接，液压马达与动力输出机构相连接。其主要特点是：a、具有恒功率特性；b、变速操作简单，易于实现自动化操纵和远程操纵；c、液压泵和液压马达之间可以采用软管柔性连接，总体布置灵活方便，传动系统简单；d、功率密度高；e、传递效率低。机械齿轮传动：主要有固定轴齿轮变速机构和行星变速机构两种。对于固定轴齿轮变速机构，它的结构简单，易于生产，工作可靠，工艺性好，成本低廉。对于行星变速机构，a、能够实现二自由度运动速度的分解或者合成；b、多点啮合传递动力，属于机构内部的多流传动；c、传动时径向力平衡。d、结构紧凑，但设计生产比较复杂，制造精度要求高，成本也

3、高于固定轴齿轮传动。钢带摩擦传动：随着电子控制自动变速箱技术的发展，无级变速传动技术得到了实际的发展和应用。目前在轻型汽车上广泛应用的无级变速传动是采用V形带传动，传递的功率相对较低。应用于重型汽车上的无级变速传动，采用的主要是液压传动和液压机械传动。电传动：其主要特点是，a、具有恒功率特性，可以按照车辆行驶功率要求，以最经济的转速运转；b、可以无级调速，起步平稳；c、能够将电动机转换成发电机用于制动，提高行驶的安全性；d、动力装置和驱动装置之间软连接，便于总体布置和安装；e、价格高，控制系统复杂。其他车辆传动：液体粘性传动、链传动和皮带传动等。（2）现代车辆传动技术的发展趋势：机械传动的信息

4、化与智能化。传动系统的自动化、智能化、机电一体化，如各种自动变速传动将被广泛用于汽车、工程机械、军用车辆，并为智能交通的未来发展提供强有力的支持。机械伺服精密传动与控制等将被广泛应用于机床、通信及火箭、导弹的指导系统。动力传动系统的节能与环保。根据原动机的功率与速度特性和执行机构的负载和运动特性设计传动系统，使原动机和执行机构实现最佳匹配，以保护原动机在最高效率和最低污染排放区工作，从而节约能源、保护环境。如汽车和工程机械中采用多档变速和无级变速实现发动机最佳工作点的调节；在混合动力汽车中采用可实现功率流程适时转换的自动离合器和无级自动变速器以保证车辆行驶中发动机和电动机工作在各自最佳效率区以

5、达到节省能源、减少废气排放的目的；在具有功率分流和汇流的传动系统中采用功率流程的最优设计以避免输入功率变为负载功率，从而提高传动系统的效率等。新材料在机械传动中的应用。各种纳米材料如纳米金属、纳米陶瓷、纳米高分子材料等在传动副元件中的应用将大大提高传动副元件的强度和表面性能；含纳米添加剂的润滑介质可使传动副元件之间的摩擦和润滑性能大幅改善；智能材料在传动系统中的应用可望实现传动系统性能的适时主动控制。微型机械传动。微型机械中的微型传动系统由于其尺度效应，具有与普通机械传动不同的工作原理和机械特性。微型机械传动的工作原理、性能特性和设计制造研究以及微型传动系统的研究与开发是机械传动研究的重要发展

6、方向。特殊（极端）环境中的机械传动。宇宙空间的高真空、微重力、大温差，海洋环境下的海水腐蚀，强电磁场和强电场等特殊（极端）环境对机械传动的应用带来严峻挑战，这些特殊环境中的机械传动的服役特性及传动系统对环境的适应性研究以及传动系统的开发成为机械传动研究的重要任务。机械传动装置的高性能、低成本、小型轻量化。高速、重载、精密、高效、低噪音、长寿命、重量轻、成本低是机械系统的发展方向。与上述要求相适应的机械传动的研究与开发是机械传动的重要发展方向。传动装置的高性能、低成本、小型轻量化研究的相关内容有：新型传动方式的研究；传动副的新型材料和表面处理研究；传动副的破坏机理和强度设计研究；传动系统动力学特

7、性及减振降噪的研究。二 车辆自动变速技术研究状况和发展趋势自动变速是指换档操纵自动化，根据使用要求和道路条件、发动机工作状况，自动地改变传动比，完成换档操纵。当前，应用于内燃机引擎的车辆上来实现传动系统自动化的方式主要有以下三种：液力自动变速器(AT)、电控机械式自动变速器(AMT)、机械式无级变速器(CVT)。AT传动系统是指液力变矩器加行星齿轮变速器或固定轴式变速器增加自动变速操纵系统组成的自动变速系统，目前占据自动变速系统的主导地位。液力变矩器既可以增加扭矩、吸收冲击振动，也可以在小范围内实现无级变速。由于行星齿轮传动有多个自由度，通过控制与行星齿轮传动各构件相连接的离合器和制动器，就可

8、以实现AT的档位切换。液力变矩器是通过液体动量矩的变化来改变转矩的传动元件，它具有无级连续变速和改变转矩的能力，对外负载有良好的自动调节和适应性，使车辆起步平稳加速迅速均匀。其减振作用降低了传动系的动载和扭振，延长了传动系的使用寿命，提高了乘坐舒适性、行驶安全性、通过性及车辆的平均速度，但单个变矩器存在效率不高、变矩范围有限的问题，需串联或并联一个定轴式或旋转轴式机械变速器，以扩大变速和变矩范围。AT传动系统简化了操纵、提高了舒适性和车辆平均速度以及行驶安全性和通过性，但是存在传动效率低、结构复杂、制造困难、成本高等缺点。液力自动变速器的发展经历采用多元件工作轮液力变矩器、闭锁离合器、增加行星

9、齿轮变速器档位、电子控制等多种方法，采用换挡点控制、变矩器闭锁离合器控制、换挡质量控制等，使之综合经济性能进一步提高。CVT无级传动采用传动带和工作直径可变的主、从动轮相配合传递动力。CVT系统包括主动轮、从动轮、传动带和液压泵等基本部件。发动机输出轴输出的动力首先传递到CVT的主动轮，然后通过V型传动带传递到从动轮，最后经减速器、差速器传递给车轮来驱动汽车。主、从动轮的夹紧力实行电子化控制，传动比的改变实行全档电子控制，是驾驶简便、提高车辆燃料经济性的理想装置，但传动带的强度和寿命问题，以及传动带与滑轮的滑磨等问题限制了CVT的传动效率。现在带有锁止式变矩器电控式的CVT面世，可动盘的轴向移

10、动量用电子控制。AMT是在原有有级固定轴式机械变速传动系统的基础上增加自动变速操纵系统组成的，这种变速器主要有三部分组成：自动离合器、齿轮式机械变速器和电子控制单元。应用微电子驾驶和控制理论，以电子控制器为核心，通过电动、液压或气动执行机构对选换挡、离合器、油门进行操纵来实现起步和换挡的自动操纵。AMT具有传统齿轮变速箱传动效率高、成本低、易于制造等优点，同时也具有操纵方便的自动变速功能，但控制参量太多，控制部分的实现难度大，实现自动控制相当困难。AMT的发展经历了三个阶段：第一阶段是半自动AMT的发展；第二阶段是全自动AMT的发展；第三阶段是AMT智能化的研究。各种自动变速系统的控制系统基本

11、相似，主要是在传统的变速器系统上增加了电子控制系统，它实际包括三个部分：传感器系统、控制器和作动系统。传感器系统主要是测试车辆的运行状态，例如变速器的输入/输出转速、当前的档位状态、油门开度等；控制器则主要用于实现换挡规律的各种控制算法，这是控制系统的核心；作动系统由各种电磁阀及气缸构成，可以实现控制算法发出的各种控制命令。换挡的规律是自动换挡的核心，关系到动力系统各总成整体潜力的挖掘与发挥。由于电子技术的发展及车辆电子系统的发展，自动换挡系统近几年呈快速发展趋势。对AT系统来说已基本实现全自动，这是由于它的机械结构较容易实现全自动。对AMT系统来说，半自动变速箱已基本成熟，正向全自动变速箱方

12、面发展。全自动换挡的困难在于机械结构的困难，特别是离合器的控制，但趋势是向全自动方面发展。AT和AMT不是无级变速，是有级变速的自动控制，没有从根本上满足汽车对变速器的要求。相信CVT能实现大功率及高的传动效率，无级变速箱将是汽车变速箱的最终归属。三 查找资料，论述车辆混合驱动技术的主要类型及研究状况车辆混合驱动技术主要有油电混合动力和液驱混合动力两种。(1) 油电混合动力汽车是由电动马达作为发动机的辅助动力来驱动汽车。混合动力汽车的燃油经济性能高，而且行驶性能优越，混合动力汽车的发动机要使用燃油，而且在起步、加速时，由于有电动马达的辅助，所以可以降低油耗。 而且，辅助发动机的电动马达可以在启

13、动的瞬间产生强大的扭矩，因此，车主可以享受更强劲的起步、加速。油电混合动力按动力传输路线分为串联式、并联式和混联式。串联式混合动力汽车（SHEV）是由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成。在车辆行驶之初，蓄电池组处于电量饱和状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作，蓄电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机、驱动电动机输出的转矩经变速器、传动轴及驱动桥驱动车轮。蓄电池组电量低于60%时，辅助动力系统起动，为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量，发动机-发电机组产生的交流电经整流器变为直流

14、电和电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机。并联式混合动力汽车（PHEV）是由发动机与电动机、发动机或驱动电机两大动力总成组成。它们采用“并联”的方式组成驱动系统。电动机的动力要与车辆驱动系统相结合，可以：（1）在发动机输出轴处进行组合；（2）在变速器（包括驱动桥）处进行组合；（3）在驱动桥处进行组合。左图是一种电动机的动力在驱动轮处进行组合的驱动轮动力组合式PHEV，其驱动模式为：1）以发动机驱动为基本驱动模式，独立驱动后驱动轮；2）驱动电动机为辅助驱动模式，能独立驱动前驱动轮；在混合驱动时，发动机驱动的后轮动力与驱动电机驱动的前轮动力进行组合，成为混合四驱动模式。混联式混合动力

15、汽车（PSHEV）是综合SHEV和PHEV结构特点组成的，由发动机、电动机或发动机和驱动电机三大动力总成组成。电动机的动力要与车辆驱动系统相适合，可以在变速器（包括驱动桥）处进行组合，也可以在驱动轮处进行组合。上图是一种发动机的动力与驱动电动机的动力在驱动轮处进行组合的方式，其驱动模式为：1）以发动机驱动为基本驱动模式，带动电动机/发动机，并独立驱动后驱动轮；2）以驱动电动机为辅助驱动模式，能独立驱动前驱动轮；3）在混合驱动时，发动机驱动的后轮动力与驱动电动机驱动的前轮动力进行组合，成为混合四轮驱动模式。丰田普锐斯采用混联式动力传输方式。系统采用了272-650v的高压启动电机，通过车载电池供

16、电，电动机可以在启动或巡航过程中，单独驱动车辆行驶，在加速或者电池能量不足的情况下，再由内燃机单独或者联合电动机驱动车辆。与中混合动力系统相比，完全混合动力系统的混合度更高。技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。节油效果可以达到40%。 （2）液驱混合动力技术类似于电动混合动力技术,不同之处在于液驱混合动力技术以蓄能器作为可逆储能元件,发动机能量通过液压传动系统的可变排量泵/马达输出。泵/马达元件为一可逆元件,通过回收车辆的制动能量,形成车辆的减速制动,回收的能量存储在蓄能器里。液驱混合动力车辆多采用并联形式,发动机动力可以用以驱动车辆,也可以通过变量泵向蓄能器充

17、液压能。蓄能器可以单独或同发动机一起共同驱动马达带动车辆的行驶。因此正如并联式的混合电动车,液驱混合动力车辆也具备如下工作模式: 仅由发动机驱动车辆; 仅由蓄能器驱动车辆; 由发动机和蓄能器共同驱动车辆。液驱混合动力车辆可以通过蓄能器的调节作用,改变发动机的工作点,这样有利于改善车辆的经济性与降低车辆的排放。由于发动机和蓄能器共同驱动车辆,因此车辆的动力性得到提高外,也存在着改配相对小的排量的发动机进一步改善经济性的可能性,这点同并联式的混合动力电动车辆的特点相似。液压混合动力技术在近十几年内,日益引起国外政府和研究机构的高度重视, 其中美国环保署(U. S. Environmental Pr

18、otectionAgency)对推动液驱混合动力技术在车辆上的应用做出了重要贡献。在过去的10年,美国EPA和许多单位共同发展液压混合动力技术,这些合作者包括美国陆军、福特公司、Eaton公司、Parker- Hannifin公司、FEV、Michigan大学、Ricardo公司、西南研究院及Wisconsin大学。对于液驱混合动力技术,美国EPA提出了4 个目标,即提高燃油的经济性、降低排放、提高汽车的动力性、降低制造费用。美国EPA从液驱混合动力技术研究中的底盘样件的实验中得出以下结论:相对于同样改善了轮胎和空气动力性的中等大小的家用轿车的燃油性,运用液驱混合动力技术后,燃油经济性提高了3

19、倍以上;通过降低燃油消耗和减小制动系的磨损节省的费用在1至3年可以弥补成本上增加的费用; 0到60 km /h的加速时间约为8 s;不需要使用昂贵的轻金属材料就可以实现高燃油经济性;这些有助于实现该技术的商业化。液驱混合动力汽车技术的研究,在国内开展的较晚,主要是在城市公共汽车方面开展了一些研究工作。如哈尔滨工大,分析了影响二次调节静液传动系统在城市公交车辆驱动中节能效果的因素,提出了3种能量回收方案;建立车辆串联混合传动系统的数学模型,分析了以恒转矩制动和恒功率制动回收车辆惯性能的特点。北京理工大学在分析城市车辆制动能量回收的基础上,对城市用车辆制动能量回收的液压系统进行了探讨。南京理工大学

20、是国内较早开展液驱混合动力汽车研究的高校,提出了能量回收和发动机控制相结合的液驱混合动力汽车研究的新思路,并且对液驱混合动力车辆的关键技术进行了研究。在国内汽车制造企业中,长丰集团联合国内相关高校,在国内率先开展了液驱混合动力SUV的自主研究工作,对拓广我国混合动力研究领域,提升我国汽车的自主创新能力具有重要的意义。四 查找资料，论述车辆无级传动技术的研究状况轿车用无级自动变速传动有两种主要类型，即带式无级自动变速传动和牵引式无级自动变速传动。前者是通过调节控制与V型带相接触的主、从动锥型带轮的轴向位移，从而连续地改变主、从动带轮与带的基础半径，靠摩擦实现无级变速；后者是靠压力作用下主、从动件

21、接触表面之间的牵引油产生的剪切力传递运动和动力。由于主、从动件接触点的旋转半径可连续变化，因而可实现无级变速。无级变速传动CVT的速比可自动无级调节，能实现发动机-变速器-道路负载的最佳匹配，从而可实现汽车动力传动系统的最佳燃油经济性和动力性。同时由于挡位连续，换档过程无动力中断，可减少换档冲击，提高车辆的乘坐舒适性，是理想的车辆变速传动。CVT技术的发展，已经有了一百多年的历史。德国奔驰公司是在汽车上采用CVT技术的鼻祖，早在1886年就将V型橡胶带式CVT安装在该公司生产的汽油机汽车上。1958年，荷兰的DAF公司H.Van Doorne博士研制成功了名为Variomatic的双

22、V型橡胶带式CVT，并装备于DAF公司制造的Daffodil轿车上，其销量超过了100万辆。但是由于橡胶带式CVT存在一系列的缺陷：功率有限(转矩局限于135Nm以下)，离合器工作不稳定，液压泵、传动带和夹紧机构的能量损失较大，因而没有被汽车行业普遍接受。然而提高传动带性能和CVT传递功率极限的研究一直在进行，将液力变矩器集成到CVT系统中，主、从动轮的夹紧力实现电子化控制，在CVT中采用节能泵，传动带用金属带代替传统的橡胶带。新的技术进步克服了CVT系统原有的技术缺陷，导致了传递转矩容量更大、性能更优良的第二代CVT的面世。 进入20世纪90年代，汽车界对CVT技术的研究开发日益重

23、视，特别是在微型车中，CVT被认为是关键技术。全球科技的迅猛发展，使得新的电子技术与自动控制技术不断被采用到CVT中。1999年上半年，美国的福特公司和德国ZF公司合作为福特公司的轿车和轻型载货车生产CVT。在巴达维亚和俄亥俄州新建的合资企业将从2001年生产为福特公司设计的、带有电子管理功能的CFT23型CVT。ZF公司设计的CVT是一种变矩器式变速器，使用为安装横向发动机前轮驱动汽车生产的钢带。ZF公司也能为安装纵向发动机的前轮驱动汽车和后轮驱动汽车生产CVT系列。ZF公司称：与四档自动变速器相比，CVT系统能够将加速性能提高10%，燃油经济性提高10%-15%。与锁止式变矩器相比，CVT

24、系统在不漏油的前提下效率更高。福特公司正在设计一种与公司内所有轻型载货车匹配的牵引驱动CVT，包括后轮驱动和全轮驱动载货车。牵引驱动使用沿特殊滑液的可移动滑件代替传动带和传动轮。滑动部分的相对位置决定传动比，由一层部件间非常薄的液油来传递动力。 德国ZF公司从1999年中期开始为Rover 216型汽车提供钢带驱动的VT1型和CVT。这种CVT包括螺旋齿轮或变速器、合适的液压系统、湿式离合器。在系统中集成的ECU可以允许机械、液力和电子系统进一步组合，这就更好地利用了各种系统的独特优点。 德国博世的电子式CVT控制系统是基于用传感器和执行器单元控制基础上的电子/液力模块。博世公司已经将独立部件、执行器、传感器和变速器换档ECU组成一个单独的模块，变速器制造商只需增加一个集成控制单元。目前CVT的研究主要集中在以下几个方面：控制系统方面： 通过改进现有的控制系统的控制精度从而使对离合器的控制、速比的控制与夹紧力的控制更加符合轿车在不同路况下的动力需求。动力的需求控制是一部优质CVT的先决条件。 结构方面： 在现有CVT的结构基础上使用新型材料使变速器更加轻巧，以及对结构的优化在可靠性不降低的情况下使其更加紧