浅谈汽车变速器的研究开发

浅谈汽车变速器的研究开发

近年来，汽车变速器的发展呈现出快速发展的趋势，先进制造技术在汽车变速器的应用呈现出异质性。一汽集团在变速器的设计、应用领域发展很快,其先进制造技术的应用影响带动着当今国内汽车行业产业链的以“绿色、节能、低碳、环保”为主题的设计理念及走向。所谓先进制造技术,是指集机械工程技术、电子技术、自动化技术、信息技术等多种技术为一体,用于制造产品的技术、设备和系统的总称,主要包括计算机辅助设计、计算机辅助制造、集成制造系统等。1国内外汽车减速的发展我国采用的技术有许多借鉴了国外的技术或标准,所以研究国外汽车变速器的发展状况,对指导国内变速器的开发具有十分重要的意义。1.1变压器发展总体趋势绿色汽车、节能减排已经成为当今汽车工业发展的主旋律,未来新能源汽车的应用与车辆“智能化”结合,也是汽车工业发展的方向。发达国家车辆变速器发展状况和需求各有特点,手动与自动并存,不同地域需求比例不同。国内变速器主要以手动为主,自动变速器占有率正在快速提升。变速器发展总体趋势主要体现在以下6个方面。a.产品系列化。b.结构紧凑化、轻量化、多挡化。c.高度集成化。d.更加智能化。e.信息网络化。f.节能环保化。1.2不同挡墙体适性对比乘用车变速器主要有5类:MT、AT、CVT、AMT、DCT。目前,在国内MT市场占有率最高,自动变速器的需求也在快速提升。节油率和换挡舒适性成为评价变速器性能的关键指标。各种变速器的综合比较见图1。CVT由于是无级变速,换挡舒适性显然最佳;7DCT在节油率和舒适性两方面均表现不俗,适用面更广,将会有广阔的发展前景。一汽-大众已经将DCT产品导入迈腾、高尔夫6等车型。AMT虽然舒适性低,但是节油效果明显,且传递转矩范围更大,更适合重型载货车的需求。预测未来国内乘用车市场,手动变速器依然占据主导地位,但是自动变速器配套率将逐年大幅增长。1.3自动阻燃器比例在欧洲,客车自动变速器配装率达到97%以上,美国和日本分别为80%和60%。与世界发达国家相比,国内只有少数几个城市在使用,装配率不到10%。随着城市交通状况的改变,为了适应公交车频繁起停,降低驾驶员劳动强度,自动变速器的比例会越来越高。在国内客车市场,专家预测10年后自动变速器的装配比例将达到50%。1.4自动变压器dct目前,在欧洲地区载货车AMT配装率已经达到50%,主要生产厂家有ZF、伊顿等。另外,三菱扶桑、ZF等厂商推出了用于载货车的DCT。在国内,仍然以手动变速器为主,自动变速器比例很低,并且主要来自进口。手动变速器有单中间轴全同步器、双中间轴无同步器和全同步器结构。目前,国内重型载货车主要匹配双中间轴变速器,高端及出口车采用全同步器变速器。鉴于AMT在燃油经济性和驾驶舒适性方面的优势,随着AMT技术在国内的完善和推广,AMT在国内将具有广阔的发展前景。2具有代表性的汽车变压器在了解国内外变速器的发展趋势同时,对比一汽集团的变速器应用现状发现,一汽集团在乘用车、商用车、客车各领域变速器的发展都是具有代表性的,其应用情况在各种车型领域代表着国内变速器行业的发展状况。2.1u3000发展趋势除了手动变速器以外,6AT、AMT和7DCT作为开发重点。发展趋势如下。a.以手动变速器开发为基础,以自动变速器开发为重点。b.重点提升制造能力和水平。c.重点发展DCT、AMT,适时发展AT。d.产品平台系列化,适用面更广。2.2生物电驱产品作为载货车市场重要选择手动变速器挡位覆盖5~12挡,扭矩范围520~2100Nm;有单中间轴全同步器、双中间轴无同步器、双中间轴全同步器结构。自动变速器领域,自主开发出9AMT,匹配于解放J5、J6高端重型载货车。发展趋势如下。a.结合国内载货车市场的细分化,继续丰富产品平台。b.重点开发重型变速器,逐渐向多挡化、轻量化、紧凑化方向发展,满足用户可靠性要求。c.优先开发AMT,适时发展DCT、AT,逐渐向智能化、集成化、网络化方向发展,满足用户对操纵舒适性的要求。d.采用新材料和新工艺,提高传动效率,降低油耗和排放。2.3客车配装及排放趋势产品挡位覆盖2~6挡,用于匹配6~13m客车。自主开发的混合动力5AMT,配装于大连、昆明、长春等地公交车。2挡变速器配装于一汽客车公司生产的电动车。发展趋势如下。a.重点开发混合动力AMT,采用油(气)电混合方式,有效降低燃油消耗。b.手动变速器采用优化同步器设计及新型摩擦材料,提高换挡舒适性,降低排放污染;优化结构设计,提高安全系数。3合资制造企业鉴于上述变速器开发的趋势及特点,一汽集团在变速器制造技术领域广泛采用了国内外最先进技术,其应用的范围不尽相同。一汽集团变速器制造企业从体制上划分为合资和自主两个体系。合资体系以一汽-大众、一汽丰田为代表,采用进口设备较多。而自主体系以一汽解放变速箱分公司、一汽轿股长春齿轮厂、天津一汽变速器厂为代表,正在从传统的加工理念,向高速度、高效率、高精度和柔性化方向发展。下面主要从以下4个方面介绍一汽集团自主体系的变速器制造业状况。3.1变压器系统优化设计一汽集团产品设计大量采用了计算机辅助设计、模块化设计、并行设计、反求工程设计、模拟仿真设计、动态设计等技术,在提高设计效率、完善设计质量、降低产品成本、减轻劳动强度等方面发挥出巨大优势。变速器新产品设计,从齿轮的宏观参数和微观修形方面对齿轮进行低噪声的部件优化设计,针对不同设计方案进行齿轮变形分析、齿轮传递误差一致性分析、齿轮修形公差噪声分析、齿轮的啮合印记分析等。针对壳体、轴和轴承等支撑元件对变速器总成噪声的影响,进行了系统优化设计,如图2。在产品开发初期,进行变速器动力性、燃油经济性、换挡平顺性预测,保证变速器的性能。通过对完整的结构件和运动件的CAE分析,动力总成一体化NVH校核,缩短产品开发周期,降低产品开发成本。传统的产品静态设计正逐步被动态设计所取代。3.2提高工作效率,推动节能环保精锻齿坯、精铸壳体的应用减少了零件的机械加工工序,提高了工作效率。同时,对节能、环保起到推动作用。钢制冲压同步环喷涂碳摩擦材料的应用,可使产品设计紧凑、质量减轻。(2)高速硬切割技术热处理后零件采用硬车加工,保证了其尺寸精度,取代传统磨削方式,减少环境污染,降低加工成本。(3)高专注于技术的应用轴齿件采用剃齿或磨齿的齿轮精加工工艺,提高承载能力,降低噪声。(4)降低生产成本刀具选择实现标准化,保证加工精度稳定性,降低生产成本,缩短交货期。高性能刀片应用实现高速、高效切削,有效延长刀具寿命,刀具成本降低50%。(5)激光焊接的应用简化产品结构及制造工艺,提高了产品开发和制造水平。(6)现代表面重建技术的应用轴齿件采用了强力喷丸技术,提高了齿轮材料使用寿命。对产生油烟、粉尘的机床安装了气体净化设备,过滤后的空气可直接排放。(7)先进处理技术的应用一汽集团从德国引进了连续式渗碳自动线,处于世界领先水平,实现了低耗、洁净热处理。3.3自动小鼠与主控制器的通讯装配线采用自动随行小车输送,主控制台对整线运行状态进行监控,采用无线局域网通讯,实现自动小车与主控制台之间的信息交换。小车停止精度小于5mm,夹具翻转精度小于1°,在装配线上广泛采用了计算机控制技术。在线拧紧、垫片测量、漏气试验等数据实时上传监控。(2)柔性制造技术机床夹具多采用快换设计,实现夹具柔性,节约夹具成本,提高工作效率。(3)涂胶机器人施涂变速器壳体结合面涂胶,采用基于位置视觉伺服涂胶机器人自动施涂,提高了涂胶工序的质量和效率,具有更高的柔性,满足多品种混流生产需要,在国内重型载货车变速器装配行业属首例。(4)检测及测量设备优质的机械制造产品离不开测量技术,而测量技术需要高质量的检测设备。一汽解放变速箱分公司主要应用的检测设备如下。a.德国进口三坐标检测仪,具有主动扫描技术及探头自动更换功能。b.英国进口圆度、圆柱度检测仪,具有对轴承滚动摩擦副的精密形状公差进行检测与控制的功能。c.进口的柔性轴类检测仪,具有对回转体类零件进行柔性检测的功能。d.大量程台架比较仪,具有对高度尺寸进行柔性测量的功能。e.X射线应力分析仪,对强力喷丸的轴齿件进行定量测量,从而准确掌握喷丸强度。f.齿轮检测中心,增加三位拓扑测量功能,可以对齿根部位细节进行测量。g.齿轮芯轴柔性化应用,实现快速装夹和高精度装夹。精密表读数值≤0.0050mm。(5)速器总成在线性能试验台建立了科学完整的变速器试验流程,包括AMT变速器总成在线检测性能试验台、温度稳定性/润滑/效率试验台、轴扭转疲劳试验台等,实现从零件到总成的全面验证和质量跟踪,便于修理和检测分析。3.4制造敏化制造信息技术是对生产效率提升的重要保证,信息的网络化和智能化可以使制造敏捷化;先进管理理念和技术可以节能降耗、增效降本。企业资源管理ERP、产品数据管理PDM、物流系统管理、准时生产管理等技术的应用,推进了企业信息化管理,使管理体系的运行更加顺畅。4汽车性能对汽车零部件制造提出更高要求总结上述一汽集团在变速器制造方面所应用的先进制造技术可以看出,随着汽车行业的竞争更加激烈,汽车更新换代的速度不断加快,汽车对环保节能及安全舒适性要求更高,对汽车变速器也提出更高要求,从而对零部件制造提出高精、高效要求。(1)建立完整的制造过程管理系统MES(制造执行系统)是将产品的制造价值流过程透明化,并在此基础上建立起的纵向贯通、横向集成、短周期控制的制造系统。将生产管理重心下移到执行与控制阶段,是一种新的制造过程管理理念。信息化是当今社会发展的趋势,信息技术发展迅速,并正在向制造技术注入和融合,促进制造技术的不断发展。(2)开发过程一体化设计特点数控设备的应用大大提高了制造水平。而由计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程分析(CAE)、计算机辅助制造(CAM)构成的开发过程一体化能有效缩短产品开发周期,同时实现工艺与装备的数控化和网络化,为进一步实现敏捷制造打下基础。(3)双组合作加工工业柔性制造技术是集数控技术、计算机技术、机器人技术及现代生产管理技术为一体的现代制造技术。在汽车加工工业中主要表现在由计算机控制的,多台数控机床、加工中心和自动上、下料装置与输送系统的运用。汽车业正由传统的单品种、大批量生产方式向多品种、中小批量及变种变量的生产方式过渡,以生产者为主导的生产方式逐步向以消费者为主导的生产方式转变,柔性制造是适应这种转变的较佳的生产制造方式。(4)汽车变压器复合齿轮激光焊接的应用展望a.齿轮焊接新工艺电子束焊与激光焊接这两种技术由于焊后热影响区很小,对于齿轮加工精度几乎没有影响。焊后牢靠且焊缝美观。汽车变速器复合齿轮激光焊接的应用,随着激光源价格的下降,该技术的应用将会越来越广泛。b.整体精锻新工艺整体精锻齿坯技术的应用,可减少齿面粗加工工作量,降低加工成本,提高生产效率和材料利用率,该技术会得到进一步推广应用。(5)关注材料和强化手段热处理后应用强力喷丸工艺进行齿面强化已经得到广泛应用,能有效提高零部件表面的疲劳强度,延长零部件使用寿命。(6)检测设备和热处理与制造相辅相成的检测及质量控制手段得到广泛应用。随着人们对汽车驾乘舒适性的要求不断提高,促使齿轮本身的制造水平不断提高,因而对检测设备、刀具刃磨和热处理也提出了更高的要求。采用在线测量的方式,能使操作者及时发现工件存在的问题,并反馈给数控系统。在线测量技术应用于数控系统,最直接的经济效益就在于既节省了工时又提高了测量精度。可以预见,在线测量技术在数控机床中的应用将具有广阔的前景。在线主动测量、无损检测技术正朝着数字化、可视化、非接触式方向快速发展。5汽车变压器的方向随着全球能源及原材料价格的不断上涨,汽车轻量化及节能、环保等成为汽车制造业的新课题。这就要求汽车变速器向着体积小、质量轻、承载能力大、结构紧凑方向发展,从而要求零部件设计、结构和机械性能也要相应有所改变,并向小巧紧凑、高强度、高刚性方向发展。因此,给零部件的制造加工带来新的挑战,需要有新技术、新工艺及新装备来加以保证。(1)调查高效环保技术绿色制造技术是实施ISO14001的技术基础,采用清洁能源,杜绝或减少有害排放;采用节能工艺,提高能源利用率;采用精密成形工艺,提高材料利用率;采用无毒、低毒工艺材料及工艺,将有害排放降至最少;采用低振动、低噪声、低辐射工艺装备;采用废弃物再生回用技术;采取末端治理、达标排放措施。随着人们环保意识的增强和法律法规的完善,企业在保证产品的功能、质量、成本的前提下,综合考虑环境影响和资源效率,通过绿色制造使产品整个生命周期符合环保要求。(2)价格因素的影响国产制造设备依然以量大、面广的普通结构产品为主,存在高度同质化,在同类产品选择时往往以价格为主要选择因素,导致行业内部相互打压,利润空间越来越小,容易进入恶性循环。欧美发达国家之所以能够始终掌控制造链上的高额利润,主要凭借其资本和技术优势抢占高技术和高附加值环节,通过实施制造业服务化,转移传统制造业,掌握核心技术,实现高端垄断、低端转移。(3)基础行业技术薄弱政府十分重视和鼓励技术研究平台建设,这是因为凡是得到高速发展的新技术无一不依靠技术研究平台发挥巨大作用。但这一点在基础行业还比较薄弱。中国机械工业协会、中国齿轮协会建立有标准化委员会,尚未建立国家级设备工程技术研究开发中心及其技术创新体系,缺少行业技术平台,使许多主机厂无法及时找到技术支持。应建立产业链密切关联的产学研技术创新联盟,注重发展高精、高速、复合化、柔性化快速制造装备,是推动装备行业建立技术交流平台的有效途