变速器

变速器，也称为变速箱，是一种用于改变发动机速度和扭矩的机构。它可以固定或换档来改变输出和输入轴的传动比。
变速器由变速传动机构和控制机构组成，有的汽车还设有动力输出机构。大多数传动机构采用普通齿轮传动，也有一些采用行星齿轮传动。普通齿轮传动的传动机构一般采用滑动齿轮和同步器等。
变速器可以在汽车行驶过程中产生发动机与车轮之间不同的传动比，通过换挡使发动机处于最佳动力性能状态。

米尔顿·里夫斯在1879年发明了一种用于锯和铣削的无级变速装置。在欧洲，戴姆勒和奔驰于1886年注册了他们的第一个汽车摩擦带无级变速器专利。
1889年，法国人Louis Ren <s:1> Panhard和Emile Levassor成功研制了变速箱，这是手动变速器的原型。1894年，这对兄弟向人们展示了3速手动变速器。
美国的史蒂夫兄弟在1904年成功地开发了一种自动变速器，它有两个前进档。1908年，亨利·福特在t型车中采用了2速变速器，并配备了带行星齿轮的倒档。第二次世界大战之前，法国人阿道夫·卡格雷斯发明了双离合变速器。1934年，通用汽车(GM)开发了一种半自动变速器，但仍然需要离合器来控制发动机和变速器之间的接合。与此同时，克莱斯勒正在研究液压联轴器用于自动换挡，但从未应用过。直到1939年，通用汽车才正式量产了第一款自动变速器“Hydra Matic”，并于1940年装备在汽车上。
1958年，无级变速器开始批量生产和应用。荷兰DAF公司的Hubvan Doorne博士成功开发了一种名为Variomatic的双v形橡胶带CVT，并将其装备在DAF公司生产的水仙花轿车上。1995年，德国博世收购了DAF，用钢带代替了橡胶带，使得CVT技术得到了迅速的改进。丰田、本田、日产奥迪、斯巴鲁等多款车型都大量配备了CVT。
在20世纪50年代，汽车公司才开始使用4速手动变速箱。奥迪和保时捷在20世纪80年代开始在赛车上使用双离合变速器。2002年，采埃孚和宝马在7系上推出了首款6速自动变速器E65。2003年，奔驰推出了7G Tronic的7速自动变速箱;同年，大众汽车正式开始在高尔夫车型上使用双离合变速箱。2007年，丰田在雷克萨斯LS460上安装了8速自动变速器。2014年，吉普切诺基(Jeep Cherokee)率先量产了世界上首款9速自动变速器。

变速器的原理包括齿轮力学和杠杆的原理。当降档时，被动挡实际上是换到一个更大的挡。根据杠杆原理，变速器的输出速度会相对降低，但扭矩会增加;相反，当换档时，被动挡实际上是换到小挡，变速器的输出速度会增加，但扭矩会减小。

变速器由壳体、传动部分和换档操纵装置组成

外壳是用于安装和支撑传动各部件以及储存润滑油的基本部件。它有精确的镜面孔，用于安装轴承。齿轮箱承受的载荷是可变的，所以外壳要有足够的刚度，内壁加筋，形状复杂，多为铸件(灰铸铁，常用HT200)。
为便于安装，传动部分和换挡控制装置常做成分体式，箱盖和机壳用螺栓连接并可靠定位。壳体上有充放油口，油位检查尺也要考虑散热问题。

传动部分是指齿轮箱的齿轮、轴、轴承和其他传动部件。轴的几何尺寸是通过强度和刚度校核计算确定的:其材料的选择主要看刚度是否满足要求，碳钢和合金钢的弹性模量几乎相等。因此，制造时一般采用碳钢(通常为45钢)，只有当齿轮与轴一体或轴承受重载荷时才使用合金钢。齿轮通常采用低碳合金钢(如20CrMnTi、20MnCrS等)。轴与齿轮多采用花键连接，具有校直性好、动力传递可靠、挤压应力小等优点。轴的花键部分和轴承的安装都经过了表面热处理。轴多采用滚动轴承支承，润滑简单，效率高，径向游隙小，轴向定位可靠，飞溅润滑(u>25m/s，只要粘度合适，就可以甩到壁上)。

在手动变速器中，换挡由驾驶员控制。自动变速器依靠大量的自动化技术，部分或全部由电子执行系统完成换挡。空挡、倒挡和驻车挡仍然由驾驶员通过换挡控制装置控制。换挡控制装置中部件的选择与变速器和车辆的类型有关。乘用车变速器的换挡部件主要包括:
1. 内部换挡部件:换挡叉、换挡同步器、锁紧装置、多片离合器、制动器等。
2. 外部换挡部件:换挡杆系统、拉线机构、变速杆等。

变速器可以按照传动比变化方式或操纵方式来分类。

1、有级变速器。有级变速器是目前使用最广的一种。它采用齿轮传动，具有若干个定值传动比。按所用轮系形式不同，有轴线固定式变速器（普通变速器）和轴线旋转式变速器（行星齿轮变速器）两种。目前，轿车和轻、中型货车变速器通常有3～5个前进档和一个倒档。

2、无级变速器。无级变速器的传动比在一定的数值范围内可无限多级变化，常见的有电力式和液力式（动液式）两种。电力式无级变速器的变速传动部件为直流串激电动机，除在无轨电车上应用外，在超重型自卸车传动系中也有广泛应用的趋势。液力式无级变速器的传动部件为液力变矩器。

3、综合变速器。综合变速器是由液力变矩器和齿轮式有级变速器组成的液力机械式变速器，其传动比可在最大值与最小值之间的几个间断的范围内无级变化，目前在轿车上应用较多。

1、手动变速器。这种变速器靠驾驶员直接操纵变速杆进行换挡。其换挡机构简单、工作可靠且节能。

2、自动变速器。其传动比的选择和换挡是自动进行的。所谓“自动”，是指机械变速器每个挡位的变换是借助反映发动机负荷和车速的信号系统来控制换挡系统的执行元件来实现的。驾驶员只需操纵加速踏板和制动装置来控制车速即可。此种方式因操作简便，目前运用较多。

3、半自动变速器。这种变速器有两种形式：一种是几个常用挡位可自动操纵，其余几个挡位由驾驶员操纵；另一种是预选式，即驾驶员先用按钮选定挡位，在踩下离合器踏板或抬起加速踏板时，接通自动控制和执行机构进行自动换挡。

节能、环保、安全、高效是变速器发展的主题，从消费者角度，追求舒适性、经济性和安全性；从法规角度，追求高效、低碳、环保。这就要求各变速器公司应用先进、高效的设计技术、制造技术、控制技术及先进的材料，实现变速器的宽传动比及多档化、换档策略的优化、传动效率的提高、变速器的轻量化。

(1)多齿轮传动，高传动比。三轴6速变速器逐渐取代了两轴5速变速器，这种由欧美和日本的一些公司主导的更新在两三年前就开始了。采埃孚为保时捷911 Carrera和Carrera S车型提供了7速手动变速箱，这标志着乘用车首次使用7速手动变速箱。其低端传动比增大，齿轮更加合理，实现了动力性和经济性的综合优化。

(2)高效，降低NVH。为提高变速器的效率，可采取以下措施:变速器多换挡;降低差速器浸入润滑油的高度，润滑方式将由传统的齿轮飞溅润滑变为齿轮飞溅润滑与导油槽引导润滑相结合，从而减少润滑油搅拌的损失;采用滚珠轴承和滚子轴承代替传统的圆锥轴承，减少轴承摩擦损失;采用高效传动润滑油。对于降低噪声的要求，除了在设计阶段对传动本身采取相应的措施，如精确控制传动齿轮齿侧间隙、选择合适的齿轮材料、应用低噪声轴承、充分考虑齿轮齿激励对传动结构的影响等外，还应考虑离合器与传动轴与变速器的最佳匹配。

(3)重量轻、成本低。采用先进的成型技术，合理利用塑料等非金属材料，可以实现轻量化和低成本。基于CAE的变速器壳体轻量化设计可以缩短开发周期，降低开发成本，提高产品竞争力。

(4)进一步减少传动所占用的空间，优化各部件的空间和尺寸。由于停车启动系统的应用，一种通过检测可靠的空挡位置信号来识别空挡和倒挡的低成本、高可靠性的集成解决方案得到了应用。

(1)液力变矩器的发展趋势是实现扁平化，逐步降低扭矩系数，扩大锁定范围和滑动范围，提高液力变矩器的效率。随着发动机涡轮增压技术的应用，发动机扭矩不断增大，对变速器减振提出了更高的要求。已经出现了采用离心摆式吸振器的变矩器和采用涡轮式吸振器的变矩器，大大提高了变矩器的减振性能。优化液压部分，增加液力变矩器的容量，优化轴向空间。

(2)多层AT。6-9速自动变速器正逐渐取代4速或5速变速器的主导地位。增加齿轮数可以使变速器具有更大的传动比范围和传动比的合理分布。目前，采埃孚已经成功开发了9AT，一些公司已经开始开发10AT。

(3)自动变速器的模块化设计在自动变速器中非常明显，主要包括液压变矩器、液压阀体、离合器和制动器的模块化。根据不同用户的需求，通过不同的模块组合，可以实现多种解决方案，减少设计变更，缩短开发周期，提高产品竞争力。

(4)多电磁阀的应用采用多个电磁阀控制换挡，可显著提高换挡质量。采埃孚6AT采用6个高流量特性PWM电磁阀控制系统压力，实现换挡，简化了阀体结构，提高了变速器的整体性能。若采用无泄漏电磁阀或近无泄漏电磁阀，可进一步提高传动效率。

(5)部件集成，降低质量。例如，ZF6H26变速器采用了一种名为Lepetler的齿轮，使整个传动齿轮组的质量减少了11kg;丰田A750E/A750F变速箱集成了三个离合器，并将它们安装在同一个离合器轮毂上;ZF9HP采用狗齿离合器，比普通离合器长，但直径较小，看起来像花键。有些变速箱公司采用镁合金变速箱，进一步减轻了变速箱的重量。

(6)新材料、新工艺、新型轻量化高强材料的应用，以及冲压成形技术的应用，在降低成本、减轻重量方面做出了重大贡献。

1. 提高CVT效率

(1)减少锥板的压缩损失。通过应用扭矩传感器并优化所施加的夹紧力，调整和压缩面积，可以有效地降低液压系统在调整过程中的流量，从而允许使用更小的液压泵，这不仅降低了泵的油耗，还减少了相关的能量损失。

(2)减少链损。采用连接片式、摆销式设计，具有效率高、体积小、运行可靠、噪音低等特点。

(3)减少液压泵损耗，采用低能耗电动液压泵。

(4)减少CVT轴承的损耗，用离合器代替液压变矩器等。

2. 降低CVT的成本，在加工工艺上采用钢板冲压成型的锥形盘组作为主要部件，可以降低成本和重量，采用冷挤压成型的轴也可以降低成本;根据不同的市场需求，可采用干式或湿式离合器代替液力变矩器，降低成本;对无级变速器壳体进行优化设计，也可以减轻重量和降低成本。

3. 扭矩传感器的综合优化在发动机和无级变速器的精确控制中得到了广泛的应用，特别是在小批量涡轮增压发动机中，可以优化夹紧力，实现无级变速器的精确控制;将其与发动机集成进行综合控制，可以进一步降低油耗和排放

4. 提高传动转矩和无级变速器的传动转矩一直是其研发的重点。新结构CVT传动系统的发展，如博世公司采用新型柔性环材料设计的钢带，具有更好的动力性能、更低的成本、更好的效率、更小的中心距离，并能传递更大的扭矩。模块化设计可以满足快速发展市场中客户的特殊要求，缩短研发周期，提高市场竞争力。无级变速器是混合动力汽车发动机与驱动电机之间的耦合机构之一。使用CVT传动系统的混合动力电动汽车可以减少30%的燃油消耗和50%的排放。

(1)大传动比，多挡，重量轻。在保证传动效率的前提下，实现大传动比、多挡、轻量化。

(2)模块化设计。如电动液压执行器，齿轮选择执行器，湿式双离合器用于电机控制的DCT双离合器。

(3)一体化控制。将DCT控制与发动机、ABS、ESP、EPS、ACC控制集成，实现动力传动系统的一体化控制，提高传动系统性能，优化控制效果。

(4)混合动力传动。DCT与电动机/发电机组合形成混合动力传动，可实现发动机单独驱动、电动机单独驱动、发动机与电动机联合驱动。制动时，电动机/发电机处于发电状态，将汽车的动能转化为电能储存起来。该方案为混合动力汽车提供了一种易于实现的动力耦合装置。

(5)集成化智能化。将变速器的所有功能集成到一个单元中，通过集成减少故障源，提高可靠性。在控制策略上，采用自适应控制和模糊控制等智能控制方法，提高DCT的自适应能力。

(1)动力传动系统综合应用控制将AMT控制与发动机、ABS、ESP、EPS、ACC控制相结合，实现动力传动系统综合控制，提高传动系统性能，优化控制效果。

(2)采用新的结构，例如英国的zeroshift公司发明了一种新的AMT技术，利用一系列滑动爪和凹槽，在换挡时实现两个齿轮的同时啮合。它具有双离合器的所有优点，设计简单，成本低。

(3)混合动力传动AMT与轮式电动机/发电机组合构成混合动力传动，可实现发动机单独驱动、电动机单独驱动、发动机与电动机联合驱动。换挡时，汽车由电动机驱动，提高动力性能;制动时，电动机/发电机处于发电状态，将汽车的动能转化为电能储存起来。该方案为混合动力汽车提供了一种易于实现的动力耦合装置。

(4)集成化、智能化变速器的所有功能集成到一个单元中，通过集成减少故障源，提高可靠性;在控制策略中采用了自适应控制和模糊控制等智能控制方法，提高了AMT的自适应能力。