历史车库

话题31574条    关注793人

+关注
话题

浅谈不同变速箱结构的原理性问题

第一篇车库居然写的是这个,也是没想到。本来以为这些问题应该是中小强病毒的级别才会去讨论的,没想到在XCP也有不少中毒的...

首先要明确一下逻辑关系,以便避免一些无谓的低水平争议。既然标题写明了“原理性”,那讨论工程原理级别的问题,应该跳出具体型号这样的个例范畴。简单的举例来说:

问题:油炸食品健康吗?

讨论这个问题的时候不能作为论据的有:

“我吃了油炸食品十几年了,身体一点问题都没有。所以油炸食品是健康的。”

“隔壁的小店卖的油条都用地沟油的,所以油炸食品不健康。”

显然这种非统计个例对整个问题并无实际的参考价值。这个问题下合适的论据应该是什么形式呢?比如如下的论据就比较合适:

“油脂在高温加热时会形成多种环状化合物,对人体不利,所以油炸食品不健康。”

“油炸烹调温度高,时间短,能很大程度保留食物的营养成分,所以油炸食品健康。”

注意论据的有效性和适用性是两个不同的问题。首先论据要适用于对应的问题,才能谈论据是否有效。有些文科生大脑让他谈技术原理的结果只会举例,这种讨论真的是一点效率都没有。

不能理解以上举例的内在逻辑关系的读者,也不推荐看以下内容。

好的,废话了半天,终于可以写正文了。首先我们追溯一下:为什么需要变速箱?

因为不同车速范围下需要的扭矩、转速和传动比是不一样的,而内燃机的稳定工况需要一个相对稳定的转速,所以需要有一个机构来改变传动比,以适应不同的车速。引擎转速相对固定的情况下,低车速的时候需要小轮带动大轮,提高扭矩,加速起步;高车速的情况下需要大轮带动小轮,提高车轮转速,保证高车速。

所以很显然的,变速箱最基本的要求就是能提供引擎转速和车速相对应的适合的传动比。我们就基于这个工程目的来谈谈各种不同结构形式的变速箱本身的原理性问题。

MT/手动变速箱

手动变速箱是实现改变传动比的最简单和最基本的结构,所以必须要先从它来说起,同时也从MT说起也便于说明一些基本的物理原理。MT的工程思路很简单,通过离合器来进行动力的接合,通过手动选择不同齿比的齿轮来变换传动比。啮合方式传动效率高(接近100%),结构简单,不容易故障,都是MT的优点。

但是MT结构的问题也是很明显的:变速箱内能安排的齿轮数量是非常有限的,只能提供少数的几种传动比选择,能适应的速度范围比较有限。而且,当转速和车速未达到正好匹配的传动比时如果进行换档,则会产生拖档(低速换到高档)或者顿挫(高速换到低档)的问题。

拖挡其实问题不大,最多只是影响引擎的经济性能,或者出现驱动力不足,顿挫就很影响整个动力系统的平顺性和乘坐的舒适性了。相应的缓解手段也很简单:离合器的半联动状态。通过离合器的滑动摩擦,实际上模糊了传动比的范围(滑动摩擦下难以精确计算具体的传动比,但是肯定比锁止状态来的低),即使换挡时转速和车速并未达到精确的对应,也能在一定程度上抵消这个问题。

MT的传动比和转速需要匹配的特性又带来了另一个问题:即使有半联动的帮助,也需要熟练的操作者才能很好的在合适的时机做好换挡。在人的主体价值越来越高的今天,培训很多熟练使用者的成本只会越来越高。再者,现代用车路况越来越复杂,使用MT需要的操作频率也会越来越高,要占用使用者大量的精力。所以MT的总使用成本会越来越难以降低(人的成本无法降低)。我们这里码字既然说明要谈论原理,那操控乐趣和情怀就先给实用性让路吧。

很显然的,电子技术高度发达的今天,人们自然会想到:为何需要人亲自完成MT的换挡操作?交给电脑进行判断不行么?于是就诞生了AMT。有些朋友一看AMT可能就嗤之以鼻,但是现在许多AMT的问题,比如顿挫本身,并不是AMT的原理性问题。有些厂家AMT可能是电脑控制算法不完善,有些是和引擎的匹配不完善,才在使用中产生了各种各样的问题。但是这些并不是无法解决的矛盾。

AMT的问题其实还是MT本身固有的问题:1.可选传动比有限;2.半联动状态解决顿挫的范围有限。而其中第2点会遇到一个在可预见的将来的基础科学都没法解决的原理性问题:机件滑动摩擦(动摩擦)的耗损要远远大于滚动摩擦(静摩擦)。这点是非常显而易见的,可以举几个简单的例子:滚珠轴承就是把接触面间的滑动摩擦转换成了滚珠的滚动静摩擦,反之,滚珠一但卡死变回滑动按摩,轴系将迅速磨损;一般车胎日常使用都是滚动静摩擦,然而漂移用轮胎的横向移动都是滑动的动摩擦,轮胎耗损的速度比滚动的要加速相当多。之后讲到DCT的时候,也要涉及到这个问题。

是不是遇到这种原理性技术障碍,AMT就无计可施了呢?也不尽然,我们可以从问题的本源来分析:

增加齿轮,增加传动比。但是增加齿轮要增加空间和操作机构的复杂性,可能带来别的问题。

加强电脑控制的算法研究,提高电脑控制换挡的适应力。但是可能需要大量实验,设备成本可能也会提升,同时可能会出现为保证平顺性牺牲动力的情况(比如较长时间断开动力以等待转速匹配),影响经济型。

不理会耗损,多利用半联动状态,同时把离合器接片直接作为耗损品使用,定期更换离合片。这会带来使用和维护的成本上升。

从这几点我们可以看出,工程就是一个相互权衡的过程。我相信只要有厂家愿意,通过大量实验和匹配工作,造出一台和老司机水平不相上下的AMT是有可能的。比如序列式变速箱,就是AMT的一个某方面性能的特化版本,同理,其他方面性能也不存在不可改进的障碍。

但是为什么目前几乎没有这样的AMT产品问世呢?最大的问题应该还是成本。

从上面几点看到,AMT的几种改进办法是闭环的:比如电脑多用半联动减少顿挫,离合片耗损就会增加;档位增加可以提高可选范围减少半联动,但是电脑控制的算法就要更为复杂,机械结构设计也更难...摁下葫芦又起瓢,全部解决的成本又会太高,车厂毕竟是要做生意的,于是,更多厂商选择了我们下面要谈到的AT作为成本更低,效果更好的自动变速的解决方案。未来的AMT能否随着新材料和新的电控技术的发展从而逆袭?有可能,具体的内容,要在之后谈到DCT的时候提到。

AT/自动变速箱

说到AT和MT最大的不同,应该就是行星齿轮和液力变矩器两个大部件。行星齿轮是个神奇的玩意,通过锁止不同的部件(太阳轮,行星架,行星轮)或者从不同不同部件输入动力,会得到很多不同的传动组合。理论上增加一组行星齿轮,就能多出3个档位,在传动比可选数量上对于MT有了很大优势。而液力变矩器相对于离合器,工质液体的传动相对于滑动摩擦,又有从0%-100%无限调节传动比的优势,天生减少了顿挫。加上近年来出现的液力变矩器锁止功能和电控换挡技术和算法的进一步完善,AT动力系统的综合效率(不止计算传动效率,应该计算总的动力(包括空转)传达到最终车轮的实际效率,直观表现就是油耗)已经不输于一般驾驶员的操作的MT。似乎已经完美无缺。

当然世界上是没有这么容易出现完美无缺的事情的。AT的最大问题是:档位数量仍然有限,而且拓展极其困难(接近原理性障碍),可选传动比越少,车速变化时维持引擎停留的最适宜转速就越困难,依赖液力变矩器的时间就越多,在经济性上就无法做到完美。

至于AT的结构为何难以扩展更多档位?这就要说到成也萧何的复杂的行星齿轮结构。虽然AT看似比MT增加档位要容易,但是其锁止机构的设计就要复杂得多。每增加一组行星齿轮,相应的行星架和行星轮的锁止机构也要对应增加(一般太阳轮是动力输入就不锁止了),每个锁止机构都相当于一个小刹车,可想而知安排如此多刹车的复杂性。同样的,AT和MT一样也要受到工程应用的实际空间限制,每组新齿轮还要考虑新的传动比如何设置,大传动比下过小的齿轮可能都无法设置相应的锁止装置,而且整个变速箱的体积将随着行星齿轮的增加而迅速增大,造成实际应用困难(注意这里的问题也是闭环的,档位数量和系统体积和复杂程度对立)。

当然,AT变速箱这一点瑕疵更多的是影响其未来的发展,现代AT的性能配装在现代的内燃机车辆上还是绰绰有余的,所以AT也成为大量投入使用的变速箱结构。至于AT未来的发展?很难说。因为AT增加档位提高性能的技术思路属于上堆式,本质上和动力不够加气缸是同一个思维模式,系统越复杂,可靠性越差是不可改变的自然概率。遇到瓶颈后能否突破?还要保留一个大大的问号。

CVT/无级变速箱

通过之前的分析,我们看到了更多的可选传动比,对提高系统效率总是有利的。因为车速和转速都是动态变化的,所以对应的最适应的传动比应该也是连续占满一个区间。有什么办法提供这无限多的传动比呢?工程师发明了CVT。

CVT的结构无需多言,从我们最初需要变速箱的目的来看,能提供无限多传动比选择的机械结构只有它,而我们的电控机构也可以完善到无限接近选择当前最适合的传动比。钢带和锥轮的结合方式接近啮合,总的传动效率不低于齿轮结构。似乎CVT更接近我们理想中的完美变速箱了。

但是。CVT的弱点,XCP的朋友们应该都说得出:难以承受大扭矩。

再但是。CVT难以承受大扭矩,并不是CVT的原理性弱点。这里,我们就要仔细分析一下现代的CVT为何难以承受大扭矩。

可能很多朋友会直接想到:相同材料水平下钢带结构天然没有齿轮那么坚固,可承受扭矩小是必然的。这句前半没有问题,后半就要看具体情况而定了。如果这个“小”的范围已经大大超过引擎能输出的扭矩的话,那“小”也就无关紧要了。

然而为何不能简单通过强化材料的方式提高CVT承受大扭矩的能力呢?因为在CVT上扭矩的问题并不只是钢带强度的问题,而是一个闭环的问题:

提高钢带强度→允许锥轮发出更大扭矩→突破钢带和锥轮的静摩擦力极限,钢带滑动,损耗剧增→增加钢带和锥轮的静摩擦力极限,提高钢带对锥轮的压力→张紧钢带,消耗钢带一部分强度...

如此,简单提高钢带强度的方法带来的性能提升效果并不是线性的,而是递减的,而成本却会快速增加,同时可靠性也可能开始降低。在材料技术没有太大突破的时候,当前的水平下,随着性能需求的增加,CVT的综合成本将迅速超越相应的AT,无限传动比带来的优势迅速消失。所以当前车厂多把CVT用在追求经济性的车型上,需要大扭矩大功率的性能车上,还看不到CVT的身影。不过值得注意的是,当前许多新型材料技术已经出现了可工业化的苗头(比如无重力均质冶炼合金、激光粉末烧结等等),一旦材料技术出现重大突破后,CVT成为真的理想变速箱的时刻也许就要到来。

DCT/双离合变速箱

最后,终于讲到了DCT。相信能看懂前文的朋友,也不用我多言了。本质上,DCT就是两台AMT的组合,AMT的问题,就是DCT的问题。当然DCT对于AMT还有换挡速度快、档位的优势,DCT的离合器设置和AMT也有很多不同,不过在此都不是核心的区别。

虽然开篇说不谈具体型号,不过就这个问题来说,还是可以提一下争议最多的大众的双离合和这个的关系:所谓“烧变速箱”,其实就是讲AMT的时候提到的为解决平顺性问题,离合器半联动过多,耗损过大的问题。机件滑动摩擦(动摩擦)的耗损要远远大于滚动摩擦(静摩擦)。DCT能解决的办法,其实也就是AMT能逆袭的办法。目前来看,工程上能做到的解决(或缓解)这个问题的办法基本上有以下几种:

增加液体介质减缓摩擦损耗,加强散热。应用实例就是湿式双离合。这属于治标的办法,但也可解一时燃眉之急。

用液力变矩器代替离合器,代价自然是损失一定效率,体积也会更大,会损失DCT结构本身固有的一些优势。应用实例我想不说大家也知道,邪道的本田。

回到AMT的第3条,直接把离合片作为耗损品。工程上我个人是很推崇这种治本的办法的,刹车片可以换,离合片怎么就不能换呢?当然既然是耗损品,离合片的价格和更换难度也要降下来,这个可能涉及变速箱结构的重大变化,成本会很高。另外,市场能不能接受这种做法,又是另一回事。

你说造出个耐磨的离合片?那为什么不用这个材料去做刹车片和气缸壁呢?上天也要按照(物理)基本法(则)。

总的来说,因为结构和AMT的相似性,DCT更像一个AMT的高级版本,在追求换挡速度和传动效率的领域,DCT/AMT目前还是非常适用的,比如各类超级跑车。但是未来DCT的应用领域是否广泛,是否能和AT/CVT相比,同样也有许多问题还有待解决。以现在的情况看,因为AMT的三点闭环问题(顿挫-动力-离合半联动)还没得到较好解决,拥有同样问题的DCT作为代步用车的变速机构,还需要相当慎重。

最后结尾了。先祝大家新年快乐~

电机表示:我不是针对你,你们在坐的内燃机组合都是垃圾。

收藏

2016-02-06

0

你轻轻一赞
是我大大的动力

我关注的部落

登录关注部落,才有更多签到。请先登录