重型汽车变速器的技术特点与发展趋势

重型汽车变速器是指与重型商用车和大型客车匹配的变速器，尽管在行业中对变速器的容量划分没有明确的界限，但我们通常将标定输入扭矩在900Nm以上的汽车变速器称为重型汽车变速器。

1 国外重型汽车变速器的结构特点

      在国外，变速器专业化生产厂家很注重产品系列化，为主机厂选择最满意的变速器提供了极大的方便和灵活性。例如德国ZF(采埃孚)公司有中心距8.0、95、105、115、120、143、154mm7种基型变速器，适应输入扭矩为130—1900Nm，档位数从3—17个，有各种操纵方式的变速器适应不同匹配要求的车辆。日本丰田汽车公司爱信精机公司备有中心距72、78、88、98、135mm5种基型组合，286种变速器供用户选择。而我国众多的汽车变速器生产企业，尚没有形成本企业的变速器系列化产品。

      德国ZF公司生产的9S109同步器型倍档9档组合式变速器，主变速器有5个前进档，副变速器为行星齿轮系传动结构。当副变速器中的同步器接合套与固定外齿圈接合时，行星齿轮内齿圈被固定而不能转动，则副变速器挂入低档，此时将主变速器分别挂入5个不同档位可得到组合式变速器5个较大的传动比。当使接合套与副变速器高档齿圈接合时，行星齿轮轴、输出轴、行星齿轮内齿圈和副变速器输入轴齿轮固定在一起而同步旋转，则副变速器挂入高档(直接档)，主变速器的5个档位传动比即分别等于组合式变速器。

      个较小的传动比。由于有两个传动比数值很接近，故省掉一个传动比，组成9档变速器。变速器最大输入扭矩1250Nm，总质量310kg，与发动机直接连接或独立安装，左卧式或右卧式。变速器的操纵系统由旋转轴远距离操纵或直接操纵，双XH型换档排列，副变速器由压缩空气自动换档，爬行档和倒档用啮合套换档，其他档用同步器换档。

      美国伊顿公司富勒系列双副轴变速器结构特点

      美国伊顿公司生产的BT-11509C双中间轴倍档9档组合式机械变速器，主副变速器皆采用双中间轴结构。主变速器有5个前进档。副变速器为2档(高档和低档)齿轮传动，由于有2个传动比很接近，故省掉一个，组成9档变速器。

      双中间轴倍档组合式变速器具有如下优点：

      (1)由于一轴和二轴上各档齿轮同时与两根中间轴上对应的齿轮相啮合，功率分流，从理论上讲，每对齿轮上传递的扭矩为1/2，这就使每对齿轮传递的扭矩减少50%，使变速器的中心距、齿轮模数和宽度可以减小，从而减小变速器的质量和尺寸，特别是长度尺寸。

　　(2)由于二轴从动齿轮在轴上处于径向浮动状态，两根中间轴的轴心线均匀分布在以二轴理论轴心为圆心、以中心距为半径的圆柱面上，所以二轴上各档齿轮及一轴齿轮在与两根中间轴上的对应齿轮相啮合产生的径向力达到平衡，即互相抵消。二轴不承受径向力，只传递扭矩，这样二轴可以设计得细一些，结构可以简单一些，其后轴承可以选择较小的规格，这也有助于减小变速器的质量和尺寸。

　　(3)由于二轴齿轮的径向浮动和二轴的铰接式

　　浮动的结果，使得齿轮在啮合时能自动抵消一部分制造和装配误差，啮合质量优于单中间轴。啮合区容易达到设计要求，实际使用情况也证实了这点。这就有利于降低啮合噪声和提高耐用度。

　　(4)由于双中间轴倍档组合式变速器可以明显地减小变速器的质量和轴向尺寸，利用这种优点，可提高变速器的最大传递功率和扭矩，扩大使用范围。

　　这是短轴距大功率重型汽车和特种车辆最理想的变速器。RT-11509C型变速器最大输入扭矩1500Nm，最大输入功率265kW，总长度735mm，XXH或单H操纵，可左操纵亦可右操纵，总质量270kg。

2 国内机械式重型汽车变速器的结构特点

     国内重型车变速器产品的技术多源于美国、德国、日本几个国家，引进技术多为国外上世纪80—90年代的产品。作为汽车高级技术领域的重型汽车变速器在国内漫长的引进消化过程中，如今已有长足的进步，能够在原有技术引进的基础上，通过改型自行开发出符合配套要求的新产品，每年重型车变速器行业都能有十几个新产品推向市场。但从当今重型车变速器的发展情况来看，在新产品开发上国内重型车变速器仍然走的是一般性的开发过程，没有真正的核心技术产品；从国内重型汽车变速器市场容量来看，有三分之一的产品来自进口，而另外三分之二的产品中有80%以上源自国外技术，国内自主开发的重型汽车变速器产品销量很小，从而说明国内重型汽车变速器厂家的自主开发能力仍然很薄弱，应对整车新车型配套产品的能力远远不够。我国城市车辆将重点发展的13.8m客车上使用的变速器，目前只有ZF一家能向国内企业供应，就足以说明国内的重型车变速器企业仍然很渺小，在技术方面仍然有很长的路要走。

　　国内重型汽车变速器几乎由陕西法士特齿轮有限责任公司、綦江齿轮传动有限公司、山西大同齿轮集团有限责任公司、一汽哈尔滨变速器厂等几大家包揽。这些企业生产的变速器产品针对的市场各有侧重，像陕西法士特在8t以上重型车市场占有率达到40%以上，并且在15t以上重型车市场占有绝对的优势，拥有85%以上的市场份额；綦江齿轮传动有限公司主要为安凯、西沃、亚星奔驰、桂林大宇及厦门金龙等企业的7～12m高档大、中型客车以及总质量在14～50t重型载货车、鞍式牵引车、自卸车及各种专用车、特种车配套；山西大同齿轮集团配套市场主要在8～10t级的低吨位重型载货车。

3　机械式重型汽车变速器的技术特点

　　重型汽车的装载质量大，使用条件复杂。欲保证重型汽车具有良好的动力性、经济性和加速性，必须扩大变速器传动比的范围并增加档位数。为避免变速器的结构过于复杂和便于系列化生产，多采用组合式机械变速器。即以一二种4～6档变速器为主体，通过更换系列齿轮副和配置不同的副变速器，得到一组不同档位数、不同传动比范围的变速器系列。目前，组合式机械变速器已成为重型汽车采用的主要型式。组合式机械变速器一般分为倍档(分段式配档)组合式机械变速器和半档(插入式配档)组合式机械变速器。

3.1　倍档组合式机械变速器

　　倍档组合式机械变速器是在主变速器后部串联安装一个2档(高档和低档)副变速器，将主变速器的档位数增加1倍，所增加的档位传动比数值等于主变速器传动比和副变速器传动比的乘积，而且齿轮对数少于档位数，因此箱体尺寸缩短，轴的长度减短，刚度增大，所以增大了变速器的容量。例如在一个5档主变速器后端，串联安装一个具有高、低2档的副变速器，即可组成10档(或9档)倍档组合式机械变速器。增加倍档组合式变速器最大输入扭矩和最低档传动比的技术难点是副变速器低档齿轮的强度容量不足，超出齿轮轮齿的承载能力。解决的办法是将由一个轮齿承受的载荷分流给几个轮齿来承担。这样一来，输入齿轮扭矩不变，每个轮齿的负荷将等于同时接触齿数的平均数值。

　　倍档组合式变速器的副变速器功率分流方法有两种：一种是采用行星齿轮系的传动方法，这种结构非常紧凑，体积小而扭矩容量大，直到现在仍广泛应用；另一种功率分流的方法是采用双中间轴传动结构。双中间轴传动最大工艺难点是保证主传动齿轮能和所啮合的双中间轴齿轮的轮齿同时接触问题，解决的办法是用浮动主传动齿轮的方法来消除齿轴对位的制造误差，确保轮齿同时接触，达到功率分流的目的。与此相适应的换档同步器也有一定的浮动量。

3.2　半档组合式机械变速器

将副变速器传动比均匀地插入传动比间隔大的主变速器各档传动比之间，使变速器的档位数增加1倍。半档副变速器串联在主变速器前部，它只有一对齿轮副和换档同步器。早期的半档副变速器由单独的一个箱子组成，近年来发展成将半档齿轮副直接放到主变速器之内，既缩短变速器长度又简化半档结构。半档副变速器由一对类似一轴常啮合齿轮副组成，齿圈套在动力输入轴上自由转动，当动力输入轴上的齿圈与主变速器一轴结合时，各档传动比均由主变速器一轴齿轮副组成。当齿圈与动力输入轴上的接合齿连接时，常啮合齿轮与主变速器上的中间轴连接，因此主变速器中间轴也旋转，由此组成的各档传动比均匀地插人主变速器各档传动比之间。型号为ZFAK/6—80十GV80的半档组合式机械变速器，由6档AS6-80主变速器串联半档副变速器组成。最大输入扭矩为750Nm，传动比范围0.83～9.0，倒档传动比为7.05/8.46。这种变速器曾在欧洲广泛使用，如曼、依维柯、斯太尔、沃尔沃等。ZF公司开发的ECOSPLIT-16S型16档组合式机械变速器，在4档主变速器前端加装一对半档齿轮副等机构，再在后端串联行星齿轮传动副变速器。主变速器二轴一直伸入半档齿轮副的动力输入轴孔内，主变速器一轴在中间轴上自由转动。变速器最大输入扭矩1600Nm，传动比范围为1.00～13.63或0.85—11.46，倒档传动比为9.41/11.06或8.64/10.15，长度约950mm，总质量约300kg。

　　半档组合式变速器在国外被广泛应用，特别是在欧洲中型和中重型汽车大量采用这种变速器，其中长途汽车(包括大客车)应用得更多些。汽车发动机功率从85～200kW的各种车辆多用半档副变速器增加档位，因为半档组合式变速器的长度小于倍档组合式变速器，而且它的结构简单、成本低、维修保养容易，深受用户青睐。国外中型和重型汽车发动机功率在200kWl)l下的基本上都采用半档组合变速器，发动机功率在200kW以上的多采用倍档(或倍档加半档)组合式变速器。

4　自动变速器的应用与发展趋势

　　自动变速器能满足车辆频繁起步、频繁加速的要求，并可以连续加速至最高车速，提高车辆起步加速性能，从而提高整车特别是城市客车的整体运行速度。同时由于变扭器的作用，自动变速器在车辆起步阶段能增加扭矩，有利于发动机功率的充分利用。

　　国外城市大客车已普遍装用自动变速器，它在美国的普及率基本上是100%，西欧为95%，而我国只有深圳、上海少数几个城市在使用。代表国际先进技术水平的为ZF、Voith、Allison3种自动变速器。借鉴国外变速器研制的经验和先进技术，可以起到事半功倍的作用。以下介绍2种变速器的结构原理和技术特点。

4.1　液力自动变速器(简称AT)

　　与手动变速器相比，液力自动变速器在结构和使用上与手动变速器有很大的不同。手动变速器主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合产生变速变矩；而AT是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。其中液力变扭器是AT最具特点的部件。液力变扭器的泵轮和涡轮就好似相对放置的2台风扇，一台风扇吹出的风力会带动另一台风扇的叶片旋转，风力成了动能传递的媒介。用液体代替空气成为传递能量的介质，泵轮就会通过液体带动涡轮旋转，再在泵轮和涡轮之间加上导轮，通过反作用力使泵轮和涡轮之间实现转速差就可以实现变速变矩了。由于液力变扭器自动变速变矩范围不够大，因此在涡轮后面再串联几排行星齿轮提高效率，液压操纵系统会随发动机工作变化自行操纵行星齿轮，从而实现自动变速变矩。

　　Voith自动变速器专用于城市客车，是全自动液力机械式变速器，其液力变扭器用于加速和减速。由于输人功率被一个差速齿轮装置一分为二，其效率高于一般的液压传动变速器。

　　液力自动变速器的主要优点如下：

(1)在机械传动装置中，行星传动机构比普通齿轮传动机构具有结构紧凑、质量小、体积小、传动比大及效率高等优点。

　　(2)AT不用离合器换档，档位少变化大，连接平稳，因此操作容易，既给驾驶员带来方便，也给乘客带来舒适。缺点是机构复杂，制造和修理都较困难。目前在汽车上使用，前途越来越不被看好。

4.2　电控机械自动变速器(简称AMT)

　　电控机械自动变速器，是在传统的固定轴式变速器和干式离合器的基础上，应用电子技术、模糊控制理论和变速理论，以电子控制单元ECU为核心，通过液压控制系统控制离合器的分离与结合，以及选档、换档操作，通过对发动机节气门的调节，由电子控制单元ECU来实现汽车起步、换档的自动操作。

　　AMT控制的基本原理：根据驾驶员的意思(油门踏板、制动踏板等)和车辆的状态(发动机转速、输出轴转速、车速、档位等)，依据一定的规律(换档规律、离合器接合规律等)，借助于相应的执行机构(供油执行机构、选换档执行机构、离合器分离和接合执行机构)，对车辆的动力传动系统(发动机、离合器、变速器)进行联合操纵，实现起步、换档的自动操纵。

　　电控机械自动变速器的主要特点如下：

　　(1)方便灵活，能减轻驾驶员劳动强度，提高行车安全性。这是从手动排档转变成自动排档后的一个最重要的特点。

　　(2)经济省油，延长车辆的使用寿命。同AT相比，AMT效率几乎与机械式变速器相同，这样也就比目前汽车上使用的其它自动变速器更节约能源，可改善环境污染程度。

　　(3)结构简单，易于安装，维修保养方便。它的主要缺点有两点，一是汽车不是无级变速，是有级的，在换档时存在动力的中断；二是在装车和调试时要有专业的调试员。

4.3　我国自动变速器的发展趋势

　　自动变速器主要有液力自动变速器(AT)、电控机械式自动变速器(AMT)、无级自动变速器(CVT)。其技术关键是电子技术、电液控制和传感技术。我国目前的基础工业难以满足AT的高技术、高投资要求，加之与这些产品匹配的发动机排量差异大，生产AT难以系列化。对于CVT，必须开发其关键部件——液力变扭器，它性能优良，还可以与AMT组成新的液力机械传动，是自动变速器的“灵魂”。我国目前的国情应以AMT为主方向，它性价比高，价格是AT的1/4～1/3，人世之后它仍有竞争力；生产继承性好，改造资金投入少；生产批量灵活，小批量、小得益，大批量、大得益；相对于各种车型，其硬件开发和软件研制在结构上、理论上是相通的，成果可推广到各类型汽车上。

5　结语

　　随着国内汽车市场的发育成长，变速器产品型谱逐步细化，产品的针对性越来越强，因此在保证现有变速器生产和改进的同时，要充分认识到加入WTO后良好的合作开发机遇，取长补短，同时更应认识到供方、买方、替代者、产品竞争者的巨大压力。要紧跟重型商用车行业向高档、高技术含量和智能化方向发展的趋势，要紧跟客车低地板化、绿色环保化、城市公交大型化的发展方向，开发和生产具有自主知识产权、适合我国国情的重型车用变速器。