自动变速器技术发展与市场分析.doc
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1、自动变速器技术发展与市场分析技术特点比较篇 今年以来我国汽车市场的下跌,看似意料之外,其实是意料之中,不外乎资源和环境压力,当然还有政策和国外零部件供应的影响。因此,面对过山车般的汽车市场,中国车企应当保持良好的心态,把目光放长远一些,埋头苦干、精心造车才是王道。不但要造好车,造精致车,更要造精致节能车。汽车企业的机遇和压力并存。何来精致节能?近年来,无论是增压还是缸内直喷,发动机可谓越来越“精致”,输出功率越来越高,但节能减排的法规也越来越严。如何去寻求二者平衡是当前车企的心头大事。于是乎就有了如下围绕“精致节能汽车”所引发的动力系统技术变革。汽车行业的技术路线之争似乎愈演愈烈,尤其是在高速
2、发展的中国。汽车企业不但要为汽车新能源路线伤神还要为变速器技术道路而烦恼。毕竟,技术走错一小步,市场走错一大步。本文将基于不同变速器制造商和专业的变速器测试公司以及咨询公司的研究数据,对自动变速器的性能进行对比。放眼全球,各大汽车生产商都推出了不同的自动变速器。而决定哪种自动变速器成为主流的关键,取决于市场因素和技术因素,前者包括成本和国家政策,后者包括变速器自身的燃油经济性和舒适性,还有动力性等。不同变速器的燃油经济性与成本关系对比在欧洲,由于高油价的影响和对驾驶乐趣的追求,手动变速器MT占据了主流市场;在美国和日本等国,因为对舒适性的追求以及严重的交通拥堵,自动变速器在两个市场占有极高的份
3、额;在中国等汽车产业高速发展的新兴市场,目前仍以手动变速器为主,但随着人们生活水平的提高和交通拥堵状况的加剧,自动变速器的发展空间越来越大。不同自动变速器的燃油经济性和成本关系存在很大不同。低档位AT的燃油经济型较差,通过增加变速器的档位可以显著提高燃油经济性,但是成本会相应地大幅度增加;CVT的燃油经济性较好,但是成本较高;而DCT似乎在燃油经济性和成本之间达到了较好的平衡。而且从国外整车厂以及DCT制造厂商的研究报告来看,DCT的成本下降空间还很大,值得市场尝试。不同变速器的燃油经济性与动力性关系对比为了对变速器的燃油经济性和动力舒适性关系进行客观对比,本文分别选取采埃孚(ZF)公司和变速
4、器专业测试公司GIF的实验数据进行对比。在经济性方面:8AT和DCT经济性表现不分伯仲,二者比6AT提高了14%左右。其中,DCT提高了13%-15%,8AT提高了14%-15%。干式DCT(表中T-DKG)在燃油使用方面的效率最高。在动力性方面:8AT和DCT动力性表现泾渭分明,3款DCT的加速性表现不如基准参考变速器6AT,比2款8AT的加速时间慢了将近1S。由于干式DCT只能通过通风散热来冷却启动时产生的热能,因此离合器与调速轮的重量会较大,这在一定程度上导致干式DCT的加速性能相对较差。与配有变矩器的8HP-FQ相比,装有湿式离合器的8P-FQ在换档时会产生巨大的制动扭矩,使其动力性略
5、处劣势。基于以上左图试验数据可知:相比于6AT,DCT的燃油经济性具有很大的优势,但是和8AT相比,DCT的优势不明显。在动力性方面,DCT反而落后于8AT。DCT虽然动力性较差,但却在感知动力性和感知舒适性方面达到较好的平衡;相反,6AT虽然动力性相对较好,但是为了追求良好的感知舒适性,感知动力性却显著下降。不同变速器的传动效率对比汽车动力总成的燃油经济性主要包含2个要素:发动机效率和变速器效率。但在汽车实际运行中,汽车行驶存在不稳定性,必须要考虑发动机效率和变速器之间的协调,即:除了要考虑变速器本身的效率外,还要考虑其是否能够使发动机的效率发挥最大化,能否使得发动机工作在高效率区域,是否能
6、够实现汽车动力系统总效率最大化,我们称之为变速器“协调性”。为了进行客观的对比,我们分别选择DCT和CVT制造厂商的研究数据。CVT由于其速比的连续变化,可使发动机在最佳燃油经济功率线附近工作,“协调性”方面较有优势,可以做到长时间断油。但是CVT由于摩擦传递,而且随着时间的推移,带轮磨耗加剧,传递效率也会逐渐降低,造成整体的效率并不高。根据格特拉克的实验数据:DCT的“协调性”相对较差,DCT下的发动机工作效率平均为21.5%,低于CVT的24.5%和AT的23%,无法使发动机工作在最佳燃油消耗状态。但是DCT具有MT高效率的优点,在85%-90%内,高于CVT的62%-72%和AT的70%
7、-75%,在发动机效率和变速器效率之间达到了较好的平衡,因此其整体效率也较好。此外,CVT在城市驾驶时燃油效率较好,但是一旦车速提高到一定程度,其燃油经济性反而显著下降。根据JATCO的实验数据:CVT和AMT以及干式DCT的总效率相近,比基准参考变速器6MT提升3%左右。上图中色箭头表示各自动变速器相对于6MT由于提高发动机效率所减少的燃油消耗量,深蓝色箭头表示自动变速器本身的能量损耗所增加的燃油消耗量。CVT良好的“协调性”可使发动机工作在高效率条件下,使燃油消耗量降低约12%,但由于CVT本身的能量消耗,其燃油消耗量增加约10%,从而使得CVT的整体燃油经济性只提升约3%,这与整体燃油经
8、济性同样提高3%的DCT和AMT具有很大的不同。JATCO的最新研究表明:CVT自身传动效率不高的缺点正在改变,其中控制系统、液压系统和怠速系统分别有3.7%、1.8%和1.5%的燃油提升潜力。CVT厂商声称:CVT具有7%的油耗提升潜力,低于6AT和DCT的成本,具有结构简单、体积小、易于安装的优点,搭载CVT的混合动力汽车可以降低30%的油耗和50%的排放。AT厂商声称:8AT的油耗可以与DCT抗衡,动力性远远好于DCT。DCTV商声称:DCT在变速器效率和发动机效率之间达到完美的平衡,效率高于所有的变速器。成本低于CVT,和6AT相当。2009年的第九届CTI会议上的1/3专家认为:DC
9、T技术可以与AT技术媲美,CVT市场将首先萎缩。看到这里,似乎陷入了困境。究竟谁将成为未来市场的王者?笔者认为:AT、CVT和DCT在油耗、舒适性以及成本等单方面是各有千秋,但是在综合性能层面却难分高下,谁也没有绝对的领先优势。毕竟DCT和8AT还未大批量投产,CVT的技术改进正在进行中。但是可以肯定的是CVT和AT之间的“楚汉争霸”将会演变为DCT、AT和CVT之间的“三国鼎立”。纵观历史,汽车市场似乎未曾有“孤独的割麦人”;汽车技术不曾有 “孤独求败”;汽车自动变速器从未有“绝对的王者”。过去没有,现在也没有,相信未来也不会有。作者:同济大学李向聪上海大众汽车有限公司李戎来源:汽车与配件2
10、011年第27期(二)技术最新动态篇1:CVT技术进展 1.1 CVT的电控技术的提高 在发动机较低转速时,CVT虽然可以通过液力变矩器自动闭锁控制实现降低燃料消耗,但却无法解决噪声和发动机转速的急剧变化的问题。CVT制造商采用3方面的措施:为控制响应性设定前置补偿器;为修正规范模型控制系统偏差值设定反馈补偿器;应用2自由度线性参变控制,实现20km/h车速以下的液力变矩器滑动闭锁控制。 1.2 滑移控制策略技术。 为了克服CVT传动效率不高问题,CVT生产商采用了滑移控制策略,主要分以下几步:通过变速机构的几何特性得出几何比;然后通过将几何比与变速机构的速度比进行比较确定钢带及带轮之间的滑移
11、量;将该滑移量作为CVT滑移控制策略的控制参数,其中滑移量通过一个单输通道控制器控制,该控制器可以根据滑动误差来调节从动柱塞的压力。 根据博世的试验表明:压力钢带能够在一个较长时间内承受较大的滑移量,改进变速机构内部结构以及采用CVT滑移控制策略和专用的液压回路后,油耗减低了10%以上。滑移控制策略技术降低了液压系统的压力,在一定程度上提高了CVT的效率。 1.3 CVT带轮强度的提高 困扰CVT的另外一个问题就是摩擦损耗。在CVT工作过程中,CVT钢带侧面与主从动轮接触面之间很高的压力,带轮表面容易产生微小裂纹的疲劳剥蚀。CVT制造商主要从三个方面提高带轮的高强度: 第一:结构方面在薄钢片的
12、侧面设有微细槽,从而防止带轮和薄钢片之间的滑动,提高摩擦因数。 第二:材料方面为了实现在保证摩擦因数下,尽可能的提高带轮表面光洁度和能承受工作温度的表面硬度,采用低杂质的渗碳淬火钢。 第三:工艺方面采用了微粒高压力喷丸工艺,改变结晶细化过程,可以大幅度提高带轮的抗疲劳磨损的能力,实现了带轮的高强度化。 除了以上的技术外,还有小批量投产的半环面锥轮式CVT技术,它既具有刚带式CVT的优点还具有转矩传递高、速比响应快和噪声低的优点。此外,最新的CVT的油压控制技术可以提高油压控制回路的控制敏感性,控制精度和控制可靠性。即:根据车辆驾驶员的意志,制定最佳变速比路线。例如,在上坡路和平坦路采用连续可变
13、控制;在下坡路采用模糊控制,神经网络和学习补偿控制。 2:AT技术进展 2.1 高速比多档化 通过上面自动变速器燃油经济性对比图可以知,4AT在燃油经济性和排放方面都无法和CVT以及DCT相竞争。随着节能减排席卷全球,高速比、多档位是AT发展的必然。AT速多档化可以提高从低速档变速比到高速档变速比的范围,优点主要体现在四个方面:低速档的变速比增大可以提高车辆的起动性能;中速档分割范围变细可以改善换档平顺性,提高乘坐舒适性;高速档的变速比变小可以降低车辆的噪声油耗;变速多档化使发动机产生的驱动力分配更合理。 2.2 结构紧凑轻量化 整车小型轻量化主要包括车身,发动机,变速器和底盘等方面。AT小型
14、轻量化不但可以降低油耗,还可扩大此AT装车范围,扩展平台使用率,达到平台最大化,成本最小化的目的。主要有四方面: 第一:结构设计方面。广泛应用结构简单紧凑的Ravigneaux式复合行星轮系统。在AT的设过程中,通过线性和非线性的有限元分析,并与零部件疲劳寿命试验有效结合,使箱体厚度和部件的轴向及径向尺寸设计和构成更加趋于合理。 第二:材料应用方面。高强度铝合金材料的离合器支架,行星轮支架,轴承支架,空心支轴被逐渐采用。 第三:工艺加工方面。对负载大的零部件材料的微粒采用强力喷丸工艺、磷酸锰涂层、二硫化钼涂层等表面改质工艺和软氮化或碳氮共渗等热处理工艺。 第四:控制策略方面。在保证车辆起步和低
15、速行驶技术要求的同时,适当减小低速比时的发动机输出转矩,以降低零部件的设计载荷,促进了AT小型轻量化的设计。 2.3 大容量小型液力变矩器作为AT独有的部件,液力变矩器对车辆的动力传递和中断、燃料消耗以及平稳起步等具有至关重要的作用。近年来,液力变矩器的改进主要围绕其结构方面 第一:液力变矩器形状的优化:传统的变矩器一般采用圆形形状,泵轮与涡轮完全对称布置、导轮放在中央的形式。而新型液力变矩器采用扁圆形,在尽可能保证液体流速分布性能高效率的同时实现其小型化。 第二:液力变矩器扁圆率的优化:降低液力变矩器扁圆率可以有助于缩小变速器的尺寸,实现变速器的小型轻量化。 2.4改善低速区域的液力变矩器自
16、动闭锁技术液力变矩器自动闭锁技术始于上个世纪的70年代,尽管可以降低AT在高档速时的油耗,但是迫于高成本的原因只是应用于中高档车。但是和CVT一样,AT在低车速区域同样存在闭锁技术引起的油泵排油量减少和油压以及噪声和振动恶化的问题。同样存在近年来随着油耗问题的严峻,如何解决低速区域的液力变矩器自动闭锁技术成为AT的技术热点。研究表明改进发动机燃料喷射控制可以减少振动和噪声的产生;采用三通电磁阀,侧滑控制技术,采用节流阀可以调节油压控制从而防止闭锁油压下降。 3:DCT技术进展DCT开发一般分为三个部分,一:样机研制;二:产品化;三:投产。其中样机的开发主要用于台架测试和整车试验,包括装车性能、
17、可靠性、电磁兼容性试验研究尤其是双离合模块的动态特性。经过密封试验、台架性能标定、驻车系统试验、NVH试验、淋油试验、润滑试验、整车标定等一系列性能开发、台架寿命试验、台架标定和整车匹配标定之后,还要考虑样机的重量噪声和换档能力,密封和耐久性能测试。所有指标都满足要求之后,DCT方可以小批量生产,因此从实验室到批量生产需要大量时间和实验。干式DCT在燃油消耗方面具有很大优越性,但是“燃油经济性很好”却不适用于湿式DCT。湿式虽然传递转矩大,但是随之产生的磨耗也很严重。与干式DCT相比,湿式DCT除了具有大扭矩的优点和优秀的NVH外,还有经济性差和效率损耗不高的缺点,尤其是离合器片与片之间的阻力
18、损失。对此,DCT生产商在原六速湿式DCT的基本布局基础上,采取了以下措施:1:“加”采用一档单向离合器(OWC),防车轮打滑的装置。2:“减”去除一档同步器、拨叉和驱动器,减少电磁阀的数量。3:“省”按需供油,即只对工作的那个离合器进行供油冷却润滑;在温度允许范围内省去润滑油冷却器。4:“换”用带“电源组”的低压泵取代传统的离合器驱动装置和齿轮选择装置。相比改进前的液压泵,改进后的“电源组”低压泵的消耗功率下降730W。(如下左图)改进精密旋转阻尼器系统的重量、惯性和复杂性,也有利于发动机性能的提高。改进后,燃油经济性大幅度提高(如下中图)。此外,使用高能摩擦材料,可以降低对冷却的要求以及延
19、长寿命;改用链传动以便降低旋转部件的惯量和提高速比范围。研究表明,在去除零部件所节约的成本要大于所增加零部件的成本。加上该系统有望大幅提高燃油效率,该系统将会大大增强DCT的市场竞争力。5:“改” 改变离合器摩擦片的油槽以及油槽的式样,以降低冷却液流量,控制模块采用高精度的冷却流量控制,以减少控制模块的油的泄漏量,减小油泵的尺寸和流量。6:添加起停和辅助直接起动装置研究显示,DCT在二氧化碳排放量具有很大减排潜力。传统的DCT的二氧化碳排放量比AT下降大约10g/km;添加起停和辅助直接起动装置后的DCT,二氧化碳的排放量降低8g/km,达到146g/km;在此基础上采用按需驱动和动力损失减少
20、措施后,排放量则下降到134g/km;若采用最佳速率比,排放量则可降到129 g/km。与同类MT的144 g/km的排放量相比,则降幅非常显著。(如上右图)(三)国外市场现状篇 本篇将对世界和国内的自动变速器的市场发展进行分析,以及对各个OEM的研发方向进行汇总介绍,最后笔者给出了未来自动变速器发展的建议。1:世界自动变速器发展历史和趋势根据“2009 国际汽车自动变速器技术及中国市场发展研讨会”和“2010国际汽车自动变速器技术及中国产业化研讨会”公布的资料显示:截止2009年,全球范围内的自动变速器市场份额超过70%的地区和国家主要有日本,美国,韩国和澳大利亚,而东欧、西欧、中国、印度、
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