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源自F1的激情 - 马瑞利AMT自动变速技术

2009年2月21日星期六

今天人们对车辆燃油经济性的要求越来越高,对于新技术来说是提出了更高的挑战。柴油机与汽油机的效率和性能已经大大提高,而下一个具有发掘潜力的系统就是变速器了。近几年厂家提升传统手动、自动变速器效率的主要方法是增加档位,而欧洲的工程师们对于未来的前景更看好非传统变速器,以找到提高燃油经济性和降低CO2排放更简便的途径。

在20年前的1986年,电控机械式自动变速器AMT技术第一次应用在F1法拉利赛车上,促进了法拉利赛车性能的大步提升。从1992到2007年,使用马瑞利AMT的法拉利赛车总共15次赢得F1车队冠军,马瑞利AMT也伴随着法拉利等车队取得一次次辉煌成就。如今,F1赛场已经完全是AMT的天下,目前马瑞利是法拉利、雷诺和红牛等车队的供应商,几乎所有的F1赛车和豪华跑车都装载了AMT技术。而AMT技术也正在全球范围内从高水准、竞争性的赛车运动向标准化产品领域扩展。

马瑞利AMT技术全称为电控机械式自动变速器(Automated Mechanical Transmission),该技术是指在不改变原车变速箱主体结构的基础上,通过加装微电脑控制的电动装置取代原来由人工操作完成的换档动作,实现换档全过程的自动化。换档过程由电子液压阀门来控制,而驾驶人可以在手动和全自动2种换档模式中任选。

AMT的关键部件主要由传感器、电脑模块和执行器三部分组成。执行器是电液控制单元,其中包括了油泵、储油罐、电磁阀等部件组成。运作过程概括为以下步骤:1)控制模块通过读取传感器信号来确定当前车辆的工作状况。2)由换档杆的触点得到驾驶员(手动模式下)或模块计算(自动模式下)给出换档命令。3)模块读取换档命令后进行安全分析从而对命令进行后期处理。4)通过执行器的电液控制变速箱中的齿轮啮合。这样就完成了一整套换档工作。



AMT汽车驾驶简单,驾驶者只要踩油门,选速器系统会自动地选择换档的最佳时机,大大减化了驾驶的复杂性,还具有很低的动力损耗。像菲亚特、欧宝、 雪铁龙等品牌部分轿车上都安装了马瑞利的AMT。

AMT可节省燃料和减少排放,特别是二氧化碳的排放。这两个因素在雪铁龙C4上得到了很好的体现。在安装了马瑞利公司的AMT变速器后,装备1.6升Hdi发动机的新款C4车与装备手动变速器的同一款车相比可节省5%的燃油,并且二氧化碳的排放从每公里125克下降至每公里120克。 如果与装备自动变速器的车相比,燃油经济性和排放的改善可达10%。


由于AMT变速箱和MT变速箱齿轮机构相同,因此维护费用与手动档变速箱相同,且变速箱油也一样,所以使用成本远远低于采用液力变速器的AT变速箱,还有效延长了变速箱的使用寿命。AMT只是在MT手动变速箱上增加了电脑速选装置,因此购车成本也相对较便宜。对于大多数制造商来说,由现有的手动变速器到AMT不需要新的投资。装在箱体侧面的执行器对箱体尺度影响不大。

马瑞利公司在2006年推出的第三代AMT代表了手自一体化变速器的最新技术。新一代的AMT变速器在换档速度和平顺性方面均有明显改善。改进后的产品在性能上的提高可以用“迅猛”来形容,在同样的工况条件下,总换档时间从2001年的菲亚特Stilo Abarth 的630毫秒缩短到2006年的菲亚特Punto的280毫秒。


专家预测到2013年欧洲销售的汽车中AMT将占到13.3%,大约200万辆,将有更多的MT将被AMT代替,部分AT市场也会被AMT占据。生产AMT的厂家称可以提供很平顺和具有双离合器变速器所有优点的AMT,并且价格要低很多。目前国内的齿轮传动零部件制造技术比较成熟,而且AMT的开发和生产投资远比AT低,十分符合我国的国情。在国内市场上奇瑞QQ率先采用马瑞利公司的AMT变速器,今年还会有奇瑞(瑞虎、 A5、 A1)、天津一汽(威志、威乐、威姿)、哈飞路宝等AMT车型上市 。另外国内销售的宝马5系的电子选档变速器、奥迪R8的R-Tronic都属于AMT变速器,看来国内消费者将会亲密接触越来越多的AMT车型。

双离合器解析:从湿式到干式


随着配备LuK干式双离合器的7档DSG变速箱投入量产,DSG变速箱又迈入了一个新的台阶,而双离合器变速器DSG的双离合器从湿式到干式用了5年的时间

最新的7档DSG变速箱对未来汽车双离合器系统的发展有指导性的意义, 它带来了灵便、运动的同时还具有舒适的驾驶感受。自从大众汽车在2003年投入市场6档DSG双离合器自动变速器便开启了变速器的一个新时代,除了大众汽车在新技术上的大力投入外也与零部件商在新技术领域的大力拓展密不可分。站在大众第一代DSG背后的是博格华纳,在为大众DSG提供湿式双离合器,而站在第二代DSG背后的又会是谁?

在今年春天大众汽车发布了7档DSG变速箱,除了增加了一个档位外,与6档DSG最大的区别是采用了干式双离合器。这次又是哪家零部件商为大众提供了核心部件——干式双离合器?那就是总部位于德国巴登州Buehl的LuK公司,作为业界离合器和变速箱系统的专家,通过和大众汽车紧密合作,开发了这款最新的干式双离合器。它在燃油经济性方面与配备湿式双离合器的变速箱比更胜一筹,和传统的手动变速箱相比,节省油耗可达6%左右。

博格华纳生产的湿式双离合器

双离合器的诞生使换档时动力中断、乘客“点头”的现象成为了历史。作为DSG变速箱心脏的LuK干式双离合器工作原理很简单:LuK的双离合器由两个离合器组成。其中一个离合器和变速箱的奇数档输入轴相连:1档、3档、5档和7档;而另一个离合器则控制着偶数档位输入轴:2档、4档、6档及倒档。举例来说,当车辆在2档行驶时,3档已处于挂档状态(只是3档离合器没有啮合)。整个换档过程将因此可以快速、运动并且平顺地进行,不会出现扭矩中断的现象。换档通过电液操控机构完成,驾驶者几乎感觉不到瞬间换档和单个离合器的断开和闭合。

6档 DSG 的多片式双离合器是在冷却油槽中以“湿式”运行,而LuK的双离合器为干式结构。湿式双离合器的扭矩传递通过浸没在油中的湿式离合器摩擦片来实现,而干式的则通过离合器从动盘上的摩擦片来传递扭矩。由于节省了相关液力系统以及干式离合器本身所具有的传递扭矩的高效性,干式系统很大程度地提高了燃油经济性。同样是1.9 TDI(105 PS/ 77 kW)的发动机,配备7档DSG变速箱的要比6档湿式双离合器变速节省超过10%的燃油。

“干式”双离合器这一设计带来了许多好处,最主要的是使变速箱系统的效率得以显著提高。另外,新一代 DSG变速箱省去了吸滤器、油冷器以及变速箱壳体中的高压油管,与普通手动变速箱一样,变速箱油只用于变速箱齿轮和轴承的润滑和冷却。因而7档DSG变速箱油仅需要1.7升变速箱油,而6档 DSG变速箱则需要 6.5升。“干式”双离合器好处虽多,但在扭矩传输上受到了限制,新一代 DSG变速箱适用于所有最大扭矩小于 250 Nm 的“小型”发动机。

总体来讲,干式双离合器的外形尺寸比湿式双离合器稍大。这是由双离合器的布局和所选用的摩擦材料所决定的。由于7档DSG变速箱的干式双离合器的外形尺寸稍大,因此,其余部分就要设计得更为紧凑,以使它能够装备于 Polo级别的小型轿车上。

自2004年以来,LuK公司就和大众汽车在DSG减振零部件开发方面开始了紧密的合作,该款DSG技术变速箱里的扭振减振器——双质量飞轮也是LuK的产品。LuK的双离合器从2008年年初开始已被运往大众在德国Kassel的变速器工厂,位于Buehl的LuK工厂已为大批量生产做好了充分的准备(关于舍弗勒集团:总部位于德国的舍弗勒集团旗下拥有三大知名品牌:INA, LuK 和 FAG,是全球汽车行业和滚动轴承业领先的制造商)

关于DSG变速箱的一组数字

* 0.4升:同样装备122马力TSI发动机的Golf轿车,配备7档DSG

的车型比配备 6 档手动变速箱的车型每百公里油耗少0.4升

* 1.7升:7档DSG变速箱需要1.7升变速箱油

* 6.5 升:6档DSG变速箱需要6.5升变速箱油

* 6 款车型:目前大众汽车有6款车型可配备 7 档 DSG变速箱

* 70公斤:7档 DSG变速箱重70公斤

* 93公斤:6档 DSG变速箱重93公斤

* 105马力:目前匹配DSG变速箱“最小”的发动机功率为105马力

* 300马力:目前匹配DSG变速箱“最大”的发动机功率为300马力

* 140℃:6档DSG 变速箱机电控制模块工作环境(变速箱油) 最高温度为140℃

* 250Nm:7档DSG变速箱匹配的发动机的最大扭矩为250Nm

* 350Nm:6档DSG变速箱匹配的发动机的最大扭矩为350Nm

以上数据差异的最主要原因是采用了干式/湿式双离合器。

让呼吸更自由——电子气门

当前人们关心的问题是全球变暖,减少CO2排放是汽车厂商要面对的问题,而其问题的关键所在就是发动机技术。发动机是汽车的动力源泉,如何提高其动力、降低油耗和减少废气排放,是所有汽车制造商花费巨大精力研究的课题。今天一些汽车厂商已经推出了超越可变气门正时系统的进气机构,如宝马公司推出的Valvetronic电子气门。电子气门是宝马公司的一项革命性技术,它利用软件和硬件的组合来取代传统发动机进气系统的节气门结构,从而成为了一款没有节气门的发动机。

1992年,宝马推出了气门无级调节管理——Double-VANOS双凸轮轴可变气门正时系统,是应用在BMW M3上的世界首创技术。此控制系统的优点是可以根据发动机运行状态,通过凸轮轴精确的角度控制对进气门和排气门的气门正时进行无级调节,并且不受油门踏板位置和发动机转速的影响。在实际驾驶中,这意味着在发动机转速较低时可以提供充足的扭矩,而在高转速范围内则可达到最佳的功率。此外,Double-VANOS双凸轮轴可变气门正时系统可极大地减少未燃烧的残余气体,从而改进了发动机的怠速性能。

2001年,Valvetronic电子气门的推出使宝马动力单元的效率进一步提高到更高的水准。Valvetronic,从字面理解就是气门Valve加tronic电子控制,直接靠电子控制进气阀门开启的深度来控制进气量。

Valvetronic电子气门是具有可变进气门升程控制功能的气门驱动系统,发动机的进气完全由无级可变进气门升程控制,不再需要以往对于内燃式汽油发动机来讲必不可少的节气门。

那么取消节气门后如何控制进入气缸的空气量呢?BMW的工程师以人的呼吸来模拟发动机进气进行思考:当身体需要大量空气时,人会做比较深而长的呼吸,而当身体不需要太多空气时,人的做法不是把鼻子或嘴巴塞住来调节吸气,而只是很简单地做比较短而浅的呼吸。电子气门技术就是通过改变吸气过程的长短来改变进气量。

当踩踏油门时,信号以电子、数字方式传送给了发动机阀门上端的步进马达。步进马达接到信号后会作适度转动,经由一套额外加的轴、活塞顶上的摇臂、挺杆改变进气阀门开启的深度,驾驶人油门踩得大,进气阀门便开得深,油门踩得小,进气阀门便开得浅。

传统发动机都是利用控制节气门机构来改变进入气缸的空气流量,并通过监视空气流量来决定喷油量,驾车时踩油门其实就是在控制节气门的开度。这种控制方式由于存在"泵气损失"(Pumping loss),而造成很大的能量损失。电子气门发动机去除了节气门也就去除了"泵气损失",各种标准测试结果都显示,电子气门发动机可以比传统发动机节省10%以上的耗油量。另外,由于没有了节气门的阻碍,新鲜空气进入也更为顺畅,使燃烧更加充分,废气排放更少。这种进气门升程功能可以控制吸入发动机的空气量,将功率损失保持在极低的水平。

在行驶过程中,Valvetronic电子气门技术为宝马驾驶者们带来了更高的燃油经济性、更低的废气排放,以及更佳的响应和更高水准的运转平稳性。

电子气门技术的另一重要优点,是踩踏油门时发动机产生反应的时间加快。传统发动机以油门控制节气阀的方式,油门踩下节气阀打开,还要等待空气流入填满进气歧管之后,才会大量进入发动机气缸,产生所需要的动力。而电子气门发动机油门踩下时可直接控制加大进气阀门开启深度,大量空气立刻流入发动机气缸,产生所需要的动力。电子气门发动机进气阀门开启深度最浅0.25mm,最深可以到9.7mm,相差近40倍,然而从最浅变化到最深,电子气门整体机构所需要的反应时间大约只要0.3s。


在2007年3月日产也推出了可变气门升程VVEL(Variable Valve Event and Lift)和连续可变正时控制C-VTC (continuous valve timing control)系统。新开发的进气控制系统使发动机性能显著提升,首先安装VVEL技术的是英菲尼迪 G37跑车,接下来应用在Skyline 跑车和英菲尼迪FX35上的V6、V8发动机上。这一技术既提升了动力输出又使排放变得更加环保,燃油效率和发动机扭矩得到提升的同时CO2排放减少10%。

VVEL系统由偏心凸轮轴通过一个摇臂和2个连杆来传递驱动轴的转动到输出凸轮轴,一部直流电机来控制输出凸轮,于是实现了连续气门升程调整。VVEL的作动设计上和宝马的Valvetronic构造很类似,只是结构要简单些,都是以马达驱动控制轴与摇臂,使联动的凸轮轴达到气门开启的深浅变化,这样再结合调整范围大的C-VTC可变正时让凸轮作用角优化,发动机的进气效能可随时维持在理想状态。而VVEL并不像Valvetronic已取消节气门装置,原因是有节气门的存在可对进气正时变化做更精确的控制,使动力输出更加顺畅。

减少进气空气阻力提升扭矩,响应更好

一般发动机处于中低转速时,是由节气门微开来减少空气的吸入量,增加了吸气阻力。VVEL则是大开节气门而直接以气门升程控制进气量,因此没有进气时间的迟滞,甚至加速开始气门升程就增大以允许更密集的空气进入汽缸,使发动机反应性能大幅提高,也就是提升了加速响应。由于进气阻力的减小使进气更充分,从而发动机的燃油效率和扭矩都得到提升。

更好的燃油经济性

在低到中负荷时,系统控制进气门更早进气,增加了进气量,并使气流更好地填充燃烧室。在发动机在中低转速时进气门升起很低,以减少凸轮轴摩擦,提升燃油效率。

动力更强

在低转速时,进气门开启更短暂,防止混合气回窜,并提升扭矩。在高转速时,更高的进气门升起允许更多的空气进入,以输出更高的扭矩。

排放更清洁

当车辆启动时C-VTC可将门正正时调整至最佳化,当发动机处于凉车状态时,可快速提高排气端的废气温度,通过废气快速升温使催化转换器快速进入工作状态。当发动机运转在低转速时通过减少气门升程,使进气速率增加,提升了油气雾化效果,充分燃烧更加容易。这样减少了碳氢化合物HC的排放(HC主要是不完全燃烧造成的),同时CO2排放减少10%。

C-VTC和VVEL联合控制结果是显著提升了进气效率,更好地履行了环境和动力的平衡。依照日产的设计,VVEL在中低转速下运作能够发挥最大的效能。因此对于多气缸、或大排气量等经常以中低转速运转的发动机,VVEL将会是更佳的选择。

在去年底被授予了10佳发动机称号的日产VQ37VHR发动机是首先采用了VVEL技术,这款发动机源自英菲尼迪G35的VQ35HR,其中的V就代表了VVEL无限可变进气升程系统,和CVTCS连续可变吸气正时结合后,也造就出最佳的动能与燃烧效率。VQ37VHR发动机的最大输出为245kW/7000rpm和363Nm/5200rpm,在有VVEL的助阵下转速上限也设定至7600rpm。

根据日产的Green Program计划,2010年日产推出的汽油车型CO2排放水平可和柴油车达到相同的标准。因此未来日产的多气缸和大排气量的车款,将全面搭载VVEL及缸内直喷等发动机技术。

Valvetronic电子气门虽然省略了发动机的节气门可还有重量不轻且制造工艺复杂的凸轮轴配气机构,日产的VVEL无限可变气门升程进气系统也同样有着工艺复杂的凸轮轴配气机构,将来的进气系统能否再精简、进气效率更高?

Valeo公司给出了肯定的答案——e-Valve。未来的进气系统只留下了气门,打开和关闭气门不再由凸轮轴控制,而是电磁系统依靠曲轴的位置信号单独控制每一个气门。这种弹性气门控制系统的气门正时调节很像今天流行的可变气门正时系统,可以无限调整气门开启正时和气门打开的时间长短。它的一大优势是像日产的VVEL系统那样通过控制气门升程控制进气。对于发动机e-Valve系统不但可以按照驾驶者的需求来发挥发动机的最大效率,同时还提供其它的益处,如降低油耗、减少了NOx 、CO2和 HC排放,使废气再循环更加容易。在混合工况下Valeo的e-Valve技术可使汽车油耗和排放降低5%-20%。这种弹性气门控制系统还可以显著增加发动机低转速时的扭矩,提升驾驶舒适性。

e-Valve的操作原理是:每个气门由两个弹簧和两个磁体控制,两个反向的弹簧提供相互的作用力,一个负责打开气门,另一个则负责关闭气门。两个磁体抓住气门杆上的控制盘,下面的磁体负责打开气门,上面的磁体负责关闭气门。所有气门都由集合了带2/42V转换器和冷却系统的电子管理系统——气门控制单元控制。发动机再不需要节气门了,这可以减小或完全消除发动机在低转速运转时进气过程中的负压,也就降低了燃油消耗;同时,发动机的怠速运转可以变得更低了。e-Valve 系统给了发动机气门更广泛的表现空间,使低速扭矩更出色、发动机性能更好、降低排放。如想使大排量发动机在更经济的模式下运行时只要临时关闭相应汽缸的气门,就能实现发动机效率更高和油耗更低,操作也简单方便。

e-Valve系统的每个气门都有个执行器,通过磁体和弹簧控制气门。在气门开启时,气门被上部磁体释放,然后气门被上部弹簧的能量打开。下部磁体使气门保持打开在需要的时间长度,并完全压缩下部弹簧。利用相反的步骤关闭气门,气门被锁止在关闭位置,以减少磁体消耗的能量。在发动机低转速时气门的开关速度要快于凸轮轴控制,减少了进气时的进气损失;当发动机不工作时气门同样被保持在关闭的位置。不足之处是当气门到达上下点时会产生噪声,噪声取决于控制气门运动的速度。气门控制单元由发动机冷却系统来冷却,由标准的2V电源控制(通过变压器将42V转换为2V)。e-Valve不但提升了发动机的热效率,增加进气量以减少废气,而且由于没有了凸轮轴配气系统,还有效降低了发动机重量和体积,使动力单元更容易地与新的汽车设计元素相匹配,给汽车的发展带来了一系列的好处。

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