對(duì)自動(dòng)變速器中單向離合器引起的沖擊現(xiàn)象的分析

薛矯智

（廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510515）

0 引 言

自動(dòng)變速器使用單向離合器消除降擋沖擊，有助于提高自動(dòng)變速器的性能[1]。使用單向離合器以后，單向離合器結(jié)合時(shí)會(huì)引發(fā)一種傳動(dòng)沖擊，這種特有的沖擊現(xiàn)象對(duì)自動(dòng)變速器的影響不大，但給汽車傳動(dòng)系統(tǒng)帶來一定的沖擊。隨著現(xiàn)在轎車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷提高，由單向離合器引起的這種沖擊能量會(huì)加大，這時(shí)單向離合器引起的沖擊不可輕視。分析這種沖擊現(xiàn)象，了解其過程，可以采取某些措施減小這種沖擊。

1 自動(dòng)變速器使用單向離合器在降擋時(shí)會(huì)引起一種沖擊

自動(dòng)變速器中使用單向離合器，在降擋過程中單向離合器分離進(jìn)入超越狀態(tài)以后，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出中斷，在無負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速急劇上升，當(dāng)單向離合器結(jié)合接通動(dòng)力時(shí)，出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)傳動(dòng)系的沖擊。這種沖擊對(duì)傳動(dòng)系有一定的不利影響。

1.1 單向離合器消除降擋沖擊

自動(dòng)變速器降擋時(shí)，汽車的車速不能立刻改變，對(duì)于降擋后的傳動(dòng)比而言，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速低于此時(shí)汽車車速所要求的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，這樣就會(huì)出現(xiàn)汽車對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系的沖擊。布置在降擋后的傳動(dòng)路線上的單向離合器在降擋時(shí)起超越作用，使汽車慣性造成傳動(dòng)系的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力不能向前傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)，從而消除了汽車對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系的沖擊[1]。單向離合器超越時(shí)，動(dòng)力輸出中斷，發(fā)動(dòng)機(jī)空載無負(fù)荷，使得轉(zhuǎn)速迅速上升，達(dá)到傳動(dòng)比所要求的轉(zhuǎn)速時(shí)，單向離合器由超越變?yōu)榻Y(jié)合，恢復(fù)動(dòng)力輸出。

1.2 單向離合器在結(jié)合時(shí)會(huì)引起沖擊

降擋時(shí)，在單向離合器出現(xiàn)超越以后，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出是中斷狀態(tài)，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在無負(fù)荷的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速急劇上升，轉(zhuǎn)速上升到該傳動(dòng)比要求的轉(zhuǎn)速時(shí)，單向離合器由超越狀態(tài)變?yōu)榻Y(jié)合狀態(tài)。在單向離合器結(jié)合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在加速運(yùn)轉(zhuǎn)，有一定的角加速度，而汽車是近似于等速行駛，在動(dòng)力傳動(dòng)路線上，組成單向離合器的2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)元件從分離變?yōu)橐韵嗤乃俣冉Y(jié)合時(shí)，就有沖擊出現(xiàn)。沖擊能量的大小與單向離合器結(jié)合時(shí)的狀態(tài)以及相關(guān)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)。

1.3 沖擊能量N

J為發(fā)動(dòng)機(jī)到單向離合器的動(dòng)力傳遞系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ε為單向離合器由超越變?yōu)榻Y(jié)合時(shí)，單向離合器被超越件的角加速度，其與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的角加速度以及此時(shí)變速器的傳動(dòng)比有關(guān)。

2 降擋時(shí)單向離合器引起的沖擊分析

引入發(fā)動(dòng)機(jī)無負(fù)荷加速的概念，利用無負(fù)荷加速過程中曲軸的轉(zhuǎn)速、角加速度變化規(guī)律，從而理解降擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸角加速度的變化規(guī)律，并深入分析降擋時(shí)單向離合器引起的沖擊現(xiàn)象。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)無負(fù)荷加速過程的描述

發(fā)動(dòng)機(jī)在無負(fù)荷狀態(tài)下低速運(yùn)轉(zhuǎn)，突然加大節(jié)氣門時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速急劇上升的過程，就是發(fā)動(dòng)機(jī)無負(fù)荷加速過程。發(fā)動(dòng)機(jī)無負(fù)荷加速過程中，轉(zhuǎn)速、角加速度的變化過程如圖1所示。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)無負(fù)荷加速時(shí)曲軸的轉(zhuǎn)速與角加速度

角加速度ε具有突然增大然后不斷變小的變化規(guī)律，發(fā)動(dòng)機(jī)無負(fù)荷加速時(shí)，起始轉(zhuǎn)速低有利于ε急升，之后因?yàn)殡S轉(zhuǎn)速上升發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣阻力加大、燃燒條件變差等各種不利因素的影響，ε會(huì)在達(dá)到最大值以后不斷減小，并趨于0，如果發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)允許，曲軸轉(zhuǎn)速將達(dá)到最大值，之后曲軸轉(zhuǎn)速不再升高。

2.3 降擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的角加速度以及產(chǎn)生的沖擊

降擋時(shí)單向離合器分離動(dòng)力輸出中斷，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升，如同發(fā)動(dòng)機(jī)無負(fù)荷加速過程一樣。降擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為n1，n1較低，對(duì)于現(xiàn)在多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，在每2000n/min以下。降擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)由負(fù)荷狀態(tài)變?yōu)闊o負(fù)荷狀態(tài)，工況有利于角加速度急升，角加速度不斷上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到n2時(shí)，單向離合器結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)無負(fù)荷加速狀態(tài)結(jié)束。由于降擋過程出現(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)無負(fù)荷加速過程只是發(fā)動(dòng)機(jī)無負(fù)荷加速過程中的最初一段，在這一過程中，ε不斷上升，降擋后傳動(dòng)比i越大n2就越大，所產(chǎn)生的角加速度ε越大。n2與 n1的關(guān)系是 n2=i.n1，i為降擋后的傳動(dòng)比。通過n1和n2以及n1變化到n2的時(shí)間，可以計(jì)算出曲軸的平均角加速度，不過這個(gè)數(shù)值偏低。

2.4 單向離合器引起的沖擊分析

在降擋時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在無負(fù)荷的條件下急劇上升，上升到該傳動(dòng)比條件下的轉(zhuǎn)速時(shí)，單向離合器結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)在無負(fù)荷的條件下轉(zhuǎn)速上升過程結(jié)束。在這個(gè)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速處于較經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的角加速度處于不斷上升的過程。在單向離合器結(jié)合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，此刻的角加速度ε越大，產(chǎn)生的沖擊就越大。

如果在各個(gè)擋位降擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速都是一樣的，那么降擋前后傳動(dòng)比的比值越大，降擋后由單向離合器結(jié)束發(fā)動(dòng)機(jī)無負(fù)荷加速過程的轉(zhuǎn)速越高，也就是此時(shí)的角加速度ε越大，產(chǎn)生的沖擊也越大。降擋前后傳動(dòng)比的比值規(guī)律是低擋高于高擋，所以低擋時(shí)的沖擊較大。

汽車變速器的傳動(dòng)比不是等比設(shè)置，如果在降擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在各擋條件下都差不多，那么在低擋時(shí)，當(dāng)單向離合器結(jié)合時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，具有的角加速度ε較大，出現(xiàn)的沖擊大，因此在低擋位降擋時(shí)的沖擊能量N大于高擋位。

2.5 對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J的分析

單向離合器引起的沖擊，并不完全是剛性的瞬間沖擊。從渦輪到要結(jié)合的單向離合器之間的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引起的沖擊是剛性的瞬間沖擊，而從發(fā)動(dòng)機(jī)到泵輪間的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引起的沖擊，由于液力變矩器的作用，會(huì)使瞬間沖擊值下降較多，因而許多場(chǎng)合可以忽略使用單向離合器引起的這種沖擊現(xiàn)象。

雖然發(fā)動(dòng)機(jī)以及到單向離合器的轉(zhuǎn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，但能引起直接瞬間沖擊的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是較小的，從液力變矩器的渦輪到單向離合器間的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引起的沖擊占了瞬間沖擊量的較大分量。自動(dòng)變速器降擋時(shí)，由于液力變矩器的鎖止離合器分離，液力變矩器的緩沖作用使發(fā)動(dòng)機(jī)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引起的瞬間沖擊得到緩解，使總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量引起的瞬間沖擊值有較大的下降。

從渦輪到單向離合器的一系列轉(zhuǎn)動(dòng)件具有的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在單向離合器結(jié)合時(shí)所造成的沖擊無法緩解。這部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量造成的瞬間沖擊能量占總瞬間沖擊能量的比例過大時(shí)，降擋時(shí)出現(xiàn)的沖擊現(xiàn)象就越明顯。從目前自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)來看，這一部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不大。

3 消除自動(dòng)變速器使用單向離合器在降擋時(shí)的沖擊的方法

3.1 利用摩擦片打滑減小沖擊

如果降擋后的換擋執(zhí)行元件中單向離合器的工作狀態(tài)由制動(dòng)器或離合器的摩擦片控制，如辛氏變速器在Ⅱ擋時(shí)使用制動(dòng)器控制單向離合器的工作狀態(tài)，當(dāng)單向離合器出現(xiàn)超越以后，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速急升期，單向離合器進(jìn)行結(jié)合時(shí)，此時(shí)控制制動(dòng)器摩擦片有一定的打滑，也可以減輕單向離合器結(jié)合時(shí)產(chǎn)生的沖擊。

如果降擋后的換擋執(zhí)行元件中單向離合器的工作狀態(tài)沒有其他元件控制，如辛氏變速器的Ⅰ擋，可以利用降擋后的動(dòng)力傳動(dòng)路線上的其他摩擦片，使其在此時(shí)出現(xiàn)打滑，以減小沖擊。

這種控制方法的控制時(shí)機(jī)比較難掌握，現(xiàn)有的自動(dòng)變速器中一般不采用，但這種控制理念隨著自動(dòng)變速器技術(shù)的精細(xì)化將會(huì)得到采用。

3.2 推遲發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角減小沖擊

降擋后，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速急劇上升到一定程度，用推遲發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角的方法降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速急劇上升的角加速度，以減小單向離合器結(jié)合時(shí)產(chǎn)生的沖擊。這種控制可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速急劇上升的角加速度，但難以實(shí)現(xiàn)較恰當(dāng)?shù)目刂?，只能降低一定的角加速度值?/p>

4 自動(dòng)變速器使用單向離合器和使用摩擦片在降擋時(shí)的性能比較

降擋時(shí)，單向離合器產(chǎn)生超越，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于動(dòng)力輸出中斷狀態(tài)，這種狀態(tài)有利于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升，從而能盡快在新傳動(dòng)比條件下輸出動(dòng)力。在整個(gè)降擋過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力、汽車行駛動(dòng)能沒有損失，只有短暫的動(dòng)力中斷現(xiàn)象，這樣有利于保持汽車車速和良好的加速能力。

動(dòng)力傳動(dòng)路線上沒有單向離合器進(jìn)行降擋時(shí)，由于降擋后的傳動(dòng)比不適應(yīng)，由液力變矩器以及相應(yīng)傳動(dòng)路線上的摩擦片要消除這種不適應(yīng)（沖擊）。這種狀態(tài)下，實(shí)際上是汽車驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，是一個(gè)倒拖過程，這時(shí)汽車的行駛動(dòng)能出現(xiàn)損失，對(duì)于汽車在降擋過程中保持車速不利，有速度損失。這樣一個(gè)短暫的倒拖過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際上是動(dòng)力輸出中斷，直到倒拖過程結(jié)束動(dòng)力輸出才能恢復(fù)。雖然倒拖時(shí)動(dòng)力輸出中斷的時(shí)間短于使用單向離合器造成的動(dòng)力輸出中斷的時(shí)間，但由于造成了汽車動(dòng)能損失，降擋后的汽車速度會(huì)低于使用單向離合器降擋后的汽車速度，影響到了加速性，雖然影響會(huì)較小。

降擋時(shí)使用單向離合器，汽車原有的行駛動(dòng)能沒有損失，而使用摩擦片消除降擋沖擊，則會(huì)引起汽車動(dòng)能的損失。使用單向離合器不僅能消除降擋沖擊，也不會(huì)引起降擋時(shí)汽車的動(dòng)能損失，對(duì)于降擋時(shí)保持汽車的車速有利，還可以利用這個(gè)特點(diǎn)提高汽車的加速性能。

5 對(duì)自動(dòng)變速器使用單向離合器的評(píng)價(jià)

使用單向離合器，從驅(qū)動(dòng)輪傳來的轉(zhuǎn)速可以超越從發(fā)動(dòng)機(jī)傳來的轉(zhuǎn)速，從發(fā)動(dòng)機(jī)傳來的轉(zhuǎn)速不能超越從驅(qū)動(dòng)輪傳來的轉(zhuǎn)速。單向離合器的這種超越性能，增強(qiáng)了汽車動(dòng)力傳輸系統(tǒng)的性能，使汽車在一定條件下具有滑行能力，這不僅能消除降擋沖擊，也能消除行駛中車輪對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊，在行駛阻力突然下降，汽車出現(xiàn)滑行狀態(tài)下促成自動(dòng)變速器及時(shí)升擋。因此，在自動(dòng)變速器中使用單向離合器是提高自動(dòng)變速器性能的一個(gè)有效手段。降擋時(shí)擋越低降擋沖擊越大，當(dāng)自動(dòng)變速器的擋位較多時(shí)，在低擋的傳動(dòng)路線上都布置單向離合器，較高的擋位由于沖擊小不采用單向離合器消除降擋沖擊，這樣使自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)不至于太復(fù)雜。

[1]薛矯智. 單向離合器對(duì)自動(dòng)變速器性能影響[J]. 汽車工程師.2009，（10）：45-48.