随着家庭汽车在中国越来越普及,国人也越来越懂车了,越来越认识到变速箱对一辆车的重要性。变速箱作为汽车三大件之一,承担着变速、变扭、分配发动机动力的功能,对汽车的动力性以及行驶质感影响极大。汽车上常用的变速箱大致可以分为手动(MT)、液力机械(AT)、无级(CVT)、双离合(DCT)这几种,大家经常会为哪款变速箱好而吵翻了天。今天老侯从变速箱档位切换过程的角度来给大家分析一下,究竟哪款变速箱更好。
首先我们来看看手动变速箱(MT)的换挡过程。手动变速箱是最简单的一种变速箱,它的主要结构就是两根轴,上面安装着两套不同齿数的齿轮。通过手动控制不同齿轮的啮合,来改变变速箱的传动比,实现档位的切换。比如一档是11齿的主动齿轮带动48齿的被动齿轮旋转,传动比是4.36;二档是16齿的主动齿轮带动41齿的被动齿轮旋转,传动比是2.56;以此类推,档位越高,主动齿轮越大,被动齿轮越小,传动比越小,一般五速变速箱五档是传动比等于1的直接挡,六速变速箱五档是传动比等于1的直接挡,六档是传动比小于1的超速档。
手动变速箱换挡过程最重要的是“同步”。换挡过程中有齿轮的强制脱离与啮合,而两个齿轮要啮合,转速就必须相等,这个使两个待啮合的齿轮转速相等的过程,就叫做“同步”。同步有两种方法,一种是踩踏油门踏板控制发动机转速,使主动齿轮与被动齿轮转速相等,但是这种方法需要驾驶员有极高的操作技巧,整个换挡过程中只有两个换挡点,很难把握;另一种方法是强制同步,就是使用同步器强制让待啮合的两个齿轮转速相等,这是现在绝大多数手动变速箱使用的方法。而同步器的技术与质量,就直接决定了换挡的手感与顺畅程度。比如大众的MQ200手动变速箱,采用了独特的同步环结构,待啮合的齿轮同步迅速,档位切换过程速度快且顺畅,吸入感强。
此外,手动变速箱在换挡过程中,还要踩下离合器踏板,断开发动机与变速箱的连接,让主动齿轮处于自由状态,更有利于齿轮的同步。在这个过程中离合器是处于半结合状态的,磨损量较大,所以离合器也要定期更换。在整个换挡过程中,由于齿轮的强制同步与啮合,必然伴随着机械磨损,所以手动变速箱是有一定使用寿命的。换挡过程中,由于变速箱传动比突变,所以油门踏板的踩踏深度、离合器的结合程度、车速这几个参数要协调配合,以适应发动机负荷的变化,需要较高的驾驶技术,劳动强度也大,在乘用车上使用得越来越少了。
AT变速箱全名是“液力机械变速箱”,它的主要结构大致可以分成三部分:液力变矩器、行星齿轮变速机构、液压控制机构。现在的AT变速箱基本都是电控的,用电子系统来控制液压控制机构,所以又叫做“电控液力机械变速箱”。
液力变矩器负责把发动机的动力传递给行星齿轮变速机构,液压控制机构通过控制离合器、制动器的结合与分离,可以改变行星齿轮变速机构的传动比。一个行星齿轮组是由太阳轮、行星齿轮、齿圈三部分组成的,每个部分都连接一个离合器或者制动器。我们将其中任意一个作为主动轮,然后再固定一个齿轮,就可以从另一个齿轮上输出动力。在理论上一个行星齿轮组可以组成六种不同的动力传递方式,有六个传动比。我们将几个行星齿轮组组合起来,就可以组成适合汽车使用的变速箱。比如一个普通的六速AT变速箱,里面有三个或者四个行星齿轮组。
AT变速箱的换挡过程,其实就是这些行星齿轮组排列组合的过程。变速箱电控单元根据车速、发动机负荷等参数,计算出变速箱应该挂入的档位,然后发出控制信号给变速箱机电单元,变速箱机电单元中的电磁阀切断或者接通相应的油路,控制相应行星齿轮组上的离合器、制动器的结合与分离,就可以组成不同的传动比,实现档位的切换。
比如第一个行星齿轮太阳轮输入动力,行星齿轮固定,齿圈输出动力到第二个行星齿轮组,传动比为8.1:1;第二个行星齿轮行星架为输入,齿圈固定,太阳轮输出动力到第三个行星齿轮组,传动比为1:2.6;第三个行星齿轮齿圈和行星架都固定,太阳轮输出动力,传动比为1。这样总的传动比就是
(8.1:1)×(1:2.6)×1=3.1
即这个档位的传动比是3.1:1。
同样的道理,液压控制机构如果改变了行星齿轮的输入与输出齿轮,传动比就随之改变。多个行星齿轮组排列组合,就可以组合出很多种不同的传动比。我们选取其中有意义的部分,就组成了多档位的AT变速箱。有趣的是:现在有些多档位AT变速箱,其实并不需要增加机械部分的零部件,只要改变控制逻辑,就可以增加档位数量。
在AT变速箱的换挡过程中,没有任何机械齿轮的啮合与脱离,只有液压控制机构在动作,所以档位的切换过程是非常柔和、平顺的。在档位切换完成后,为了提高传动效率,会在液力变矩器中使用锁止离合器,将发动机与变速箱完全锁止,二者成一个整体对外输出动力,此时的变速箱就是一个刚性齿轮传力机构。需要切换档位时,锁止离合器分离,液力变矩器会吸收变速箱与发动机负荷突变引发的冲击与振动,降低换挡冲击,实现档位平顺切换。
CVT变速箱的基本结构与AT变速箱类似,只是将行星齿轮换挡机构换成了钢带与锥轮。控制逻辑也类似,变速箱电控单元根据车速、发动机负荷等参数,计算出变速箱的传动比,然后发出控制信号给变速箱机电单元,变速箱机电单元中的电磁阀控制相应油路的通断,控制主动锥轮与被动锥轮的直径大小,就可以改变传动比,实现档位的变化。
在理论上,CVT变速箱可以有无限多个传动比,钢带可以在锥轮上任意位置停留传递动力。但是在实践中,为了降低控制逻辑的复杂度,通常是选取几个固定的传动比,让钢带在这些位置停留。比如常见的模拟十速CVT变速箱,就是在锥轮上选取十个点,再根据车速以及发动机负荷等参数,让钢带在这十个点中的某一个位置上停留传递动力。只不过在钢带改变位置的过程中(比如从1点到2点),传动比是连续变化的,不会出现突变。所以CVT变速箱换挡过程是极为平顺的。
最后再来说说双离合变速箱的档位切换过程。双离合变速箱在结构上与手动变速箱类似,其内部齿轮的啮合过程与手动变速箱基本也是一致的。只是双离合变速箱把离合器与变速箱组合在一起了,同时离合器的分离与结合、变速箱内部齿轮的脱离与啮合,都由电控系统来完成,不需要人工控制了。
双离合变速箱可以看做是两个手动变速箱串联组合在一起的。使用两组离合器,分别带动两组齿轮运转。当一组齿轮传递动力时,另一组齿轮已经挂入相应的档位待命了,换挡过程事实上只是离合器的分离与结合,所以换挡速度才非常快。而在换挡过程中为了不中断动力输出,会有短暂的两个离合器同时结合的情况。此时两个离合器都处于半离合打滑状态,二者的转速比称为“滑移率”。
双离合变速箱的控制逻辑是不太好编制的,离合器片磨损会导致间隙经常变化,顿挫与异响是最大的问题。特别是低速行驶时,由于频繁在低速挡之间切换,离合器长期处于半离合状态,离合器的热量无法及时散发出去,会导致离合器烧蚀,进而导致换挡顿挫、抖动等。而中高速行驶时,发动机与变速箱刚性连接,传动效率非常高,并且动力传递直接,性能是非常好的。
最后总结一下,手动变速箱换挡过程完全由人工控制,伴随有机械磨损;AT和CVT变速箱换挡过程事实上是液压控制机构的动作,没有机械连接的变化,几乎没有机械磨损;双离合变速箱换挡过程与手动变速箱类似,只是由手动变成了电控。小伙伴们,你认为哪一种变速箱最好、最适合家用呢?欢迎大家在评论区留意讨论。
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