汽车自动变速系统的能源效益及可靠性

2009年03月18日 08:03    虞美人
关键词: 可靠性 , 能源 , 汽车 , 系统 , 效益
  对于购买汽车的人来说,可靠性及燃油效益是仅次于价格的两项重要考量因素。毫无疑问,对于新车主而言,最可怕的事情莫过于汽车在途中熄火。此外,车主也期望汽车能尽量经久耐用。与此同时,由于目前全球燃油价格不断上升,以使车主更加关注燃油效率,并希望能尽量减低二氧化碳的排放量。

  汽车的动力传动系统包括有一个内燃机、一个多齿轮比变速器及车轮。发动机转矩及速度会因汽车所需的牵引动力而在变速器中进行转换。此外,汽车的变速器还可控制车轮的转动方向。

  变速器一般分为手动及自动变速两种。自动变速可自动控制磨擦单元、齿轮比的选择及换档。

  自动变速会采用液压油来达到润滑及冷冻的效果,液压油是一种非常特别的液体,可在任何恶劣的环境下运行。自动变速箱油(ATF)的主要功能为:

    *    把动力从发动机变矩器传送到动力传动装置;
    *    吸收由变矩器产生的热力并转移到汽车前端的冷冻装置;
    *    作为离合器磨擦的冷冻剂,它可吸收及散发由离合器或带啮合所产生的热能;
    *    通过一个复杂的液压控制系统把液体压力传送开去,该系统采用汽门、伺服机、泵、离合器总泵、液压管路及管道来进行控制;
    *    作为行星齿轮、轴承、伺服机、离合器和轴衬的润滑剂及冷冻剂。

  冷起动

  自动变速箱油于工作温度下(约90°C/195°F)的黏度一般都非常低。可是假如油温太低时(例如是0°C/30°F以下),其粘度便会大幅增加,导致产生非常高的曳力矩(drag torque)。结果,齿轮便难以啮合,原因是当中的同步器件一般都不能应付这般高的转矩力。假如齿轮不能啮合或换档,汽车便不能开动。基于这个原因, “冷起动”程序会因应油温而被激活,以确保至少有一个齿轮能够成功啮合。

  暖车过程

  当汽车开始行驶后,除非需要明显加速或拖拉笨重的物体(例如是拖车),否则液压油温只会慢慢地上升,而这也意味着曳力矩也会缓慢地上升。假如汽车长期处于高曳力矩的环境,同步器件便会超载并且受损。

  在齿轮箱加入一些损耗、将换档点移到较高的转速汽门及提高齿轮箱润滑油的质量,这些均可加快暖车的过程。由此,发动机、齿轮箱及催化剂便可更快地达到最佳的运作温度。变速器越快达到最优的工作温度,便可越快启动用于节省耗油量的齿轮换档程序。

  齿轮的换档组成部份是经由液压或电子起动汽门来控制,这些换档单元的起动会显著地受到温度的影响,原因是自动变速箱油的粘度会随着温度而显著地上升,因此温度可以影响施加压力的程度及时间特性。一旦自动变速箱油变热,其温度变化的幅度便会增大,因此当设定标准的换档油压时,必须考虑有关油温的问题。

  在高温下运行

  毫无疑问,自动变速箱油很容易受到温度的影响,但相比对低温的反应,其对高温的反应要大得多。自动变速的过程会产生很多的磨擦,而这些磨擦会产生很多热力。液体会不断在变矩器中搅动并且被泵过测流口(metering orifice)和液压电路。每当变速换档时,离合器组件会产生出超乎箱油所能带走的热力。变速器的负载越大,所产生的热力便越大,而箱油也会变得更热。

  一般的传统变速箱油温所能允许的最高温度为80到100°C或175到212°F,而特制的变速箱油温则可高达110到130℃或230到 265°F。然而,现如今先进的汽车的变速箱油温可能高达120到150℃或250到300°F,而对于重型货车例如是18轮的货运列车来说,假如在炎热天气下行驶,其油温甚至可高达160到170°C或320到340°F。如此高的油温会导致箱油及变速组件受损。

  变速箱油的工作寿命

  在高温的环境下,变速箱油的工作寿命会被缩短。一旦温度超出正常运作的水平(90°C/195°F以上),润滑油的氧化速度便会增加,导致其有效寿命被缩短。基于娒指定律,当温度超出正常运作温度12°C/20°F时,箱油的预期工作寿命便会减半。

  工作表面的磨损

  除上述的影响外,高温还会对变速器活动组件的工作表面构成威胁。原因是当温度越来越高时,从磨擦区被带走的热力便越少,因此齿轮被卡住的机会便会大增。当温度上升超过175°C/350°F时,钢铁的硬度便会下降。假如我们考虑到齿轮和离合器工作表面的温度通常都高于油温时,我们便可预期齿轮的硬度会随着油温度而下降,即使油温低于175°C/350°F。

  橡胶密封件及流通管道

  橡胶密封件及冷冻剂流通管道对高油温极其敏感。当橡胶密封件遇上高温时便会变硬和变得脆弱,导致其工作寿命和可靠性大幅度降低。当汽车不能安装金属制的冷冻剂管道时,便需采用由PA12塑料(酰胺12或尼龙12)制成的冷冻剂流通管道,该管道将转矩器流通输出端口与冷冻剂连接。在高温(超出 175°C/350°F)的环境下,塑胶制的冷冻管道可能会屈曲,以致箱油向上流并使冷冻剂失效。

  ECU过热

  电子控制单元(ECU)的工作是监视和控制自动变速系统的运作。在某些情况下,ECU会被放置于齿轮箱罩内以尽量利用齿轮箱的现有空间,这表示控制单元会与自动变速箱油长期保持直接接触。这种配置的优点包括可把连接ECU、传感器及起动器的接线尽量缩短;减少插头和连接器的数量;降低线路间的噪声及使换档的位置检测更加准确。

  假如变速器环境及冷冻剂的温度过高,汽车的动力和控制电子元件便不能正常地运作,以致其寿命缩短并出现损坏。因此,变速器系统必须对过热情况进行侦测甚至预测,并通过适当措施减少所产生的热力及/或改善过热的情况。对于一些极端的情况,系统必须更精确地测量温度并把敏感的电子元件关闭以防止控制电子被完全破坏。

  结论

  为了克服监察自动变速器温度的各项挑战,美国国家半导体特别对LM71进行优化,推出针对高温应用的LM71A1。

  LM71A1是一个具备有SPI接口的数字温度传感器,其宽阔的工作温度范围(-40°C 到 +175°C或

  -40 到350°F),使温度的监察能同时于冷起动及过热情况下进行。该器件现以裸片形式提供,并保证拥有更快的温度响应,从而对暖车过程有更佳的控制。然而,它的最大特点是可在高温(130 到 150°C或165 到 300°F)及高分辨率(0.03125°C/LSB)下达到极高的精确度,以确保能于极高温的环境下精确地感测温度。

  为了把箱油维持在正常的运作范围内,以及正确地控制汽门和换档时间及防止机件过快退化和损坏,精确的温度检测便不可或缺。如此,便可获得较高的燃油效益和提高系统的可靠性。LM71A1可帮助设计人员设计出针对变速器电子控制单元的高性能热管理系统。

  参考文献:

  [1] J Vidi . Energy Efficiency in Automatic Transmission Systems[R].www.national.com/vcm/NSC_Content/Files/en_US/Signalpath/national_sp_designer116.pdf

  [2] LM71A1 Data Sheet[DB].http://wwwd.national.com/DPBU/PLRF.nsf/List?OpenForm&Start=250

  [3] Electronically-controlled, adaptive automatic transmission system[R] .http://www.freepatentsonline.com/4875391.html

  [4] A Short Course on Automatic Transmissions[R].http://www.familycar.com/transmission.htm

  [5] J Vidi . Reliability in Automatic Transmission Systems[R]http://www.techonline.com/learning/techpaper/212700654
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