1.1 自动变速器的发展、应用和优点

1.1.1 自动变速器发展历程

汽车自动变速器是随着车辆技术及其相关技术的发展而产生的。纵观汽车自动变速器的发展历史，大体上可以分为四个阶段：自动变速前期、液力自动变速阶段、电控自动变速阶段和智能自动变速阶段，各阶段的技术应用情况如图1.1所示。

1.自动变速前期

最早在1904年出现了离合器和制动器等摩擦元件操纵变速的行星齿轮机构，该机构首先用于英国Wilson Picher汽车上。1907年福特车上大量使用行星齿轮变速器，它的出现实现了不切断动力进行的“动力换挡”，并避免了固定轴式变速器中的“同步问题”。而液力耦合器的出现为自动操纵的实现提供了可能，1938—1941年美国General Motors和Chrysler公司采用液力耦合器代替离合器，省去了驾驶时的离合器踏板操作。随后出现了液力自动变速器的前身，开始出现了车速和油门两个参数信号，进入用液压逻辑油路控制的液力自动变速时代。

2.液力自动变速阶段

液力自动变速阶段以1938年的通用Oldsmobile车上的Hydramatic开始，以液力自动变速器的普遍应用和迅速推广为特征。这个阶段的液力自动变速器由液力变矩器和行星齿轮变速器组成，控制系统是通过液压系统来实现的，控制信号的产生主要是通过反映油门开度大小的节气门阀和反映车速高低的速控阀来实现的，其控制系统是由若干个复杂的液压阀和油路构成的逻辑控制系统，按照设定的换挡规律，控制换挡执行机构的动作，从而实现自动换挡。代表性的产品有：丰田的A40系列自动变速器、通用的4T60E、EF、CHPE9等系列产品。但液压系统的控制精度较低，难以适用车辆行驶状况的变化，无法按使用者愿望实现精确的换挡品质控制。

3.电控自动变速阶段

1969年法国的雷诺R16TA轿车首先使用了电子控制自动变速器，与全液压自动变速器的区别在于自动换挡的控制系统是由电脑来实现的，但当时电子技术不成熟，应用范围较窄，到20世纪80年代末，电子控制逐步实用化，越来越多的自动变速器采用了电子控制。

自动变速器的控制系统包括电控和液控两部分。电控系统由电脑、各种传感器、电磁阀及控制电路等组成，它将控制换挡的参数（如车速和油门开度等）通过传感器转换为电信号输送给电脑，电脑通过处理将换挡的信号作用于换挡电磁阀，从而利用液压换挡执行机构实现自动换挡。由于电脑能存储和处理多种换挡规律。在改善换挡品质控制方面，有明显的优越性，并且与整车的其他控制系统兼容性好，最终可以实现车辆电子控制系统一体化。

4.智能自动变速阶段

随着车辆技术和自动变速技术的发展，人们不再满足于简单的功能实现，车辆自动变速技术即将进入智能化阶段，控制策略的不断改进成为车辆自动变速技术的特点。德国的宝马公司从1992年起，陆续推出用于四挡和五挡自动变速器的自适应控制系统，能够自动识别驾驶员的类型、环境条件和行驶状况，并对换挡规律做出适当调整。尼桑的E4N71B自动变速器，采用模糊推理对高速公路坡道进行识别，采取禁止升挡的措施消除循环换挡，三菱新型四挡自动变速器，将各种输入信息和驾驶员的换挡通过神经网络建立联系，利用神经网络的学习功能，使得车辆能够按照驾驶员意图自动换挡。

我国应用液力传动始于20世纪50年代，自行研制出了内燃机车和红旗CA770三排座高级轿车的液力传动系统，随后液力传动也获得了一定发展，此外，部分军用车辆上使用了液力自动变速器，但发展速度要落后于发达国家。

由于对自动变速器良好性能的逐渐认识，用户的需求量也越来越大，使国内汽车企业加快了自动变速器的发展步伐。并且在液力自动变速器的研究、生产、修理等方面都有了一定的基础。近年来发展速度较快，如1998年，一汽大众的新捷达王装备了AG4自动变速器， 1999年，神龙富康推出智能型AL4自动变速器，上海别克装备了4T65-E自动变速器，此外广州本田、天津夏利、重庆奥拓等也先后加入其中，尤其是上海帕萨特B5还装备了具有模糊控制功能的自动变速器。不仅轿车，深圳华海公司还为深圳市大型公共汽车改装了进口的艾里逊液压自动变速器。在国产车上选装自动变速器已成为必然之势。

1.1.2 自动变速器的优点

自动变速器的主要优点表现在以下几个方面。

1.驾驶性能优良

汽车驾驶性能的好坏，除了与汽车本身的结构有关外，还取决于正确的控制和操纵。自动变速器可以按照预先设定的最佳换挡规律自动变换挡位，让汽车在不同的运行条件下都能同时兼顾发动机的最低油耗和变速器的最高效率，因而特别适合于非职业驾驶。

2.自适应能力强

自动变速装置的挡位变换不但快而且平稳，提高了汽车的乘坐舒适性。通过液体传动或微电脑控制换挡，一方面能在一定范围内实现无级变速，大大减少了行驶过程中的换挡次数，另一方面可以消除或降低动力传动系统中的冲击和动载。试验结果表明，在坏路段行驶时，自动变速的车辆传动轴上，最大动载转矩的峰值只有手动变速器的20%～40%。原地起步时最大动载转矩的峰值只有手动变速的50%～70%，从而延长了发动机和传动系统零部件的使用寿命。

3.行车安全性高

在车辆行驶过程中，驾驶员必须根据道路、交通条件的变化，对车辆的行驶方向和速度进行调节。以城市大客车为例，平均每分钟换挡3～5次，而每次换挡有4～6个手脚协同动作。正是由于这种连续不断的频繁操作，使驾驶员的注意力被分散，而且易产生疲劳，造成交通事故增加。装用自动变速器的车辆，取消了离合器踏板，只要控制油门踏板，就能自动变速。从而改善了驾驶员的劳动强度，使行车事故率降低，平均车速提高。

4.废气排放少

手动换挡变速器由于经常换挡，需要切断动力，使发动机的转速变化较大，节气门开度变化急剧，非稳定工况强烈，从而导致排放中的污染物多。而自动变速器的应用，可使发动机经常处于经济转速区域内运转，也就是在较小污染排放的转速范围内工作，从而降低了排气污染。

5.经济性较好

自动变速器能自动适应行驶阻力的变化，选择最佳的换挡时刻，从而提高了汽车的动力性和经济性。通过实验可知，装备四挡自动变速器时，城市行驶的百公里油耗小于同车装备五挡手动机械变速器。

当然，与手动变速器相比，自动变速器结构复杂，零部件加工难度较大，生产成本较高，此外，变速器的维护和修理也较麻烦。

1.1.3 自动变速器的技术现状与发展趋势

1.自动变速器的技术现状

目前轿车自动变速器按控制原理可以分为3类：液力自动变速器、电子控制机械式自动变速器和机械无级自动变速器。

（1）液力自动变速器。液力自动变速器（Automatic Transmission，AT）的基本形式是以液力变矩器和行星齿轮变速器串联为特征，具有结构紧凑、传动平稳、换挡冲击小等特点。AT诞生于20世纪30年代，一直是汽车自动变速器产品中的主流结构，国内捷达“都市先锋”、富康988“领导者”等自动变速车采用的都是AT传动系统。

液力变矩器从根本上简化了操纵，它既具有离合器的功能，又使发动机与传动系统之间实现“柔性”连接，可以在一定的范围内实现无级变速，对外负载有良好的自动调节和适应性。除了可与行星齿轮变速器串联，传递全部发动机功率外，还可与行星齿轮变速器进行多种方式并联。实现内分流、外分流、混合分流等多相自动变速。

20世纪90年代以来，大量电子技术的应用，使液力自动变速器电控系统的结构和控制方法日臻完善，控制精度越来越高，控制范围日益扩大，正朝着综合控制和智能控制的方向发展。首先，在自动变速操纵系统上可以根据需要提供不同的控制模式，选择合理的换挡规律；控制系统具有自学习功能；增加了手动换挡模式等。其次，由于挡数的增多能使车辆具有更大的速比范围和更细密的挡间速比分配，可以改善汽车动力性、经济性和排放指标，降低高速巡航噪声，获得更加平稳的加速能力，减少换挡冲击，因此已有越来越多的轿车自动变速器挡数由四挡增加为五挡，如1999年德国ZF公司率先在世界上推出采用电液化集成技术的轿车六挡自动变速器6HP26。此外，为提高控制系统的可靠性和维护性，自动变速器电子控制系统的自诊断和容错技术也在快速发展，故障诊断系统正向着智能化和信息网络化的方向发展，将实现诸如故障信息、维修过程记录和结果等信息交换和共享。

（2）电子控制机械式自动变速器。电子控制机械式自动变速器（Automatic Mechanical Transmission，AMT）是一种由普通齿轮式机械变速器组成的有级式机械自动变速器。这种自动变速器主要有3个部分：自动离合器、齿轮式机械变速器和电子控制系统。

机械式变速器的自动控制研究始于20世纪70年代，像早期瑞典Scania的CAG系统、美国Eaton的SAMT系统均采用了机械变速器的半自动操纵方式，其实质是辅助换挡系统，即由电子控制系统实现换挡，而换挡时刻由驾驶员踩离合器踏板来确定，电子显示器可提示驾驶员何时为最佳的换挡时刻，但他们仍然不能取消离合器踏板，实现传动系的全自动操作。1984年日本ISUZU公司将名为NAVI-5的电控机械自动变速器投放市场，这是世界上第一种实用的全自动机械变速器。继日本之后，美国的Ford公司、Eaton公司，德国的ZF公司，意大利的Fiant公司相继实现了机械变速器的自动化。研究的重点是自动离合器、换挡控制和换挡策略。在日本采用扭矩反馈控制系统后，换挡同步控制已臻完美，但离合器的起步控制和换挡规律仍是困扰着AMT发展的难点，造成离合器磨损加剧、坡道和弯道意外换挡等不良现象。由于离合器的起步和换挡操作受到环境因素、车辆运行状态、驾驶者的意愿等多种因素影响，是一个复杂、多变、开放系统，传统控制理论和方法不能满足要求，人们开始采用模糊推理的智能方法进行离合器接合、换挡策略的模糊控制研究。

由于机械式自动变速器不仅保留了原手动变速器传动效率高、成本低的优点，而且还具有液力自动变速器自动换挡所带来的全部优点，AMT成为各国研究开发的热点，装车率不断上升。

（3）机械无级自动变速器。上述两种自动变速器都是有级或分段无级自动变速，机械无级传动（Continuously Variable Transmission，CVT），即常称的机械无级自动变速器，它克服了前面两种自动变速器固有的齿轮传动比不连续和零件数量过多的缺点，具有传动比连续、传递动力平稳、操纵方便等优点，真正实现了无级变速，早期的机械无级变速器是通过两个锥体改变接触半径而实现传动比连续变化，但由于接触部分挤压应力太高，难以进入实用化。后发展成为采用橡胶材料的带传动，又受传动带寿命的影响，无法满足汽车行驶的需要，德国的PIV公司从1956年起，开始研究链传动的CVT，德国大众等公司也曾在轿车上装用过这种变速器。到了20世纪80年代，出现了技术上的突破，橡胶带被由许多薄钢片穿成的钢带代替，使其与两个锥轮的槽在不同半径上“咬合”来改变速比。1987年，福特公司首次在市场上推出装有这种钢带的CVT，日本富士重工、菲亚特等公司也已批量投产。

从理论上说，CVT可以使发动机始终在其经济转速区域内运行，从而大幅度改善燃油经济性。但由于CVT是摩擦传动，与齿轮传动相比效率并不高，从目前的情况来看，节省燃油10%～20%是可能实现的。此外，CVT在加速时不需要切断动力，因此，装备CVT的汽车乘坐舒适，超车加速性能好。

2.自动变速器的发展趋势

随着控制技术的发展，人们对车辆性能的要求不断提高，自动变速系统的发展将朝着控制系统智能化和车辆电子一体化的方向发展。

（1）控制系统智能化。现在对车辆的主观评价越来越受重视，车辆对人的适应也是“智能车辆”的重要标志，所以自动变速器控制系统对驾驶员特征的识别、对其意图的适应是体现“人机工程”指标和人机协调优化的重要组成部分。

随着各种自动变速器使用中问题的出现和人们对车辆性能要求的不断提高，人们采用了各种新的检测、控制技术用于改善自动变速车辆的性能，在控制方法和策略中，越来越多地应用了模糊控制技术和神经网络技术，使得换挡控制系统对车辆负载状态、车辆使用参数和使用环境变化的适应更具智能化特征。

（2）车辆电子一体化。从最早20世纪60年代的电子点火系统到后来的电控燃油喷射系统、电控自动变速器、车辆巡航控制、电控制动防抱死系统、电控悬架等，车辆电子技术已有了极大的发展，将各个相对独立的车辆电子控制单元合为一体已成为一种趋势，如图1.2所示为车辆动力传动系统电子控制一体化趋势。有以下优点：

① 可以充分利用各部件对车辆的观测参数，使用尽量少的传感器。

② 采用CAN总线技术，实现汽车内部控制系统与各检测、执行机构间的数据通信，为车辆的轻量化提供可能。

③ 实现传动系联合控制，可以使系统获得更多的改善换挡品质的控制手段，并可以实现变油门的换挡规律，实现比自动变速器独立控制具有更优越的性能。