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1、第四章第四章 汽车底盘节能技术汽车底盘节能技术 汽车传动系与发动机匹配 自动变速器 超越离合器 制动能量的回收 第一节第一节 汽车传动系与发动机匹配汽车传动系与发动机匹配一、传动系匹配节能一、传动系匹配节能 传动系的最小传动比应保证汽车能在平直良好路面上克传动系的最小传动比应保证汽车能在平直良好路面上克服滚动阻力和空气阻力并以相应的最高车速行驶，而传动系服滚动阻力和空气阻力并以相应的最高车速行驶，而传动系的最大传动比应保证汽车能克服最大行驶阻力并具有适当大的最大传动比应保证汽车能克服最大行驶阻力并具有适当大小的最低车速。小的最低车速。在汽车设计过程中，当发动机性能和汽车的常用行驶工在汽车设计过
2、程中，当发动机性能和汽车的常用行驶工况确定后，合理选择传动比，进行传动系与发动机的匹配优况确定后，合理选择传动比，进行传动系与发动机的匹配优化，可使汽车的使用性能最大限度地发挥出来，从而改善燃化，可使汽车的使用性能最大限度地发挥出来，从而改善燃油经济性。油经济性。AB线为发动机万有特性的最佳燃油消耗曲线，R区为发动机的常用工作区，显然R区距AB线越近，发动机燃料经济性越好。当车速一定时，发动机转速可以在等功率线P上任一点工作。因此可以通过减小或，使发动机在较低转速下工作，也即使发动机万有特性上的工作点沿着该油门开度下的等功率从线由下向上、由右向左移动，实现节油。图4-1 发动机与传动系匹配示意
3、图二、传动系参数的合理匹配二、传动系参数的合理匹配 1合理选择变速器参数 汽车性能对于传动比有以下主要要求：最大传动比（最低档速比）应能保证实现给定的最大爬坡度和正常行驶中在最大爬坡度条件顺利起步；最小传动比（最高档速比）应能达到设计要求的最高车速；应使汽车能顺利而迅速地加速，具有较好的坡道行驶性能以及保证汽车在常用工况下的行驶经济性。同时，在最高档与最低档之间，应有适当数量的中间档以及传动比的合理分配。变速器的传动比范围、档位数以及速比间隔等参数与汽车的动力性、经济性有着密切的关系。1）速比范围与档位数 最低档速比与最高档速比之比（即速比范围）的扩大可以明显地改善汽车的燃油经济性和动力性。就
4、动力性而言，档位数多，增加了发动机发挥最大功率附近高功率的机会，提高了汽车的加速与爬坡能力。就燃油经济性而言，档位数多，增加了发动机在低燃油消耗率区工作的可能性，降低了油耗。所以增加档位数会改善汽车的动力性和燃油经济性。2）速比间隔 档位数多少影响到档与档之间的传动比比值，即速比间隔。速比间隔过大，会造成换档困难。一般认为速比间隔不宜大于。变速器各档速比确定一般有两种方法，即等比级数分配或渐进式速比分配。等比级数分配速比的优点:使发动机总在同一转速范围内工作，因而可以从动力性和经济性角度选定最佳转速范围。但实际上换档不可能在瞬间完成，换档必然带来车速降低，由于空气阻力影响高速区域换档车速降低量
5、远大于低速区域。因此，较高档间速比的比值应小于较低档间速比比值，才能保持发动机工作的转速范围不变。现代轿车使用车速范围大，多采用渐进式速比分配。图4-2 等比分配速比的特性场图4-3 渐进式速比分配的特性场2合理选择驱动桥的参数 选择驱动桥参数，主要就是确定主减速器传动比。燃油经济性加速时间曲线表明，值较大时，加速时间较短但燃油经济性下降；值较小时，加速时间延长但燃油经济性改善。若选定26作为主减速器传动比，则能兼顾汽车的燃油经济性与动力性。图4-4 燃油经济性-加速时间曲线3变速器与主减速器传动比的匹配节能 图4-5 装用不同变速器时的燃油经济性-加速时间曲线第二节第二节 自动变速器自动变速
6、器 一、自动变速器概述一、自动变速器概述 自动变速器自动变速器液力自动变液力自动变速器速器(AT)机械无级变机械无级变速器速器(CVT)电控机械式自动电控机械式自动变速器变速器(AMT)可实现传动比连续改变，可实现传动比连续改变，从而得到传动系与发动机从而得到传动系与发动机工况的最佳匹配，提高整工况的最佳匹配，提高整车的燃油经济性和动力性。车的燃油经济性和动力性。同时，可减缓了汽车变速同时，可减缓了汽车变速过程中的换档冲击。过程中的换档冲击。消除了离合器操作和频消除了离合器操作和频繁换档，驾驶操作简便繁换档，驾驶操作简便省力。能缓和冲击，使省力。能缓和冲击，使档位变换不但快而且平档位变换不但快
7、而且平稳，提高了汽车的乘坐稳，提高了汽车的乘坐舒适性。但效率较低。舒适性。但效率较低。由于原有的机械传由于原有的机械传动结构基本不变，动结构基本不变，所以齿转传动固有所以齿转传动固有的传动效率高、的传动效率高、机机构紧凑、工作可靠构紧凑、工作可靠 由于液力传动存在着液力损失，与机械传动相比其效率较低，最高效率也只有，因而在正常行驶时油耗较高，经济性差。但通过与发动机的匹配优化、采用综合式液力变矩器、锁止式液力变矩器、增加档位数等措施，可使液力自动变速器接近机械变速器的效率水平。公司、车型变速器等速油耗/L（100km）-1城市油耗/L（100km）-1V=90km/hV=120km/hRENA
8、ULT30TS（法国）5MT3AT8.59.111.612.117.316.3AUDI100GL5E（德国）5MT3AT6.48.38.310.513.313.2BMW728i（德国）5MT3AT8.19.610.412.117.817.4BENZ-280SE（德国）4MT4AT9.19.411.311.717.416.8二、综合式液力变矩器二、综合式液力变矩器 综合式液力变矩器和普通液力变矩器的结构基本相同，仍由泵轮、涡轮和导轮组成。不同之处在于它的导轮不是完全固定不动的，而是通过单向离合器支承在固定于变速器壳体的导轮固定套上。单向离合器对导轮有单向锁止作用，使导轮只能朝顺时针方向旋转(从发
9、动机前面看)，但不能朝逆时针方向旋转。图4-6 导轮工作过程示意图 液力变矩器效率特性曲线 与液力偶合器效率特性曲线 相交，此时变矩系数K=1。在传动比 （变矩系数K=1时的传动比）范围内，变矩器的效率高于偶合器，当 ，变矩器效率迅速下降，而偶合器的效率却继续增高。综合式液力变矩器即在低速时按变矩器特性工作，而当传动比达到 时，转为按偶合器特性工作，从而扩大了高效率的范围，其效率特性曲线如图上实线所示。图4-7 综合式液力变矩器特性三、锁止式液力变矩器三、锁止式液力变矩器 锁止式液力变矩器是在液力变矩器的泵轮与涡轮之间安装的一个可控制的锁止离合器。当汽车的行驶工况达到设定目标时，锁止离合器自动
10、将泵轮与涡轮锁成一体液力变矩器随之变为刚性机械传动，从而提高了传动效率。1液力变矩器的锁止方式 目前，液力变矩器的锁止方式主要有液压锁止、离心锁止、粘性锁止等方式，其中，液压锁止为主要的锁止方式。图4-8 锁止离合器工作原理示意图1-锁止离合器压盘；2-涡轮；3-变矩器壳；4-导轮；5-泵轮；6-变矩器输出轴；A-变矩器出油道；B、C-锁止离合器控制油道2液力变矩器的锁止控制 锁止控制实质上就是确定在何点进行液力档与机械档之间的转换，即确定最佳锁止点。锁止点的选择应根据实际情况来决定，有在偶合器工况点，也有在对应最高效率点，或者设在它们中间。为了实现所要求的锁止控制，一般可采用单参数控制和和双
11、参数控制两种方案。单参数控制包括以涡轮转速、车速和档位为参数进行控制。双参数控制，包括以泵轮和涡轮转速为参数的控制方式、涡轮转速和节气门开度为参数的控制方式以及车速和节气门为参数的控制方式。3液力变矩器的滑差控制 通过调节驱动离合器动作的油压，可以实现锁止离合器的完全分离、完全锁止和各种锁止程度的滑差控制。由于存在离合器的滑转，一部分动力经液力传递，另一部分经锁止离合器机械传递，不仅能提高传动效率，减小了振动与冲击，并且低速时可以避免紧急制动造成的发动机熄火。液力变矩器滑差控制的控制策略如下：在低发动机转速下，完全不考虑锁止，以隔离发动机低速时较大的转矩波动向变速器传递。在发动机中高转速小负荷
12、时，转矩波动较小，这时液力变矩器完全锁止，以提高传动效率。在发动机中高转速大负荷时，转矩波动较大，保持锁止离合器一定的滑转。四、机械无级变速器（四、机械无级变速器（CVT）无级变速，可使发动机经常处在最有效的工作点下运转。图4-9 多档变速器与无级变速器的区别1无级变速器的特点经济性好：无级变速器可以在相当宽的范围内实现无级变速，从而获得传动系与发动机工况的最佳匹配，提高整车的燃油经济性。动力性好：由于无级变速器的无级变速特性，能够获得后备功率最大的传动比，所以无级变速器的动力性能明显优于机械变速器和液力自动变速器。排放低：无级变速器的速比工作范围宽，能够使发动机以最佳工况工作，从而改善了燃烧
13、过程，降低了废气的排放量。成本较液力自动变速器低：无级变速器结构简单，零部件数目比液力自动变速器少。2机械无级变速器的结构及工作原理图4-10 金属带式无级变速器结构示意图1发动机飞轮；2离合器；3主动工作轮液压控制缸；4主动工作轮可动部分；4(a)主动工作轮固定部分；5液压泵；6从动轮液压控制缸；7从动工作轮可动部分；7(a)从动工作轮固定部分；8中间减速器；9主减速器与差速器；10金属带图4-11金属带无级变速器的工作原理 牵引环式的无级变速器主要由输入盘、输出盘及传动滚轮三个主要元件构成。输入盘和输出盘是同轴线的，分别连接变速器的输入端和输出端，通过传动滚轮与输入盘和输出盘之间的接触（其
14、间存在油膜）来传递动力。改变传动滚轮转动轴线与输入、输出盘转动轴线间的夹角，就可以分别改变传动滚轮与输入盘和输出盘接触的作用半径，从而改变其传动比。图4-12牵引环式无级变速器3机械无级变速器的应用1）CVT与液力偶合器组成无级变速传动图4-13 CVT与液力偶合器组成的无级变速传动1发动机；2液力偶合器；3固定工作轮；4、9可动工作轮；5、10伺服缸；6行星齿轮变速机构；7速度传感器；8传动带；11主减速器2）CVT与电磁离合器组成无级传动图4-14 CVT与电磁离合器组成的无级变速传动1电磁离合器；2工作带；3CVT；4行星齿轮变速器主减速及差速齿轮装置减速器3）双状态无级传动图4-15双
15、状态无级变速传动示意图1发动机；2扭转减振器；3变矩器；4转换离合器；5工作轮；6、9内、外侧万向节；7单向轮；8差速器；10传动链R倒档离合器 F前进档离合器第三节第三节 超越离合器超越离合器变换速度：在运动链不脱开的情况下，可以使从动件获得快慢两种速度。防止逆转：单向超越离合器在一个转动方向传递转矩，而在相反方向转矩作用下则空转（如综合式液力变矩器中用于锁止或解除锁止导轮的单向离合器）。间歇运动：通过双向超越离台器和单向超越离合器的适当组合，可以实现从动部分作某种规律的间歇运动。超越离台器是一种靠主、从动部分的相对运超越离台器是一种靠主、从动部分的相对运动速度变化或回转方向的变换能自动接合
16、或脱开动速度变化或回转方向的变换能自动接合或脱开的离合器。超越离合器的用途主要有三个：的离合器。超越离合器的用途主要有三个：一、超越离合器概述一、超越离合器概述 汽车以一定车速行驶，当解除了发动机的驱动后，汽车以一定车速行驶，当解除了发动机的驱动后，汽车在惯性作用下继续行驶，称为滑行。汽车滑行时，汽车在惯性作用下继续行驶，称为滑行。汽车滑行时，发动机怠速运转或不运转，只需消耗少量燃油或不耗油发动机怠速运转或不运转，只需消耗少量燃油或不耗油。因此，滑行是有效的节油操作方法，得到了广泛的应。因此，滑行是有效的节油操作方法，得到了广泛的应用。用。滑行主要有两种：一种是经常性加速滑行；另一种滑行主要有
17、两种：一种是经常性加速滑行；另一种是非经常性的加速滑行。是非经常性的加速滑行。汽车滑行时的操作有不熄火滑行、熄火滑行和踩离汽车滑行时的操作有不熄火滑行、熄火滑行和踩离合器滑行三种。合器滑行三种。在汽车传动装置中应用超越离合器，不仅能够实现在汽车传动装置中应用超越离合器，不仅能够实现滑行节能的目的，而且可以减少换档操作，降低驾驶员滑行节能的目的，而且可以减少换档操作，降低驾驶员的劳动强度。的劳动强度。二、超越离合器的结构及工作原理二、超越离合器的结构及工作原理 单向超越离合器有多种型式，常用的有滚柱单向超越离合器有多种型式，常用的有滚柱式和楔块式两种。式和楔块式两种。1滚柱式超越离合器滚柱式超越
18、离合器图4-16滚柱式超越离合器结构示意图a）开始啮合 b）脱离啮合 c）楔形槽开在外座圈上的滚柱式超越离合器1棘轮；2外套；3滚柱保持架；4滚柱；5柱塞；6柱塞弹簧2楔块式超越离合器图4-17楔块式超越离合器结构示意图1外环；2内环；3楔块三、超越离合器的应用三、超越离合器的应用1超越离合器装在超越离合器装在变速器中速器中图4-18超越离合器安装在变速器中的结构示意图1中间轴；2中间轴常啮齿；3锁止接合齿；4超越离合器；5五档常啮齿；6第二轴五档常啮齿；7第二轴；8输入轴；9指示灯；10控制气缸；11气源；12输出轴2超越离合器装在驱动桥末端 图4-19超越滑行半轴离合器结构示意图1前进棘爪
19、；2倒车棘爪；3半轴；4壳体；5轴承；6调速销；7端盖；8调速齿轮；9齿扇；10调整垫片3应用超越离合器的特点 操作简便：装用超越离合器后，完成一次滑行，驾驶员只须松、踏加速踏板两个动作，大大减轻了驾驶员的疲劳。节省燃料：应用超越离合器后，一脚踩加速踏板即可上档加速，免去了空踩加速踏板。由于操作简便可把车速控制在经济车速范围内，也可频繁滑行节油。保证安全：使驾驶员减少动作，比较轻松地处理各种复杂情况，从而有利于安全行车。减少机件磨损：可减少滑动摩擦 与冲击磨损。第四节第四节 制动能量的回收制动能量的回收 制动能量回收的含义：是指汽车减速或制动时，将其中一部分机械能(动能)转化为其他形式的能量进
20、行回收，并加以再利用的技术。优点：有助于提高汽车能源利用率、减少燃料消耗，减轻制动器的热负荷，减少磨损，提高汽车行驶安全性和使用经济性。原理:先将汽车制动或减速时的一部分机械能（动能）经再生系统转换（或转移）为其他形式的能量（旋转动能、液压能、化学能等），并储存在储能器中，同时产生一定的负荷阻力使汽车减速制动；当汽车再次起动或加速时，再生系统又将储存在储能器中的能量再转换为汽车行驶所需的动能（驱动力）。一、制动能量回收方法一、制动能量回收方法 根据不同的储能机理，汽车制动能量回收的方根据不同的储能机理，汽车制动能量回收的方法有飞轮储能、液压储能和电化学储能。法有飞轮储能、液压储能和电化学储能。
21、1飞轮储能飞轮储能 飞轮储能是利用高速旋转的飞轮来存储和释放能量。飞轮储能是利用高速旋转的飞轮来存储和释放能量。工作原理：当车辆制动或减速时，先将车辆在制动或减工作原理：当车辆制动或减速时，先将车辆在制动或减速过程中的动能转换为飞轮高速旋转的动能；当车辆再次速过程中的动能转换为飞轮高速旋转的动能；当车辆再次起动或加速时，高速旋转的飞轮又将存储的动能通过传动起动或加速时，高速旋转的飞轮又将存储的动能通过传动装置转化为车辆行驶的驱动力。装置转化为车辆行驶的驱动力。图4-20飞轮储能式制动能量回收系统原理图图4-21飞轮储能式制动能量回收系统示意图2液压储能液压储能 工作原理：先将车辆在制动或减速过
22、程中的动工作原理：先将车辆在制动或减速过程中的动能转换成液压能，并将液压能储藏在液压蓄能器中；能转换成液压能，并将液压能储藏在液压蓄能器中；当车辆再次起动或加速时，储能系统又将蓄能器中当车辆再次起动或加速时，储能系统又将蓄能器中的液压能以机械能的形式反作用于车辆，以增加车的液压能以机械能的形式反作用于车辆，以增加车辆的驱动力。辆的驱动力。图4-22 液压储能式制动能量回收系统原理图图4-23 液压储能式制动能量回收系统示意图3电化学储能电化学储能 工作原理：首先将车辆在制动或减速过程中的动能，通过工作原理：首先将车辆在制动或减速过程中的动能，通过发电机转化为电能并以化学能的形式存储在储能器中；
23、当车辆发电机转化为电能并以化学能的形式存储在储能器中；当车辆需要起动或加速时，再将存储器中的化学能通过电动机转化为需要起动或加速时，再将存储器中的化学能通过电动机转化为车辆行驶的动能。储能器可采用蓄电池或超级电容，由发电机车辆行驶的动能。储能器可采用蓄电池或超级电容，由发电机/电动机实现机械能和电能之间的转化。系统还包括一个控制单电动机实现机械能和电能之间的转化。系统还包括一个控制单元元(ECU)，用来控制蓄电池或超级电容的充放电状态，并保证，用来控制蓄电池或超级电容的充放电状态，并保证蓄电池的剩余电量在规定的范围内。蓄电池的剩余电量在规定的范围内。图4-24 电化学储能式制动能量回收系统原理
24、图图4-25电化学储能式制动能量回收系统示意图4各种能量存储方法的比较飞轮储能飞轮储能 液压储能液压储能 电化学储能电化学储能 简单易行、造价较低、但重量和体积大，储简单易行、造价较低、但重量和体积大，储能时效性差，适用起功、制动频繁的大型汽能时效性差，适用起功、制动频繁的大型汽车。车。零件少，成本较低，工作可靠性高，体积小、零件少，成本较低，工作可靠性高，体积小、安装布置方便，允许发动机的速度和转矩与安装布置方便，允许发动机的速度和转矩与路面载荷相互分离，能够长期地有效储存能路面载荷相互分离，能够长期地有效储存能量，适用于各种类型的大小汽车量，适用于各种类型的大小汽车 。结构简单，操作方便，
25、可靠性好，制动能量结构简单，操作方便，可靠性好，制动能量回收利用效率高回收利用效率高，制约其应用的技术瓶颈，制约其应用的技术瓶颈仍是高性能、低成本的电化学储能器。仍是高性能、低成本的电化学储能器。二、制动能量回收系统二、制动能量回收系统1制动能量回收系统的类型 制动能量回收系统的构成因采用蓄能方法不同而有很大差异，常见的为：由发电机、电动机、蓄电池构成的电能式；由飞轮、无级变速器（CVT）构成的动能式；由液压泵液压马达，蓄能器构成的液压式三种。1）电能式 缺点：必须携带大量用于蓄存回收能量的重型蓄电池。2）动能式（飞轮式）采用飞轮蓄能需要无级变速器（CVT）与之配合。由于机械式CVT没有达到普
26、及的程度，故一般以电气或液压流体作为换能介质。3）液压式 与飞轮式相比，尽管它能量密度较小，但其控制简单、制造容易；而与电能式相比，则其功率质量比较大，对于大型车辆目前已接近实用化水平。2城市客车制动能量回收系统 图4-26客车制动能量回收系统示意图 客车在不同运行状态时，其能量回收系统相应的工作情况分别为：起动阶段：驾驶员进行起动操作时，开关阀打开。压力油从蓄能器中输出，驱动液压马达。即使发动机节气门开度很小，也可使车辆平稳起动。加速阶段：液压马达工作，对发动机的输出转矩起助力作用。即车辆加速时的能源不仅来自发动机，而且来自液压马达。正常运行阶段：此时仅由发动机提供车辆驱动力源。制动阶段：在
27、驾驶员踩下制动踏板的同时，液压泵开始工作，将输出的压力油送入蓄能器，从而将车辆制动时的动能输出转化为油液压力能的形式蓄存起来。三、电动汽车制动能量回收与利用三、电动汽车制动能量回收与利用1现有的制动能量回收装置1）无独立发电机的能量回收装置图4-27全轮驱动能量回收制动系统1、2前轴制动电机；3后计量阀；4后旁通阀；5前轴电控模块；6后轴电控模块；7液压阀；8、9后轴驱动电机；10EBC阀；11制动主缸；12制动踏板；13制动开关；14压力传感器；15前旁通阀；16、前计量阀2）有独立发电机的能量回收装置图4-28带发电机的能量回收装置1驱动轮；2驱动轴；3变速器和差速器；4驱动电机；5、13
28、支架；6发电机；7、11传动轴；8前桥；9转向杆；10、14车架；12支架横梁2电动汽车制动能量回收需要解决的问题 电动汽车回收的制动能量转化为蓄电池储存的电能。该储能方式存在功率密度低，充放电频率小，不能迅速转化所吸收的大量能量的缺点，而车辆在制动或起动时，需要迅速得到或释放大量能量，这使储能蓄电池的应用受到很大限制。电动汽车制动期间所产生的电流很容易达到较高的值，在约几百A的范围内，这比蓄电池所能吸收的充电电流大得多，这会损害蓄电池并大大减少其预期寿命。此外，当蓄电池接近其最大充电量时，电制动期间所产生的电能就会使蓄电池过度充电，这会导致蓄电池电极上的电压将大致等于充电电路所输送的电压，或者换句话说，导致限制或抑制电流在蓄电池中循环，大大降低甚至消失电制动效果。