第1章 概论
　　1.1 概述
　　变速器是车辆传动系统的重要部件之一，其作用是根据车辆的行驶需求改变扭矩、分配动力和提高能源的利用率，它直接影响车辆的各性能指标。变速器分为手动变速器和自动变速器。目前，手动变速器的研发和制造技术相当成熟，且传递动力高效。相较于手动变速器，自动变速器换挡操作更简单且换挡更平顺，在一定程度上可大大减轻驾驶员的疲劳度，深受人们的喜爱[1]。相较于家用轿车等小型普通车辆和设备上的液力自动变速器，重型液力自动变速器是指与重型货车和大型客车及工程机械等设备匹配的变速器，其标定输入扭矩通常在900Nm以上，主要应用于重型汽车、油气开采装备、轨道交通、工程机械以及特种车辆等领域[2]。
　　重型液力自动变速器有行星式和定轴式两种结构，其中，行星式重型液力自动变速器以其结构紧凑、功率密度高而得到普遍应用。本书研究的对象主要是行星式重型液力自动变速器。图1.1为某型行星式重型液力自动变速器的组成原理图。由图1.1可以看出，重型液力自动变速器是一种非常复杂的机、电、液一体化部件，它主要由三大系统组成，即机械系统、液压控制系统和电子控制系统。其中，机械系统包括液力变矩器(由泵轮、涡轮和导轮等组成)、行星齿轮变速器(行星排)和缓速器，主要实现变矩、换挡和辅助制动等功能；液压控制系统主要为重型液力自动变速器机械系统提供油源和油压动力；电子控制系统是重型液力自动变速器的“大脑”，它根据各反馈信号自动控制变速器的工作。
　　图1.1 某型行星式重型液力自动变速器的组成原理图
　　我国目前能够制造出重型液力自动变速器整机产品的企业屈指可数，其中，具有一定规模和实力的企业只有西安双特智能传动有限公司、贵州凯星液力传动机械有限公司以及秦皇岛盛森机械制造有限责任公司，它们大多是通过购置国外产品进行仿制，采用逆向设计和自主创新的方式来创立自己的品牌[3，4]。然而，对于目前先进的重型液力自动变速器，国外实施技术垄断和封锁，从而严重阻碍了我国重型液力自动变速器技术的进步和发展[5，6]。目前，重型液力自动变速器技术在国外是较为成熟的技术，国内因缺少自主知识产权等还处于摸索和仿制阶段，同时，国内企业因受到国外巨头公司的技术垄断和封锁而在艰难地寻求生存和发展。因此，为了研制具有我国自主知识产权的重型液力自动变速器，近些年国内重型液力自动变速器研制企业积极与高校和科研机构合作，走“产、学、研”相结合的道路，来一步一步地攻克重型液力自动变速器的关键技术。
　　重型液力自动变速器涉及的关键技术很多，其中，液压技术是重中之重。众所周知，重型液力自动变速器的液压油路相互牵涉，并且将液压油路集成在印刷油路板上，整个液压系统包括其印刷油路的研发都非常困难。目前，可参考的国外公开资料只有一些重型液力自动变速器液压系统的油路原理和液压元件基本结构的介绍性资料，这些资料可供修理人员参考[7，8]。
　　为了突破重型液力自动变速器液压系统及其印刷油路的核心技术，研制具有我国自主知识产权的重型液力自动变速器，本书对重型液力自动变速器液压系统及其印刷油路所涉及的技术问题进行了系统性分析与研究，以期为促进我国重型液力自动变速器技术的进步尽绵薄之力。
　　1.2 重型液力自动变速器的国内外发展现状
　　1.2.1 自动变速器的种类
　　目前，国际上主流的自动变速器有四种[9-13]，即液力自动变速器(automatic transmission，AT)、机械式自动变速器(automatic mechanical transmission，AMT)、机械无级变速器(continuously variable transmission，CVT)以及双离合器变速器(dual-clutch transmission，DCT)。下面对这四种主流自动变速器进行简单介绍。
　　1)液力自动变速器
　　液力自动变速器是一种结构极为复杂的机、电、液一体化产品，它主要由液力变矩器、行星齿轮变速器、液压系统以及电子控制系统组成。一种典型的液力自动变速器结构如图1.2所示，其工作原理[14]为：电子控制系统根据采集的各种信号(如车速、油门开度等)和控制器局域网(controller area network，CAN)总线来判断车辆的行驶状态，然后执行相应的程序并发出指令，使液压系统中的电磁阀得到相应的控制信号，从而控制液力变矩器的闭锁离合器，以及行星齿轮变速器的换挡离合器的接合或脱离，*后实现液力变矩器的闭锁控制和换挡操纵等。在这个过程中，动力是由发动机产生的扭矩，经过液力变矩器调节后，传递到行星齿轮变速器中，*后驱动车轮行驶。
　　图1.2 一种典型的液力自动变速器结构
　　液力自动变速器以液体作为动力传递介质，将发动机的扭矩平稳地传给车轮，因此它具有操纵简单、换挡平顺、乘坐舒适性高等特点；但液压系统损失的能量较多，从而降低了系统的传动效率，且因其结构复杂，生产和维修成本高[14，15]。液力自动变速器凭借其成熟的技术及较高的换挡舒适性，赢得了消费者的青睐，目前占全球自动变速器市场的80%以上[16]。
　　2)机械式自动变速器
　　机械式自动变速器在机械式手动变速器的基础上，安装了自动选挡执行机构和变速器自动换挡控制器，可以模拟驾驶员的选挡规律，实现自动换挡。
　　机械式自动变速器主要由自动离合器、固定轴式齿轮变速器和电子控制单元(electronic control unit，ECU)组成。一种典型的机械式自动变速器的结构如图1.3所示，其工作原理[14]为：根据驾驶员的操作意图，电子控制单元采集车速传感器和油门开度传感器等的信号，并根据车辆的行驶工况、挡位等，执行相应的程序，如*佳的换挡规律程序、发动机供油调节的自适应规律程序等，*终实现发动机供油、离合器接合或脱离以及变速器的换挡操作，从而满足车辆*佳的燃油经济性和动力性。
　　图1.3 一种典型的机械式自动变速器结构
　　机械式自动变速器的结构简单，生产继承性较好，所增设的控制机构代替手动操作成本较低，但在换挡操作期间存在动力中断，易造成较大的换挡冲击，无法保证换挡质量，另外在换挡过程中控制的难度也很大[14]。
　　3)机械无级变速器
　　机械无级变速器分为液力式机械无级变速器和机械式机械无级变速器。液力式机械无级变速器传动效率低，功率消耗大，很少在商用车中应用，但在重型车辆中具有一定的优势；机械式机械无级变速器按传动性质可分为摩擦式机械无级变速器、金属带式机械无级变速器和链式机械无级变速器，其中，金属带式机械无级变速器应用较为广泛[17]。金属带式机械无级变速器主要由液力变矩器、主/从动轮组件、金属带、输入/输出传动轴、主减速器、差速器和电液控制系统等组成，其典型结构如图1.4所示。它通过电液控制系统控制主/从动轮的液压缸，进而改变两带轮的轴向力，随着带轮工作半径连续改变，其传动比也连续改变，从而实现无级调速。其工作原理为：根据驾驶员的操作意图和行驶工况，电子控制单元采集车速传感器、油门开度传感器等的输入信号，然后执行相应的控制策略程序，如速比模糊自适应控制策略程序等，并向电液执行机构发出指令，从而实现机械无级变速器的速比、带轮夹紧力和离合器等方面的控制[14]。
　　图1.4 一种典型的金属带式机械无级变速器结构
　　机械无级变速器具有体积小、动力传动平稳、加速性能好和换挡品质较高等优点，其不足是加工精度要求较高、成本高和传动效率低[14]。此外，机械无级变速器的启动性能较差，转矩传递有限，造价高[18]。
　　4)双离合器变速器
　　双离合器变速器的两个离合器与内外两输入轴相连，两输入轴的结构是内实心轴外套外空心轴，并对应奇、偶数挡位，而且一个或两个挡位共用一个同步器装置，通过切换与奇数挡和偶数挡输入轴相连的两个离合器实现换挡[14，15]。双离合器变速器按工作条件可分为干式双离合器变速器和湿式双离合器变速器。其中，干式双离合器变速器在传递动力过程中因摩擦片易出现过热问题而很少被采用；湿式双离合器变速器克服了频繁换挡和启动对摩擦片所产生的过热问题，故得到了广泛的应用[14]。
　　一种典型的双离合器变速器的结构如图1.5所示，其工作原理为：根据驾驶员的操作意图和行驶工况，电子控制单元接收车辆的油门开度、发动机转速、车速等输入信号，通过调理电路转化为电信号，这些电信号经过计算和处理后按照预先设计好的换挡规律、控制策略等执行相应的程序，并发出相应的控制指令，从而控制油门控制机构、离合器控制机构和换挡控制机构，*终实现两个离合器的控制、换挡操作以及发动机的控制等[14]。双离合器变速器继承了手动变速器的优点，具有传动效率高、成本低、结构较为紧凑和质量轻等优点，但由于其自身结构的特点，只能顺序换挡，不能实现跳跃换挡[14]。另外，换挡过程控制难度大，两组离合器的切换电动机不易标定[15，19]。
　　图1.5 一种典型的双离合器变速器结构
　　上述四种自动变速器各有优缺点，由于不同国家或地区的人们驾驶习惯和体验有所差异，四种自动变速器在不同国家或地区的装车率不同[14，20]。液力自动变速器在全球自动变速器的市场中所占的比例较大，其中在美国的装车率较高，在我国也占有较大的比例；双离合器变速器近些年的市场份额增长较快，在欧洲和我国具有较大的发展潜力；机械无级变速器在日本占据一定的市场份额，在我国也呈现较好的增长趋势；机械式自动变速器由于换挡冲击较大，发展速度相对较慢。我国目前手动变速器占有份额仍较大，随着我国社会和经济的持续发展以及人们驾驶习惯的改变，自动变速器在我国的装车率已逐年提高。据IHS Automotive市场调研公司的调研统计，近十年来，上述四种自动变速器在我国市场中所占的比例每年都在大幅增长，其中，液力自动变速器增长的市场份额*大，这说明液力自动变速器在我国具有非常大的发展潜力[21]。
　　1.2.2 重型液力自动变速器的国外发展现状
　　世界上**台用于大规模生产的液力自动变速器是美国通用汽车公司在1939年生产的Hydromatic，这台变速器使用液力耦合器和三排行星齿轮提供四个前进挡和一个倒挡，被认为是现代车辆液力自动变速器的原始形式[22，23]。液力自动变速器*重要的改进是在二战期间，通用汽车公司为坦克开发了液力变矩器，有助于避免坦克在战场上因换挡不慎而造成引擎熄火。1948年，这种液力变矩器与其他部件相结合成为液力变速器，基本定型为现在通用的液力自动变速器[2]。

目录
前言
第1章 概论 1
1.1 概述 1
1.2 重型液力自动变速器的国内外发展现状 2
1.2.1 自动变速器的种类 2
1.2.2 重型液力自动变速器的国外发展现状 6
1.2.3 重型液力自动变速器的国内发展现状 8
1.3 重型液力自动变速器液压系统及其印刷油路的发展现状 9
1.4 本书研究方法及内容 11
第2章 重型液力自动变速器的结构及工作原理 13
2.1 重型液力自动变速器的整体结构及工作原理 13
2.2 重型液力自动变速器变矩器的结构及工作原理 15
2.2.1 泵轮 16
2.2.2 涡轮 16
2.2.3 导轮 17
2.2.4 闭锁离合器 18
2.2.5 液力变矩器的工作原理 20
2.3 重型液力自动变速器行星齿轮变速机构的结构及工作原理 23
2.3.1 重型液力自动变速器行星齿轮变速机构的整体结构 23
2.3.2 重型液力自动变速器行星排的结构及工作原理 23
2.3.3 离合器的结构及工作原理 29
2.3.4 重型液力自动变速器的动力传递路线分析及各挡位的传动比 30
第3章 基于逻辑设计法的重型液力自动变速器液压系统的设计 37
3.1 重型液力自动变速器液压系统设计的基本原理 37
3.1.1 基本液压逻辑回路 37
3.1.2 基于逻辑设计法的液压系统设计的方案、原则及流程 38
3.2 重型液力自动变速器换挡控制液压子系统的设计 40
3.2.1 换挡控制液压子系统的动作要求 40
3.2.2 换挡控制液压子系统的控制项目表 41
3.2.3 换挡控制液压子系统的逻辑回路设计 42
3.2.4 换挡控制液压子系统的失效互锁液压回路设计 44
3.3 重型液力自动变速器闭锁控制及冷却润滑液压子系统的设计 46
3.4 重型液力自动变速器主调压液压子系统的设计 47
第4章 重型液力自动变速器液压系统主要液压元件的设计及选型 50
4.1 液压泵的选型 50
4.2 主调压阀的设计 51
4.3 控制压力调节阀的设计 53
4.4 变矩器压力调节阀的设计 55
4.5 变矩器流量调节阀的设计 56
4.6 润滑压力调节阀的设计 58
4.7 换挡阀的设计 60
4.8 锁止阀的设计 61
4.9 其他液压元件的选型 64
第5章 重型液力自动变速器液压系统的性能分析及优化 66
5.1 主调压液压子系统的性能分析及优化 66
5.1.1 主调压液压子系统的工作原理 66
5.1.2 主调压液压子系统模型建立及性能分析 67
5.1.3 主调压液压子系统输出油压特性优化研究 71
5.2 换挡控制液压子系统的性能分析及优化 78
5.2.1 换挡控制液压子系统的工作原理 78
5.2.2 换挡控制液压子系统模型建立及性能分析 79
5.2.3 换挡控制液压子系统输出油压特性优化研究 83
5.3 闭锁控制及冷却润滑液压子系统性能研究 87
5.3.1 闭锁控制及冷却润滑液压子系统的模型建立 87
5.3.2 闭锁控制及冷却润滑液压子系统的性能分析 89
5.4 液压系统动力换挡性能研究 91
5.4.1 空挡的性能 91
5.4.2 前进Ⅰ挡的性能 93
5.4.3 前进Ⅲ挡的性能 96
5.4.4 前进Ⅶ挡的性能 99
5.4.5 倒挡的性能 102
第6章 重型液力自动变速器液压系统印刷油路及其浇排系统的设计 105
6.1 液压系统印刷油路的布局及设计 105
6.2 液压系统印刷油路压铸浇排系统的设计 109
6.2.1 压铸性能分析 110
6.2.2 分型面及内浇口位置的确定 111
6.2.3 浇注系统的设计 112
6.2.4 排溢系统的设计 115
第7章 重型液力自动变速器液压系统印刷油路压铸数值模拟及参数优化 117
7.1 液压系统印刷油路压铸工艺参数的初步确定 117
7.1.1 压射比压 117
7.1.2 压射速度 118
7.1.3 温度 119
7.2 液压系统印刷油路压铸数值模拟与结果分析 121
7.3 液压系统印刷油路压铸工艺参数的优化 124
7.3.1 数学模型的建立 125
7.3.2 压铸工艺参数的优化 127
第8章 重型液力自动变速器液压系统印刷油路压铸模具的设计及优化 131
8.1 液压系统印刷油路压铸模具的设计 131
8.1.1 概述 131
8.1.2 成型零件的设计 132
8.1.3 抽芯机构的设计 134
8.1.4 推出及复位机构的设计 139
8.1.5 冷却水道的设计 142
8.1.6 模体设计及模具装配 143
8.1.7 压铸模具技术要求 148
8.2 液压系统印刷油路压铸模具的结构优化 150
参考文献 158