对自动变速器中单向离合器引起的冲击现象的分析

薛矫智

（广东机电职业技术学院，广东 广州 510515）

0 引 言

自动变速器使用单向离合器消除降挡冲击，有助于提高自动变速器的性能[1]。使用单向离合器以后，单向离合器结合时会引发一种传动冲击，这种特有的冲击现象对自动变速器的影响不大，但给汽车传动系统带来一定的冲击。随着现在轿车发动机转速的不断提高，由单向离合器引起的这种冲击能量会加大，这时单向离合器引起的冲击不可轻视。分析这种冲击现象，了解其过程，可以采取某些措施减小这种冲击。

1 自动变速器使用单向离合器在降挡时会引起一种冲击

自动变速器中使用单向离合器，在降挡过程中单向离合器分离进入超越状态以后，发动机动力输出中断，在无负荷工况下，发动机转速急剧上升，当单向离合器结合接通动力时，出现发动机对传动系的冲击。这种冲击对传动系有一定的不利影响。

1.1 单向离合器消除降挡冲击

自动变速器降挡时，汽车的车速不能立刻改变，对于降挡后的传动比而言，发动机的转速低于此时汽车车速所要求的发动机转速，这样就会出现汽车对整个传动系的冲击。布置在降挡后的传动路线上的单向离合器在降挡时起超越作用，使汽车惯性造成传动系的运动和动力不能向前传递到发动机，从而消除了汽车对整个传动系的冲击[1]。单向离合器超越时，动力输出中断，发动机空载无负荷，使得转速迅速上升，达到传动比所要求的转速时，单向离合器由超越变为结合，恢复动力输出。

1.2 单向离合器在结合时会引起冲击

降挡时，在单向离合器出现超越以后，发动机动力输出是中断状态，这时发动机在无负荷的工况下运转，发动机转速急剧上升，转速上升到该传动比要求的转速时，单向离合器由超越状态变为结合状态。在单向离合器结合时，发动机在加速运转，有一定的角加速度，而汽车是近似于等速行驶，在动力传动路线上，组成单向离合器的2个转动元件从分离变为以相同的速度结合时，就有冲击出现。冲击能量的大小与单向离合器结合时的状态以及相关的转动惯量有关。

1.3 冲击能量N

J为发动机到单向离合器的动力传递系统的转动惯量；ε为单向离合器由超越变为结合时，单向离合器被超越件的角加速度，其与发动机曲轴的角加速度以及此时变速器的传动比有关。

2 降挡时单向离合器引起的冲击分析

引入发动机无负荷加速的概念，利用无负荷加速过程中曲轴的转速、角加速度变化规律，从而理解降挡时发动机曲轴角加速度的变化规律，并深入分析降挡时单向离合器引起的冲击现象。

2.1 发动机无负荷加速过程的描述

发动机在无负荷状态下低速运转，突然加大节气门时，发动机转速急剧上升的过程，就是发动机无负荷加速过程。发动机无负荷加速过程中，转速、角加速度的变化过程如图1所示。

2.2 发动机无负荷加速时曲轴的转速与角加速度

角加速度ε具有突然增大然后不断变小的变化规律，发动机无负荷加速时，起始转速低有利于ε急升，之后因为随转速上升发动机进气阻力加大、燃烧条件变差等各种不利因素的影响，ε会在达到最大值以后不断减小，并趋于0，如果发动机结构允许，曲轴转速将达到最大值，之后曲轴转速不再升高。

2.3 降挡时发动机曲轴的角加速度以及产生的冲击

降挡时单向离合器分离动力输出中断，发动机转速迅速上升，如同发动机无负荷加速过程一样。降挡时发动机的转速为n1，n1较低，对于现在多数发动机而言，在每2000n/min以下。降挡时发动机由负荷状态变为无负荷状态，工况有利于角加速度急升，角加速度不断上升，当转速上升到n2时，单向离合器结合，发动机无负荷加速状态结束。由于降挡过程出现的发动机无负荷加速过程只是发动机无负荷加速过程中的最初一段，在这一过程中，ε不断上升，降挡后传动比i越大n2就越大，所产生的角加速度ε越大。n2与 n1的关系是 n2=i.n1，i为降挡后的传动比。通过n1和n2以及n1变化到n2的时间，可以计算出曲轴的平均角加速度，不过这个数值偏低。

2.4 单向离合器引起的冲击分析

在降挡时，发动机转速在无负荷的条件下急剧上升，上升到该传动比条件下的转速时，单向离合器结合，发动机在无负荷的条件下转速上升过程结束。在这个过程中，发动机的转速处于较经济的转速，发动机运转的角加速度处于不断上升的过程。在单向离合器结合时，发动机的转速越高，此刻的角加速度ε越大，产生的冲击就越大。

如果在各个挡位降挡时发动机的转速都是一样的，那么降挡前后传动比的比值越大，降挡后由单向离合器结束发动机无负荷加速过程的转速越高，也就是此时的角加速度ε越大，产生的冲击也越大。降挡前后传动比的比值规律是低挡高于高挡，所以低挡时的冲击较大。

汽车变速器的传动比不是等比设置，如果在降挡时发动机转速在各挡条件下都差不多，那么在低挡时，当单向离合器结合时发动机的转速较高，具有的角加速度ε较大，出现的冲击大，因此在低挡位降挡时的冲击能量N大于高挡位。

2.5 对转动惯量J的分析

单向离合器引起的冲击，并不完全是刚性的瞬间冲击。从涡轮到要结合的单向离合器之间的转动惯量引起的冲击是刚性的瞬间冲击，而从发动机到泵轮间的转动惯量引起的冲击，由于液力变矩器的作用，会使瞬间冲击值下降较多，因而许多场合可以忽略使用单向离合器引起的这种冲击现象。

虽然发动机以及到单向离合器的转动件的转动惯量较大，但能引起直接瞬间冲击的转动惯量是较小的，从液力变矩器的涡轮到单向离合器间的转动惯量引起的冲击占了瞬间冲击量的较大分量。自动变速器降挡时，由于液力变矩器的锁止离合器分离，液力变矩器的缓冲作用使发动机部分的转动惯量引起的瞬间冲击得到缓解，使总的转动惯量引起的瞬间冲击值有较大的下降。

从涡轮到单向离合器的一系列转动件具有的转动惯量，在单向离合器结合时所造成的冲击无法缓解。这部分转动惯量造成的瞬间冲击能量占总瞬间冲击能量的比例过大时，降挡时出现的冲击现象就越明显。从目前自动变速器的结构来看，这一部分转动惯量不大。

3 消除自动变速器使用单向离合器在降挡时的冲击的方法

3.1 利用摩擦片打滑减小冲击

如果降挡后的换挡执行元件中单向离合器的工作状态由制动器或离合器的摩擦片控制，如辛氏变速器在Ⅱ挡时使用制动器控制单向离合器的工作状态，当单向离合器出现超越以后，在发动机转速急升期，单向离合器进行结合时，此时控制制动器摩擦片有一定的打滑，也可以减轻单向离合器结合时产生的冲击。

如果降挡后的换挡执行元件中单向离合器的工作状态没有其他元件控制，如辛氏变速器的Ⅰ挡，可以利用降挡后的动力传动路线上的其他摩擦片，使其在此时出现打滑，以减小冲击。

这种控制方法的控制时机比较难掌握，现有的自动变速器中一般不采用，但这种控制理念随着自动变速器技术的精细化将会得到采用。

3.2 推迟发动机点火提前角减小冲击

降挡后，在发动机转速急剧上升到一定程度，用推迟发动机点火提前角的方法降低发动机转速急剧上升的角加速度，以减小单向离合器结合时产生的冲击。这种控制可以降低发动机转速急剧上升的角加速度，但难以实现较恰当的控制，只能降低一定的角加速度值。

4 自动变速器使用单向离合器和使用摩擦片在降挡时的性能比较

降挡时，单向离合器产生超越，这时发动机处于动力输出中断状态，这种状态有利于发动机转速迅速上升，从而能尽快在新传动比条件下输出动力。在整个降挡过程中，发动机输出动力、汽车行驶动能没有损失，只有短暂的动力中断现象，这样有利于保持汽车车速和良好的加速能力。

动力传动路线上没有单向离合器进行降挡时，由于降挡后的传动比不适应，由液力变矩器以及相应传动路线上的摩擦片要消除这种不适应（冲击）。这种状态下，实际上是汽车驱动发动机转动，是一个倒拖过程，这时汽车的行驶动能出现损失，对于汽车在降挡过程中保持车速不利，有速度损失。这样一个短暂的倒拖过程中，发动机实际上是动力输出中断，直到倒拖过程结束动力输出才能恢复。虽然倒拖时动力输出中断的时间短于使用单向离合器造成的动力输出中断的时间，但由于造成了汽车动能损失，降挡后的汽车速度会低于使用单向离合器降挡后的汽车速度，影响到了加速性，虽然影响会较小。

降挡时使用单向离合器，汽车原有的行驶动能没有损失，而使用摩擦片消除降挡冲击，则会引起汽车动能的损失。使用单向离合器不仅能消除降挡冲击，也不会引起降挡时汽车的动能损失，对于降挡时保持汽车的车速有利，还可以利用这个特点提高汽车的加速性能。

5 对自动变速器使用单向离合器的评价

使用单向离合器，从驱动轮传来的转速可以超越从发动机传来的转速，从发动机传来的转速不能超越从驱动轮传来的转速。单向离合器的这种超越性能，增强了汽车动力传输系统的性能，使汽车在一定条件下具有滑行能力，这不仅能消除降挡冲击，也能消除行驶中车轮对传动系统的冲击，在行驶阻力突然下降，汽车出现滑行状态下促成自动变速器及时升挡。因此，在自动变速器中使用单向离合器是提高自动变速器性能的一个有效手段。降挡时挡越低降挡冲击越大，当自动变速器的挡位较多时，在低挡的传动路线上都布置单向离合器，较高的挡位由于冲击小不采用单向离合器消除降挡冲击，这样使自动变速器的结构不至于太复杂。

[1]薛矫智. 单向离合器对自动变速器性能影响[J]. 汽车工程师.2009，（10）：45-48.