應(yīng)用模塊化設(shè)計理念的高效率變速器開發(fā)

【日】 服部恭明 森匡輔 間瀬篤弘 安藤雅彥 尾神史朗

0 前言

日本Aisin集團(tuán)的主打產(chǎn)品變速器能對提高駕駛樂趣、改善乘坐舒適度，以及提高燃油經(jīng)濟(jì)性等體現(xiàn)汽車自身價值的性能作出重要貢獻(xiàn)。另一方面，變速器的零部件數(shù)量極多，必要的生產(chǎn)設(shè)備等初期投資巨大，每開發(fā)一款新型變速器，首先必須制定至少能保持產(chǎn)品具備十幾年以上商品價值的長期規(guī)劃，因而，變速器也是一種策略性的產(chǎn)品。在制定產(chǎn)品規(guī)劃的階段，就應(yīng)確定理想的車輛及變速器性能目標(biāo)，以打造出跨越車型、地域及時間限制的高性能、高品質(zhì)的變速器產(chǎn)品。

在以日本及歐洲國家為中心的地區(qū)，汽車制造商已開始廣泛運用模塊化設(shè)計理念開發(fā)產(chǎn)品。為切實滿足用戶需求，汽車零部件生產(chǎn)商也應(yīng)具備明確的系統(tǒng)化及模塊化設(shè)計理念。

本文介紹Aisin集團(tuán)旗下各公司致力于在產(chǎn)品研發(fā)過程中運用模塊化設(shè)計理念所取得的成果。

1 自動變速器（AT）的模塊化設(shè)計

1.1 AT的模塊化設(shè)計理念

在AT的新產(chǎn)品研發(fā)過程中，在制作基本模型的規(guī)劃圖時，就必須明確在變速器商品壽命期內(nèi)衍生出的各種變型產(chǎn)品所針對的不同市場。

為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，須進(jìn)一步分割作為AT功能單元的模塊，即將AT起動裝置、齒輪傳動系統(tǒng)、變速器殼體、液壓控制裝置及電子控制裝置等單元進(jìn)一步分割為更小的具有細(xì)微差異的子模塊，從而按照不同的產(chǎn)品需求，對AT結(jié)構(gòu)設(shè)計作多種變化。這一設(shè)計理念現(xiàn)已變得越來越重要。

應(yīng)用模塊化設(shè)計理念，能夠更為高效地開發(fā)并生產(chǎn)適合于不同車輛設(shè)計概念的最佳AT系統(tǒng)，并且對應(yīng)快速發(fā)展的電控裝置及車輛電氣化進(jìn)展，縮短變速器產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期，同時確保產(chǎn)品的高品質(zhì)。

在提供能適應(yīng)各地域及各種車型不同需求的AT產(chǎn)品的同時，不僅要滿足先進(jìn)國家越來越嚴(yán)格的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)及功能安全等方面的法規(guī)要求和全球化標(biāo)準(zhǔn)，同時也要向新興國家市場提供具有適當(dāng)功能的優(yōu)質(zhì)AT產(chǎn)品，從而獲得作為全球化產(chǎn)品供應(yīng)商的資格。

1.2 前置發(fā)動機前輪驅(qū)動車型的AT模塊化設(shè)計

1.2.1 AT硬件的模塊化設(shè)計

在實際的前置發(fā)動機前輪驅(qū)動（FF）乘用車6檔及8檔AT系列產(chǎn)品的開發(fā)中，首先以傳統(tǒng)的6檔AT為基礎(chǔ)開發(fā)8檔AT，然后再重新構(gòu)建包括6檔AT在內(nèi)的變速器系列產(chǎn)品。其中就運用了模塊化設(shè)計理念，可根據(jù)用戶需求，高效率地開發(fā)并生產(chǎn)不同的AT變型產(chǎn)品。此外，還最大限度地利用現(xiàn)有的生產(chǎn)線及生產(chǎn)設(shè)備，以降低初期投資，縮短研發(fā)周期。

Aisin集團(tuán)傳統(tǒng)的6檔AT具有扭矩容量不同的2個產(chǎn)品系列，根據(jù)不同的扭矩容量，組合了小齒輪數(shù)量、材質(zhì)、熱處理工藝及摩擦片數(shù)量均不同的零件模塊化設(shè)計，可適應(yīng)全球市場不同車型的配裝要求。

在新開發(fā)8檔AT中，研究人員進(jìn)一步推進(jìn)了模塊化設(shè)計理念，在沿用傳統(tǒng)產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，只增加1個離合器，使新產(chǎn)品的全長相比傳統(tǒng)6檔AT只增加5mm。

開發(fā)的結(jié)果是，包括新6檔AT在內(nèi)的整個產(chǎn)品系列不僅獲得了傳統(tǒng)車型及已有客戶的認(rèn)可，還開拓了更多的新客戶，由此也獲得了更多的產(chǎn)品訂單。

研究人員在設(shè)計產(chǎn)品系列型譜的基礎(chǔ)上，通過預(yù)測各國的燃油耗標(biāo)準(zhǔn)及汽車市場趨勢，以及其他生產(chǎn)商的AT產(chǎn)品新功能，并調(diào)查發(fā)動機的技術(shù)發(fā)展動向，針對未來的AT系統(tǒng)所需的功能，著眼于全新的超高效率控制技術(shù)、起動裝置，以及齒輪速比范圍（多級化）等方面，引進(jìn)圖1所示多項新技術(shù)，并將其設(shè)定為商品的標(biāo)準(zhǔn)配置或可選項。

按照不同客戶的需求選擇不同的功能，提供各種規(guī)格的最佳AT系統(tǒng)。另外，由于近年來發(fā)動機的增壓小型化及減少氣缸數(shù)的發(fā)展趨勢，起動裝置的減振器性能已變得極為重要。

如表1所示，為了對應(yīng)各種發(fā)動機的不同特性，通過擴(kuò)大鎖定及滑動鎖定區(qū)域，改善車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性及噪聲-振動-平順性（NVH）性能，利用圓環(huán)、減振器及離合器的不同子模塊組合，對起動裝置單元模塊進(jìn)行優(yōu)化。

在6檔及8檔AT的齒輪傳動系統(tǒng)本體部分，模塊化設(shè)計的特征是將后行星齒輪零件及其周邊的離合器和制動器設(shè)定為通用模塊，同時通過改變前行星齒輪部件及其周邊零件，以及增加離合器片數(shù)量來實現(xiàn)不同規(guī)格結(jié)構(gòu)的變化。

在其他與控制關(guān)聯(lián)的部分，在區(qū)分6檔與8檔規(guī)格，以及有無怠速起停功能的結(jié)構(gòu)差異方面，將閥體與發(fā)動機電控單元（ECU）電路板作為通用部件，只對8檔及怠速起停專用零件的附加件進(jìn)行極小的改動，就可以組成不同的模塊結(jié)構(gòu)。

這樣，在功能單元模塊范圍內(nèi)進(jìn)行變更，只通過子模塊的轉(zhuǎn)換就能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)變化，將變更的零件數(shù)控制在最低限度，對減少新增零件數(shù)和縮短評價工序，以及生產(chǎn)線的通用化都是極為有利的。

1.2.2 控制軟件的模塊化

對于控制軟件而言，出于FF車型、前置發(fā)動機后輪驅(qū)動（FR）車型、6檔、8檔，以及混合動力車等多樣化AT系統(tǒng)及全球各地客戶的需求，控制軟件的種類和規(guī)模均呈指數(shù)函數(shù)增長的趨勢，并且，今后繼續(xù)增長的趨勢仍將是不可避免。

表1 AT硬件的模塊化設(shè)計

此外，在為最新型的變速器開發(fā)新型控制軟件時，一般都會同時進(jìn)行數(shù)量達(dá)幾百件之多的變型軟件的改進(jìn)和開發(fā)，因此，為保證品質(zhì)，軟件的模塊化與再利用是必不可少的。

軟件模塊化的優(yōu)點在于，能滿足多樣化系統(tǒng)及客戶的需求，針對作為AT系統(tǒng)核心的標(biāo)準(zhǔn)模塊，通過優(yōu)化組合為適應(yīng)不同AT系統(tǒng)及客戶要求而設(shè)定的子模塊，在短期內(nèi)完成基礎(chǔ)軟件的設(shè)計。而且，以典型的工序可靠地強化標(biāo)準(zhǔn)模塊與子模塊的品質(zhì)，并對具有高可靠性的軟件進(jìn)行重復(fù)利用，不僅能確保高效率的開發(fā)工作，而且還能保證產(chǎn)品的高品質(zhì)。

包括液壓控制、故障檢測、安全、變速點等在內(nèi)的功能單元模塊，通過采用涵蓋了6檔、8檔變速器的標(biāo)準(zhǔn)模塊，以及按閥體種類和客戶要求進(jìn)行不同組合的子模塊，構(gòu)建了能達(dá)成不同規(guī)格要求的軟件。因此，通過子模塊的轉(zhuǎn)換，可將變更周期控制在最低限度，例如，將A公司所用6檔變速器程序轉(zhuǎn)換為B公司所用8檔變速器程序，所花費的時間比傳統(tǒng)方法所用時間減少約50%。

1.2.3 乘用車AT模塊化設(shè)計的發(fā)展方向

上文就FF車型6檔及8檔AT系統(tǒng)的模塊化設(shè)計實例作了簡單介紹，今后，研究人員將繼續(xù)嘗試在更加多樣化的多檔AT、無級變速器（CVT）、混合動力，以及FR車型、四輪驅(qū)動車型等各種系統(tǒng)的多種型式變速器中應(yīng)用模塊化設(shè)計理念，為各類客戶提供變速器產(chǎn)品。

1.3 商用車AT系統(tǒng)的模塊化設(shè)計

1.3.1 商用車AT的市場需求動向

作為日本Aisin集團(tuán)的商用車AT系統(tǒng)，之前已采用新型齒輪傳動系統(tǒng)及帶多片式自動鎖緊離合器的液力變扭器，以及新型電子控制裝置，開發(fā)了FR車型用6檔AT，產(chǎn)品具備貨車及客車所要求的優(yōu)異耐久性和可靠性，同時對于提高車輛性能（動力性能、燃油經(jīng)濟(jì)性、發(fā)動機制動性能）也極為有益。作為FR車型4檔AT的后續(xù)產(chǎn)品，F(xiàn)R車型6檔AT已在2004年投入市場。近年來，在北美包括輕型貨車在內(nèi)的小型商用車市場，呈現(xiàn)出因發(fā)動機高功率化而必須提高動力性能，以及必須增加車輛總質(zhì)量的需求趨勢，為此不得不進(jìn)一步提高變速器的容量。

因此，為了滿足上述市場需求，研究人員開發(fā)了超高容量的FR車型6檔AT，并于2013年投放市場。圖2示出了傳統(tǒng)FR車型6檔AT（Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型）與超高容量FR車型6檔AT（Ⅳ型）的應(yīng)用范圍。

1.3.2 超高容量FR車型6檔AT的開發(fā)

考慮到商用車所要求的耐久性和動力性能，基礎(chǔ)的6檔AT齒輪傳動系統(tǒng)采用與傳統(tǒng)FR車型6檔AT相同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。圖3為超高容量的FR車型6檔AT剖面圖；圖4為齒輪傳動系統(tǒng)及齒輪速比列表。

為了實現(xiàn)變速器的超高容量，不僅采用具有高摩擦因數(shù)和高耐熱性的摩擦材料，增加行星齒輪的小齒輪數(shù)量，同時還運用變速控制等技術(shù)，取消了第一單向離合器（圖5），采用與傳統(tǒng)FR車型6檔AT同等的尺寸大小，實現(xiàn)了新型變速器的超高扭矩容量（圖6，圖7）。

在應(yīng)對世界各地日益增長的低燃油耗需求方面，不僅運用低阻力的槽型摩擦材料，以及低阻力的密封環(huán)等關(guān)鍵技術(shù)，還采用能抑制消耗流量的液壓控制回路等Aisin集團(tuán)獨有的技術(shù)，在降低固定開發(fā)投資的同時，滿足了降低燃油耗的目標(biāo)。

此外，在傳統(tǒng)的FR車型6檔AT系列產(chǎn)品中就已實現(xiàn)了模塊化單元的通用化，減少了開發(fā)投資。今后，Aisin集團(tuán)也會將新開發(fā)的超高容量FR車型6檔AT基本系統(tǒng)作為通用模塊加以運用，并將其應(yīng)用范圍向傳統(tǒng)的車型拓展，在減少開發(fā)投資的同時，進(jìn)一步提升AT系統(tǒng)整體的商品競爭力（圖8）。

1.3.3 商用車AT模塊化設(shè)計的發(fā)展方向

以超高容量FR車型6檔AT的開發(fā)為實例，介紹了商用車AT模塊化設(shè)計的現(xiàn)狀。今后，研究人員仍將通過充分應(yīng)用通用化模塊技術(shù)，適時地推出能滿足多變的市場需求的具有商品競爭力的產(chǎn)品。

2 手動變速器（MT）的模塊化設(shè)計

2.1 MT的模塊化設(shè)計理念

2.1.1 MT的市場需求趨勢

MT的產(chǎn)量約占全球變速器產(chǎn)量的50%，并且可以推斷，今后這一比率不會有太大的改變（圖9）。但是，各國不同地區(qū)的MT需求量存在一定的差異，同時對MT的性能要求也各不相同。

先進(jìn)國家與新興國家對MT的性能要求是不同的。在先進(jìn)國家的汽車市場，近年來針對燃油耗的法規(guī)限值日益收緊。受其影響，對降低汽車燃油耗的要求也日益提高，即便對于MT來講也是如此。相應(yīng)的具體對策是發(fā)展MT的多檔變速，目前的市場趨勢正逐漸向6檔MT過渡（圖10）。

另一方面，在新興國家的汽車市場，隨著購買汽車階層的擴(kuò)大，為促進(jìn)車輛的銷售，不僅要求降低其成本，還要求汽車具備符合該地區(qū)市場要求的性能。但如果按與先進(jìn)國家相同的方向進(jìn)行開發(fā)，那么降低成本將會變得極為困難，從而也無法提供符合新興國家市場要求的產(chǎn)品。因此，為將產(chǎn)品推向全球市場，就必須開發(fā)既能符合先進(jìn)國家市場低燃油耗需求，又滿足新興國家市場低成本需求的MT產(chǎn)品。

2.1.2 5檔MT和6檔MT的模塊化進(jìn)展

變速器的基本結(jié)構(gòu)不變，只須卸下6檔變速齒輪，就能將6檔MT轉(zhuǎn)換為5檔MT（圖11）。與此同時，換檔操作系統(tǒng)也實現(xiàn)模塊化，只須替換相應(yīng)模塊，就能分別實現(xiàn)6檔MT與5檔MT的不同結(jié)構(gòu)。

因此，以相同的基本結(jié)構(gòu)，可以開發(fā)出分別符合先進(jìn)國家和新興國家不同市場需求的MT商品，為將產(chǎn)品推向全球市場作出貢獻(xiàn)。并且，即便是在新興國家，燃油耗法規(guī)也正在不斷收緊，因此按照上述理念所設(shè)計的MT產(chǎn)品，可輕易地實現(xiàn)向6檔MT的轉(zhuǎn)化，從而適應(yīng)新興國家市場對低燃油耗的需求趨勢。

2.1.3 其他部件的模塊化設(shè)計

為了設(shè)定能滿足各種發(fā)動機特性及車輛性能要求的最佳齒輪速比，將齒輪副也設(shè)計為模塊結(jié)構(gòu)，為各檔設(shè)定不同速比。

此外，由于對換檔感受的要求各不相同，針對影響較大的同步機機構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將單級同步機改為多級同步機，材質(zhì)由黃銅改為碳，結(jié)構(gòu)則采用反向選擇滑動式或同步機同步方式。由于這些部件均應(yīng)用模塊化設(shè)計理念，因而實現(xiàn)了能滿足各種需求的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

2.1.4 MT模塊化設(shè)計的發(fā)展方向

雖然在國際市場上，不同國家及地區(qū)對車輛的使用要求都各不相同，但通過應(yīng)用模塊化設(shè)計理念，就能在確保MT基本品質(zhì)的前提下，為不同的市場提供最佳的產(chǎn)品，同時也進(jìn)一步降低成本。今后，在持續(xù)不斷的組件開發(fā)過程中，仍要設(shè)計并生產(chǎn)適應(yīng)多機種要求的變速器產(chǎn)品，并力求縮短開發(fā)周期，降低成本，為提高客戶的滿意度作出貢獻(xiàn)。

3 結(jié)語

當(dāng)前，汽車制造商的系統(tǒng)研發(fā)方式正逐漸由傳統(tǒng)的同型號車輛或單元范圍內(nèi)的部件及功能單元模塊化（即所謂“技術(shù)平臺策略”），向涵蓋各種單元的“模塊化策略”方向發(fā)展。

今后，Aisin集團(tuán)將依照模塊化研發(fā)策略，為力求拓展公司業(yè)務(wù)，切實掌握未來的汽車發(fā)展趨勢，提出具有前瞻性的設(shè)計藍(lán)圖。在此基礎(chǔ)上，還須充分運用集團(tuán)下屬各公司的先進(jìn)技術(shù)，實施聯(lián)手合作，推進(jìn)產(chǎn)品的模塊化設(shè)計，為汽車制造商持續(xù)提供更多具有商品魅力的變速器產(chǎn)品。