基于專利申請的國內(nèi)外自動變速器研究熱點(diǎn)分析

劉騰達(dá)，高玉江，劉洋

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300000)

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基于專利申請的國內(nèi)外自動變速器研究熱點(diǎn)分析

劉騰達(dá)，高玉江，劉洋

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300000)

分析了當(dāng)前自動變速器的發(fā)展現(xiàn)狀以及當(dāng)前應(yīng)用廣泛的自動變速器類型，對比分析國內(nèi)外自動變速器專利申請內(nèi)容的熱點(diǎn)，從國內(nèi)外專利申請研究方向了解針對車輛自動變速器的換擋時機(jī)、換擋策略以及燃油節(jié)能技術(shù)問題的解決辦法。

自動變速器；專利申請；研究熱點(diǎn)

0　引言

汽車自動變速器作為汽車動力傳遞系統(tǒng)的重要部分，其任務(wù)是改善駕駛性能、提高行駛舒適性和方便使用、提高可靠性和使用壽命、降低質(zhì)量和減小安裝空間、提升效率、降低成本，以及最重要的降低燃油消耗率和污染排放物。當(dāng)前隨著適用于各個領(lǐng)域的車輛不斷擴(kuò)大，針對不同類型的車輛應(yīng)用，當(dāng)前變速器出現(xiàn)了多樣性的發(fā)展，出現(xiàn)了手動變速器(MT)、機(jī)械式自動變速器(AMT)、雙離合變速器(DCT)、傳統(tǒng)式自動變速器(AT)、無級變速器(CVT)和混合動力驅(qū)動裝置。1990年以前存在的“黑與白”——手動與自動兩分天下的局面已經(jīng)不存在。

在汽車變速器領(lǐng)域的技術(shù)革新中，電學(xué)和電子學(xué)、執(zhí)行器技術(shù)和傳感器技術(shù)起到了重要的作用，控制軟件決定著變速器系統(tǒng)的許多功能能否實(shí)現(xiàn)。車輛電子技術(shù)的一體化將各個相對獨(dú)立的車輛電子控制單元合為一體，這也是車輛自動變速器的發(fā)展趨勢。

1　變速器的類型

車輛變速器經(jīng)歷了長遠(yuǎn)的發(fā)展過程，出現(xiàn)了多種類型的變速器(見表1)。

表1　變速器類型

當(dāng)前乘用車中應(yīng)用最廣泛的自動變速器主要有3類：液力自動變速器(AT)、機(jī)械式自動變速器(AMT)和無級自動變速器(CVT)。

1.1液力自動變速器

AT變速器是當(dāng)前轎車中廣泛采用的一種變速器，其構(gòu)成包括液力變矩器(見圖1)、行星齒輪機(jī)構(gòu)以及電子液壓控制系統(tǒng)。由于液力變矩器變速變矩范圍不夠大，在液力變矩器動力傳遞路線后加裝行星齒輪變速傳動結(jié)構(gòu)，可以有效地提高傳動效率，而液壓系統(tǒng)則根據(jù)發(fā)動機(jī)工況變化自動操控行星齒輪機(jī)構(gòu)的組合，以實(shí)現(xiàn)不同的速度傳遞等級。其優(yōu)勢在于換擋時間短、沖擊小、起步平穩(wěn)，尤其是實(shí)現(xiàn)車輛快速起步時，為了快速達(dá)到車輛穩(wěn)定起步的目的，通過鎖止離合器將發(fā)動機(jī)曲軸輸出端與行星齒輪機(jī)構(gòu)直接結(jié)合，動力傳遞系統(tǒng)不經(jīng)過液力變矩器而成為直接的機(jī)械傳動，可以達(dá)到快速啟動。在車速達(dá)到一定值后，再通過液力變矩器進(jìn)行動力傳動，以獲得車輛動力的穩(wěn)定傳遞。液力變矩器對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩變化適應(yīng)性強(qiáng)，換擋時沖擊感小，舒適性較高，其不足之處在于由于是液壓傳動，傳動效率偏低。通過發(fā)動機(jī)曲軸帶動液力變矩器泵輪轉(zhuǎn)動，泵輪帶動工作腔中油液旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)渦輪的轉(zhuǎn)動，而泵輪與渦輪的轉(zhuǎn)速特性(見圖2)直接影響到行星齒輪機(jī)構(gòu)的輸入。

行星齒輪變速機(jī)構(gòu)主要包括辛普森式行星齒輪變速器和拉維納(Ravigneaux)行星齒輪變速器，由于轉(zhuǎn)矩被分配到幾個嚙合點(diǎn)上，因此行星齒輪機(jī)構(gòu)的功率密度大。同時上述類型自動變速器所占空間的很大一部分是換擋離合器和制動器所占據(jù)的空間，若干個擋位采用了單個的齒輪，傳動比選擇受到限制，各個行星齒輪被布置成一排，意味著變速器的體積增大。

1.2機(jī)械式自動變速器

機(jī)械式自動變速器(AMT)是在手動變速器的基礎(chǔ)上，采用電子裝置以及液壓執(zhí)行裝置對變速器換擋機(jī)構(gòu)進(jìn)行操縱控制(見圖3)，將手動變速器的高效率與自動變速器的操作方便性相結(jié)合。通過車輛ECU來操縱變速器中的離合器和換擋桿，使離合器根據(jù)ECU發(fā)出的信號，利用液壓執(zhí)行裝置對相應(yīng)擋位位置進(jìn)行變換，實(shí)現(xiàn)車輛有級機(jī)械變速器的自動選換擋。電子控制系統(tǒng)通過與高效的換擋策略相結(jié)合，能夠有效降低燃油消耗。然而盡管實(shí)現(xiàn)了自動變換擋位，但是其換擋平穩(wěn)性并不高，舒適性較差，換擋時沖擊感、頓挫感明顯，同時由于需要采集的信號參量較多，在換擋過程中離合器與加速踏板的操作必須協(xié)調(diào)配合才能使換擋時間短、沖擊小，其控制難度較大。鑒于此，目前在AMT變速器策略中不僅僅將車速與油門開度二元參數(shù)作為換擋時機(jī)的考慮因素，越來越多的研究人員將人-車-路三元參數(shù)結(jié)合起來，通過ECU將駕駛?cè)藛T因素、路況因素、車況因素結(jié)合起來，綜合得出換擋時機(jī)，進(jìn)一步提高了AMT變速器的使用性能。

1.3無級自動變速器

CVT變速器沒有傳統(tǒng)MT的齒輪傳動機(jī)構(gòu)，而是通過V形金屬帶和工作直徑可調(diào)節(jié)的主、從動帶輪實(shí)現(xiàn)變速級的調(diào)節(jié)，它能夠在一個很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳動比的連續(xù)變化。圖4是常見的CVT變速器的一般控制結(jié)構(gòu)：發(fā)動機(jī)動力通過曲軸輸出到主動帶輪，主動帶輪具有一個固定盤和一個位置可調(diào)的可動盤，固定盤與位置可調(diào)的可動盤之間設(shè)置有傳遞動力的金屬帶，利用液壓系統(tǒng)對可動盤中的油液壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，來改變固定盤與可動盤之間的軸距，從而改變金屬帶的工作半徑。CVT變速器相比有級變速的其他變速器類型有著不可比擬的靈活性，特別是在調(diào)速比、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)化等方面，可以通過軟件標(biāo)定來實(shí)現(xiàn)，使發(fā)動機(jī)一直工作在最佳轉(zhuǎn)速上，其節(jié)能效果非常明顯。但是其傳遞的扭矩有限，應(yīng)用范圍受到限制；同時由于采用金屬帶傳動，在使用中不可避免地會出現(xiàn)滑移情況，同時需要對帶輪夾緊力與速比進(jìn)行持續(xù)的調(diào)節(jié)與控制，液壓能量損耗很大，使發(fā)動機(jī)的能量消耗較多。目前CVT自動變速器在日本市場最為廣泛。

2　國外發(fā)明專利申請中自動變速器研究熱點(diǎn)

國外對自動變速器的研發(fā)較早、投入較多，其中自動變速器的研發(fā)較為先進(jìn)。隨著車輛變速器技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的國外公司在中國關(guān)于自動變速器的專利申請量與日俱增，圖5是國內(nèi)外部分車輛企業(yè)在國內(nèi)的專利總的申請量?？梢钥闯觯好绹ㄓ闷嚬?、日本日產(chǎn)自動車株式會社、豐田自動車株式會社、本田技研株式會社、羅伯特·博世有限公司、現(xiàn)代自動車株式會社的申請量相對較大，國內(nèi)的車輛企業(yè)包括奇瑞汽車股份有限公司、長城汽車股份有限公司、比亞迪股份有限公司以及北汽福田汽車股份有限公司的申請量也很大。由于國內(nèi)與國外針對車輛的技術(shù)問題存在不同的側(cè)重點(diǎn)，其專利申請技術(shù)方向也會有相對的傾斜。關(guān)于自動變速器方面的技術(shù)研究的專利申請?jiān)诟髯攒嚻罂偟纳暾埩康恼急纫妶D6?？梢钥闯觯簢廛嚻髮＠暾堉凶詣幼兯倨飨嚓P(guān)專利申請?jiān)诟髯詫＠暾埧偭恐姓急容^高的有美國通用汽車、加特可株式會社、愛信愛達(dá)株式會社、舍弗勒技術(shù)股份兩合公司、ZF腓德烈斯哈芬股份公司，其中尤其是加特可株式會社作為在變速器領(lǐng)域中占比很大的自動變速器制造商，它在自動變速器的研究方面一直處于

領(lǐng)先的位置；國內(nèi)的自動變速器申請量占比較高的是盛瑞傳動股份有限公司和重慶青山工業(yè)有限責(zé)任公司，它們在專利申請中涉及自動變速器的占比甚至已經(jīng)超越國外車企的占比。

美國通用公司的大量發(fā)明專利申請集中在自動變速器的整體控制以及變速換擋控制方面。針對自動變速器的整體技術(shù)改進(jìn)特別是自動變速器的液壓控制領(lǐng)域，利用ETRS系統(tǒng)接收車輛ECU發(fā)送的車輛狀態(tài)信號，將壓力調(diào)節(jié)子系統(tǒng)即用來為車輛提供油液的系統(tǒng)的增壓油壓提供給潤滑子系統(tǒng)、變矩器離合子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)，通過與TCU系統(tǒng)的配合實(shí)現(xiàn)各個擋位的離合器和制動器的組合配置，實(shí)現(xiàn)至少一個前進(jìn)擋和至少一個倒擋速比控制；在實(shí)現(xiàn)這種控制的液壓系統(tǒng)中，同時結(jié)合了車輛液壓駐車鎖止控制，將電子控制技術(shù)與液壓控制技術(shù)極致配合，這是當(dāng)前對自動變速器大致結(jié)構(gòu)不發(fā)生變動的情況下，通過改變液壓控制方式來實(shí)現(xiàn)對自動變速器控制技術(shù)改進(jìn)的研究。同時通用汽車針對車輛起-?？刂频难芯恳草^多，在車輛啟動事件發(fā)生期間，駕乘人員會有加速之前的駕駛延遲感，而在日常城市道路行駛中又會遇到較多的停車事件時，此刻制動器被抬起，加油踏板被踩下，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速提升，且變矩器的耦合程度和通過變速器的扭矩傳遞迅速增加，發(fā)動機(jī)必須先和曲柄重新啟動。發(fā)動機(jī)的啟動次序和速度爬升是造成發(fā)動機(jī)動作和加速延遲的主要原因，而一些延遲是由于無法快速建立通過變矩器的流體耦合器的扭矩通過量引起的，特別是之前到變矩器的輸入以及因此到變矩器泵輪的輸入由于發(fā)動機(jī)的停止而引起。該類技術(shù)問題在當(dāng)前領(lǐng)域中一般通過設(shè)置電子泵以及蓄能器的方式，在車輛停止事件發(fā)生時，利用輔助液壓源來實(shí)現(xiàn)提前提升壓力以及備用液壓源的方式解決，而通用汽車專利申請中針對該類型的技術(shù)問題解決通過對鎖止離合器的通斷和滑移量控制來實(shí)現(xiàn)，對在車輛起-停中涉及的離合器、制動器以及鎖止離合器的接合時機(jī)和接合次序做出改進(jìn)，從而從不增加其他輔助設(shè)備、節(jié)省成本的角度解決了該類技術(shù)問題。同時通用汽車針對在自動變速器液壓控制中車輛的誤掛倒擋、停車怠速控制以及變速器內(nèi)部離合器、制動器的控制提出了多種解決方式。

日本加特可株式會社專利申請中自動變速器占比量最高，它也是世界最大的自動變速箱生產(chǎn)廠家之一，為大多數(shù)著名車輛企業(yè)如日產(chǎn)、三菱、鈴木、德國大眾、馬自達(dá)等提供自動變速器，在自動變速器的研究方面也處于領(lǐng)先地位，特別是CVT自動變速器。加特可株式會社在車輛自動變速器的換擋中減小沖擊、降低頓挫感等方面進(jìn)行了深入的研究。車輛在行駛中會根據(jù)路況不斷地進(jìn)行擋位變換，由于車輛前進(jìn)與后退擋齒輪旋轉(zhuǎn)方向不同，在換擋時為了避免沖擊的產(chǎn)生而設(shè)置延遲時間來結(jié)合摩擦元件。但是從空擋換到前進(jìn)擋與從后退擋換到前進(jìn)擋不同：從空擋換擋到前進(jìn)擋時，由于空擋不存在摩擦元件旋轉(zhuǎn)的問題，也就不存在沖擊問題，此時摩擦元件的結(jié)合并不需要延遲；而由倒擋變換前進(jìn)擋時，由于齒輪轉(zhuǎn)向的不同，為了避免沖擊此時才需要延遲設(shè)置。針對該問題，加特可利用換擋手柄位置變換到前進(jìn)擋之前的位置保持時間進(jìn)行計時，通過與設(shè)定閥值比較的方式，結(jié)合變速器的輸入轉(zhuǎn)速和手柄位置變換信號來判斷換入前進(jìn)擋之前手柄位置在前進(jìn)擋還是在空擋，從而決定是否執(zhí)行摩擦元件的延時控制，來減小沖擊頓挫感。同時加特可株式會社針對CVT自動變速器提出了更為復(fù)雜的雙級變速結(jié)構(gòu)即在通過帶輪實(shí)現(xiàn)無級變速的情況下，設(shè)置副變速機(jī)構(gòu)，來擴(kuò)大可獲取的變速范圍。在該變速機(jī)構(gòu)的研究方面，絕大多數(shù)專利申請均是加特可株式會社，其他自動變速器生產(chǎn)商較少涉及。針對具有雙級變速的CVT自動變速器，為了解決行駛換擋中慣性扭矩帶來的沖擊、頓挫感，依據(jù)節(jié)氣門開度、車速、變速器變速比將車輛分為低速模式與高速模式，低速模式具有低速模式最低線與低速模式最高線，高速模式具有高速模式最低線和高速模式最高線，同時低速模式與高速模式在某一范圍內(nèi)具有重合區(qū)域，在該重合區(qū)域內(nèi)的擋位變化的沖擊頓挫減小。這種從自動變速器控制方式來解決降低沖擊感、提高舒適性的方式與通過調(diào)節(jié)油壓來改變摩擦元件的方式相比，能夠更有效地解決問題。同時加特可株式會社針對降低自動變速器體積、燃油消耗率，換擋時機(jī)的判斷，坡道起步控制等問題，從駕駛?cè)藛T操作、變速器轉(zhuǎn)速差、油水溫、計時判定、閾值比較等方式結(jié)合路況信息，給出較好的解決方案。

綜合上述國外兩家專利申請內(nèi)容的分析可以看出：國外變速器研究的熱點(diǎn)主要集中在變速器的軟件控制、換擋策略研究、診斷檢測控制三方面，著力解決當(dāng)前車輛中起步停車問題、換擋沖擊頓挫感問題以及燃油消耗問題。

3　國內(nèi)專利申請中自動變速器的研究方向

國內(nèi)自動變速器研究起步晚，技術(shù)相對落后，大量車輛的自動變速器均需要進(jìn)口，盡管當(dāng)前國內(nèi)廠家研發(fā)了一系列的自動變速器，但其核心控制技術(shù)特別是變速器TCU、ECU的控制技術(shù)與國外差距較大。國內(nèi)專利申請中涉及自動變速器技術(shù)的主要集中于重慶青山工業(yè)有限責(zé)任公司、盛瑞傳動股份有限公司以及部分高校包括北京理工大學(xué)、吉林大學(xué)等。

重慶青山工業(yè)有限責(zé)任公司是中國產(chǎn)銷規(guī)模最大、產(chǎn)品譜系最全的乘用車變速器專業(yè)企業(yè)，為中國長安汽車、上汽通用五菱、一汽集團(tuán)、二汽集團(tuán)、江淮公司、海馬公司供應(yīng)變速器，在國內(nèi)變速器企業(yè)中具有較強(qiáng)實(shí)力。重慶青山工業(yè)有限責(zé)任公司專利申請涉及自動變速器控制領(lǐng)域較少，大部分涉及換擋結(jié)構(gòu)、自動變速器特別是雙離合變速器結(jié)構(gòu)和方法。盛瑞傳動股份有限公司從事汽車自動變速器研發(fā)制造，其自主研發(fā)的世界首款前置前驅(qū)8擋自動變速器填補(bǔ)了國內(nèi)空白。該公司專利申請涉及換擋機(jī)構(gòu)的定位及機(jī)構(gòu)優(yōu)化，同時涉及自動變速器控制方法，著力于解決車輛換擋的操作便利性、誤掛擋等問題。近幾年針對自動變速器控制方法的申請量和申請質(zhì)量明顯提升，利用傳感器來測量液壓系統(tǒng)參數(shù)，調(diào)節(jié)摩擦元件的結(jié)合程度，以實(shí)現(xiàn)滑移量控制，與國外當(dāng)前的偏重于軟控制方向相近，而關(guān)于換擋機(jī)構(gòu)的優(yōu)化則更多地是通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)。

國內(nèi)高校專利申請中研究熱點(diǎn)集中在AMT換擋策略，其中吉林大學(xué)和北京理工大學(xué)在換擋策略中的換擋時機(jī)以及故障診斷方面提交了大量的專利申請，且申請質(zhì)量較高。綜合對國內(nèi)變速器專利申請的分析可以看出：國內(nèi)變速器專利申請中研究熱點(diǎn)集中在變速器的換擋策略及結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，著力于解決車輛換擋鎖止、誤掛擋、結(jié)構(gòu)改進(jìn)問題。

4　結(jié)束語

目前各國都針對汽車自動變速器現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題進(jìn)行深入研究，從專利申請內(nèi)容分析可以看出：國外研究的熱點(diǎn)集中在自動變速器的控制方法改進(jìn)中，通過軟件控制來解決車輛換擋沖擊、燃油節(jié)能問題；而國內(nèi)集中在換擋機(jī)構(gòu)的優(yōu)化與換擋策略的控制方面，來解決換擋沖擊、燃油節(jié)能問題。國內(nèi)與國外研究解決問題方式的差異與國內(nèi)自動變速器控制技術(shù)發(fā)展落后有直接的關(guān)系。在當(dāng)前自動變速器的迅速發(fā)展中，通過開發(fā)出新型變速器結(jié)構(gòu)來解決現(xiàn)有變速器中存在的問題還是具有很大難度。

【1】NAUNHEIMERH.汽車變速器理論基礎(chǔ)、選擇、設(shè)計與應(yīng)用[M].宋進(jìn)桂，龔宗洋,譯.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

HotspotsAnalysisforAutomaticTransmissionatHomeandAbroadBasedonApplicationofPatent

LIUTengda,GAOYujiang,LIUYang

(PatentExaminationCollaborationTianjinCenterofthePatentofficeSIPO,Tianjin300000,China)

Thedevelopmentoftheautomatictransmissionandthetypeofautomatictransmissionwereanalyzed.Theresearchhotspotsofautomatictransmissioninviewofpatentathomeandabroadwereanalyzedandcompared.Fromthedomesticandforeignpatentapplicationresearchdirection,thesolutionsforshiftingtiming,shiftingstrategyandfuelsavingtechnologyofautomatictransmissionwerefound.

Automatictransmission;Patentapplication;Researchhotspots

2016-04-17

劉騰達(dá)(1987—)，男，碩士，助理工程師，從事車輛自動變速器以及換擋結(jié)構(gòu)、方法的專利審查。E-mail：hbhsltd@163.com。

U463.212

A

1674-1986(2016)07-089-05