AT變速器新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)(上)

◆文/北京 薛慶文

一、背景分析

從大環(huán)境背景來看，汽車毫無疑問已經(jīng)成為百姓日常出行的代步工具，而我國也已進(jìn)入汽車產(chǎn)銷大國的行列。在全球氣候環(huán)境變化的背景下，機(jī)動(dòng)車數(shù)量的不斷增多勢(shì)必會(huì)影響大氣環(huán)境，因此新能源車輛一定是未來發(fā)展趨勢(shì)，但是純電動(dòng)的電動(dòng)機(jī)壽命、蓄電池充電與回收、續(xù)航里程、安全等眾多因素還在制約其發(fā)展步伐。這使得非插電混動(dòng)和插電混動(dòng)車輛在燃料車和電動(dòng)車過渡期間迅速增量。當(dāng)然燃料車的停止生產(chǎn)還沒有提到具體的日程上來，在這種情況下汽車傳動(dòng)領(lǐng)域的變速器技術(shù)如何發(fā)展？在環(huán)保要求下汽車自動(dòng)變速器技術(shù)一定要走創(chuàng)新化發(fā)展道路，節(jié)能、環(huán)保、高效、智能、降噪、輕量化、舒適等是主流方向。由于國內(nèi)車型相對(duì)較多，自動(dòng)變速器類型的匹配還處于百花爭鳴階段，因此AT、CVT、DCT、EVT/HVT各有優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)前景仍舊廣闊。現(xiàn)階段，由于AT技術(shù)已經(jīng)成熟，因此其市場(chǎng)份額還是排在首位，下面我們就分析一下AT變速器近年來在新技術(shù)方面的突破和創(chuàng)新。

二、AT變速器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

無論在當(dāng)下還是未來，AT變速器一定還是要走多擋位路線，AT變速器作為最為傳統(tǒng)類型的一款有級(jí)自動(dòng)變速器，已經(jīng)有超過100多年的歷史，而電子控制技術(shù)也有近40年的歷史?，F(xiàn)如今AT變速器擋位數(shù)已經(jīng)達(dá)到10個(gè)前進(jìn)擋位，因此無論是低端家庭用車還是中高端以上車型，我們都很難再看到新車搭載4AT或5AT的變速器。2018年5月，吉利和廣汽與全球知名的自動(dòng)變速器生產(chǎn)廠家日本愛信簽約，為滿足市場(chǎng)小排量低端車型的需求，將愛信公司生產(chǎn)的一款6AT生產(chǎn)線拿到國內(nèi)進(jìn)行量產(chǎn)，從這一信息來看，未來幾年國內(nèi)低端小排量車型，在AT變速器選擇上一定

會(huì)以6AT為主，同時(shí)國內(nèi)東安傳動(dòng)的6AT也在不斷增大生產(chǎn)量，以滿足更多品牌的需求，目前6AT在國內(nèi)主流車型當(dāng)中裝車量還是排在首位的。而中高端車型裝車量最多的是8AT，幸運(yùn)的是山東盛瑞傳動(dòng)已經(jīng)開發(fā)出自己的8AT，且已成功搭載國內(nèi)多個(gè)自主品牌車型。7AT僅僅在奔馳、尼桑、英菲尼迪等品牌車型中使用。自2013年德國采埃孚的第一個(gè)9AT出現(xiàn)后并沒有帶動(dòng)更多自動(dòng)變速器企業(yè)生產(chǎn)9AT變速器，目前也只有奔馳和通用兩個(gè)品牌有自己的9AT，也就是奔馳的725.0和通用的GF9(9T45E/50E)兩個(gè)系列型號(hào)。不過，2016年本田、愛信、福特和通用，又開發(fā)出10AT，目前已經(jīng)大量裝車。在國內(nèi)現(xiàn)行道路情況(一級(jí)高速公路最高時(shí)速120km/h)10個(gè)前進(jìn)擋已經(jīng)足夠用了。擋位數(shù)越多傳動(dòng)范圍就越寬，因此燃油經(jīng)濟(jì)性就越好、舒適性也就越優(yōu)。但由于換擋點(diǎn)數(shù)量多了，變速器內(nèi)部元件數(shù)量少了，因此控制上越來越復(fù)雜，部件的高頻率工作帶來的是總程使用壽命的縮短。接下來我們一起看看AT變速器的新技術(shù)發(fā)展情況。

1.換擋模式

目前大部分搭載AT變速器的車輛，無論是轎車還是SUV車輛，其換擋模式都采用經(jīng)濟(jì)模式(E模式)，按照大多數(shù)駕駛員的駕駛習(xí)慣，1/4油門開度，相當(dāng)于25%節(jié)氣門開度駕駛，相鄰兩擋之間的切換(升擋)能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 200～2 000r/min之間完成，低轉(zhuǎn)速下?lián)Q擋及低轉(zhuǎn)矩下?lián)Q擋，既可以提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性，也提高了駕駛舒適性，這是因?yàn)橛懈鼘挼膫鲃?dòng)范圍和更多的傳動(dòng)比選擇，因此計(jì)算機(jī)中換擋曲線的傳動(dòng)比切換點(diǎn)(換擋點(diǎn))就是按照E模式編程的(圖1)。而過去傳統(tǒng)4AT按照同樣的駕駛方式，至少要在2 400～3 000r/min之間來完成升擋過程，由于僅有3個(gè)升擋點(diǎn)的選擇，因此就會(huì)出現(xiàn)有一部分發(fā)動(dòng)機(jī)輸出效率在高轉(zhuǎn)速下是浪費(fèi)的。

圖1 AT變速器的換擋曲線圖

2.變矩器離合器控制模式

多擋位AT變速器由于傳動(dòng)范圍寬，且有更多的傳動(dòng)比選擇，因此變矩器離合器(TCC)控制可以完全在低速擋位得以應(yīng)用。所以我們?cè)趯?shí)際維修中看到大部分轎車TCC的閉鎖控制提前到1擋上或2擋開始鎖止，而更多的SUV車型也至少在3擋TCC開始工作，有的可以在2擋鎖止(圖2)。這樣大大提高了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)ATF溫度也不容易過高。為了保證每個(gè)換擋點(diǎn)上的舒適性，TCC鎖止控制油路已經(jīng)形成線性高頻率控制，且在換擋點(diǎn)上TCC在控制方面還要盡量實(shí)現(xiàn)解鎖控制，也就是TCC不能從開始的上鎖就一直鎖住不變化，在換擋點(diǎn)上通過一部分的解鎖控制，以使換擋點(diǎn)變得柔和舒適。弊端就是TCC工作頻次太高導(dǎo)致TCC部件壽命縮短。

圖2 液力變矩器TCC閉鎖控制

3.起停模式

車輛在停車等信號(hào)燈過程當(dāng)中，由于時(shí)間問題而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的工作是浪費(fèi)的，在AT變速器中，如果停車時(shí)選擋桿依然停留在動(dòng)力擋位上，那么發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率又全部消耗在ATF當(dāng)中，且形成大量熱能。這不僅帶來變速器ATF溫度過高等問題，關(guān)鍵是會(huì)影響車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。在這種情況下有個(gè)別車采用“停車回空擋功能”，也就是說，雖然選擋桿在D擋位置，但變速器電腦卻通過電磁閥將內(nèi)部元件的油路切換到空擋位置，也相當(dāng)于把選擋桿掛在了N擋位置，不過這樣雖然能夠改善一點(diǎn)點(diǎn)燃油經(jīng)濟(jì)性，變速器ATF也不容易高溫，但畢竟發(fā)動(dòng)機(jī)依然還在做無用功，因此“起停功能”就出現(xiàn)了。

當(dāng)“起停功能”被執(zhí)行時(shí)，在前進(jìn)擋停車后等信號(hào)燈時(shí)，無需改變選擋桿位置，只要保持腳踩住剎車即可，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)再次起步時(shí)，右腳離開剎車踏板去踩油門踏板時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)被再次重新啟動(dòng)，車輛將直接繼續(xù)行駛。這里值得一提的是：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)被關(guān)閉后，自動(dòng)變速器也停止運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)由于變速器油泵停轉(zhuǎn)使得變速器內(nèi)部沒有任何油壓，如果沒有存儲(chǔ)油壓或不能通過其他途徑提前提供工作油壓，那么在發(fā)動(dòng)機(jī)再次啟動(dòng)前后動(dòng)力流會(huì)出現(xiàn)延后，也就是說只有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)變速器油泵才隨之轉(zhuǎn)動(dòng)生成系統(tǒng)油壓，發(fā)動(dòng)機(jī)至變速器之間才能形成動(dòng)力連接，這樣一定會(huì)產(chǎn)生時(shí)間差。因此在“起停功能”控制要求中勢(shì)必通過起停泵(蓄壓泵)、起停輔助油泵(電泵)或起停電機(jī)(大功率電磁閥)等核心部件，來完成發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉和再次被啟動(dòng)之間的液壓油路的無縫對(duì)接過程，就不會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。接下來大家一起看一下奧迪0BK自動(dòng)變速器起停功能的工作原理。

三、奧迪0BK變速器的起停功能

起步停車功能首次應(yīng)用在奧迪V6 3.0 TDI發(fā)動(dòng)機(jī)與自動(dòng)變速器的動(dòng)力組合上。起步停車功能對(duì)自動(dòng)變速器提出了特別的挑戰(zhàn)。在起步停車模式下，要求起步響應(yīng)時(shí)間很短。為了不出現(xiàn)明顯的啟動(dòng)延遲，發(fā)動(dòng)機(jī)和自動(dòng)變速器必須在350ms內(nèi)就做好啟動(dòng)準(zhǔn)備。如果自動(dòng)變速器沒有經(jīng)過相應(yīng)的設(shè)計(jì)并對(duì)供油系統(tǒng)采取適當(dāng)措施，無法達(dá)到這樣的要求。

啟用起步停車模式時(shí)的問題：在關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，變速器內(nèi)也停止供油(油泵停轉(zhuǎn))。此時(shí)所在擋位的換擋元件打開，動(dòng)力嚙合被中斷。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，變速器內(nèi)必須恢復(fù)動(dòng)力嚙合，從而做好啟動(dòng)準(zhǔn)備。對(duì)于8速0BK自動(dòng)變速器來說，就意味著必須閉合3個(gè)換擋元件。發(fā)動(dòng)機(jī)加速時(shí)，由ATF泵供應(yīng)的油量不足以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)向換擋元件施壓，從而無法產(chǎn)生足夠的動(dòng)力嚙合。原則上可以通過合理設(shè)計(jì)ATF泵來達(dá)到這個(gè)要求。然而這樣的泵往往會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生巨大的動(dòng)力損失。為此在奧迪0BK變速器上使用一個(gè)液壓脈沖式儲(chǔ)油罐(HIS)，相當(dāng)于一個(gè)容積較大的蓄壓裝置，并由電腦來實(shí)施管理過程，這樣就解決了起停模式下的問題(圖3)。

圖3 帶有起停功能的HIS

液壓脈沖式儲(chǔ)油罐(HIS)是一種高效的解決方案。HIS是一個(gè)專用的儲(chǔ)油罐，帶有電子機(jī)械式鎖緊裝置。它的作用是瞬間為換擋元件提供可傳輸?shù)膲毫?。利用HIS可以將起步響應(yīng)時(shí)間控制在350ms以內(nèi)(比松開剎車踩到油門的時(shí)間還要短)，做到無縫對(duì)接(圖4)。

圖4 帶有起停功能HIS的優(yōu)勢(shì)

1.HIS的結(jié)構(gòu)和功能

HIS由彈簧活塞式儲(chǔ)油罐、一個(gè)電子機(jī)械式鎖緊裝置(儲(chǔ)壓器電磁閥N485)和一個(gè)單向節(jié)流閥組成(圖5)。彈簧活塞式儲(chǔ)油罐由活塞、液壓缸和鋼制彈簧組成。電磁閥N485的作用是保持活塞處于預(yù)漲緊狀態(tài)(N485通電)。彈簧活塞式儲(chǔ)油罐在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)“加壓”。在起步時(shí)，電磁閥N485被斷電，所儲(chǔ)存的油在彈力作用下壓入液壓控制裝置(泄壓)。這樣當(dāng)ATF泵開始泵油時(shí)，換擋元件就已經(jīng)被施加油壓。因此HIS就幫助ATF泵在瞬間形成高壓。當(dāng)泵提供足夠壓力的時(shí)候，HIS所產(chǎn)生的壓力和ATF所產(chǎn)生的壓力發(fā)生疊加。此時(shí)活塞式儲(chǔ)油罐開始增壓。為了避免增壓影響進(jìn)一步形成高壓，限制流向活塞彈簧式儲(chǔ)油罐的流量，這個(gè)工作由單向節(jié)流閥來完成。增壓過程約5s(溫度為20℃情況下)，時(shí)間非常短，不會(huì)影響起步停車功能。

圖5 排空狀態(tài)的HIS儲(chǔ)油罐(基本結(jié)構(gòu))

機(jī)電鎖定單元包括一個(gè)低電流電磁閥、一個(gè)帶磁芯和若干球頭的彈簧式鎖止器。鎖止器上有一個(gè)鎖止機(jī)構(gòu)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行且自動(dòng)變速器油 (ATF) 油泵產(chǎn)生壓力時(shí)，鋼珠會(huì)在HIS填充過程中將其定位(圖6)。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，ATF油泵產(chǎn)生壓力，單向限流器讓受控的ATF流量作用在活塞上。

ATF壓力將活塞移動(dòng)至蓄能器缸筒內(nèi)?；钊系逆i緊環(huán)穿過此時(shí)位于鎖止器鎖銷中的球頭(因?yàn)殒i子球剛好在凹槽中不影響HIS活塞的繼續(xù)移動(dòng))，如圖7所示。

圖6 啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后充壓開始

圖7 繼續(xù)充油過程

隨著活塞繼續(xù)移動(dòng)，鎖止器中心的彈簧使鎖緊筒和磁鐵芯向電磁閥繞組移動(dòng)，進(jìn)入最終完全充注位置(圖8)。通電電磁閥支撐磁鐵芯而球頭通過鎖止器運(yùn)動(dòng)從鎖銷處升起(鎖止球離開凹槽位置)，在充注位置鎖定活塞。HIS現(xiàn)已機(jī)電鎖定，且為發(fā)動(dòng)機(jī)停止做好準(zhǔn)備。

圖8 HIS充分充壓活塞到達(dá)終點(diǎn)位置

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，ATF泵也被停止，且ATF壓力消失。作用在活塞上的壓力也消失?；钊射撝楸３衷阪i定位置(圖9)。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中液壓填充所需能量存儲(chǔ)在漲緊的活塞彈簧上。電磁閥仍處于通電狀態(tài)，以固定活塞上的鎖止器且使球頭離開鎖銷(凹槽)，以鎖定活塞。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)儲(chǔ)油罐內(nèi)充滿油液

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)重新啟動(dòng)時(shí)(圖10)，N485電磁閥斷電，啟動(dòng)解鎖過程。松開磁鐵芯，鎖止器在彈簧壓力下向活塞移動(dòng)。鎖止球進(jìn)入鎖止器中的鎖銷中(凹槽中)，松開活塞?；钊趶椈蓮椓ο乱苿?dòng)，釋放ATF容量。單向節(jié)流閥完全打開，以允許ATF從蓄能器汽缸暢通地流至變速器殼體，該過程在300～350ms間完成。一旦啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，ATF泵產(chǎn)生液流和壓力，盡快使變速器換擋元件盡快實(shí)現(xiàn)無縫嚙合。

圖10 重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)(HIS泄壓)

2.空擋滑行模式

最早是不允許自動(dòng)變速器車輛在高速路或下坡路進(jìn)行空擋滑行操作的，而駕駛者這種動(dòng)作是為了節(jié)油，其實(shí)在控制方面即便大家把選擋桿掛到N擋位置，在滑行過程也不能省油，原因是發(fā)動(dòng)機(jī)電腦該怎么噴油還照樣怎么噴油，絕不會(huì)因?yàn)檫x擋桿掛在N擋位置就減少噴油量，同時(shí)這種操作形成習(xí)慣后，容易導(dǎo)致變速器機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)部件因得不到良好的潤滑而加劇磨損，久而久之導(dǎo)致變速器機(jī)械部件提前損壞。不過在今天新技術(shù)成熟的條件下，由電腦執(zhí)行的“空擋滑行模式”出現(xiàn)了。

搭載采埃孚8擋自動(dòng)變速器0D5的奧迪車型首次引入怠速滑行模式，這是與傳統(tǒng)的變矩器自動(dòng)變速器相結(jié)合的成果。一旦滿足運(yùn)行條件，在170～40km/h的車速范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器之間的動(dòng)力傳遞就會(huì)斷開，這發(fā)生在掛入5～8擋時(shí)。車輛利用怠速時(shí)的運(yùn)動(dòng)能量，在沒有發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)作用的情況下滑動(dòng)，這樣可以在上述車速范圍內(nèi)節(jié)省燃油。在怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)以怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，擋位顯示中仍僅顯示D擋、E擋或M擋，不會(huì)顯示具體的擋位。變速器的每個(gè)擋位分別需要3個(gè)換擋元件來產(chǎn)生動(dòng)力嚙合。由于5-8擋需要離合器D，因此它是怠速模式的分離元件，根據(jù)車速通過關(guān)閉相應(yīng)的換擋元件來跟蹤擋位。擋位跟蹤的特點(diǎn)之一是不涉及到7擋，由于在離合器D分離、制動(dòng)器A和離合器C接合時(shí)，變速器轉(zhuǎn)速可能達(dá)到臨界，因此在擋位跟蹤時(shí)不會(huì)選擇7擋。在8擋怠速模式下，會(huì)盡可能保持該擋位，以便直接切換至6擋。駕駛員在怠速狀態(tài)下踩下油門，可以感覺到應(yīng)答性能延時(shí)，因?yàn)樵诩磳⒓铀偾埃x合器D必須接合。

3.運(yùn)行條件

(1)怠速模式必須在信息娛樂系統(tǒng)中激活；(2)必須選擇D擋或高效模式；(3)車速在55～160km/h 之間；(4)斷油滑行模式(不踩下油門踏板)；

(5)上坡＜3%且下坡＜4%，路面傾斜度通過制動(dòng)器電子裝置的縱向加速度傳感器探測(cè)；

(6)車速調(diào)節(jié)裝置未激活，例外：帶PEA(預(yù)測(cè)式高效駕駛輔助系統(tǒng))的ACC(自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng))， 詳見下一點(diǎn)；

(7)受PEA的影響(選裝，視市場(chǎng)而定)，PEA利用導(dǎo)航系統(tǒng)的線路數(shù)據(jù)，在同樣是選裝的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的共同作用下，在車速調(diào)節(jié)裝置激活狀態(tài)下，PEA能夠根據(jù)情況激活怠速模式；

(8)對(duì)于D擋：駕駛員采用經(jīng)濟(jì)的駕駛方式，緩慢松開油門踏板，如果駕駛員迅速松開油門踏板，將無法進(jìn)入怠速模式，對(duì)于高效模式：駕駛員松開油門踏板。

4.關(guān)閉條件

(1)下坡或上坡＞10%；

(2)車速＞170km/h或＜40km/h；

(3)踩下制動(dòng)或油門踏板；

(4)選擇S擋；

(5)通過tiptronic換擋槽或tiptronic開關(guān)Tip-激活tiptronic模式；

(6)車速調(diào)節(jié)裝置激活，定速巡航裝置開啟、但車速調(diào)節(jié)裝置未激活時(shí)，不符合關(guān)閉條件，例外：帶PEA(預(yù)測(cè)式高效駕駛輔助系統(tǒng))的ACC(自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng))，詳見下一點(diǎn)；

(7)PEA 利用導(dǎo)航系統(tǒng)的線路數(shù)據(jù)，在同樣是選裝的ACC的共同作用下，PEA 能夠根據(jù)情況中斷怠速模式的激活。這取決于車速。例如，當(dāng)車輛位于小區(qū)或環(huán)形道路前面并直接駛過時(shí)，當(dāng)車輛駛近其他道路使用者時(shí)，也會(huì)中止怠速模式。