日本ZF公司9檔自動(dòng)變速器的開發(fā)

【日】 松田達(dá)雄

0 前言

日本ZF公司長期致力于后輪驅(qū)動(dòng)車型用的縱置變速器等產(chǎn)品的研發(fā)和制造。縱觀汽車市場，后輪驅(qū)動(dòng)（RWD）車的市場份額在下降，而前輪驅(qū)動(dòng)（FWD）車的需求卻在擴(kuò)大［1－2］。在此背景下，已開始投入對前輪驅(qū)動(dòng)車用橫置變速器的開發(fā)與制造。

1 開發(fā)理念

橫置變速器與縱置變速器不同，通常布置于車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，其總長受到較大限制。因此，開發(fā)變速器時(shí)，以當(dāng)前市場上出現(xiàn)的橫置變速器為基準(zhǔn)，應(yīng)使開發(fā)產(chǎn)品的外形、尺寸及質(zhì)量與基準(zhǔn)變速器相同或低于基準(zhǔn)變速器。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)一方面將重點(diǎn)放在改善燃油經(jīng)濟(jì)性，降低CO2排放上；另一方面要實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的動(dòng)力性能及舒適性。此外，還要求在價(jià)格上具有充分的市場競爭力。

2 變速器開發(fā)概況

在變速器的規(guī)劃階段，研究了無級變速器（CVT）、濕式雙離合變速器（DCT）、干式DCT和有級式自動(dòng)變速器。經(jīng)過尺寸、質(zhì)量及其他各種性能比較的仿真試驗(yàn)，最終選擇了有級自動(dòng)變速器開發(fā)方案：開發(fā)輸入扭矩280N·m和480N·m的兩種變速器。實(shí)際上，需求量較大的480N·m變速器已實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，該變速器總長為367mm，注入潤滑油后的總質(zhì)量為86kg（圖1）。圖2表示其質(zhì)量與輸入扭矩的關(guān)系。

3 變速器的結(jié)構(gòu)

圖1 9檔自動(dòng)變速器9HP-組裝（外殼）

圖2 質(zhì)量／扭矩的比較

作為改善燃油經(jīng)濟(jì)性與削減CO2排放的重要因素，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)在燃油耗較低的最佳范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，故要求變速器的多級化與大范圍的總級間比。根據(jù)后輪驅(qū)動(dòng)車用縱置變速器的實(shí)際開發(fā)情況，考慮相關(guān)參數(shù)要與8檔變速器多級化后相同或有所超越。基于減輕質(zhì)量的目的，應(yīng)該盡可能減少齒輪組及變速部件的數(shù)量，設(shè)定為具有4組行星齒輪組與6組變速部件的9檔變速器（圖3）。

為了將上述結(jié)構(gòu)要素在設(shè)計(jì)尺寸方面進(jìn)行反饋，形成該變速器的一大特征，即雙重組合行星齒輪組，并進(jìn)行緊湊地布置。此外，由于將6組換檔部件中的2組做成爪形離合器，以便能更緊湊地布置結(jié)構(gòu)部件（圖4）。作為其他的換檔部件，使用了兩組液壓式多片離合器及兩組液壓式多片制動(dòng)器，緊湊地布置了變速器其他結(jié)構(gòu)部件（圖5）。

圖3 行星變速器齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)——研究模型

圖4 齒輪組和爪形離合器

圖5 9檔自動(dòng)變速器——9HP變速器橫截面視圖

4 提高傳動(dòng)效率

為改善燃油經(jīng)濟(jì)性并降低CO2排放量，需要減少變速器的功率損失，進(jìn)而提高其傳動(dòng)效率。在變速器內(nèi)部，應(yīng)該減少齒輪組扭矩傳遞損失，使齒輪的每個(gè)齒面、每個(gè)輪齒最佳化，使效率與該公司的8檔變速器達(dá)到同一水平（圖6）。

圖6 9檔自動(dòng)變速器——9HP齒輪傳動(dòng)裝置效率比較

與變速器內(nèi)部扭矩?fù)p失相關(guān)的換檔部件也是重要因素。爪形離合器本身的扭矩?fù)p失，是無法與液壓式多片離合器、液壓式多片制動(dòng)器在斷開時(shí)的旋轉(zhuǎn)扭矩相提并論的，后者具有較小的扭矩?fù)p失。為降低液壓式多片離合器、液壓式多片制動(dòng)器斷開時(shí)的拖曳阻力力矩，應(yīng)使摩擦片的形狀最佳化。然而，由于無法完全消除拖曳阻力矩，所以，將斷開的液壓式多片離合器和液壓式多片制動(dòng)器的數(shù)量設(shè)定為3組以下。由于在高速級斷開爪形離合器，斷開狀態(tài)的液壓多片離合器和液壓式多片制動(dòng)器設(shè)定為1組，這樣可使拖曳阻力矩降至最低（圖7）。

圖7 選擇的概念

此外，自動(dòng)變速器為了進(jìn)行液壓控制，通常設(shè)有油泵。如從變速器的輸出考慮，可認(rèn)為油泵的驅(qū)動(dòng)扭矩是變速器內(nèi)部的扭矩?fù)p失。因此，由于油泵也使用與ZF公司8檔變速器具備同樣高效率的葉片泵，在整個(gè)旋轉(zhuǎn)工況下可以改善效率達(dá)10%以上（圖8）。此外，這種葉片泵不是裝配在輸入軸上，而是由于設(shè)定為皮帶驅(qū)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)軸錯(cuò)開，可以有效縮短變速器的總長（圖9）。

表1 選擇的概念

圖8 油泵效率

圖9 帶滾子鏈的葉片泵

5 行駛性能與舒適性

如表1所示，變速器9檔的總級間比較大，為9.81，能夠同時(shí)滿足優(yōu)異的起步性能與高速行駛需求。為滿足變速時(shí)的舒適性，各種齒輪變速檔采用密接變速比。在加速或減速時(shí)，根據(jù)當(dāng)時(shí)的加減速工況，可以實(shí)現(xiàn)面向最佳變速器排檔的超越式有級變速，相比6檔變速器，從起步加速至100km／h甚至高于100 km／h，時(shí)間減少了0.6s。此外，從起步到行駛了4s后的路程可延長2.5m。

由于采用了超高速傳動(dòng)比，與6檔變速器相比，能夠使120km／h巡航行駛時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低700 r／min左右，提高了高速行駛時(shí)的乘車舒適性，并降低了燃油耗。

為了吸收由于發(fā)動(dòng)機(jī)小排量化、短氣缸化而產(chǎn)生的振動(dòng)，配置了各種減振器。利用減振器可以實(shí)現(xiàn)低速旋轉(zhuǎn)時(shí)離合器的鎖止，不僅有利于提高舒適性，也改善了燃油經(jīng)濟(jì)性（圖10）。

圖10 扭矩轉(zhuǎn)換器——減振系統(tǒng)

6 改善燃油經(jīng)濟(jì)性與降低CO2排放

利用削減變速器損失扭矩等方式以提高效率，采用具有寬廣總級間比范圍的9檔變速器，在新歐洲行驅(qū)循環(huán)工況下（NEDC）可改善燃油耗達(dá)11%～16%，將CO2排放控制在17～25g／km，由于輕量緊湊的設(shè)計(jì)，已實(shí)現(xiàn)了降低燃油耗及CO2排放等預(yù)期目標(biāo)（圖11）。

圖11 9檔自動(dòng)變速器9HP28及9HP48應(yīng)用的新技術(shù)概況

7 9檔自動(dòng)變速器第二代產(chǎn)品9HP50

目前投入量產(chǎn)的9HP48型變速器如前文所述，具有革新的機(jī)構(gòu)和功能。然而，ZF公司將進(jìn)一步推進(jìn)采用了該技術(shù)的第二代9檔HP50變速器。其開發(fā)目標(biāo)見圖12。

圖12 9檔自動(dòng)變速器第2代產(chǎn)品9HP50——9HP第二代變速器開發(fā)目標(biāo)

開發(fā)目標(biāo)包括：

（1）開發(fā)各種電動(dòng)車，MHEV或者PHEV及實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的技術(shù)；

（2）進(jìn)一步改善燃油經(jīng)濟(jì)性，降低CO2排放；

（3）改善動(dòng)態(tài)變速及附加功能；

（4）提高變速器的耐用度及質(zhì)量。

其中，力求進(jìn)一步提高變速器的傳動(dòng)效率以改善燃油耗及削減CO2排放。通過降低變速器的管路壓力可以提高1.2%左右的傳動(dòng)效率。此外，通過潤滑油流量的優(yōu)化，降低流動(dòng)阻力等，可提高傳動(dòng)效率達(dá)0.6%，通過改進(jìn)軸承及密封裝置等內(nèi)部構(gòu)件以降低滑動(dòng)阻力，可提高傳動(dòng)效率0.25%?？傮w上約提高傳動(dòng)效率達(dá)3%。

目前9HP48型變速器已采用發(fā)動(dòng)機(jī)怠速停止技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速停止技術(shù)極大地提高了燃油經(jīng)濟(jì)性能，在車輛停止前，如果能夠先停止發(fā)動(dòng)機(jī)，則可進(jìn)一步改善燃油經(jīng)濟(jì)性。但是，由于與車輛各種車載裝置存在緊密聯(lián)系，要實(shí)現(xiàn)車輛行駛狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)停止要求，需要考慮采用附加功能系統(tǒng)等措施，以及安全方面的問題。同時(shí)，通過軟件更新等措施，進(jìn)行改善燃油耗等優(yōu)化功能的開發(fā)。

關(guān)于行駛性能，在更為快速的動(dòng)態(tài)降檔方面有了較大的改善，包括超越式有級變速，大體上可以壓縮10%～40%的換檔時(shí)間。出于對作為換檔部件的液壓多片離合器、液壓式多片制動(dòng)器的優(yōu)化控制，改進(jìn)了鎖止離合器的控制系統(tǒng)，并取得顯著成果。

在其他方面也開展了對軟硬件的改進(jìn)，開發(fā)出更耐用，質(zhì)量性能更好的自動(dòng)變速器。

8 結(jié)語

目前，汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是研究熱點(diǎn)，純電動(dòng)汽車（EV）被認(rèn)為是代表著未來汽車的發(fā)展方向。然而，受價(jià)格、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面的制約，未來要在短期內(nèi)完全置換為EV顯然是存在一定困難的。據(jù)ZF公司調(diào)查資料顯示，到2030年全世界汽車市場總銷量預(yù)測為12 000萬輛，其中EV所占份額為14%左右，PHEV、混合動(dòng)力車（HEV）和MHEV等混合動(dòng)力汽車的市場份額總量為32%左右，預(yù)計(jì)其余54%左右仍為內(nèi)燃機(jī)汽車。因此，未來要滿足面向PHEV、HEV和MHEV的電動(dòng)化系統(tǒng)的最優(yōu)化要求和未來更高的目標(biāo)，變速器技術(shù)也在日新月異。