馬自達(dá)SKYACTIV-Drive變速器的技術(shù)分析

徐凱 高惠東 呂金賀 褚亞旭

（北華大學(xué)，吉林 132013）

主題詞：SKYACTIV-Drive 自動(dòng)變速器 多盤式鎖止離合器 鎖止范圍

1 前言

汽車變速器直接關(guān)系著汽車駕駛的平順性，不僅對(duì)降低油耗有重要的影響，而且對(duì)汽車駕駛性有重要影響。目前全球主流自動(dòng)變速器包括行星齒輪組為核心裝置的AT（Automatic Transmission）變速箱、以可變徑的主從動(dòng)錐盤為主要裝置的CVT（Continuously Variable Transmission）變速箱和布置雙齒輪組機(jī)械系統(tǒng)各自配有離合器的DCT（Dual Clutch Transmission）變速箱三種。

傳統(tǒng)自動(dòng)變速器均存在先天性的設(shè)計(jì)缺陷，如AT有級(jí)式變速器通過(guò)液力變矩器輸出轉(zhuǎn)矩，變矩器內(nèi)部鎖止離合器不能滿足剛性連接，因此傳動(dòng)效率下降。CVT變速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷是存在金屬傳動(dòng)帶易損壞的問(wèn)題，不能承受較大的扭矩載荷，起步或低速行駛易發(fā)生打滑現(xiàn)象[1]。而DCT變速器存在低速頓挫現(xiàn)象，干式DCT會(huì)產(chǎn)生較多的熱量，促使離合器的磨損加劇,導(dǎo)致離合器的可靠性下降，而濕式DCT由于摩擦力的不足，而不能提供較大的扭矩。

馬自達(dá)開(kāi)發(fā)了全新的SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器，采用小型的傳統(tǒng)液力變矩器，并搭載了多片離合器，大幅提升各擋位齒輪的鎖止范圍[2]。實(shí)現(xiàn)了更直接動(dòng)力表現(xiàn)，更平順的換擋表現(xiàn)，更理想的換擋邏輯，在保證舒適性的前提下，更加具有運(yùn)動(dòng)風(fēng)格。

2 SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器工作原理

馬自達(dá)SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器在保留有級(jí)式自動(dòng)變速箱(AT)的液力變矩器啟動(dòng)快捷性的同時(shí)，采用大幅抑制傳動(dòng)損耗等技術(shù)，開(kāi)發(fā)出集AT、CVT和DCT優(yōu)點(diǎn)于一身的高效能SKYACTIV-Drive變速器[3]。將多盤式鎖止離合器裝配在液力變矩器內(nèi)部，不是利用油液的攪動(dòng)，而是利用機(jī)械配合實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出。在具體的操作過(guò)程中，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)鎖止轉(zhuǎn)速，液壓油就會(huì)推動(dòng)多片離合器將整個(gè)液力變矩器鎖死，變成一個(gè)機(jī)械的整體，以降低液力損失，并且提高動(dòng)力傳遞的直接性[4-5]。且在鎖止離合器的中部存在類似于手動(dòng)擋離合器的減振結(jié)構(gòu)，以達(dá)到減振效果。液力變矩器只有在換擋時(shí)才發(fā)揮緩沖并傳遞扭力的作用，其余時(shí)間則利用機(jī)械嚙合輸出動(dòng)力，有效降低低速域油耗，提高直接驅(qū)動(dòng)感[6]。

3 SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器主要技術(shù)特點(diǎn)

由于傳統(tǒng)有級(jí)式自動(dòng)變速箱(AT)的鎖止離合器只有當(dāng)車速較高時(shí)才會(huì)進(jìn)入鎖止?fàn)顟B(tài)，且液力變矩器允許變速器輸入端與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，因此造成變速器傳動(dòng)效率較低，低速域油耗較高，直接驅(qū)動(dòng)感不佳的問(wèn)題[7-9]，故馬自達(dá)工程師設(shè)計(jì)了全新的液力變矩器全域鎖止離合器。

3.1 全速域鎖止技術(shù)

液力變矩器全域鎖止離合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，即在液力變矩器中設(shè)計(jì)了一套可控性更好的多盤式鎖止離合器結(jié)構(gòu)及縮小循環(huán)圈，在大幅提升鎖止范圍（圖2）的同時(shí)，消除振動(dòng)和噪聲。

圖1 SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器液力變矩器內(nèi)部結(jié)構(gòu)[19]

圖2 離合器的鎖止范圍[19]

鎖止離合器的離合片外邊緣和內(nèi)邊緣的齒形分別與殼體與渦輪鏈接，當(dāng)離合片接合時(shí)，殼體和渦輪相當(dāng)于剛性連接在一起，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生扭矩直接接入變速器，不再通過(guò)變矩器內(nèi)部的液壓油傳動(dòng)，以提升整體動(dòng)力傳遞效率[10-12]，如圖3所示。泵輪和渦輪上的葉片均通過(guò)銅焊工藝焊接，由于銅的熔點(diǎn)低于不銹鋼，故可避免葉片產(chǎn)生熱變形而影響其性能[13]。由于采用多盤離合器結(jié)構(gòu)，改善了油液流動(dòng)、提高了冷卻性能、擴(kuò)大了鎖定區(qū)域。SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器的鎖止動(dòng)作時(shí)間較傳統(tǒng)自動(dòng)變速器更理想，且基本滿足全域鎖止的要求。YAMAGUCHI在SKYACTIVDrive自動(dòng)變速器中采用了油液控制的多片離合器作為液力變矩器的鎖止離合器，可更精準(zhǔn)地控制離合器鎖止時(shí)刻。為降低離合器鎖止時(shí)的噪音和振動(dòng)，尤其是低速時(shí)的鎖止動(dòng)作產(chǎn)生的振動(dòng)，SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器還采取了更大的減振彈簧。由于液力變矩器只是在汽車起步或低速行駛時(shí)才進(jìn)入工作，同時(shí)為保持變速器的緊湊性，設(shè)計(jì)了體積更小葉輪渦輪組，同時(shí)優(yōu)化其機(jī)構(gòu)，以提高低速時(shí)的傳動(dòng)效率[14]。

圖3 多盤式鎖止離合器結(jié)構(gòu)[20]

由于采用多盤式鎖止離合器，使離合器的鎖止范圍從現(xiàn)款5AT的50%～60%擴(kuò)大到高達(dá)64%～89%(圖2)。降低燃油消耗與換擋頓挫感，使變速器工作時(shí)的油耗更低、起步更迅捷、變速更平順、驅(qū)動(dòng)感更直接，從而提升了離合器的靈敏性，使鎖定控制更精確，避免了滑齒時(shí)發(fā)熱，確保了離合器的可靠性[15-18]。

3.2 其他技術(shù)特點(diǎn)

（1）全新機(jī)電一體化控制單元[21]

SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器采用了全新的機(jī)電一體化控制單元，集成了通過(guò)車速、油門踏板來(lái)確定擋位的電子控制單元和推動(dòng)變速箱元件移動(dòng)改變擋位的液壓控制單元在變速器單元內(nèi)，更加準(zhǔn)確地采集車速、油門踏板的信息，通過(guò)車載計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理之后，使液壓精度得以提升，減少信號(hào)傳遞的偏差。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各擋位的精準(zhǔn)控制，達(dá)到順暢平滑的換擋性能[22]。

（2）Kick-Down Switch（強(qiáng)制降擋開(kāi)關(guān)）

SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器配置Kick-Down Switch可實(shí)現(xiàn)更好的提升車輛操控性及更理想的換擋邏輯。當(dāng)駕駛員深踩油門踏板，便會(huì)觸發(fā)強(qiáng)制換擋開(kāi)關(guān)使變速箱強(qiáng)制換擋，從而實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)輸出較大的驅(qū)動(dòng)力，如圖4所示[23-25]。

（3）大型扭轉(zhuǎn)減振器

大型扭轉(zhuǎn)減振器彈簧為雙彈簧嵌套式結(jié)構(gòu)，在外圈彈簧中還設(shè)計(jì)有浮動(dòng)式且長(zhǎng)度更短的彈簧，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使得扭轉(zhuǎn)減振器上減振彈簧的勁度系數(shù)具有兩段式變化功能，當(dāng)扭矩沖擊較小時(shí)，只有外圈彈簧起減振作用；當(dāng)扭矩沖擊較大時(shí)，內(nèi)外圈減振彈簧同時(shí)發(fā)揮減振作用。在承受扭矩沖擊的同時(shí)擁有較好的平順性，同時(shí)提升了可承受的最大扭矩沖擊力[26-28]。

圖4 有無(wú)強(qiáng)制降擋開(kāi)關(guān)工作邏輯對(duì)比[20]

（4）直接線性電磁閥

SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器在控制液壓促動(dòng)器中采用了響應(yīng)迅速的“直接線性電磁閥”，使響應(yīng)速度得以提升，從而大幅改善變速響應(yīng)性和換擋品質(zhì)[29]。

4 SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

有級(jí)式自動(dòng)變速器（AT）有著高速行駛時(shí)較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，出色的起步響應(yīng)表現(xiàn)及坡道起步爬行能力等特點(diǎn)，但由于使用液力變矩器，使其油耗和直接驅(qū)動(dòng)感無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)。無(wú)級(jí)式自動(dòng)變速器（CVT）有著低速行駛時(shí)較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，換擋平順，出色的起步響應(yīng)表現(xiàn)及坡道起步爬行能力等特點(diǎn)，但由于傳動(dòng)帶和帶輪之間的滑動(dòng)降低了傳動(dòng)效率；雙離合式自動(dòng)變速器（DCT）有著全速域燃油經(jīng)濟(jì)性出色，較好的直接驅(qū)動(dòng)感受等特點(diǎn)，但由于通過(guò)液力變矩器來(lái)傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)和行星齒輪機(jī)構(gòu)之間的動(dòng)力，直接驅(qū)動(dòng)感不佳；由于復(fù)雜的離合器結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致車輛在爬坡和起動(dòng)狀況下的性能變差，如表1所示。

對(duì)比有級(jí)式自動(dòng)變速器（AT），SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器的液力變矩器體積更小，單盤式鎖止離合器被多盤式鎖止離合器取代。多片離合器的優(yōu)勢(shì)在于由于摩擦片增多，摩擦面積增大，使得動(dòng)力接合更平順。而縮小的液力變矩器會(huì)縮小變速器傳遞的扭矩[30-31]。但SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器擴(kuò)大了鎖止離合器的鎖止范圍，液力變矩器并不需要傳遞非常大的扭矩，這使得采用小型液力變矩器成為可能，如圖5所示。

如表2所示，SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器齒輪箱前進(jìn)擋相同擋位的速比小于6T40 6AT自動(dòng)變速器[32]，但馬自達(dá)通過(guò)配置一個(gè)主減速比更大的主減速器。最終使SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器的2-3擋、4-5擋、5-6擋之間的速比要比6T40 6AT自動(dòng)變速器更密集，但兩者各前進(jìn)擋的總減速比相差不大[32]。

圖5 小型液力變矩器[20]

表1 主流變速器性能對(duì)比[19]

表2 SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器與6T40 6AT自動(dòng)變速器速比參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器創(chuàng)新性地結(jié)合了AT、DCT和CVT的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)提高液力變矩器鎖止范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)提升變速器的直接驅(qū)動(dòng)感和傳動(dòng)效率。通過(guò)采用多盤式鎖止離合器、減振性能更好的扭轉(zhuǎn)減振器以及更小巧的液力變矩器，使得車輛駕駛感受更加舒適，操控過(guò)程更加流暢。不僅起步更平穩(wěn)、加速更順暢，換擋更能保持很好的平順性。通過(guò)集成先進(jìn)的電控模塊，使得操控更加迅捷精準(zhǔn)，降速時(shí)表現(xiàn)優(yōu)異，性能與效率實(shí)現(xiàn)同步提升。同時(shí)與SKYACTIV-X發(fā)動(dòng)機(jī)完美結(jié)合，使車輛燃油效率提升4%～7%[19]。

總結(jié)SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器在以下3方面的創(chuàng)新性：

（1）性能方面：通過(guò)采用軟液力變矩器的特性、高失速轉(zhuǎn)矩比，同時(shí)在液力變矩器內(nèi)部鎖止機(jī)構(gòu)鎖止?fàn)顟B(tài)的臨界車速時(shí)（Vmax），使液力變矩器鎖止，來(lái)實(shí)現(xiàn)提高驅(qū)動(dòng)力、降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，同時(shí)在Vmax時(shí)防止打滑。

（2）燃油消耗方面：通過(guò)采用硬液力變矩器的特性、提高液力變矩器的鎖止離合器處在結(jié)合狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)打滑工作及高效率的液壓操縱。

（3）舒適性方面：通過(guò)采用軟液力變矩器的特性，提高液力變矩器的鎖止離合器處在分離狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)衰減、降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

機(jī)械設(shè)計(jì)的再完美，也永遠(yuǎn)離不開(kāi)調(diào)校。相信未來(lái)馬自達(dá)會(huì)對(duì)SKYACTIV-Drive自動(dòng)變速器換擋邏輯進(jìn)行可預(yù)測(cè)、智能和系統(tǒng)的后期調(diào)校，以便提前判斷駕駛員的駕駛意圖，使得車輛駕駛感受更加舒適，操控過(guò)程更加流暢、敏捷，節(jié)油效果更好。