解析采埃孚6HP-XX變速器“D”制動器的設計原理

文/北京 薛慶文

自2001年德國采埃孚(ZF)公司成功推出全球首款型號為6HP-XX 6速自動變速器以來，該變速器便迅速被一些高端車型列為標準配置產品之一，如寶馬、捷豹、路虎、勞斯萊斯、奧迪、大眾、通用、福特等系列車型均使用了這款6HP-XX系列變速器。

一、6HP-XX變速器的特點

6HP-XX系列變速器最大特點是：利用極少的換擋執行元件(5個)來控制一套所謂的“萊配萊捷式”行星齒輪組(實為一套拉維納與一個單級單排齒輪組組成)，實現6前1倒的變速功能，同時真正實現機、電、液一體化控制功能(電子液壓模塊集成在一起)。該系列變速器機械結構見圖1。

多年來，根據市場上反饋的信息，采埃孚從結構與控制(軟件與硬件)上對該系列變速器進行了一次重大更新。因此，在后市場維修中大家從2006年開始劃分界限，即2006年前的6HP-XX被大家視為老款型，2006年后的為新款型。無論是新款還是老款，我們發現在6HP-XX變速器的5個元件當中唯獨“D”制動器在設計中出現了D1、D2兩個制動器油缸，而且D1、D2兩個制動器都設計了制動器控制閥和保持閥(相當于一個元件由4個閥門來控制)。那么這兩個制動器(D1、D2)是基于什么設計理念？變速器在運行時D1、D2又是如何工作的？這是大家當前想要了解的問題。因此，本文通過從該元件的作用、結構以及電子控制等幾個方面，充分解析“D”制動器的設計原理。

二、“D”制動器元件的作用

我們先來認識一下“D”制動器這個元件在該變速器中的作用。在6HP-XX系列自動變速器中的“D”制動器，也稱1/R擋制動器，該制動器在P-RN-D1擋位置參與工作(見圖2、圖3)；它負責后排那維拉行星齒輪機構行星架的制動與釋放過程，當“D”制動參與工作行星架被制動時，即可實現D1/R擋的動力傳遞功能。

在電子控制中，6HP-XX系列變速器均具有打滑自適應功能，而這一功能的實現恰恰又是借助于“D”制動器來完成的。在車輛停止而發動機怠速運行時，會進行充油壓力的自適應，即電腦慢慢降低離合器(或制動器)控制壓力，直至識別出一定的打滑量，也就是使變扭器的輸出扭矩剛能“拉轉”離合器或制動器為基準；通過壓力的自適應適配，可以補償換擋執行元件摩擦系數的變化，并抑制沖擊和坐車現象的出現，最終電腦通過學習存儲一個最佳值。具體來講，當變速器未處于動力擋(P/N擋位置)時，發動機剛剛啟動后車輛處于靜止狀態(此時一定是制動停車狀態)，由于“D”制動器的工作會給輸入軸(變扭器渦輪)一個輕微扭矩的擾動，這點微妙的變化就會瞬間被電腦識別到。因此，這時電腦就進行了初期的“D”制動器的自適應過程，而真正的所謂的“打滑自學習”是發生在掛動力擋車輛未起步前。這也是我們經常所了解的“N-D”和“N-R”的入擋品質自學習，由于在沒有掛動力擋之前“D”制動器早早就接合了，掛前進擋時“A”離合器通過調節來接合，掛倒擋時“B”離合器通過調節來接合。為了使每一次的掛擋感覺都能舒適地完成，在6HP系列變速器當中出于技術原因，“D”制動器就是借助打滑自適應來完成其最佳工作狀態的學習過程，并通過不斷地調節來滿足自適應條件；當制動器D打開到一定打滑量出現程度時就會再閉合上。打滑自適應條件是：故障存儲器內無故障存儲、發動機怠速、ATF溫度在75℃-100℃之間、踩下制動器并由N掛入D擋、車輛停止(識別出無車速的時間必須超過6s)，利用同樣的方法來完成倒擋位置的“D”制動器的自適應過程。為使打滑自適應學習值能被精確、快速地計算出來，并在一定界限范圍內得到快速的補償修正；6HP-XX系列自動變速器的“D”制動器在設計中采用了D1、D2兩個控制油缸，D1工作容積大、對壓力反映較慢；而D2工作容積小、對壓力反映較快；D1、D2在EDS-4電磁閥控制下同步工作，可使D制動器迅速完成打滑自適應過程，這一過程也體現在2-1、停車制動時，是引發1-2、2-1、停車時沖擊的根本原因之一。具體的工作過程在后面我們會繼續學習。

三、充油壓力自適應功能

另外6HP-XX系列變速器還具有換擋過程中的充油壓力自適應功能(換擋點自適應功能)。除了“D”制動器沒有此項功能外，其他4個元件(A、B、C、E)均具備充油壓力的自適應功能，也是通過渦輪轉速曲線，即所謂的咬入點與轉速梯度來確定自適應壓力值。這是因為當變速器換擋傳動比改變時，發動機轉速都會有微量的變化，繼而對輸入軸(渦輪)轉速也形成轉速上的改變。這樣電腦在完成換擋品質控制功能的基礎上也完成了參與的換擋執行元件本身的自適應，而在6HP-XX系列自動變速器5個元件中的“C”制動器還具備最明顯的快速自適應元件。這一功能的實現完全是借助于該變速器對終端換擋執行元件的控制，采用一對一功能來實現的(老款僅有EDS4電磁閥既控制“D”制動器還要控制“E”離合器)結果，其實就是在6HP-XX系列變速器中的各離合器或制動器控制壓力與各個對應電磁閥的控制電流之間的關系。設計關系是由電磁閥工作特性曲線和隨動液壓滑閥來確定的，這些特性曲線取決于某些部件的實際公差，并隨使用程度而不斷變化并適時得以修正。

總而言之，無論是打滑自適應功能還是換擋自適應功能，電腦總是要學習電磁閥電流與閥門彈簧硬度以及終端元件所確定的壓力之間的對應關系。“D”制動器打滑量是由TCM根據輸入軸轉速傳感器G182信號通過精確計算渦輪轉速獲得，并由TCM控制電磁閥EDS-4的控制電流。就算完成了之前我們所講的打滑自適應學習過程(在維修時可觀察相應的數據流組驗證)，也能使打滑量與電磁閥EDS-4控制電流之間形成一個較完美的比例關系。自動變速器在行駛過程中，除了換擋點自適應外還會進行換擋元件A、B、C和E的脈動自適應，也就是說各換擋元件根據實際控制需要，將被以脈動形式(即有節奏地)激活工作。由于“E”離合器負責輸入軸與后排那維拉行星齒輪機構行星架的連接與釋放，“E”離合器接合時方可實現4/5/6擋動力傳遞功能，與“D”制動器沒有條件沖突，因此老款6HP-變速器的“D”制動器可與“E”離合器公用電磁閥EDS-4控制；那么電腦則采用分段記憶、擋位激活的法則工作(通過該變速器油路圖即可得知)。接下來我們通過“D”制動器的實物結合其工作油路再次進行學習總結。

四、新式離合器中“D”制動器的原理

我們都知道目前一些新型自動變速器的離合器結構有所變化，那就是通過使用一個俗稱“副活塞”(在6HP里翻譯過來叫擋板)的元件與離合器主活塞間形成動態離心壓力腔(也叫壓力平衡腔)。要注意這個“副活塞”僅有外部密封圈并沒有內部密封圈，由于離合器屬于旋轉部件，因此借助于兩個活塞之間的離心壓力來實現元件接合時的緩沖及釋放過程，最終目的是改善換擋質量(利用平衡腔內的動態離心油壓為主活塞內的油壓實現緩沖)。在6HP-變速器當中A、B、E均是帶有壓力平衡腔的離合器(見圖4)，但在制動器上使用兩個活塞在目前還是首例。而在6HP-變速器里“D”制動器就是使用兩個活塞(一大一小，見圖5)。

在“D”制動器未解體之間我們進行該元件的加壓試驗(見圖6)，從整個結構(小活塞D2安裝在大活塞D1里面然后是碟形回位彈簧及卡簧)及壓力試驗后的結果我們看到主活塞(大活塞)D1工作后的復位過程是靠碟形彈簧來實現的，而通過D2活塞供油孔給小活塞D2打壓再次釋放后碟形彈簧并不能使D2復位，必須再次給D1加壓后一起使D1和D2同時回位。

與離合器不同的是D2活塞內外均有密封圈(見圖7)，否則其也不會動作，它不像離合器那樣能夠旋轉并借助動態離心壓力來實現緩沖能力。D2活塞的外密封圈被安裝在D1活塞的內側，內密封圈被安裝在“D”制動器鼓上。這樣在D1和D2之間就形成一個密封空間，當有油壓進入時D2就會在D1上動作。D2動作后并不能使“D”制動器摩擦組件接合產生摩擦力，只有當油壓作用到D1活塞室里，“D”制動器摩擦組件才能正式工作產生足夠的摩擦力將行星排中的行星架剎住，才能實現前進一擋和倒擋功能。很明顯假如D2油缸先進油或與D1同時進油，當D1動作時D2內的平衡壓力就會給D1活塞移動時一個緩沖作用，最終該行星排中的行星架得以平穩剎住，這在變速器進行2-1擋時，起到了換擋品順的效果。另外D1單獨工作時，D2也不受影響，同時即便D2始終進油也不影響變速器各擋位的切換，因此在“D”制動器進行打滑自適應和2-1擋時，D2都發揮了極其重要的作用。

接下來我們再從液壓油路方面看一下“D”制動器在不同擋位下的工作狀態。其實目前就6HP-系列變速器來講，液壓油路方面有4個版本(大體是兩個版本的新款和老款)：老款即電子選擋桿和非電子選擋桿，新款也是電子選擋桿和非電子選擋桿。最關鍵的并不是帶不帶電子掛擋桿而在于新款和老款的五個換擋執行元件與之對應控制的高頻率電磁閥上的區別。那就是在前面我們曾講過的老款6HP中EDS4號電磁閥既控制“D”制動器，同時還控制“E”離合器，而新款6HP當中“D”制動器則是由EDS6號電磁閥控制，“E”離合器則仍然是EDS4號電磁閥來控制，所有元件均是采用獨立控制式。其他的我們暫且不去了解，就“D”制動器來說早期的EDS4是一個反比例控制類型的高頻率電磁閥，而新型的EDS6則是一個正比例控制類型的高頻率電磁閥，因此不同時期的“D”制動器的油路控制區別還是比較大的。

五、老式變速器中“D”制動器的原理

在老款6HP系列變速器中并沒有對“D”制動器的D1和D2有過多的描述。無論從“D”制動器的機械結構還是從其液壓油路中分析，都要比新型6HP系列(D是獨立控制)中“D”制動器的控制策略差很多。所以說“D”制動器的D1和D2更容易在新型6HP當中顯現出其設計機理。這樣我們就分別從“D”制動器的老款與新款油路中來探索其設計上的真正用意。首先我們來看早期6HP的“D”制動器油路的接合與釋放過程，從換擋執行元件工作分配表得知“D”制動器是在P、R、N、D1位置工作的(見圖9、圖10)，而在其他擋位均是分離狀態，同時也并沒有對“D”制動器的D1和D2有任何說明。我們具體來了解一下“D”制動器在不同擋位的狀態，在P/N啟動發動機時，“D”制動器瞬間接合，由于無其他元件參與，所以無動力傳遞過程不必考慮其因壓力的高低或與接合速度的關系而引起車身的振動。但由于“D”制動器的工作加之車輛輸出部分是處于靜止狀態，也會給輸入部分的渦輪一個很小的扭矩擾動，所以電腦也會對“D”制動器的接合有一個壓力調節的自適應過程。

掛前進擋或掛倒擋后，如果變速器未滿足打滑自適應要求，“D”制動器處于一個保持狀態，其工作壓力處于滿足前進一擋或倒擋的起步扭矩就足夠了；如果在滿足變速器打滑自適應要求(油溫、怠速、從“N”位開始信息、制動時間保持信息、故障存儲器狀態等等)執行該項目操作時，電腦會逐漸提高EDS4電磁閥的控制電流以降低“D”制動器控制壓力，一直到其有滑轉(微量打滑在5-20r/min)，然后逐漸降低EDS4電磁閥的控制電流使“D”制動器再接合(這個信息的監控是通過輸入軸轉速傳感器G182精確計算到的)。通過反復的接合與分離過程，電腦最終確定并得到一個最佳精準自適應匹配值，同時也完成了“D”制動器打滑自適應的過程。

當變速器離開倒擋和前進一擋進入2、3、4、5、6擋后，“D”制動器一直是處于分離狀態(見圖11)，也就是D1壓力腔和D2壓力腔均沒有油壓保持。

從“D”制動器的接合及分離狀態來看似乎并沒有看出該制動器使用D1和D2兩個油腔的真實用意。其實并不是這樣，我們剛才只是看了“D”制動器的初期接合過程和其他擋位的釋放過程，但并沒有去學習它的再次重新啟動過程，那就是當變速器執行2-1擋時，和前面已經講過的原地打滑自適應過程(見圖12)。當變速器執行2-1擋時，“D”制動器首先要完成其預充油過程，這個過程是變速器即將要切換到1擋前來完成的。此時，“D”制動器的D1油路完成基礎油壓(預充油)，該壓力還不足以使D1活塞動作恰好處于要動作的臨界點。這時由于電腦對EDS4電磁閥的電流控制的大小關系D2油腔也充入了一點壓力油，在切換1擋的瞬間電腦要通過EDS4完成“D”制動器的快速充油時間。此時由于D2油腔有預存油壓力，該壓力便給D1內的系統工作壓力實現一個緩沖，“D”制動器完成平穩接合過程，這樣就避免了2-1擋時的沖擊。當我們進行該變速器的打滑自適應學習功能時(N-D或N-R)，電腦也是通過不斷改變EDS4電磁閥電流大小來實現這一過程的。那么在改變電磁閥電流大小過程中，就會使“D”制動器D2腔進油，因此當“D”制動器每一次重新接合時，D2腔的平衡壓力也會給D1壓力腔的油壓一個緩沖。同時，由于反作用力的原因也加快了“D”制動器的打滑自適應過程，讓“D”制動器盡快完成自學習(注意：在2-1擋及打滑自適應方面的緩沖控制并不理想，這是因為D2腔并沒有提前的預充油過程)。

綜上所述我們便基本掌握了老款6HP系列變速器在“D”制動器中使用D1和D2兩個壓力腔的設計原理。大體來講D1是工作腔而D2是平衡腔，因此其真正目的是：盡快完成“D”制動器的打滑自適應功能，還要保證變速器2-1擋時的換擋品質。但由于設計上的問題，電腦對EDS4不能采用分段記憶控制功能，換句話講就是不能讓一個EDS4分別控制E和D兩個元件，這樣大家便會知道早期車輛常犯的2-1擋沖擊故障原因了。

六、新款變速器對“D”制動器的控制

最后我們再來看一下新款6HP系列變速器對“D”制動器的控制，根據其換擋執行元件工作表便可知道“D”制動器D1和D2兩個油壓腔在不同擋位時的狀態(見圖13)。

很顯然在新款6HP系列變速器中，對“D”制動器的D1和D2有了詳細的說明。與老款6HP系列變速器相同的是：當變速器處于P、R、D位一擋時，油壓僅是通過D1油壓腔進入使其工作(見圖14)，而不同的是當變速器執行在其他前進擋位以及掛擋桿處于“N”位置時，D2腔內是有預存油壓的，同時獨立控制“D”制動器的EDS6是一個正比例控制類型的電磁閥以及控制油路也有所不同。

當變速器離開前進一擋切換進入到2、3、4、5、6擋后雖然“D”制動器是分離狀態(D1壓力腔無工作油壓)，但D2腔內仍然建立著預存油壓力(見圖15)。這樣當變速器再次啟動2-1擋時，“D”制動的接合一定會是相當平順的以提高變速器的2-1擋感覺。

當變速器掛擋桿處于“N”位置時，電腦驅動EDS6電磁閥又是一個范圍內的控制電流，此時系統油壓即可進入“D”制動器的D1油壓腔內，同時也進入到D2油壓腔內(見圖16)。這種設計恰恰是為了盡快滿足該變速器對“D”制動器的打滑自適應，也剛好彌補了老款變速器在這方面的不足。

新款6HP系類變速器的“D”制動器采用D1和D2兩個油壓腔的設計，既保證了自動變速器2-1擋的平順性同時也真正滿足了該變速器的打滑自適應要求。因此在維修中大家就會發現2-1擋沖擊的故障在新款6HP里不見了，并且大修變速器或更換變速器主要部件后的自適應很快就完成了。

從老款到新款6HP變速器中，大家不難看出“D”制動器采用D1和D2兩個油壓腔的設計機理在新款中表現更為突出。在新型自動變速器的新技術及設計理念中或許還有更多的東西需要我們去學習，藝無止境，技藝追求任重而道遠。