日本ZF公司9檔自動變速器的開發

【日】 松田達雄

0 前言

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

1 開發理念

橫置變速器與縱置變速器不同，通常布置于車輛的發動機艙內，其總長受到較大限制。因此，開發變速器時，以當前市場上出現的橫置變速器為基準，應使開發產品的外形、尺寸及質量與基準變速器相同或低于基準變速器。同時，設計時一方面將重點放在改善燃油經濟性，降低CO2排放上；另一方面要實現優異的動力性能及舒適性。此外，還要求在價格上具有充分的市場競爭力。

2 變速器開發概況

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

3 變速器的結構

圖1 9檔自動變速器9HP-組裝（外殼）

圖2 質量／扭矩的比較

作為改善燃油經濟性與削減CO2排放的重要因素，發動機應在燃油耗較低的最佳范圍內運轉，故要求變速器的多級化與大范圍的總級間比。根據后輪驅動車用縱置變速器的實際開發情況，考慮相關參數要與8檔變速器多級化后相同或有所超越。基于減輕質量的目的，應該盡可能減少齒輪組及變速部件的數量，設定為具有4組行星齒輪組與6組變速部件的9檔變速器（圖3）。

為了將上述結構要素在設計尺寸方面進行反饋，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構部件（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器，緊湊地布置了變速器其他結構部件（圖5）。

圖3 行星變速器齒輪傳動系統——研究模型

圖4 齒輪組和爪形離合器

圖5 9檔自動變速器——9HP變速器橫截面視圖

4 提高傳動效率

為改善燃油經濟性并降低CO2排放量，需要減少變速器的功率損失，進而提高其傳動效率。在變速器內部，應該減少齒輪組扭矩傳遞損失，使齒輪的每個齒面、每個輪齒最佳化，使效率與該公司的8檔變速器達到同一水平（圖6）。

圖6 9檔自動變速器——9HP齒輪傳動裝置效率比較

與變速器內部扭矩損失相關的換檔部件也是重要因素。爪形離合器本身的扭矩損失，是無法與液壓式多片離合器、液壓式多片制動器在斷開時的旋轉扭矩相提并論的，后者具有較小的扭矩損失。為降低液壓式多片離合器、液壓式多片制動器斷開時的拖曳阻力力矩，應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器的數量設定為3組以下。由于在高速級斷開爪形離合器，斷開狀態的液壓多片離合器和液壓式多片制動器設定為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，自動變速器為了進行液壓控制，通常設有油泵。如從變速器的輸出考慮，可認為油泵的驅動扭矩是變速器內部的扭矩損失。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，在整個旋轉工況下可以改善效率達10%以上（圖8）。此外，這種葉片泵不是裝配在輸入軸上，而是由于設定為皮帶驅動，使驅動軸錯開，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，能夠同時滿足優異的起步性能與高速行駛需求。為滿足變速時的舒適性，各種齒輪變速檔采用密接變速比。在加速或減速時，根據當時的加減速工況，可以實現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比，與6檔變速器相比，能夠使120km／h巡航行駛時的發動機轉速降低700 r／min左右，提高了高速行駛時的乘車舒適性，并降低了燃油耗。

為了吸收由于發動機小排量化、短氣缸化而產生的振動，配置了各種減振器。利用減振器可以實現低速旋轉時離合器的鎖止，不僅有利于提高舒適性，也改善了燃油經濟性（圖10）。

圖10 扭矩轉換器——減振系統

6 改善燃油經濟性與降低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，在新歐洲行驅循環工況下（NEDC）可改善燃油耗達11%～16%，將CO2排放控制在17～25g／km，由于輕量緊湊的設計，已實現了降低燃油耗及CO2排放等預期目標（圖11）。

圖11 9檔自動變速器9HP28及9HP48應用的新技術概況

7 9檔自動變速器第二代產品9HP50

目前投入量產的9HP48型變速器如前文所述，具有革新的機構和功能。然而，ZF公司將進一步推進采用了該技術的第二代9檔HP50變速器。其開發目標見圖12。

圖12 9檔自動變速器第2代產品9HP50——9HP第二代變速器開發目標

開發目標包括：

（1）開發各種電動車，MHEV或者PHEV及實現相關功能的技術；

（2）進一步改善燃油經濟性，降低CO2排放；

（3）改善動態變速及附加功能；

（4）提高變速器的耐用度及質量。

其中，力求進一步提高變速器的傳動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%左右的傳動效率。此外，通過潤滑油流量的優化，降低流動阻力等，可提高傳動效率達0.6%，通過改進軸承及密封裝置等內部構件以降低滑動阻力，可提高傳動效率0.25%。總體上約提高傳動效率達3%。

目前9HP48型變速器已采用發動機怠速停止技術。發動機的怠速停止技術極大地提高了燃油經濟性能，在車輛停止前，如果能夠先停止發動機，則可進一步改善燃油經濟性。但是，由于與車輛各種車載裝置存在緊密聯系，要實現車輛行駛狀態下的發動機停止要求，需要考慮采用附加功能系統等措施，以及安全方面的問題。同時，通過軟件更新等措施，進行改善燃油耗等優化功能的開發。

關于行駛性能，在更為快速的動態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、液壓式多片制動器的優化控制，改進了鎖止離合器的控制系統，并取得顯著成果。

在其他方面也開展了對軟硬件的改進，開發出更耐用，質量性能更好的自動變速器。

8 結語

目前，汽車動力傳動系統是研究熱點，純電動汽車（EV）被認為是代表著未來汽車的發展方向。然而，受價格、基礎設施建設等方面的制約，未來要在短期內完全置換為EV顯然是存在一定困難的。據ZF公司調查資料顯示，到2030年全世界汽車市場總銷量預測為12 000萬輛，其中EV所占份額為14%左右，PHEV、混合動力車（HEV）和MHEV等混合動力汽車的市場份額總量為32%左右，預計其余54%左右仍為內燃機汽車。因此，未來要滿足面向PHEV、HEV和MHEV的電動化系統的最優化要求和未來更高的目標，變速器技術也在日新月異。