全新設(shè)計理念的多雙向離合器自動變速箱

賀宏良

山東省煙臺市 264100

由于我國制造業(yè)材料和工藝與發(fā)達(dá)國家的巨大差距，也因為國外自動變速箱巨頭的專利壁壘，導(dǎo)致我國的自主自動變速箱產(chǎn)業(yè)因為缺乏核心技術(shù)而遲遲沒有大的突破，嚴(yán)重制約了我國汽車工業(yè)由大到強(qiáng)的步伐。

縱觀目前的現(xiàn)狀，我國的自主自動變速箱都是購買外國專利技術(shù)、進(jìn)口各種核心部件等等，基本全是跟在人家屁股后面追趕，雖然某些數(shù)據(jù)看起來也像模像樣，實際裝車體驗差強(qiáng)人意不說，其可靠性和耐久性都還沒有經(jīng)過時間的考驗，整體現(xiàn)狀不是那么樂觀，可以說是任重而道遠(yuǎn)。

截至目前為止，民用小型汽車上主流應(yīng)用的自動變速箱類型主要有三種：AT、DCT和CVT，缺陷太大的AMT已經(jīng)邊緣化。

這三種主流變速箱各有優(yōu)點也各有缺點：

AT的優(yōu)點是性能穩(wěn)定可靠性高，但是結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜維修困難且因為液力變矩器的緣故導(dǎo)致傳動效率低換檔速度慢和動力反應(yīng)遲緩。

CVT結(jié)構(gòu)簡單行駛平順，但因為是鋼帶摩擦傳動，傳動效率更低而且還易打滑，耐久性也一般，故障后基本上無法維修需要更換總成。

DCT雖然傳動效率高換擋速度快，但是低速頓挫嚴(yán)重更兼可靠性最差

三種主流變速箱還普遍存在各種異響、某些區(qū)域的頓挫和急加速時需要自動連續(xù)降檔或者打滑（CVT）等導(dǎo)致的動力遲滯問題。

那么，為什么就不能有一種自動變速箱，它既結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠耐用又換擋平順、傳動效率還很高呢？也就是兼具三種變速箱的優(yōu)點但盡量克服其缺點。

設(shè)計的初期思路本來是想從自動變速箱技術(shù)里最理想的方案：無級變速下手的，然而鋼帶的專利壁壘和摩擦傳動的低效率低扭矩目前技術(shù)手段不足以完全解決，所以最終還是選擇從常規(guī)齒輪傳動下手！比如DCT傳動效率高換擋速度快是其最大優(yōu)點，所以只要解決了頓挫也就成功了一大半，再解決掉可靠性和耐用性那就基本大功告成。

因為出身機(jī)械加工行業(yè)，所以對普通車床上極為常見的濕式雙向摩擦片式離合器（參見最后的附圖3）很熟悉：這種離合器長時間分離和長時間結(jié)合都很適應(yīng)，還因為是全金屬摩擦片，所以耐磨性和耐久性及可靠性都非常好，又因為是油冷降溫，所以浸泡在潤滑油里也可以正常工作。它的優(yōu)點還有結(jié)合平穩(wěn)無沖擊，體積小扭矩大，其完全結(jié)合后在允許的最大扭矩以下就等同于剛性連接，所以傳動效率很高，因此個人認(rèn)為它非常適合在汽車的自動變速箱里應(yīng)用。

由此鄙人就大膽嘗試，發(fā)明并設(shè)計出這款全新設(shè)計理念的·多雙向離合器自動變速箱。該發(fā)明的齒輪組結(jié)構(gòu)類似于DCT，卻省略了昂貴的雙離合模塊。而每個檔位都配備多片式摩擦離合器類似于本田的平行軸AT，遺憾的是本田僅僅是把多片式摩擦離合器作為換檔機(jī)構(gòu)，卻依然采用了液力變矩器作為中斷動力換擋的重要部件，影響了傳動效率也無法做到無縫銜接的換檔速度。

圖1 本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖2中：11三軸；12二軸；13一軸，2A、2擋主動空套齒輪；4A、4擋主動空套齒輪；5A、5擋主動空套齒輪；1A、1擋主動空套齒輪；RA、倒檔主動空套齒輪；6A、6擋主動空套齒輪；7A、7擋主動空套齒輪；3A、3擋主動空套齒輪；8發(fā)動機(jī)動力主動齒輪；9二軸從動齒輪；10一軸從動齒輪；14雙向離合器；15雙向離合器；16雙向離合器；17雙向離合器；18液壓油缸；19液壓油管；20高速液壓旋轉(zhuǎn)接頭；21活塞桿；22壓力套；23 往差速器傳動齒輪。

本變速箱主要部件有：變速箱殼體、一軸、二軸、三軸、各檔位齒輪、傳動齒輪、惰齒輪、四個雙向離合器和四個液壓油缸，外置液壓模塊和微電腦控制模塊。其中一軸二軸兩端都配備有圖示一軸左側(cè)同樣的液壓控制裝置，示意圖中其他三個簡略之（請參照示意圖）

雙向離合器17/14和15結(jié)構(gòu)與圖示中16一樣，圖示也簡略之。

如圖所示，三軸上從左到右依次排列2檔從動齒輪，四六檔共用從動齒輪，七、五、一、三檔從動齒輪，二軸上對應(yīng)排列2A、4A、5A、1A檔位主動空套齒輪，一軸上對應(yīng)的是RA、6A、7A、3A檔位主動空套齒輪，（檔位齒輪的錯位排列設(shè)計是為了達(dá)到換擋時的無縫銜接）一，二軸最左側(cè)都是從動齒輪9/10，與之嚙合的是發(fā)動機(jī)動力主動齒輪8。

二軸上2A、4A和5A、1A檔位主動空套齒輪之間都安裝有雙向離合器14/15各一個，一軸上的RA、6A和7A、3A檔位主動空套齒輪之間也是雙向離合器16/17各一個。

每個雙向離合器在其軸頭位置都配備液壓油缸18外接高速液壓旋轉(zhuǎn)接頭20（或者固定油缸）活塞桿從軸孔內(nèi)推動壓力套能讓離合器片雙向壓緊完成左右結(jié)合，通過微電腦控制液壓活塞的動作速度和液壓油壓力，可以獲得最佳的結(jié)合時機(jī)及良好的剛性連接。

各液壓油缸的液壓油管19通向液壓模塊。

其工作原理如下：

四個雙向離合器沒有動作時一二軸是空轉(zhuǎn)的，動力不會被傳遞到空套齒輪也就不會被傳遞到三軸，這就是和手動變速箱一樣的空檔狀態(tài)。

具體的升檔過程：

汽車需要起步時，微電腦控制模塊接收到節(jié)氣門開啟信號后，立刻指令液壓模塊向二軸12右端的液壓油缸供油，推動活塞桿帶動雙向離合器15的壓套向右側(cè)的一檔主動空套齒輪1A方向動作，通過預(yù)設(shè)液壓油的流速可以控制壓套壓緊摩擦片的速度快慢，也就是能夠?qū)崿F(xiàn)勻速的半離合到全結(jié)合，從而能夠使得汽車起步平穩(wěn)不突兀。

圖2 本發(fā)明的二維結(jié)構(gòu)示意圖

半離合后一檔主動空套齒輪1A就會開始被驅(qū)動并傳遞動力給一檔從動齒輪帶動三軸11，三軸通過往差速器傳動齒輪23傳遞動力給差速器完成起步。

起步以后當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速上升至設(shè)定閥值需要自動增至二檔時，那么只需控制液壓油缸在松開雙向離合器15的同時控制雙向離合器14同步向左側(cè)二檔空套齒輪2A壓緊，也就能做到一二檔之間無縫銜接的平順過渡；

二檔升三檔時只需松開雙向離合器14的同時控制雙向離合器17向右側(cè)三檔空套齒輪3A壓緊，一樣做到無縫銜接的平順增檔，此時動力通過3A空套齒輪傳遞給三檔從動齒輪驅(qū)動三軸11，三軸11通過往差速器傳動齒輪23傳遞動力給差速器。

三檔增四檔只需松開離合器17的同時控制離合器14向右側(cè)的4A空套齒輪壓緊，

四檔升五檔只需控制離合器14松開的同時讓離合器15同步向左側(cè)的5A空套齒輪壓緊。

五檔升六檔控制離合器15松開的同時讓離合器16向右側(cè)的6A空套齒輪壓緊，六檔升七檔就控制離合器16松開的同時讓離合器17向左側(cè)的7A空套齒輪壓緊，這樣就完成了從空檔起步到最高檔位的依次無縫銜接。

具體的降檔過程：

七檔降六檔時只需控制離合器17松開的同時讓離合器16同步向右側(cè)的6A空套齒輪壓緊，六檔降五檔時只需松開離合器16的同時讓離合器15向左側(cè)的5A空套齒輪壓緊，五檔降四檔時只需松開離合器15的同時讓離合器14向右側(cè)的4A空套齒輪壓緊，四檔降三檔只需松開離合器14的同時讓離合器17同步向右側(cè)的3A空套齒輪壓緊，三檔降二檔只需松開離合器17的同時讓離合器14向左側(cè)的2A空套齒輪壓緊，二檔降一檔時只需松開離合器14的同時讓離合器15向右側(cè)的1A空套齒輪壓緊，一檔降空檔只需松開離合器15即可，這樣也就做到了從7檔到空檔依次無縫銜接的降檔。

連續(xù)降檔和跨級升檔基本也可以做到一樣的無縫銜接，比如7檔直降五檔，只需松開離合器17的同時控制離合器15同步向左側(cè)的5A空套齒輪壓緊，直降四檔只需控制離合器14同步向右側(cè)的4A空套齒輪壓緊，其他直降和跨級升檔就不贅述了。注：個別跨級檔位齒輪因為在一個雙向離合器的兩側(cè)所以會略有延遲，研發(fā)時可以重新設(shè)計最優(yōu)化的檔位齒輪排列。

據(jù)查目前換擋最快的自動變速箱也需要耗時零點幾秒，多個雙向離合器的設(shè)計和檔位齒輪的錯置排列能夠使多雙向離合變速箱幾乎做到增減擋基本上不需要時間。也就是說通過兩個離合器的完美配合，換擋時甚至不需要關(guān)閉節(jié)氣門，加速過程中扭矩是持續(xù)不斷的。

理論上其達(dá)到設(shè)計目標(biāo)的理想狀態(tài)后有如下優(yōu)點：

（1）完全自主設(shè)計，可以打破所有國外自動變速箱巨頭的專利壟斷。

（2）結(jié)構(gòu)非常簡單，忽略四個雙向離合器和液壓控制系統(tǒng)的話這只不過是個沒有換檔機(jī)構(gòu)的手動變速箱結(jié)構(gòu)而已。

（3）其性能穩(wěn)定故障率低，變速箱內(nèi)部可以基本沒有任何電器元件，也沒有任何太易損部件，耐用性和可靠性都能得到很好的保障。

（4）無縫隙換擋的速度極快勝過AT甚至DCT，并且能通過調(diào)教很好的抑制頓挫，如CVT般絲滑平順也不是奢望。

（5）傳動效率非常高，媲美手動變速箱遠(yuǎn)勝AT和CVT，和DCT比也只高不低。

（6）由于雙向片式摩擦離合器可以長時間空轉(zhuǎn)的特性，能夠完美實現(xiàn)手動變速箱的空檔滑行功能，帶檔滑行和空檔滑行隨意切換，只需設(shè)置一個選擇按鍵即可。低速時嚴(yán)重的發(fā)動機(jī)制動導(dǎo)致的拖拽頓挫感選擇空檔滑行即可徹底解決。

（7）換擋邏輯很簡單易于調(diào)教出各種駕駛風(fēng)格，通過對控制電腦的預(yù)置程序即可實現(xiàn)N種不同的升降檔機(jī)制，僅僅是需要調(diào)整液壓系統(tǒng)各種不同的動作時機(jī)。

（8）檔把的檔位可以隨意設(shè)置，再也不必忍受掛D擋時必須經(jīng)過R和N檔的繁瑣。因為齒輪固定掛鉤和P檔位都可以取消，設(shè)置一個P駐車按鍵即可：控制液壓模塊直連蓄電池的電子油泵把倒檔或一檔空套齒輪結(jié)合并鎖閉管路保持液壓即可實現(xiàn)駐車功能。

圖3

（9）隨叫隨到的動力響應(yīng)，無論是起步加速還是急加速，其無需中斷動力的優(yōu)勢加上無縫銜接的換檔速度能做到隨踩隨有的動力反饋及豐富的駕駛樂趣。

（10）易于維修，雖然本設(shè)計的變速箱內(nèi)部基本沒有易損部件，但是萬一出現(xiàn)故障也很容易維修，只要液壓控制系統(tǒng)不出問題，那基本上也就比維修手動變速箱難一點點而已。

（11）因為本變速箱設(shè)計基本都是依靠飛濺潤滑，所以自動檔車型不能拖車一說從此告別！拖車時車輪驅(qū)動差速器旋轉(zhuǎn)并通過傳動齒輪23驅(qū)動三軸，三軸驅(qū)動一二軸上的各主動空套齒輪轉(zhuǎn)動，飛濺潤滑沒任何問題。

（12）成本應(yīng)該能得到很好的控制，因為其沒有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也沒有昂貴的專利費。

（13）體積和重量也應(yīng)該可以控制住，和DCT比盡管雙向離合器縱向尺寸略大，還多了四個液壓油缸和液壓旋轉(zhuǎn)接頭，但是也省略了占地不小的雙離合模塊，基本可以做到相同。

（14）最后也是最重要的一點就是該設(shè)計對工藝和材料的要求都不算太高，除了要求較高的關(guān)鍵部位軸承和高速液壓旋轉(zhuǎn)接頭，應(yīng)該基本無需采購進(jìn)口配件，非常適合目前國內(nèi)的大環(huán)境下普及應(yīng)用。

注：

液壓油缸的設(shè)計鄙人設(shè)想了兩種方案：固定式和旋轉(zhuǎn)式，固定式的難點在于對推力軸承的壓力很大，旋轉(zhuǎn)式的則對高速液壓旋轉(zhuǎn)接頭的質(zhì)量要求較高，研發(fā)時需要權(quán)衡利弊做出抉擇。估計這是本發(fā)明設(shè)計唯一的技術(shù)難點了。

也曾考慮過設(shè)計使用共用液壓活塞代替壓力套，缺點是液壓油缸必須在最外圈導(dǎo)致雙向離合器的徑向尺寸將進(jìn)一步加大，變速箱徑向體積更不容易控制。