自動變速器在商用車上的應用

宋 偉

（南京依維柯汽車有限公司產品工程部，江蘇 南京 211806）

城市汽車保有量、非職業駕駛員增加和一些擁擠的區域逐步要求整車裝備自動變速器。自動變速器的研發及產業化成為中國商用車關鍵零部件的熱點工作［1］。

1 自動變速器的發展

1.1 技術路線的選擇

自動變速器的開發與應用可以被認為是一個B級的整車開發項目，因此自動變速器的開發工作的任務來源整車開發的需求，這點對于獨立的變速器廠家來說非常重要。因此整車的開發需求是自動變速器產品開發技術路線選擇的重要因素。每一種自動變速器各有優缺點。對同一級別的車輛可能有不只一種變速器可以適合，這就要從自動變速器開發資源的可獲得性、開發技術難易程度、制造成本等因素考慮開發技術路線的選擇。同時由于中國的多元文化特性，在同一個級別的車輛采用不同種類的變速器這也是正常的，俗話說“顧客是上帝”。

1.2 市場現狀和技術特點分析

AT（Automatic Transmission）由液力變扭器、行星齒輪和液壓操縱系統組成，通過液力傳遞和齒輪組合的方式來達到變速變矩。其中液力變扭器是AT最重要的部件，兼有傳遞扭矩和離合的作用。優點：液力自動變速器免除了手動變速器繁雜的換擋和腳踩離合器踏板的頻繁操作，使開車變得簡單、省力。當前AT的擋位越來越多，從以前的4AT發展到現在的8AT，隨之改變的是換擋速度和舒適性的提升以及油耗改善［2］。缺點：AT結構復雜、維修成本高、相對油耗高等。代表車型：80%的自動擋車型，中級車和中高檔車搭載6速甚至7速AT，而像寶馬、奧迪和奔馳的一些高檔進口車型，已經用上8速甚至9速AT。

DCT（Double Clutch Transmission，雙離合），因為大眾該技術應用較早，也比較廣泛，而且把其稱為DSG（Direct-Shift Gearbox）。其分濕式和干式兩種，濕式用的變速器油比較多、體積較大，可以承受較大的扭力；干式用的變速器油較少、更緊湊、效率更高，適合小型車，但能承受的扭力不如濕式大［3］。優點：DCT在效率和成本上都顯示出許多優勢，系統換擋的舒適性更高，而且能滿足消費者對駕駛運動感和車輛節油的雙重要求。缺點：目前DCT變速器面臨的主要問題是制造加工的精度要求很高，導致成本也相對較高。目前已知的DSG變速器停機案例多半發生在市區行駛過程中。代表車型：除了大眾的車型外，主要是沃爾沃S40 2.0L。進口車方面，保時捷、寶馬M3、奔馳部分AMG車型都采用DCT技術。

CVT（Continuous Variable Transmission），速比的變化卻不同于其他自動變速器跳擋過程，而是連續的。CVT采用傳動帶和可變槽寬的棘輪進行動力傳遞。當棘輪變化槽寬時，相應改變驅動輪與從動輪上傳動帶的接觸半徑進行變速。傳動帶一般用皮帶、金屬帶和金屬鏈等。優點：CVT由于沒有了一般自動擋變速器的傳動齒輪，也就沒有了自動擋變速器的換擋過程，由此帶來的換擋頓挫感也隨之消失，在實際駕駛中非常平順。CVT還有質量輕、體積小、零件少的優點［4］。缺點：相比傳統自動擋變速器而言，CVT變速器制造成本要略高。如果操作不當，出問題的概率較高。目前無論國內還是海外，CVT變速器很多情況下還無法維修，只能整體更換。CVT傳動的鋼制皮帶能夠承受的力量有限，一般而言3.0L排量或者300Nm以上的扭矩是它的上限。代表車型：在中國市場上應用CVT最多的整車企業主要是東風日產和本田，奧迪A6L都是采用CVT技術。

AMT（Automated Mechanical Transmission，機械式自動變速器）可以看成是自動的手動變速器，通常的手動變速器和離合器上配備一套電子控制的液壓操縱系統，以達到自動切換擋位的目的。AMT核心技術是微機系統，電子技術及品質將直接決定AMT的性能與運行品質［3］。優點：AMT在性價比高，可以在原有的手動變速器上進行升級，開發成本低。由于實質上還是手動變速器，AMT在省油方面也繼續了手動擋的優勢。缺點：在行車過程中，AMT因擋位變動引起的頓挫感較強，舒適性較差，換擋過程中有可能出現動力中斷。代表車型：奇瑞QQ、兩廂新賽歐、大通V80等。

上文介紹了各種變速器的結構和特點，其成本根據其復雜性，普遍是AMT最低，CVT、DCT其次，AT最高。自動變速器作為動力總成的核心技術，現在主流供應商還是歐美和日本公司，國內供應商處于剛起步階段。隨著商用車越來越體現轎車化趨勢，自動變速器將成為未來輕客高端產品的升級發展方向。商用車扭矩較大，一般超過300Nm的商用車，首選AMT和AT作為變速器升級方向。圖1所示為變速器的類別，較好分析了現有市場上各種變速器的供應商和應用范圍。

圖1 變速器的類別

2 自動變速器在依維柯車型上的應用

南京依維柯自2017年開始，投產了一款輕客車型，其技術水平和歐洲同步，主打商旅通勤和高端房車市場。其車型配置了中國輕客行業最先進的8速手自一體變速器。該自動變速器與瑪莎拉蒂、寶馬、Jeep等同型號產品，具有完美的駕駛體驗和安全舒適性的操控，大大增加了駕駛者的駕駛樂趣和行車安全。和大功率的F1C_3.0發動機相匹配，輸出扭矩最大為470Nm，車型最大覆蓋7.0t。匹配采埃孚公司8擋變速器，最新的4齒輪組輕量化設計，覆蓋最寬的速比級差。優秀的加速爬坡性，免拆卸設計，可視化診斷，與手動變速器相比，維護費用可降低10%。小于200ms最快的換擋平順時間，始終保持發動機動力處于最佳狀態。相對于同平臺的AMT車型，加速響應時間提升43%，動力性提升3%，油耗降低5%。設計最快0.2s的平順換擋時間，達到7的最寬速比范圍，合理的速比分配，城市路況加速性能提升7%。

2.1 整車匹配工作

該款車型原有的動力鏈是F1C_3.0 發動機和6擋機械變速器，動力總成是縱置后驅。在此基礎上，重新匹配采埃孚公司8HP70L的自動變速器。開發范圍包括：在整車上布置自動變速器，開發撓性聯軸器，用于變速器和傳動軸的連接；修改發動機的懸置支架、變速器橫梁、基座等，用于布置動力總成；修改發動機的曲軸，使其輸出高精度的轉速信號，用于變速器換擋時刻判別；開發自動換擋桿取代原來的機械換擋桿；開發專用的踏板機構，取消離合器踏板，優化制動踏板和油門踏板的布置位置，使之達到更好的人機要求；開發機油冷卻器及其管路，用于自動變速器散熱；開發緊急解鎖裝置，用于緊急情況下拖車；根據自動變速器的要求開發整車線束和相關軟件接口，使其能正常工作。具體結構布置如圖2所示。

圖2 結構布置

8HP70L的變速器是一款AT變速器，配備帶鎖止離合器的液力變矩器。該變速器包含8個前進擋位和1個倒擋。其中7擋和8擋為超速擋位，在給整車帶來了很好加速性的前提下，還能最大程度地保證整車較低的油耗。選換擋由1個帶4個同軸行星齒輪、4個換擋器、3個多片離合器和2個制動器構成，總傳動比大于7。變速器的結構圖如圖3所示。

圖3 8HP70L變速器結構

變速器由儀表臺上的電子線控換擋器控制，能夠一鍵直接進入停車擋。變速器通過散熱器和電子風扇實現變速器冷卻，其散熱器冷卻潤滑油是定制的。冷卻系統會同時對電子控制單元模塊進行冷卻。該電子控制單元位于變速器下部，被塑料油底殼所包覆，無法從變速器的油底殼中拆出。發動機飛輪的撓性板通過6顆六角頭螺釘與變速器的轉換器拖盤連接，這些螺釘彼此呈60°。為了提升舒適性能，變速器使用了低噪音的常齒螺旋行星齒輪結構，內部采用扭轉減振器，同時外部在傳動軸側增加了法蘭橡膠接頭，大大降低扭轉振動。下面詳細介紹一下自動變速器內部各重要部件的原理和功能。

液力變矩器通過液壓形式將發動機扭矩傳遞至變速器，主要由變矩器客體、定子、渦輪和鎖止離合器等組成。其結構見圖4。這款自動變矩器是無需保養和維護的，若變矩器出現內部故障，則須更換變速器總成。變矩器主要特性是依據傳動輸入和輸出軸之間的速度差調節發動機與變速器之間的扭矩。變矩器包含3個扭矩調節旋轉部件：轉子、渦輪和定子。轉子固定在變矩器殼體上，工作時和發動機曲軸具有相同轉速。轉子上裝配了一系列位置適宜的葉片，像液壓泵一樣驅動油液流動，使其在變速器內部循環。渦輪被固定在變速器輸出軸上，并由轉子生成的液流驅動旋轉。定子是扭矩調節最重要的零部件。渦輪回流會產生與轉子相反方向的旋轉力，從而導致熱能和機械能的損耗。定子能夠修正轉子的流向以便于旋轉，從而減少損耗。為防止定子按渦輪方向旋轉，定子配備了自由輪轂，使其只能按轉子方向旋轉。液力變矩器工作中包括3個運行階段：①發動機怠速運轉。當換擋器設定駐車P擋或掛入空擋N時，車輛停止且接合制動器，發動機怠速運轉。渦輪轉速略慢于轉子。當發動機仍然怠速運轉時，變速器掛入1擋或倒擋，轉子轉速保持發動機轉速。變速器內制動器和離合器鎖止了動力傳輸，渦輪靜止不動。這種情況下，轉子與渦輪速度差以及滑移達到最大值。②整車加速狀態。將整車電子換擋器移至D擋，并釋放車輛制動器，變速器內制動器和離合器允許動力傳輸。渦輪由轉子帶動的液壓驅動，開始旋轉，進而使車輛加速。變矩器傳遞的扭矩與轉子和渦輪之間速差成正比。加速時，該速差隨著整車扭矩增加而成倍增加。③車輛恒速行駛。渦輪達到轉子速度約90%時，增矩中斷，以達到節能的效果。這時鎖止離合器閉合以禁止滑移。在怠速和加速運轉階段，扭矩成倍增加，單向離合器保持定子靜止不動。變矩器接近恒速條件時，渦輪至轉子的液壓和速度逐漸下降，從而降低定子葉片上壓力。一旦達到恒速條件，液壓、轉子及渦輪一并旋轉。這種情況下，定子受止推器的作用，與轉子和渦輪相同的方向旋轉，這種情況稱之為“耦合點”。鎖止離合器是一種液壓機械設備，一旦工作，將可以控制變矩器的滑移。變速器電子控制單元控制電磁閥的開閉來控制液壓。鎖止離合器允許變矩器從完全滑移到無滑移之間的多種運轉狀態。滑移控制（0%到100%）允許轉子與渦輪的轉速不同，并通過在換擋中持續控制其滑移值。定子受控階段要求最小渦輪轉速為800r/min。行駛時，變矩器離合器盡快閉合，以最大限度地減少定子克服液壓偏向力產生的熱能，以降低油耗。當發動機轉速大于渦輪轉速時，打開該鎖止離合器。當發動機轉速和渦輪轉速相等時，關閉鎖止離合器。液力變矩器支持滑差控制，減少了完全分離的工況，降低了燃油消耗。采用雙扭轉減振器，可以降低鎖止車速，當車速低于15km/h時，可以完全鎖止。這樣減少了加速延遲，提升了整車加速的舒適性，又進一步降低了燃油消耗。

圖4 液力變矩器結構圖

變速器的選換擋由離合器和行星齒輪完成，有2個制動器、3個離合器、1個鎖止離合器和4個行星齒輪。通過4個行星齒輪和制動器與內部離合器工作的不同組合，可以獲得變速器不同的傳動比。各齒輪總成包括中心輪、行星齒輪、衛星齒輪及外部冠狀齒輪。離合器用于旋轉齒輪總成之間扭矩切換，由交替磨擦盤和鋼盤組成。鋼盤帶有不同外殼的耦合齒，當液壓驅動活塞內部壓力超過特定數值時，磨擦盤滑移接觸并同速旋轉，在該條件下會發生完整的扭矩傳輸。若液壓低于特定數值，鋼盤無法耦合，則無扭矩傳輸。多片式制動器的回位采用液壓控制，不通過彈簧。離合器的功能是將變速器的動力傳輸至行星齒輪。制動裝置的作用是為驅動傳動系生成一個反作用力，使其將扭矩釋放至變速器外殼。通過精確離合器和行星齒輪匹配，達到0.2s的平順換擋時間，響應速度較其他AT產品提升約43%。達到7的最寬速比范圍，合理的速比分配。3個多片離合器和2個制動器控制8個前進擋和一個倒車擋，每擋的速比和速比寬度見圖5。

圖5 不同擋的速比和速比寬度

機油泵安裝在油底殼內，其作用是形成控制閥和離合器運行所需的液壓。機油通過油泵潤滑變速器內部多種部件，同時進行冷卻。機油泵是雙級旋轉葉輪泵，可確保流速保持在7～22L/min。它通過齒形輪和鏈條控制，由曲軸上的輸入軸驅動。機油泵通過電子控制單元控制壓力調節閥來傳輸動力。調節過程中產生的多余機油被再次輸送回泵的進油室。壓力調節閥的回油設計有助于減少油泵空穴現象，可以降低系統噪音。

變速器本體上有一個手動釋放拉桿，通過拉絲和駕駛室里的變速器緊急解鎖裝置相連接。變速器緊急解鎖裝置位于駕駛室內手制動旁的塑料罩殼內。當發動機關閉時，變速器傳動系統自動處于鎖止狀態。該裝置是為了當變速器發生故障或者整車無法通電的情況下，可以靠外力拖動整車。該手動釋放拉桿有3個位置：A 駐車結合位置、B駐車釋放位置、C手動釋放位置，具體結構見圖6。手動釋放拉桿一般均處于駐車結合位置。一旦緊急解鎖開關拉開，手動釋放拉桿會到達手動釋放位置。手松開后，手動釋放拉桿會到達駐車釋放位置，這時候可以拖動車輛。

圖6 手動釋放拉桿的釋放位置和結構

變速器控制的電子控制單元TCM（Transmission Control Module）位于變速器本體下方的塑料油底殼內。它是自動變速器電子液壓控制系統的大腦，由電子控制單元、電子執行器、車速傳感器和控制閥等組成。電子控制單元通過PWM信號控制7個電磁閥來調節壓力。電子執行器還包括1個鎖止控制閥、1個鎖止缸位傳感器、1個活塞減震器、1個限制系統壓力的電磁閥和21個液壓閥。油底殼溫度傳感器和兩個霍爾效應傳感器（一個檢測變矩器渦輪轉速，一個檢測變速器輸出軸速度）會適時將相關信號傳遞給電子控制單元，形成閉環控制。通過專用CAN總線連接線控電子換擋器，用于駕駛員控制換擋操作。通過J1939協議連接各個車輛控制器，主要傳遞信號有變速器內部傳感器（轉速、車速、溫度）、發動機控制單元（尤其是與車速和轉矩轉速相關的信息）以及換擋信號。通過處理這些信號，電子控制單元能夠計算出用于當前接合擋位控制的正確齒輪和最適宜壓力設置。通過整車的OBD接口，還可以讀取自動變速器的相關診斷代碼。

2.2 整車仿真分析

該項目是在已經量產的手動擋車型上開發自動變速器配置，其動力鏈，如發動機、后橋、輪胎等參數，以及縱置后驅的布置方式已經確認。通過整車仿真計算，權衡整車的動力性和油耗，來匹配整車最優的速比。使用的仿真軟件是AVL公司的CRUISE軟件。

首先在整車型譜中，找到典型的車型，在CRUISE軟件中輸入整車的軸距、空滿載質量、輪胎滾動半徑等。該車型選用的是195/75R16雙胎，滾動半徑336.8mm。整車的滿載質量是4.5t，整車的滑行阻力系數是A：398.03N；B：2.0709N/（km/h）；C：0.0916N/（km/h）2。

接著輸入F1C國Ⅵ發動機的外特性，以及各發動機轉速下的扭矩、功率和油耗值，如圖7所示。

圖7 F1C國Ⅵ發動機的外特性，以及各發動機轉速下的扭矩、功率和油耗值

再將自動變速器各擋位的速比和效率輸入到軟件中，具體數據見圖5。同時將自動變速器換擋策略也要錄入仿真軟件中。主要策略包括各擋位的轉速策略和鎖止離合器策略。各擋位的轉速策略是指在不同油門開度下，升擋和降擋時變速器輸出軸的轉速策略，具體見表1。換擋策略包括14種狀態，如1擋升2擋叫做US12狀態，2擋降1擋叫做DS21，其他換擋策略以此類推。鎖止離合器策略是指各擋位下、不同油門開度時，離合器4種狀態時的轉速。離合器4種狀態為滑摩到打開時叫做RO狀態；打開到滑摩時叫做OR狀態；滑摩到鎖止時叫做RC狀態；鎖止到完全鎖止叫做COC狀態。表2列舉了1擋下不同油門開度時，鎖止離合器4種狀態下的轉速策略。

表1 在不同油門開度下，升擋和降擋時變速器輸出軸的轉速策略

該車型成熟的后橋速比有4種，分別是3.357、3.615、3.917和4.182。將這4種后橋速比分別輸入CRUISE軟件中，自動計算出整車最高車速、爬坡度、加速性能、各狀態下的油耗。如圖8所示是某工況下仿真的油耗值。最終結果見表3。在動力性接近的情況下，選擇油耗最優的方案，最終選擇后橋速比為3.357。

2.3 軟件開發及標定

自動變速器應用開發中軟件開發和標定是極其重要的工作。自動變速器要正常、高效、安全地工作，必須和其他控制器相互通信。南京依維柯這款車的通信協議是J1939協議。作為動力鏈最核心的部件，發動機和變速器之間有復雜信號傳輸和控制，如轉速、車速、擋位、油門開度、各自狀態等，以使發動機的扭矩最高效地通過變速器傳遞到整車。為了保證整車安全的控制策略，BCM會向動力鏈發送電池的SOC信號、制動離合器信號、車門信號等，用于整車判斷何時能夠安全啟動發動機或移動車輛。ESP和ADAS系統會和動力鏈通信輪速信號、整車姿態信號和智駕系統的需求等，用于整車在特殊工況下（輪胎打滑、車子側傾、巡航等），具備不同的換擋策略。F1C+8AT的動力鏈，具備很好的駕駛性、動力性和可改裝性，在國內大量用于房車、救護車、工程車等改裝車領域。所以動力鏈會和EM擴展模塊、緩速器等產生信息交互，用于在特殊工況下控制發動機發出更多的扭矩來精確驅動上裝設備。其電器架構圖見圖9。

保證自動變速器換擋平順性，最關鍵軟件交互是扭矩控制。扭矩控制模式分為3種：①扭矩控制，發動機把整個動力鏈的扭矩控制權直接交給變速器控制，以提升扭矩響應的及時性。②扭矩限制，變速器將整車需要限制的扭矩值發給發動機，發動機在規定范圍內達到這個限制。③轉速控制，為了更平穩地控制整車，變速器將發動機需要穩定的轉速值發給發動機，發動機在固定時間內，穩定該轉速。核心算法是駕駛員請求扭矩、發動機請求扭矩和實際扭矩在發動機和變速器之間的傳遞和計算。駕駛員的請求扭矩是發動機電控單元根據油門踏板開度和整車狀態計算出來的。這個扭矩減去發動機的內部阻尼，再乘以發動機參考扭矩就會得到發動機實際扭矩。以上扭矩均是在發動機電控單元內部計算的。發動機實際扭矩減去變速器泵的阻尼，則得到變速器的目標修正扭矩。這個修正扭矩是在變速器內部進行計算的。變速器飛輪扭矩和實際扭矩均是按此算法進行，同時還要考慮整個傳動系統硬件上能承受的扭矩最大值。扭矩計算圖見圖10。

圖9 ESP和ADAS系統電器架構圖

扭矩的精度和響應速度同樣是決定自動變速器駕駛性的核心要素。扭矩信號的排列格式按照英特爾方式，以百分比的形式呈現，通信周期為10ms，數據信息如表4所示。總線上發出的發動機扭矩和發動機實際產生的扭矩偏差的絕對值最大不能超過5Nm或7%，且最大偏差值不能超過±20Nm。

當變速器電控單元請求發動機扭矩時，發動機扭矩響應時間和精度需要滿足如圖11所示的要求，響應時間小于50ms，最大偏差±20ms。該響應時間包含了總線上通信時間的延遲。這個需要動力總成在測功機上進行專項標定和總線物理布置來保證其要求。

表4 數據信息表

圖10 扭矩計算圖

除了進行動力總成的臺架標定以外，還需要對整車的駕駛性、高溫適應性、高原適應性和高寒適應性等做專項標定和驗收，以保證整車在各種環境下的性能。同時變速器控制器設定了很多安全邏輯，確保車輛在特殊情況下（如散熱器損壞、CAN總線中斷等），能讓整車進入跛行模式（Limp home模式），最大程度地保證車輛安全行駛到維修站。如在高溫標定時，會對變速器散熱系統失效模式進行安全策略方面的標定，確保變速器油溫達到120°C時，儀表啟動“變速器油溫過高”報警提示，當油溫降低到115°C時才能關閉報警。如果變速器油溫繼續升高到135°C時，發動機開始進行限扭。扭矩限制和油溫的升高頻率成正比。當變速器油溫達到140°C時，發動機最大扭矩限制到原來最大扭矩的一半，即200Nm。當變速器油溫超過145°C，變速器控制單元啟動Limp home模式，發動機進一步限制扭矩至20Nm，保證整車只能在1擋低速運行。

圖11 發動機扭矩響應時間和精度

3 總結

自動變速器在商用車上的應用開發十分復雜，一般需要18個月。南京依維柯的商用車因為匹配了8AT變速器，大大提升了整車駕駛的舒適性和可操控性，迅速占領了國內C型房車市場90%的份額。隨著中國經濟水平的提高，用戶對于車輛操控駕乘等性能的要求不斷增強，商用車駕駛員更為年輕化、個性化，自動變速器車型的需求也將持續增長。中國商用車肯定和乘用車一樣，自動擋配置率會越來越高。