AT变速器新技术的发展趋势(上)

2018-12-28北京薛庆文

汽车维修与保养 2018年10期

◆文/北京薛庆文

一、背景分析

从大环境背景来看，汽车毫无疑问已经成为百姓日常出行的代步工具，而我国也已进入汽车产销大国的行列。在全球气候环境变化的背景下，机动车数量的不断增多势必会影响大气环境，因此新能源车辆一定是未来发展趋势，但是纯电动的电动机寿命、蓄电池充电与回收、续航里程、安全等众多因素还在制约其发展步伐。这使得非插电混动和插电混动车辆在燃料车和电动车过渡期间迅速增量。当然燃料车的停止生产还没有提到具体的日程上来，在这种情况下汽车传动领域的变速器技术如何发展？在环保要求下汽车自动变速器技术一定要走创新化发展道路，节能、环保、高效、智能、降噪、轻量化、舒适等是主流方向。由于国内车型相对较多，自动变速器类型的匹配还处于百花争鸣阶段，因此AT、CVT、DCT、EVT/HVT各有优势，市场前景仍旧广阔。现阶段，由于AT技术已经成熟，因此其市场份额还是排在首位，下面我们就分析一下AT变速器近年来在新技术方面的突破和创新。

二、AT变速器技术的发展趋势

无论在当下还是未来，AT变速器一定还是要走多挡位路线，AT变速器作为最为传统类型的一款有级自动变速器，已经有超过100多年的历史，而电子控制技术也有近40年的历史。现如今AT变速器挡位数已经达到10个前进挡位，因此无论是低端家庭用车还是中高端以上车型，我们都很难再看到新车搭载4AT或5AT的变速器。2018年5月，吉利和广汽与全球知名的自动变速器生产厂家日本爱信签约，为满足市场小排量低端车型的需求，将爱信公司生产的一款6AT生产线拿到国内进行量产，从这一信息来看，未来几年国内低端小排量车型，在AT变速器选择上一定

会以6AT为主，同时国内东安传动的6AT也在不断增大生产量，以满足更多品牌的需求，目前6AT在国内主流车型当中装车量还是排在首位的。而中高端车型装车量最多的是8AT，幸运的是山东盛瑞传动已经开发出自己的8AT，且已成功搭载国内多个自主品牌车型。7AT仅仅在奔驰、尼桑、英菲尼迪等品牌车型中使用。自2013年德国采埃孚的第一个9AT出现后并没有带动更多自动变速器企业生产9AT变速器，目前也只有奔驰和通用两个品牌有自己的9AT，也就是奔驰的725.0和通用的GF9(9T45E/50E)两个系列型号。不过，2016年本田、爱信、福特和通用，又开发出10AT，目前已经大量装车。在国内现行道路情况(一级高速公路最高时速120km/h)10个前进挡已经足够用了。挡位数越多传动范围就越宽，因此燃油经济性就越好、舒适性也就越优。但由于换挡点数量多了，变速器内部元件数量少了，因此控制上越来越复杂，部件的高频率工作带来的是总程使用寿命的缩短。接下来我们一起看看AT变速器的新技术发展情况。

1.换挡模式

目前大部分搭载AT变速器的车辆，无论是轿车还是SUV车辆，其换挡模式都采用经济模式(E模式)，按照大多数驾驶员的驾驶习惯，1/4油门开度，相当于25%节气门开度驾驶，相邻两挡之间的切换(升挡)能够在发动机转速1 200～2 000r/min之间完成，低转速下换挡及低转矩下换挡，既可以提高车辆燃油经济性，也提高了驾驶舒适性，这是因为有更宽的传动范围和更多的传动比选择，因此计算机中换挡曲线的传动比切换点(换挡点)就是按照E模式编程的(图1)。而过去传统4AT按照同样的驾驶方式，至少要在2 400～3 000r/min之间来完成升挡过程，由于仅有3个升挡点的选择，因此就会出现有一部分发动机输出效率在高转速下是浪费的。

图1 AT变速器的换挡曲线图

2.变矩器离合器控制模式

多挡位AT变速器由于传动范围宽，且有更多的传动比选择，因此变矩器离合器(TCC)控制可以完全在低速挡位得以应用。所以我们在实际维修中看到大部分轿车TCC的闭锁控制提前到1挡上或2挡开始锁止，而更多的SUV车型也至少在3挡TCC开始工作，有的可以在2挡锁止(图2)。这样大大提高了整车的燃油经济性，同时ATF温度也不容易过高。为了保证每个换挡点上的舒适性，TCC锁止控制油路已经形成线性高频率控制，且在换挡点上TCC在控制方面还要尽量实现解锁控制，也就是TCC不能从开始的上锁就一直锁住不变化，在换挡点上通过一部分的解锁控制，以使换挡点变得柔和舒适。弊端就是TCC工作频次太高导致TCC部件寿命缩短。

图2 液力变矩器TCC闭锁控制

3.起停模式

车辆在停车等信号灯过程当中，由于时间问题而导致发动机的工作是浪费的，在AT变速器中，如果停车时选挡杆依然停留在动力挡位上，那么发动机输出功率又全部消耗在ATF当中，且形成大量热能。这不仅带来变速器ATF温度过高等问题，关键是会影响车辆的燃油经济性。在这种情况下有个别车采用“停车回空挡功能”，也就是说，虽然选挡杆在D挡位置，但变速器电脑却通过电磁阀将内部元件的油路切换到空挡位置，也相当于把选挡杆挂在了N挡位置，不过这样虽然能够改善一点点燃油经济性，变速器ATF也不容易高温，但毕竟发动机依然还在做无用功，因此“起停功能”就出现了。

当“起停功能”被执行时，在前进挡停车后等信号灯时，无需改变选挡杆位置，只要保持脚踩住刹车即可，此时发动机自动关闭。当再次起步时，右脚离开刹车踏板去踩油门踏板时，发动机被再次重新启动，车辆将直接继续行驶。这里值得一提的是：当发动机被关闭后，自动变速器也停止运转，此时由于变速器油泵停转使得变速器内部没有任何油压，如果没有存储油压或不能通过其他途径提前提供工作油压，那么在发动机再次启动前后动力流会出现延后，也就是说只有发动机转动变速器油泵才随之转动生成系统油压，发动机至变速器之间才能形成动力连接，这样一定会产生时间差。因此在“起停功能”控制要求中势必通过起停泵(蓄压泵)、起停辅助油泵(电泵)或起停电机(大功率电磁阀)等核心部件，来完成发动机关闭和再次被启动之间的液压油路的无缝对接过程，就不会出现滞后现象。接下来大家一起看一下奥迪0BK自动变速器起停功能的工作原理。

三、奥迪0BK变速器的起停功能

起步停车功能首次应用在奥迪V6 3.0 TDI发动机与自动变速器的动力组合上。起步停车功能对自动变速器提出了特别的挑战。在起步停车模式下，要求起步响应时间很短。为了不出现明显的启动延迟，发动机和自动变速器必须在350ms内就做好启动准备。如果自动变速器没有经过相应的设计并对供油系统采取适当措施，无法达到这样的要求。

启用起步停车模式时的问题：在关闭发动机时，变速器内也停止供油(油泵停转)。此时所在挡位的换挡元件打开，动力啮合被中断。发动机启动时，变速器内必须恢复动力啮合，从而做好启动准备。对于8速0BK自动变速器来说，就意味着必须闭合3个换挡元件。发动机加速时，由ATF泵供应的油量不足以在规定的时间内向换挡元件施压，从而无法产生足够的动力啮合。原则上可以通过合理设计ATF泵来达到这个要求。然而这样的泵往往会在发动机低速运转时产生巨大的动力损失。为此在奥迪0BK变速器上使用一个液压脉冲式储油罐(HIS)，相当于一个容积较大的蓄压装置，并由电脑来实施管理过程，这样就解决了起停模式下的问题(图3)。

图3 带有起停功能的HIS

液压脉冲式储油罐(HIS)是一种高效的解决方案。HIS是一个专用的储油罐，带有电子机械式锁紧装置。它的作用是瞬间为换挡元件提供可传输的压力。利用HIS可以将起步响应时间控制在350ms以内(比松开刹车踩到油门的时间还要短)，做到无缝对接(图4)。

图4 带有起停功能HIS的优势

1.HIS的结构和功能

HIS由弹簧活塞式储油罐、一个电子机械式锁紧装置(储压器电磁阀N485)和一个单向节流阀组成(图5)。弹簧活塞式储油罐由活塞、液压缸和钢制弹簧组成。电磁阀N485的作用是保持活塞处于预涨紧状态(N485通电)。弹簧活塞式储油罐在发动机运行时“加压”。在起步时，电磁阀N485被断电，所储存的油在弹力作用下压入液压控制装置(泄压)。这样当ATF泵开始泵油时，换挡元件就已经被施加油压。因此HIS就帮助ATF泵在瞬间形成高压。当泵提供足够压力的时候，HIS所产生的压力和ATF所产生的压力发生叠加。此时活塞式储油罐开始增压。为了避免增压影响进一步形成高压，限制流向活塞弹簧式储油罐的流量，这个工作由单向节流阀来完成。增压过程约5s(温度为20℃情况下)，时间非常短，不会影响起步停车功能。

图5 排空状态的HIS储油罐(基本结构)

机电锁定单元包括一个低电流电磁阀、一个带磁芯和若干球头的弹簧式锁止器。锁止器上有一个锁止机构，当发动机运行且自动变速器油 (ATF) 油泵产生压力时，钢珠会在HIS填充过程中将其定位(图6)。

当发动机运行时，ATF油泵产生压力，单向限流器让受控的ATF流量作用在活塞上。

ATF压力将活塞移动至蓄能器缸筒内。活塞上的锁紧环穿过此时位于锁止器锁销中的球头(因为锁子球刚好在凹槽中不影响HIS活塞的继续移动)，如图7所示。

图6 启动发动机后充压开始

图7 继续充油过程

随着活塞继续移动，锁止器中心的弹簧使锁紧筒和磁铁芯向电磁阀绕组移动，进入最终完全充注位置(图8)。通电电磁阀支撑磁铁芯而球头通过锁止器运动从锁销处升起(锁止球离开凹槽位置)，在充注位置锁定活塞。HIS现已机电锁定，且为发动机停止做好准备。

图8 HIS充分充压活塞到达终点位置

当发动机停止运转时，ATF泵也被停止，且ATF压力消失。作用在活塞上的压力也消失。活塞由钢珠保持在锁定位置(图9)。发动机启动过程中液压填充所需能量存储在涨紧的活塞弹簧上。电磁阀仍处于通电状态，以固定活塞上的锁止器且使球头离开锁销(凹槽)，以锁定活塞。

图9 发动机停转储油罐内充满油液

当发动机重新启动时(图10)，N485电磁阀断电，启动解锁过程。松开磁铁芯，锁止器在弹簧压力下向活塞移动。锁止球进入锁止器中的锁销中(凹槽中)，松开活塞。活塞在弹簧弹力下移动，释放ATF容量。单向节流阀完全打开，以允许ATF从蓄能器汽缸畅通地流至变速器壳体，该过程在300～350ms间完成。一旦启动发动机，ATF泵产生液流和压力，尽快使变速器换挡元件尽快实现无缝啮合。

图10 重新启动发动机(HIS泄压)

2.空挡滑行模式

最早是不允许自动变速器车辆在高速路或下坡路进行空挡滑行操作的，而驾驶者这种动作是为了节油，其实在控制方面即便大家把选挡杆挂到N挡位置，在滑行过程也不能省油，原因是发动机电脑该怎么喷油还照样怎么喷油，绝不会因为选挡杆挂在N挡位置就减少喷油量，同时这种操作形成习惯后，容易导致变速器机械运转部件因得不到良好的润滑而加剧磨损，久而久之导致变速器机械部件提前损坏。不过在今天新技术成熟的条件下，由电脑执行的“空挡滑行模式”出现了。

搭载采埃孚8挡自动变速器0D5的奥迪车型首次引入怠速滑行模式，这是与传统的变矩器自动变速器相结合的成果。一旦满足运行条件，在170～40km/h的车速范围内，发动机和变速器之间的动力传递就会断开，这发生在挂入5～8挡时。车辆利用怠速时的运动能量，在没有发动机制动作用的情况下滑动，这样可以在上述车速范围内节省燃油。在怠速时，发动机以怠速运转，挡位显示中仍仅显示D挡、E挡或M挡，不会显示具体的挡位。变速器的每个挡位分别需要3个换挡元件来产生动力啮合。由于5-8挡需要离合器D，因此它是怠速模式的分离元件，根据车速通过关闭相应的换挡元件来跟踪挡位。挡位跟踪的特点之一是不涉及到7挡，由于在离合器D分离、制动器A和离合器C接合时，变速器转速可能达到临界，因此在挡位跟踪时不会选择7挡。在8挡怠速模式下，会尽可能保持该挡位，以便直接切换至6挡。驾驶员在怠速状态下踩下油门，可以感觉到应答性能延时，因为在即将加速前，离合器D必须接合。