全新设计理念的多双向离合器自动变速箱

贺宏良

摘 要：本文介绍了一种全新设计理念的多双向离合器自动变速箱，其拥有完全的自主知识产权，基于手动变速箱的齿轮组结构并简化了电液控制系统，以最简单的结构达到最佳的效果：兼具了目前主流的AT.CVT.DCT的优点并较好的克服了其各自的缺点，对材料和工艺的要求都不高，非常适合目前国内大环境下的研发和应用。

关键词：自动变速箱;双向离合器;自主知识产权

由于我国制造业材料和工艺与发达国家的巨大差距，也因为国外自动变速箱巨头的专利壁垒，导致我国的自主自动变速箱产业因为缺乏核心技术而迟迟没有大的突破，严重制约了我国汽车工业由大到强的步伐。

纵观目前的现状，我国的自主自动变速箱都是购买外国专利技术、进口各种核心部件等等，基本全是跟在人家屁股后面追赶，虽然某些数据看起来也像模像样，实际装车体验差强人意不说，其可靠性和耐久性都还没有经过时间的考验，整体现状不是那么乐观，可以说是任重而道远。

截至目前为止，民用小型汽车上主流应用的自动变速箱类型主要有三种：AT、DCT和CVT，缺陷太大的AMT已经边缘化。

这三种主流变速箱各有优点也各有缺点：

AT的优点是性能稳定可靠性高，但是结构极其复杂维修困难且因为液力变矩器的缘故导致传动效率低换档速度慢和动力反应迟缓。

CVT结构简单行驶平顺，但因为是钢带摩擦传动，传动效率更低而且还易打滑，耐久性也一般，故障后基本上无法维修需要更换总成。

DCT虽然传动效率高换挡速度快，但是低速顿挫严重更兼可靠性最差

三种主流变速箱还普遍存在各种异响、某些区域的顿挫和急加速时需要自动连续降档或者打滑（CVT）等导致的动力迟滞问题。

那么，为什么就不能有一种自动变速箱，它既结构简单、性能稳定、可靠耐用又换挡平顺、传动效率还很高呢？也就是兼具三种变速箱的优点但尽量克服其缺点。

设计的初期思路本来是想从自动变速箱技术里最理想的方案：无级变速下手的，然而钢带的专利壁垒和摩擦传动的低效率低扭矩目前技术手段不足以完全解决，所以最终还是选择从常规齿轮传动下手！比如DCT传动效率高换挡速度快是其最大优点，所以只要解决了顿挫也就成功了一大半，再解决掉可靠性和耐用性那就基本大功告成。

因为出身机械加工行业，所以对普通车床上极为常见的湿式双向摩擦片式离合器（参见最后的附图3）很熟悉：这种离合器长时间分离和长时间结合都很适应，还因为是全金属摩擦片，所以耐磨性和耐久性及可靠性都非常好，又因为是油冷降温，所以浸泡在润滑油里也可以正常工作。它的优点还有结合平稳无冲击，体积小扭矩大，其完全结合后在允许的最大扭矩以下就等同于刚性连接，所以传动效率很高，因此个人认为它非常适合在汽车的自动变速箱里应用。

由此鄙人就大胆尝试，发明并设计出这款全新设计理念的·多双向离合器自动变速箱。该发明的齿轮组结构类似于DCT，却省略了昂贵的双离合模块。而每个档位都配备多片式摩擦离合器类似于本田的平行轴AT，遗憾的是本田仅仅是把多片式摩擦离合器作为换档机构，却依然采用了液力变矩器作为中断动力换挡的重要部件，影响了传动效率也无法做到无缝衔接的换档速度。

图2中：11三轴;12二轴;13一轴，2A、2挡主动空套齿轮;4A、4挡主动空套齿轮;5A、5挡主动空套齿轮;1A、1挡主动空套齿轮;RA、倒档主动空套齿轮;6A、6挡主动空套齿轮;7A、7挡主动空套齿轮;3A、3挡主动空套齿轮;8发动机动力主动齿轮;9二轴从动齿轮;10一轴从动齿轮;14双向离合器;15双向离合器;16双向离合器;17双向离合器;18液压油缸;19液压油管;20高速液压旋转接头;21活塞杆;22压力套;23 往差速器传动齿轮。

本变速箱主要部件有：變速箱壳体、一轴、二轴、三轴、各档位齿轮、传动齿轮、惰齿轮、四个双向离合器和四个液压油缸，外置液压模块和微电脑控制模块。其中一轴二轴两端都配备有图示一轴左侧同样的液压控制装置，示意图中其他三个简略之（请参照示意图）

双向离合器17/14和15结构与图示中16一样，图示也简略之。

如图所示，三轴上从左到右依次排列2档从动齿轮，四六档共用从动齿轮，七、五、一、三档从动齿轮，二轴上对应排列2A、4A、5A、1A档位主动空套齿轮，一轴上对应的是RA、6A、7A、3A档位主动空套齿轮，（档位齿轮的错位排列设计是为了达到换挡时的无缝衔接）一，二轴最左侧都是从动齿轮9/10，与之啮合的是发动机动力主动齿轮8。

二轴上2A、4A和5A、1A档位主动空套齿轮之间都安装有双向离合器14/15各一个，一轴上的RA、6A和7A、3A档位主动空套齿轮之间也是双向离合器16/17各一个。

每个双向离合器在其轴头位置都配备液压油缸18外接高速液压旋转接头20（或者固定油缸）活塞杆从轴孔内推动压力套能让离合器片双向压紧完成左右结合，通过微电脑控制液压活塞的动作速度和液压油压力，可以获得最佳的结合时机及良好的刚性连接。

各液压油缸的液压油管19通向液压模块。

其工作原理如下：

四个双向离合器没有动作时一二轴是空转的，动力不会被传递到空套齿轮也就不会被传递到三轴，这就是和手动变速箱一样的空档状态。

具体的升档过程：

汽车需要起步时，微电脑控制模块接收到节气门开启信号后，立刻指令液压模块向二轴12右端的液压油缸供油，推动活塞杆带动双向离合器15的压套向右侧的一档主动空套齿轮1A方向动作，通过预设液压油的流速可以控制压套压紧摩擦片的速度快慢，也就是能够实现匀速的半离合到全结合，从而能够使得汽车起步平稳不突兀。

半离合后一档主动空套齿轮1A就会开始被驱动并传递动力给一档从动齿轮带动三轴11，三轴通过往差速器传动齿轮23传递动力给差速器完成起步。

起步以后当发动机转速上升至设定阀值需要自动增至二档时，那么只需控制液压油缸在松开双向离合器15的同时控制双向离合器14同步向左侧二档空套齿轮2A压紧，也就能做到一二档之间无缝衔接的平顺过渡;

二档升三档时只需松开双向离合器14的同时控制双向离合器17向右侧三档空套齿轮3A压紧，一样做到无缝衔接的平顺增档，此时动力通过3A空套齿轮传递给三档从动齿轮驱动三轴11，三轴11通过往差速器传动齿轮23传递动力给差速器。

三档增四档只需松开离合器17的同时控制离合器14向右侧的4A空套齿轮压紧，

四档升五档只需控制离合器14松开的同时让离合器15同步向左侧的5A空套齿轮压紧。

五档升六档控制离合器15松开的同时让离合器16向右侧的6A空套齿轮压紧，六档升七档就控制离合器16松开的同时让离合器17向左侧的7A空套齿轮压紧，这样就完成了从空档起步到最高档位的依次无缝衔接。

具体的降档过程：

七档降六档时只需控制离合器17松开的同时让离合器16同步向右侧的6A空套齿轮压紧，六档降五档时只需松开离合器16的同时让离合器15向左侧的5A空套齿轮压紧，五档降四档时只需松开离合器15的同时让离合器14向右侧的4A空套齿轮压紧，四档降三档只需松开离合器14的同时让离合器17同步向右侧的3A空套齿轮压紧，三档降二档只需松开离合器17的同时让离合器14向左侧的2A空套齿轮压紧，二档降一档时只需松开离合器14的同时让离合器15向右侧的1A空套齿轮压紧，一档降空档只需松开离合器15即可，这样也就做到了从7档到空档依次无缝衔接的降档。

连续降档和跨级升档基本也可以做到一样的无缝衔接，比如7档直降五档，只需松开离合器17的同时控制离合器15同步向左侧的5A空套齿轮压紧，直降四档只需控制离合器14同步向右侧的4A空套齿轮压紧，其他直降和跨级升档就不赘述了。注：个别跨级档位齿轮因为在一个双向离合器的两侧所以会略有延迟，研发时可以重新设计最优化的档位齿轮排列。

据查目前换挡最快的自动变速箱也需要耗时零点几秒，多个双向离合器的设计和档位齿轮的错置排列能够使多双向离合变速箱几乎做到增减挡基本上不需要时间。也就是说通过两个离合器的完美配合，换挡时甚至不需要关闭节气门，加速过程中扭矩是持续不断的。

理论上其达到设计目标的理想状态后有如下优点：

（1）完全自主设计，可以打破所有国外自动变速箱巨头的专利垄断。

（2）结构非常简单，忽略四个双向离合器和液压控制系统的話这只不过是个没有换档机构的手动变速箱结构而已。

（3）其性能稳定故障率低，变速箱内部可以基本没有任何电器元件，也没有任何太易损部件，耐用性和可靠性都能得到很好的保障。

（4）无缝隙换挡的速度极快胜过AT甚至DCT，并且能通过调教很好的抑制顿挫，如CVT般丝滑平顺也不是奢望。

（5）传动效率非常高，媲美手动变速箱远胜AT和CVT，和DCT比也只高不低。

（6）由于双向片式摩擦离合器可以长时间空转的特性，能够完美实现手动变速箱的空档滑行功能，带档滑行和空档滑行随意切换，只需设置一个选择按键即可。低速时严重的发动机制动导致的拖拽顿挫感选择空档滑行即可彻底解决。

（7）换挡逻辑很简单易于调教出各种驾驶风格，通过对控制电脑的预置程序即可实现N种不同的升降档机制，仅仅是需要调整液压系统各种不同的动作时机。

（8）档把的档位可以随意设置，再也不必忍受挂D挡时必须经过R和N档的繁琐。因为齿轮固定挂钩和P档位都可以取消，设置一个P驻车按键即可：控制液压模块直连蓄电池的电子油泵把倒档或一档空套齿轮结合并锁闭管路保持液压即可实现驻车功能。

（9）随叫随到的动力响应，无论是起步加速还是急加速，其无需中断动力的优势加上无缝衔接的换档速度能做到随踩随有的动力反馈及丰富的驾驶乐趣。

（10）易于维修，虽然本设计的变速箱内部基本没有易损部件，但是万一出现故障也很容易维修，只要液压控制系统不出问题，那基本上也就比维修手动变速箱难一点点而已。

（11）因为本变速箱设计基本都是依靠飞溅润滑，所以自动档车型不能拖车一说从此告别！拖车时车轮驱动差速器旋转并通过传动齿轮23驱动三轴，三轴驱动一二轴上的各主动空套齿轮转动，飞溅润滑没任何问题。

（12）成本应该能得到很好的控制，因为其没有复杂的结构也没有昂贵的专利费。

（13）体积和重量也应该可以控制住，和DCT比尽管双向离合器纵向尺寸略大，还多了四个液压油缸和液压旋转接头，但是也省略了占地不小的双离合模块，基本可以做到相同。

（14）最后也是最重要的一点就是该设计对工艺和材料的要求都不算太高，除了要求较高的关键部位轴承和高速液压旋转接头，应该基本无需采购进口配件，非常适合目前国内的大环境下普及应用。

注：

液压油缸的设计鄙人设想了两种方案：固定式和旋转式，固定式的难点在于对推力轴承的压力很大，旋转式的则对高速液压旋转接头的质量要求较高，研发时需要权衡利弊做出抉择。估计这是本发明设计唯一的技术难点了。

也曾考虑过设计使用共用液压活塞代替压力套，缺点是液压油缸必须在最外圈导致双向离合器的径向尺寸将进一步加大，变速箱径向体积更不容易控制。