自动变速器在商用车上的应用

宋 伟

（南京依维柯汽车有限公司产品工程部，江苏 南京 211806）

城市汽车保有量、非职业驾驶员增加和一些拥挤的区域逐步要求整车装备自动变速器。自动变速器的研发及产业化成为中国商用车关键零部件的热点工作［1］。

1 自动变速器的发展

1.1 技术路线的选择

自动变速器的开发与应用可以被认为是一个B级的整车开发项目，因此自动变速器的开发工作的任务来源整车开发的需求，这点对于独立的变速器厂家来说非常重要。因此整车的开发需求是自动变速器产品开发技术路线选择的重要因素。每一种自动变速器各有优缺点。对同一级别的车辆可能有不只一种变速器可以适合，这就要从自动变速器开发资源的可获得性、开发技术难易程度、制造成本等因素考虑开发技术路线的选择。同时由于中国的多元文化特性，在同一个级别的车辆采用不同种类的变速器这也是正常的，俗话说“顾客是上帝”。

1.2 市场现状和技术特点分析

AT（Automatic Transmission）由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。其中液力变扭器是AT最重要的部件，兼有传递扭矩和离合的作用。优点：液力自动变速器免除了手动变速器繁杂的换挡和脚踩离合器踏板的频繁操作，使开车变得简单、省力。当前AT的挡位越来越多，从以前的4AT发展到现在的8AT，随之改变的是换挡速度和舒适性的提升以及油耗改善［2］。缺点：AT结构复杂、维修成本高、相对油耗高等。代表车型：80%的自动挡车型，中级车和中高档车搭载6速甚至7速AT，而像宝马、奥迪和奔驰的一些高档进口车型，已经用上8速甚至9速AT。

DCT（Double Clutch Transmission，双离合），因为大众该技术应用较早，也比较广泛，而且把其称为DSG（Direct-Shift Gearbox）。其分湿式和干式两种，湿式用的变速器油比较多、体积较大，可以承受较大的扭力；干式用的变速器油较少、更紧凑、效率更高，适合小型车，但能承受的扭力不如湿式大［3］。优点：DCT在效率和成本上都显示出许多优势，系统换挡的舒适性更高，而且能满足消费者对驾驶运动感和车辆节油的双重要求。缺点：目前DCT变速器面临的主要问题是制造加工的精度要求很高，导致成本也相对较高。目前已知的DSG变速器停机案例多半发生在市区行驶过程中。代表车型：除了大众的车型外，主要是沃尔沃S40 2.0L。进口车方面，保时捷、宝马M3、奔驰部分AMG车型都采用DCT技术。

CVT（Continuous Variable Transmission），速比的变化却不同于其他自动变速器跳挡过程，而是连续的。CVT采用传动带和可变槽宽的棘轮进行动力传递。当棘轮变化槽宽时，相应改变驱动轮与从动轮上传动带的接触半径进行变速。传动带一般用皮带、金属带和金属链等。优点：CVT由于没有了一般自动挡变速器的传动齿轮，也就没有了自动挡变速器的换挡过程，由此带来的换挡顿挫感也随之消失，在实际驾驶中非常平顺。CVT还有质量轻、体积小、零件少的优点［4］。缺点：相比传统自动挡变速器而言，CVT变速器制造成本要略高。如果操作不当，出问题的概率较高。目前无论国内还是海外，CVT变速器很多情况下还无法维修，只能整体更换。CVT传动的钢制皮带能够承受的力量有限，一般而言3.0L排量或者300Nm以上的扭矩是它的上限。代表车型：在中国市场上应用CVT最多的整车企业主要是东风日产和本田，奥迪A6L都是采用CVT技术。

AMT（Automated Mechanical Transmission，机械式自动变速器）可以看成是自动的手动变速器，通常的手动变速器和离合器上配备一套电子控制的液压操纵系统，以达到自动切换挡位的目的。AMT核心技术是微机系统，电子技术及品质将直接决定AMT的性能与运行品质［3］。优点：AMT在性价比高，可以在原有的手动变速器上进行升级，开发成本低。由于实质上还是手动变速器，AMT在省油方面也继续了手动挡的优势。缺点：在行车过程中，AMT因挡位变动引起的顿挫感较强，舒适性较差，换挡过程中有可能出现动力中断。代表车型：奇瑞QQ、两厢新赛欧、大通V80等。

上文介绍了各种变速器的结构和特点，其成本根据其复杂性，普遍是AMT最低，CVT、DCT其次，AT最高。自动变速器作为动力总成的核心技术，现在主流供应商还是欧美和日本公司，国内供应商处于刚起步阶段。随着商用车越来越体现轿车化趋势，自动变速器将成为未来轻客高端产品的升级发展方向。商用车扭矩较大，一般超过300Nm的商用车，首选AMT和AT作为变速器升级方向。图1所示为变速器的类别，较好分析了现有市场上各种变速器的供应商和应用范围。

图1 变速器的类别

2 自动变速器在依维柯车型上的应用

南京依维柯自2017年开始，投产了一款轻客车型，其技术水平和欧洲同步，主打商旅通勤和高端房车市场。其车型配置了中国轻客行业最先进的8速手自一体变速器。该自动变速器与玛莎拉蒂、宝马、Jeep等同型号产品，具有完美的驾驶体验和安全舒适性的操控，大大增加了驾驶者的驾驶乐趣和行车安全。和大功率的F1C_3.0发动机相匹配，输出扭矩最大为470Nm，车型最大覆盖7.0t。匹配采埃孚公司8挡变速器，最新的4齿轮组轻量化设计，覆盖最宽的速比级差。优秀的加速爬坡性，免拆卸设计，可视化诊断，与手动变速器相比，维护费用可降低10%。小于200ms最快的换挡平顺时间，始终保持发动机动力处于最佳状态。相对于同平台的AMT车型，加速响应时间提升43%，动力性提升3%，油耗降低5%。设计最快0.2s的平顺换挡时间，达到7的最宽速比范围，合理的速比分配，城市路况加速性能提升7%。

2.1 整车匹配工作

该款车型原有的动力链是F1C_3.0 发动机和6挡机械变速器，动力总成是纵置后驱。在此基础上，重新匹配采埃孚公司8HP70L的自动变速器。开发范围包括：在整车上布置自动变速器，开发挠性联轴器，用于变速器和传动轴的连接；修改发动机的悬置支架、变速器横梁、基座等，用于布置动力总成；修改发动机的曲轴，使其输出高精度的转速信号，用于变速器换挡时刻判别；开发自动换挡杆取代原来的机械换挡杆；开发专用的踏板机构，取消离合器踏板，优化制动踏板和油门踏板的布置位置，使之达到更好的人机要求；开发机油冷却器及其管路，用于自动变速器散热；开发紧急解锁装置，用于紧急情况下拖车；根据自动变速器的要求开发整车线束和相关软件接口，使其能正常工作。具体结构布置如图2所示。

图2 结构布置

8HP70L的变速器是一款AT变速器，配备带锁止离合器的液力变矩器。该变速器包含8个前进挡位和1个倒挡。其中7挡和8挡为超速挡位，在给整车带来了很好加速性的前提下，还能最大程度地保证整车较低的油耗。选换挡由1个带4个同轴行星齿轮、4个换挡器、3个多片离合器和2个制动器构成，总传动比大于7。变速器的结构图如图3所示。

图3 8HP70L变速器结构

变速器由仪表台上的电子线控换挡器控制，能够一键直接进入停车挡。变速器通过散热器和电子风扇实现变速器冷却，其散热器冷却润滑油是定制的。冷却系统会同时对电子控制单元模块进行冷却。该电子控制单元位于变速器下部，被塑料油底壳所包覆，无法从变速器的油底壳中拆出。发动机飞轮的挠性板通过6颗六角头螺钉与变速器的转换器拖盘连接，这些螺钉彼此呈60°。为了提升舒适性能，变速器使用了低噪音的常齿螺旋行星齿轮结构，内部采用扭转减振器，同时外部在传动轴侧增加了法兰橡胶接头，大大降低扭转振动。下面详细介绍一下自动变速器内部各重要部件的原理和功能。

液力变矩器通过液压形式将发动机扭矩传递至变速器，主要由变矩器客体、定子、涡轮和锁止离合器等组成。其结构见图4。这款自动变矩器是无需保养和维护的，若变矩器出现内部故障，则须更换变速器总成。变矩器主要特性是依据传动输入和输出轴之间的速度差调节发动机与变速器之间的扭矩。变矩器包含3个扭矩调节旋转部件：转子、涡轮和定子。转子固定在变矩器壳体上，工作时和发动机曲轴具有相同转速。转子上装配了一系列位置适宜的叶片，像液压泵一样驱动油液流动，使其在变速器内部循环。涡轮被固定在变速器输出轴上，并由转子生成的液流驱动旋转。定子是扭矩调节最重要的零部件。涡轮回流会产生与转子相反方向的旋转力，从而导致热能和机械能的损耗。定子能够修正转子的流向以便于旋转，从而减少损耗。为防止定子按涡轮方向旋转，定子配备了自由轮毂，使其只能按转子方向旋转。液力变矩器工作中包括3个运行阶段：①发动机怠速运转。当换挡器设定驻车P挡或挂入空挡N时，车辆停止且接合制动器，发动机怠速运转。涡轮转速略慢于转子。当发动机仍然怠速运转时，变速器挂入1挡或倒挡，转子转速保持发动机转速。变速器内制动器和离合器锁止了动力传输，涡轮静止不动。这种情况下，转子与涡轮速度差以及滑移达到最大值。②整车加速状态。将整车电子换挡器移至D挡，并释放车辆制动器，变速器内制动器和离合器允许动力传输。涡轮由转子带动的液压驱动，开始旋转，进而使车辆加速。变矩器传递的扭矩与转子和涡轮之间速差成正比。加速时，该速差随着整车扭矩增加而成倍增加。③车辆恒速行驶。涡轮达到转子速度约90%时，增矩中断，以达到节能的效果。这时锁止离合器闭合以禁止滑移。在怠速和加速运转阶段，扭矩成倍增加，单向离合器保持定子静止不动。变矩器接近恒速条件时，涡轮至转子的液压和速度逐渐下降，从而降低定子叶片上压力。一旦达到恒速条件，液压、转子及涡轮一并旋转。这种情况下，定子受止推器的作用，与转子和涡轮相同的方向旋转，这种情况称之为“耦合点”。锁止离合器是一种液压机械设备，一旦工作，将可以控制变矩器的滑移。变速器电子控制单元控制电磁阀的开闭来控制液压。锁止离合器允许变矩器从完全滑移到无滑移之间的多种运转状态。滑移控制（0%到100%）允许转子与涡轮的转速不同，并通过在换挡中持续控制其滑移值。定子受控阶段要求最小涡轮转速为800r/min。行驶时，变矩器离合器尽快闭合，以最大限度地减少定子克服液压偏向力产生的热能，以降低油耗。当发动机转速大于涡轮转速时，打开该锁止离合器。当发动机转速和涡轮转速相等时，关闭锁止离合器。液力变矩器支持滑差控制，减少了完全分离的工况，降低了燃油消耗。采用双扭转减振器，可以降低锁止车速，当车速低于15km/h时，可以完全锁止。这样减少了加速延迟，提升了整车加速的舒适性，又进一步降低了燃油消耗。

图4 液力变矩器结构图

变速器的选换挡由离合器和行星齿轮完成，有2个制动器、3个离合器、1个锁止离合器和4个行星齿轮。通过4个行星齿轮和制动器与内部离合器工作的不同组合，可以获得变速器不同的传动比。各齿轮总成包括中心轮、行星齿轮、卫星齿轮及外部冠状齿轮。离合器用于旋转齿轮总成之间扭矩切换，由交替磨擦盘和钢盘组成。钢盘带有不同外壳的耦合齿，当液压驱动活塞内部压力超过特定数值时，磨擦盘滑移接触并同速旋转，在该条件下会发生完整的扭矩传输。若液压低于特定数值，钢盘无法耦合，则无扭矩传输。多片式制动器的回位采用液压控制，不通过弹簧。离合器的功能是将变速器的动力传输至行星齿轮。制动装置的作用是为驱动传动系生成一个反作用力，使其将扭矩释放至变速器外壳。通过精确离合器和行星齿轮匹配，达到0.2s的平顺换挡时间，响应速度较其他AT产品提升约43%。达到7的最宽速比范围，合理的速比分配。3个多片离合器和2个制动器控制8个前进挡和一个倒车挡，每挡的速比和速比宽度见图5。

图5 不同挡的速比和速比宽度

机油泵安装在油底壳内，其作用是形成控制阀和离合器运行所需的液压。机油通过油泵润滑变速器内部多种部件，同时进行冷却。机油泵是双级旋转叶轮泵，可确保流速保持在7～22L/min。它通过齿形轮和链条控制，由曲轴上的输入轴驱动。机油泵通过电子控制单元控制压力调节阀来传输动力。调节过程中产生的多余机油被再次输送回泵的进油室。压力调节阀的回油设计有助于减少油泵空穴现象，可以降低系统噪音。

变速器本体上有一个手动释放拉杆，通过拉丝和驾驶室里的变速器紧急解锁装置相连接。变速器紧急解锁装置位于驾驶室内手制动旁的塑料罩壳内。当发动机关闭时，变速器传动系统自动处于锁止状态。该装置是为了当变速器发生故障或者整车无法通电的情况下，可以靠外力拖动整车。该手动释放拉杆有3个位置：A 驻车结合位置、B驻车释放位置、C手动释放位置，具体结构见图6。手动释放拉杆一般均处于驻车结合位置。一旦紧急解锁开关拉开，手动释放拉杆会到达手动释放位置。手松开后，手动释放拉杆会到达驻车释放位置，这时候可以拖动车辆。

图6 手动释放拉杆的释放位置和结构

变速器控制的电子控制单元TCM（Transmission Control Module）位于变速器本体下方的塑料油底壳内。它是自动变速器电子液压控制系统的大脑，由电子控制单元、电子执行器、车速传感器和控制阀等组成。电子控制单元通过PWM信号控制7个电磁阀来调节压力。电子执行器还包括1个锁止控制阀、1个锁止缸位传感器、1个活塞减震器、1个限制系统压力的电磁阀和21个液压阀。油底壳温度传感器和两个霍尔效应传感器（一个检测变矩器涡轮转速，一个检测变速器输出轴速度）会适时将相关信号传递给电子控制单元，形成闭环控制。通过专用CAN总线连接线控电子换挡器，用于驾驶员控制换挡操作。通过J1939协议连接各个车辆控制器，主要传递信号有变速器内部传感器（转速、车速、温度）、发动机控制单元（尤其是与车速和转矩转速相关的信息）以及换挡信号。通过处理这些信号，电子控制单元能够计算出用于当前接合挡位控制的正确齿轮和最适宜压力设置。通过整车的OBD接口，还可以读取自动变速器的相关诊断代码。

2.2 整车仿真分析

该项目是在已经量产的手动挡车型上开发自动变速器配置，其动力链，如发动机、后桥、轮胎等参数，以及纵置后驱的布置方式已经确认。通过整车仿真计算，权衡整车的动力性和油耗，来匹配整车最优的速比。使用的仿真软件是AVL公司的CRUISE软件。

首先在整车型谱中，找到典型的车型，在CRUISE软件中输入整车的轴距、空满载质量、轮胎滚动半径等。该车型选用的是195/75R16双胎，滚动半径336.8mm。整车的满载质量是4.5t，整车的滑行阻力系数是A：398.03N；B：2.0709N/（km/h）；C：0.0916N/（km/h）2。

接着输入F1C国Ⅵ发动机的外特性，以及各发动机转速下的扭矩、功率和油耗值，如图7所示。

图7 F1C国Ⅵ发动机的外特性，以及各发动机转速下的扭矩、功率和油耗值

再将自动变速器各挡位的速比和效率输入到软件中，具体数据见图5。同时将自动变速器换挡策略也要录入仿真软件中。主要策略包括各挡位的转速策略和锁止离合器策略。各挡位的转速策略是指在不同油门开度下，升挡和降挡时变速器输出轴的转速策略，具体见表1。换挡策略包括14种状态，如1挡升2挡叫做US12状态，2挡降1挡叫做DS21，其他换挡策略以此类推。锁止离合器策略是指各挡位下、不同油门开度时，离合器4种状态时的转速。离合器4种状态为滑摩到打开时叫做RO状态；打开到滑摩时叫做OR状态；滑摩到锁止时叫做RC状态；锁止到完全锁止叫做COC状态。表2列举了1挡下不同油门开度时，锁止离合器4种状态下的转速策略。

表1 在不同油门开度下，升挡和降挡时变速器输出轴的转速策略

该车型成熟的后桥速比有4种，分别是3.357、3.615、3.917和4.182。将这4种后桥速比分别输入CRUISE软件中，自动计算出整车最高车速、爬坡度、加速性能、各状态下的油耗。如图8所示是某工况下仿真的油耗值。最终结果见表3。在动力性接近的情况下，选择油耗最优的方案，最终选择后桥速比为3.357。

2.3 软件开发及标定

自动变速器应用开发中软件开发和标定是极其重要的工作。自动变速器要正常、高效、安全地工作，必须和其他控制器相互通信。南京依维柯这款车的通信协议是J1939协议。作为动力链最核心的部件，发动机和变速器之间有复杂信号传输和控制，如转速、车速、挡位、油门开度、各自状态等，以使发动机的扭矩最高效地通过变速器传递到整车。为了保证整车安全的控制策略，BCM会向动力链发送电池的SOC信号、制动离合器信号、车门信号等，用于整车判断何时能够安全启动发动机或移动车辆。ESP和ADAS系统会和动力链通信轮速信号、整车姿态信号和智驾系统的需求等，用于整车在特殊工况下（轮胎打滑、车子侧倾、巡航等），具备不同的换挡策略。F1C+8AT的动力链，具备很好的驾驶性、动力性和可改装性，在国内大量用于房车、救护车、工程车等改装车领域。所以动力链会和EM扩展模块、缓速器等产生信息交互，用于在特殊工况下控制发动机发出更多的扭矩来精确驱动上装设备。其电器架构图见图9。

保证自动变速器换挡平顺性，最关键软件交互是扭矩控制。扭矩控制模式分为3种：①扭矩控制，发动机把整个动力链的扭矩控制权直接交给变速器控制，以提升扭矩响应的及时性。②扭矩限制，变速器将整车需要限制的扭矩值发给发动机，发动机在规定范围内达到这个限制。③转速控制，为了更平稳地控制整车，变速器将发动机需要稳定的转速值发给发动机，发动机在固定时间内，稳定该转速。核心算法是驾驶员请求扭矩、发动机请求扭矩和实际扭矩在发动机和变速器之间的传递和计算。驾驶员的请求扭矩是发动机电控单元根据油门踏板开度和整车状态计算出来的。这个扭矩减去发动机的内部阻尼，再乘以发动机参考扭矩就会得到发动机实际扭矩。以上扭矩均是在发动机电控单元内部计算的。发动机实际扭矩减去变速器泵的阻尼，则得到变速器的目标修正扭矩。这个修正扭矩是在变速器内部进行计算的。变速器飞轮扭矩和实际扭矩均是按此算法进行，同时还要考虑整个传动系统硬件上能承受的扭矩最大值。扭矩计算图见图10。

图9 ESP和ADAS系统电器架构图

扭矩的精度和响应速度同样是决定自动变速器驾驶性的核心要素。扭矩信号的排列格式按照英特尔方式，以百分比的形式呈现，通信周期为10ms，数据信息如表4所示。总线上发出的发动机扭矩和发动机实际产生的扭矩偏差的绝对值最大不能超过5Nm或7%，且最大偏差值不能超过±20Nm。

当变速器电控单元请求发动机扭矩时，发动机扭矩响应时间和精度需要满足如图11所示的要求，响应时间小于50ms，最大偏差±20ms。该响应时间包含了总线上通信时间的延迟。这个需要动力总成在测功机上进行专项标定和总线物理布置来保证其要求。

表4 数据信息表

图10 扭矩计算图

除了进行动力总成的台架标定以外，还需要对整车的驾驶性、高温适应性、高原适应性和高寒适应性等做专项标定和验收，以保证整车在各种环境下的性能。同时变速器控制器设定了很多安全逻辑，确保车辆在特殊情况下（如散热器损坏、CAN总线中断等），能让整车进入跛行模式（Limp home模式），最大程度地保证车辆安全行驶到维修站。如在高温标定时，会对变速器散热系统失效模式进行安全策略方面的标定，确保变速器油温达到120°C时，仪表启动“变速器油温过高”报警提示，当油温降低到115°C时才能关闭报警。如果变速器油温继续升高到135°C时，发动机开始进行限扭。扭矩限制和油温的升高频率成正比。当变速器油温达到140°C时，发动机最大扭矩限制到原来最大扭矩的一半，即200Nm。当变速器油温超过145°C，变速器控制单元启动Limp home模式，发动机进一步限制扭矩至20Nm，保证整车只能在1挡低速运行。

图11 发动机扭矩响应时间和精度

3 总结

自动变速器在商用车上的应用开发十分复杂，一般需要18个月。南京依维柯的商用车因为匹配了8AT变速器，大大提升了整车驾驶的舒适性和可操控性，迅速占领了国内C型房车市场90%的份额。随着中国经济水平的提高，用户对于车辆操控驾乘等性能的要求不断增强，商用车驾驶员更为年轻化、个性化，自动变速器车型的需求也将持续增长。中国商用车肯定和乘用车一样，自动挡配置率会越来越高。