采埃孚(ZF)新一代8挡自动变速器 - 文章

采埃孚(ZF)新一代8挡自动变速器

作者：ZF Company 来源：汽车制造业

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6挡自动变速器

2001年，ZF公司推出的6HP系列6挡自动变速器引领了变速器技术的飞跃。除了更高的转速比和更多挡位带来的技术优势，机械部件的数量也有所减少。油耗和性能上的优势使其迅速被市场所接受。ZF公司3个级别的全系列6挡自动变速器已于2003年进入批量生产阶段。

到2005年底，ZF6挡自动变速器产量已超过其产品总量的90％。为支持整车制造商达到2008年的排放要求，ZF进行了进一步的技术改进。与此同时，客户关注的低油耗、换挡速度和高功率/重量比也得以改善。2006年，ZF推出了第二代6挡自动变速器。

随着客户要求的不断提高，尤其是对于低油耗的要求，为了寻找未来变速器系统的发展方向，变速器制造商、整车制造商和相关大学的研究所均致力于基础理论的研究，分析比较各种变速器性能，对新的行星齿轮传动理论进行深入探索。

市场对变速器制造商的认可源于对其先进制造技术和高效设计的肯定。而行星齿轮结构的变速器设计又特别适合后轮驱动车辆，在中级、中高级和豪华车中均得以广泛应用。

ZF致力于研发一款与现有6挡自动变速器相比具有更低油耗、更优性能，同时又兼顾了重量和成本的新产品，而这种变速器技术将在2010年后成为市场主流。

继2001年ZF将6挡自动变速器推向市场后，2006年该公司又推出了更高功率/重量比、更低油耗、换挡响应更快的技术领先型6挡自动变速器。然而，当基于Lepelletier变速器系统的优化已经无法满足不断提高的各种性能要求时，该公司开发了性能更佳，同时可进一步降低油耗的新一代8挡自动变速器。

可降低油耗的更高需求

Lepelletier系统目前仍然是6挡自动变速器系统的最优方案，然而驱动性能仿真的结果表明，增加挡位数和增大转速比能够进一步挖掘油耗和性能方面的潜力。早在20世纪90年代中期，对于变速器系统优化的研究就已表明，只有在现有的由3个行星排和5个换挡元件组成的Lepelletier系统基础上，再添加1个行星排和换挡元件，才有可能达到更低油耗的要求。

因此，人们必须找到一种变速器系统，一方面转速比大于6、挡位数量多于6个；另一方面保持较小的功率损失，否则将抵消提高转速比、增加挡位带来的好处。目前，零件数量增多与保持原有工作效率这对矛盾已经解决。图1所示的矩阵解释了行星齿轮变速器的设计情况。

图1 行星齿轮变速器设计情况

从矩阵图上不难发现，在现有6挡变速器技术的基础上，将变速器提升至7挡所耗费的技术努力与所换来的少许性能提升相比显得并不值得。而9挡或10挡变速器系统又需增加更多的换挡元件和行星齿轮组，由此导致的功率损耗的增加抵消了转速比、挡位的增加带来的优势。出于上述理由，ZF更加关注8挡自动变速器的研发，因为它能带来更佳的性价比。相关研究表明，4个行星排的变速器系统的内部效率高于带6个换挡元件的系统，其中一个原因是每个挡位仅有两个换挡元件分离的设计使换挡离合器相关的阻力扭矩减少了约30％。

另外，将Lepelletier系统扩展到8挡变速器中并不能实现预期的目标。首先，增加的离合器使每个挡位多了4个分离的换挡元件；其次，将单行星排结构（输入端）变为双行星排结构削弱了传动效率。油耗仿真结果显示，基于Lepelletier系统的8挡变速器结构设计相比ZF第二代6挡变速器并没有明显的优势。

8挡自动变速器

以一套全面的标准为依据，经过对数千种变速器行星轮系和不同布置形式的评估，最终，如图2所示的8HP8挡自动变速器结构被认定为最佳方案。此行星齿轮变速系统因具备如下重要特点而胜出：8挡结构配有5个换挡元件和4个行星排；转速比可达7，速比间隔小；对现有零件组合的应用实现最大化；均匀的转速比分布；仅有2个换挡元件处于分离状态(功率损失最小化)；第六挡为直接挡；可在任意挡位实现跨1或2个挡位的升降挡；制动器/离合器的优化布置；第一到第三行星排设计紧凑；网络化输出，行星架、输出轴和轴承组合成一体。

图2 8HP 8挡自动变速器结构被认定为最佳方案

与6挡自动变速器相比，1～2挡间的转速比由1.78减为1.5，这样的设计使8挡自动变速器降低油耗的同时还提高了启动加速度。而且减小的1、2挡间的转速比差提升了升挡和降挡时的换挡品质。

不仅如此，4个行星排和5个换挡元件的设计优势还在于单级行星传动带来的高传动效率及速度和扭矩的均匀分配。所有挡位的传动效率均高于98％，因此才避免了作为直接挡的第一挡和第六挡的传动效率损失。

图3所示为8HP自动变速器和6HP自动变速器的传动效率对比。另外，图中也对Lepelletier系统的传动效率做了对比说明。转速比范围的扩大可通过增大第一挡转速比实现，也可通过提高最高挡转速范围来实现。更大的一挡转速比意味着更大的扭矩，后一种方案则带来变速器内部过高的转速。这两种方案都可能导致超出设计极限。因此，对行星齿轮结构的变速器系统来说，实现单个零件的扭距和转速负载的均衡分配尤为重要。

图3 8HP自动变速器和6HP自动变速器的传动效率对比

图4所示为8挡自动变速器的换挡元件的扭矩和转速负荷系数。其数值说明负载分配已达到均衡，并没有增大零件尺寸以消除内部过载的必要。

图4 8挡自动变速器的换挡元件的扭矩和转速负荷系数

1．结构及功能设计

基于上述结构设计的8挡自动变速器须满足如下框架条件：无自由轮；三回路变矩器；叶片泵（轴向平行）；电子换挡（线控换挡）；润滑油量控制；空挡怠速控制（NIC）；与6挡自动变速器相同的安装空间。

在确定框架条件时，为实现设定目标而进行的有关零部件的研究也没有停止。为降低油耗，设计者引入了轴向平行叶片泵、润滑油量控制和空挡怠速控制功能。在设计方面，出于对空间和重量的考虑，采用无自由轮的换挡机构。线控换挡已逐渐成为发展趋势，而三回路变矩器（类似用独立油路控制变矩器闭锁离合器）也实现了所有工况下对闭锁离合器动作的优化。

新一代8挡自动变速器通过零件的巧妙布置和功能整合，使其紧凑的设计得以实现。除了添加了一组行星排外，没有增加其他零部件。新8挡自动变速器的安装空间也没有超过目前的6挡变速器，而零件设计的优化使得功率/重量比相比6挡自动变速器有所提高。

2．基本型号

为了给客户及其平台策略提供一套兼容的变速器方案，如同上一代产品一样，开发一个完整的变速器系列显得尤为重要。不断开发的各种车型和发动机都要为其传动系统寻求与之匹配的变速器，这就要求一方面根据油耗、驾驶性能和比功率调整优化性能参数；同时要考虑到生产制造的经济性对产品的市场竞争力和对客户吸引力的重要影响。为此，ZF首批开发了4个型号的8挡自动变速器，覆盖了扭矩范围从300～1000N/m的汽油、柴油发动机，这些基本变速器的协同开发使得大量通用零部件的研制成为可能。

另外，零部件在研发和量产阶段都可以共享。例如一个包含液力控制单元和其他机电系统的模块化系统可以应用到所有变速器上。

3．模块系统

除了确定新型变速器研发框架条件中变速器内部结构的优势，还需其他特点使新8挡自动变速器未来在市场上保持竞争优势。市场环境变化将带来大量变型产品和对传动系统扩展性的派生需求。因此，在概念设计阶段已经开发了一个模块化的系统，将来在不改动变速器基本结构的情况下即可装备不同的启动装置和全轮驱动系统。

对于启动装置，如前所述，三回路变矩器是基本配置。而在对相关部件进行改造后，变速器的变矩器也可被HCC（液力冷却离合器）替代，或者完全省略变矩器而通过内部换挡元件起步。对于混合传动，新型8挡自动变速器适用于轻度混合动力传动（曲轴-启动机-发电机），也可并联于全混合动力系统中。这一变速器系统的一个重要优势在于集成全混合动力系统时无需改变安装尺寸。由于变矩器可省略，原有的安装空间可安装双质量飞轮、发动机端离合器和电机，变速器内部的一个换挡元件作为变速器端的分离离合器。这样的结构为车辆底盘的空间布置带来很大的优势。

在输出方面，变速器可匹配当今ZF全驱系统（整体式或独立式）。另外，ZF已开发一种接口匹配现有的独立全驱系统，同时也可提供集成的按需扭矩分配系统（ToD）。这种布置形式的优势一方面在于减小了安装尺寸和重量，另一方面在于灵活的变速器液力系统。由于减少了元件和独立控制的作用，油耗还可以进一步降低。

4．降低油耗

开发新一代8挡自动变速器的一个主要目的就是为了挖掘进一步降低油耗的潜力。这为与双离合器等其他形式的变速器竞争提供了前提条件。其间，经过测量认可的仿真模型已经可以在很大程度上精确测算油耗，评估驾驶性能。在8挡自动变速器的概念设计阶段，就已为各种应用做了大量的详细计算。

图5所示为引入新变速器系统带来的节油效果：与第二代6挡变速器相比，新一代8挡自动变速器进一步降低6％的油耗，这是自动变速器技术领域在降低油耗方面的一个具有重大意义的飞跃。当然，这也意味着6％的CO2减排，也就是说，对于一台CO2排放为200g/km的3L V6发动机，8挡自动变速器可使车辆进一步降低12g/km的CO2排放。

图5 引入新变速器系统带来的节油效果

图6所示为降低油耗的原因。很明显，内部阻力扭矩的改善可使油耗降低约4％。使用优化设计的、紧凑的小型轴向平行叶片泵，可进一步降低1％的油耗。而来自第二代6挡自动变速器的改进型变矩器扭转减振系统的进一步改良，可优化离合器闭合点，从而再降低一部分油耗。

图6 降低油耗的原因

5．结论

在系统优化和技术可行的情况下，通过对行星齿轮结构变速器的系统研究，新一代8挡自动变速器的性能在客户关注的各个方面都有显著提升，在技术上超越了第二代6挡自动变速器，而在安装尺寸上则与前者保持一致。此外，新产品的比功率提高了10％。相比于第二代6挡自动变速器，其高水准的换挡品质、响应时间和换挡速度得到了进一步提升。

模块化的结构设计使其能够实现不同的启动模式，集成不同的全轮驱动系统。此外，在不改变安装尺寸的情况下即可实现不同的混合动力传动方案。

上述技术特征为新变速器适应未来需求提供了强有力的保证，新的改进也说明自动液力行星齿轮变速器的“旧技术”仍有很多可提升的潜力。结合传统自动变速器在市场认可度、性价比和舒适度等方面的优势，ZF新一代8挡自动变速器将成为乘用车自动变速器历史上的里程碑式产品。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/5/2008)


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