应用模块化设计理念的高效率变速器开发

【日】 服部恭明 森匡輔 間瀬篤弘 安藤雅彦 尾神史朗

0 前言

日本Aisin集团的主打产品变速器能对提高驾驶乐趣、改善乘坐舒适度，以及提高燃油经济性等体现汽车自身价值的性能作出重要贡献。另一方面，变速器的零部件数量极多，必要的生产设备等初期投资巨大，每开发一款新型变速器，首先必须制定至少能保持产品具备十几年以上商品价值的长期规划，因而，变速器也是一种策略性的产品。在制定产品规划的阶段，就应确定理想的车辆及变速器性能目标，以打造出跨越车型、地域及时间限制的高性能、高品质的变速器产品。

在以日本及欧洲国家为中心的地区，汽车制造商已开始广泛运用模块化设计理念开发产品。为切实满足用户需求，汽车零部件生产商也应具备明确的系统化及模块化设计理念。

本文介绍Aisin集团旗下各公司致力于在产品研发过程中运用模块化设计理念所取得的成果。

1 自动变速器（AT）的模块化设计

1.1 AT的模块化设计理念

在AT的新产品研发过程中，在制作基本模型的规划图时，就必须明确在变速器商品寿命期内衍生出的各种变型产品所针对的不同市场。

为了实现上述目标，须进一步分割作为AT功能单元的模块，即将AT起动装置、齿轮传动系统、变速器壳体、液压控制装置及电子控制装置等单元进一步分割为更小的具有细微差异的子模块，从而按照不同的产品需求，对AT结构设计作多种变化。这一设计理念现已变得越来越重要。

应用模块化设计理念，能够更为高效地开发并生产适合于不同车辆设计概念的最佳AT系统，并且对应快速发展的电控装置及车辆电气化进展，缩短变速器产品的更新换代周期，同时确保产品的高品质。

在提供能适应各地域及各种车型不同需求的AT产品的同时，不仅要满足先进国家越来越严格的燃油耗标准及功能安全等方面的法规要求和全球化标准，同时也要向新兴国家市场提供具有适当功能的优质AT产品，从而获得作为全球化产品供应商的资格。

1.2 前置发动机前轮驱动车型的AT模块化设计

1.2.1 AT硬件的模块化设计

在实际的前置发动机前轮驱动（FF）乘用车6档及8档AT系列产品的开发中，首先以传统的6档AT为基础开发8档AT，然后再重新构建包括6档AT在内的变速器系列产品。其中就运用了模块化设计理念，可根据用户需求，高效率地开发并生产不同的AT变型产品。此外，还最大限度地利用现有的生产线及生产设备，以降低初期投资，缩短研发周期。

Aisin集团传统的6档AT具有扭矩容量不同的2个产品系列，根据不同的扭矩容量，组合了小齿轮数量、材质、热处理工艺及摩擦片数量均不同的零件模块化设计，可适应全球市场不同车型的配装要求。

在新开发8档AT中，研究人员进一步推进了模块化设计理念，在沿用传统产品基本结构的基础上，只增加1个离合器，使新产品的全长相比传统6档AT只增加5mm。

开发的结果是，包括新6档AT在内的整个产品系列不仅获得了传统车型及已有客户的认可，还开拓了更多的新客户，由此也获得了更多的产品订单。

研究人员在设计产品系列型谱的基础上，通过预测各国的燃油耗标准及汽车市场趋势，以及其他生产商的AT产品新功能，并调查发动机的技术发展动向，针对未来的AT系统所需的功能，着眼于全新的超高效率控制技术、起动装置，以及齿轮速比范围（多级化）等方面，引进图1所示多项新技术，并将其设定为商品的标准配置或可选项。

按照不同客户的需求选择不同的功能，提供各种规格的最佳AT系统。另外，由于近年来发动机的增压小型化及减少气缸数的发展趋势，起动装置的减振器性能已变得极为重要。

如表1所示，为了对应各种发动机的不同特性，通过扩大锁定及滑动锁定区域，改善车辆的燃油经济性及噪声-振动-平顺性（NVH）性能，利用圆环、减振器及离合器的不同子模块组合，对起动装置单元模块进行优化。

在6档及8档AT的齿轮传动系统本体部分，模块化设计的特征是将后行星齿轮零件及其周边的离合器和制动器设定为通用模块，同时通过改变前行星齿轮部件及其周边零件，以及增加离合器片数量来实现不同规格结构的变化。

在其他与控制关联的部分，在区分6档与8档规格，以及有无怠速起停功能的结构差异方面，将阀体与发动机电控单元（ECU）电路板作为通用部件，只对8档及怠速起停专用零件的附加件进行极小的改动，就可以组成不同的模块结构。

这样，在功能单元模块范围内进行变更，只通过子模块的转换就能实现结构变化，将变更的零件数控制在最低限度，对减少新增零件数和缩短评价工序，以及生产线的通用化都是极为有利的。

1.2.2 控制软件的模块化

对于控制软件而言，出于FF车型、前置发动机后轮驱动（FR）车型、6档、8档，以及混合动力车等多样化AT系统及全球各地客户的需求，控制软件的种类和规模均呈指数函数增长的趋势，并且，今后继续增长的趋势仍将是不可避免。

表1 AT硬件的模块化设计

此外，在为最新型的变速器开发新型控制软件时，一般都会同时进行数量达几百件之多的变型软件的改进和开发，因此，为保证品质，软件的模块化与再利用是必不可少的。

软件模块化的优点在于，能满足多样化系统及客户的需求，针对作为AT系统核心的标准模块，通过优化组合为适应不同AT系统及客户要求而设定的子模块，在短期内完成基础软件的设计。而且，以典型的工序可靠地强化标准模块与子模块的品质，并对具有高可靠性的软件进行重复利用，不仅能确保高效率的开发工作，而且还能保证产品的高品质。

包括液压控制、故障检测、安全、变速点等在内的功能单元模块，通过采用涵盖了6档、8档变速器的标准模块，以及按阀体种类和客户要求进行不同组合的子模块，构建了能达成不同规格要求的软件。因此，通过子模块的转换，可将变更周期控制在最低限度，例如，将A公司所用6档变速器程序转换为B公司所用8档变速器程序，所花费的时间比传统方法所用时间减少约50%。

1.2.3 乘用车AT模块化设计的发展方向

上文就FF车型6档及8档AT系统的模块化设计实例作了简单介绍，今后，研究人员将继续尝试在更加多样化的多档AT、无级变速器（CVT）、混合动力，以及FR车型、四轮驱动车型等各种系统的多种型式变速器中应用模块化设计理念，为各类客户提供变速器产品。

1.3 商用车AT系统的模块化设计

1.3.1 商用车AT的市场需求动向

作为日本Aisin集团的商用车AT系统，之前已采用新型齿轮传动系统及带多片式自动锁紧离合器的液力变扭器，以及新型电子控制装置，开发了FR车型用6档AT，产品具备货车及客车所要求的优异耐久性和可靠性，同时对于提高车辆性能（动力性能、燃油经济性、发动机制动性能）也极为有益。作为FR车型4档AT的后续产品，FR车型6档AT已在2004年投入市场。近年来，在北美包括轻型货车在内的小型商用车市场，呈现出因发动机高功率化而必须提高动力性能，以及必须增加车辆总质量的需求趋势，为此不得不进一步提高变速器的容量。

因此，为了满足上述市场需求，研究人员开发了超高容量的FR车型6档AT，并于2013年投放市场。图2示出了传统FR车型6档AT（Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型）与超高容量FR车型6档AT（Ⅳ型）的应用范围。

1.3.2 超高容量FR车型6档AT的开发

考虑到商用车所要求的耐久性和动力性能，基础的6档AT齿轮传动系统采用与传统FR车型6档AT相同的产品结构。图3为超高容量的FR车型6档AT剖面图；图4为齿轮传动系统及齿轮速比列表。

为了实现变速器的超高容量，不仅采用具有高摩擦因数和高耐热性的摩擦材料，增加行星齿轮的小齿轮数量，同时还运用变速控制等技术，取消了第一单向离合器（图5），采用与传统FR车型6档AT同等的尺寸大小，实现了新型变速器的超高扭矩容量（图6，图7）。

在应对世界各地日益增长的低燃油耗需求方面，不仅运用低阻力的槽型摩擦材料，以及低阻力的密封环等关键技术，还采用能抑制消耗流量的液压控制回路等Aisin集团独有的技术，在降低固定开发投资的同时，满足了降低燃油耗的目标。

此外，在传统的FR车型6档AT系列产品中就已实现了模块化单元的通用化，减少了开发投资。今后，Aisin集团也会将新开发的超高容量FR车型6档AT基本系统作为通用模块加以运用，并将其应用范围向传统的车型拓展，在减少开发投资的同时，进一步提升AT系统整体的商品竞争力（图8）。

1.3.3 商用车AT模块化设计的发展方向

以超高容量FR车型6档AT的开发为实例，介绍了商用车AT模块化设计的现状。今后，研究人员仍将通过充分应用通用化模块技术，适时地推出能满足多变的市场需求的具有商品竞争力的产品。

2 手动变速器（MT）的模块化设计

2.1 MT的模块化设计理念

2.1.1 MT的市场需求趋势

MT的产量约占全球变速器产量的50%，并且可以推断，今后这一比率不会有太大的改变（图9）。但是，各国不同地区的MT需求量存在一定的差异，同时对MT的性能要求也各不相同。

先进国家与新兴国家对MT的性能要求是不同的。在先进国家的汽车市场，近年来针对燃油耗的法规限值日益收紧。受其影响，对降低汽车燃油耗的要求也日益提高，即便对于MT来讲也是如此。相应的具体对策是发展MT的多档变速，目前的市场趋势正逐渐向6档MT过渡（图10）。

另一方面，在新兴国家的汽车市场，随着购买汽车阶层的扩大，为促进车辆的销售，不仅要求降低其成本，还要求汽车具备符合该地区市场要求的性能。但如果按与先进国家相同的方向进行开发，那么降低成本将会变得极为困难，从而也无法提供符合新兴国家市场要求的产品。因此，为将产品推向全球市场，就必须开发既能符合先进国家市场低燃油耗需求，又满足新兴国家市场低成本需求的MT产品。

2.1.2 5档MT和6档MT的模块化进展

变速器的基本结构不变，只须卸下6档变速齿轮，就能将6档MT转换为5档MT（图11）。与此同时，换档操作系统也实现模块化，只须替换相应模块，就能分别实现6档MT与5档MT的不同结构。

因此，以相同的基本结构，可以开发出分别符合先进国家和新兴国家不同市场需求的MT商品，为将产品推向全球市场作出贡献。并且，即便是在新兴国家，燃油耗法规也正在不断收紧，因此按照上述理念所设计的MT产品，可轻易地实现向6档MT的转化，从而适应新兴国家市场对低燃油耗的需求趋势。

2.1.3 其他部件的模块化设计

为了设定能满足各种发动机特性及车辆性能要求的最佳齿轮速比，将齿轮副也设计为模块结构，为各档设定不同速比。

此外，由于对换档感受的要求各不相同，针对影响较大的同步机机构进行改进，将单级同步机改为多级同步机，材质由黄铜改为碳，结构则采用反向选择滑动式或同步机同步方式。由于这些部件均应用模块化设计理念，因而实现了能满足各种需求的产品结构。

2.1.4 MT模块化设计的发展方向

虽然在国际市场上，不同国家及地区对车辆的使用要求都各不相同，但通过应用模块化设计理念，就能在确保MT基本品质的前提下，为不同的市场提供最佳的产品，同时也进一步降低成本。今后，在持续不断的组件开发过程中，仍要设计并生产适应多机种要求的变速器产品，并力求缩短开发周期，降低成本，为提高客户的满意度作出贡献。

3 结语

当前，汽车制造商的系统研发方式正逐渐由传统的同型号车辆或单元范围内的部件及功能单元模块化（即所谓“技术平台策略”），向涵盖各种单元的“模块化策略”方向发展。

今后，Aisin集团将依照模块化研发策略，为力求拓展公司业务，切实掌握未来的汽车发展趋势，提出具有前瞻性的设计蓝图。在此基础上，还须充分运用集团下属各公司的先进技术，实施联手合作，推进产品的模块化设计，为汽车制造商持续提供更多具有商品魅力的变速器产品。