基于专利申请的国内外自动变速器研究热点分析

刘腾达，高玉江，刘洋

(国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津 300000)



基于专利申请的国内外自动变速器研究热点分析

刘腾达，高玉江，刘洋

(国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津 300000)

分析了当前自动变速器的发展现状以及当前应用广泛的自动变速器类型，对比分析国内外自动变速器专利申请内容的热点，从国内外专利申请研究方向了解针对车辆自动变速器的换挡时机、换挡策略以及燃油节能技术问题的解决办法。

自动变速器；专利申请；研究热点

0　引言

汽车自动变速器作为汽车动力传递系统的重要部分，其任务是改善驾驶性能、提高行驶舒适性和方便使用、提高可靠性和使用寿命、降低质量和减小安装空间、提升效率、降低成本，以及最重要的降低燃油消耗率和污染排放物。当前随着适用于各个领域的车辆不断扩大，针对不同类型的车辆应用，当前变速器出现了多样性的发展，出现了手动变速器(MT)、机械式自动变速器(AMT)、双离合变速器(DCT)、传统式自动变速器(AT)、无级变速器(CVT)和混合动力驱动装置。1990年以前存在的“黑与白”——手动与自动两分天下的局面已经不存在。

在汽车变速器领域的技术革新中，电学和电子学、执行器技术和传感器技术起到了重要的作用，控制软件决定着变速器系统的许多功能能否实现。车辆电子技术的一体化将各个相对独立的车辆电子控制单元合为一体，这也是车辆自动变速器的发展趋势。

1　变速器的类型

车辆变速器经历了长远的发展过程，出现了多种类型的变速器(见表1)。

表1　变速器类型

当前乘用车中应用最广泛的自动变速器主要有3类：液力自动变速器(AT)、机械式自动变速器(AMT)和无级自动变速器(CVT)。

1.1液力自动变速器

AT变速器是当前轿车中广泛采用的一种变速器，其构成包括液力变矩器(见图1)、行星齿轮机构以及电子液压控制系统。由于液力变矩器变速变矩范围不够大，在液力变矩器动力传递路线后加装行星齿轮变速传动结构，可以有效地提高传动效率，而液压系统则根据发动机工况变化自动操控行星齿轮机构的组合，以实现不同的速度传递等级。其优势在于换挡时间短、冲击小、起步平稳，尤其是实现车辆快速起步时，为了快速达到车辆稳定起步的目的，通过锁止离合器将发动机曲轴输出端与行星齿轮机构直接结合，动力传递系统不经过液力变矩器而成为直接的机械传动，可以达到快速启动。在车速达到一定值后，再通过液力变矩器进行动力传动，以获得车辆动力的稳定传递。液力变矩器对发动机转矩变化适应性强，换挡时冲击感小，舒适性较高，其不足之处在于由于是液压传动，传动效率偏低。通过发动机曲轴带动液力变矩器泵轮转动，泵轮带动工作腔中油液旋转从而实现涡轮的转动，而泵轮与涡轮的转速特性(见图2)直接影响到行星齿轮机构的输入。

行星齿轮变速机构主要包括辛普森式行星齿轮变速器和拉维纳(Ravigneaux)行星齿轮变速器，由于转矩被分配到几个啮合点上，因此行星齿轮机构的功率密度大。同时上述类型自动变速器所占空间的很大一部分是换挡离合器和制动器所占据的空间，若干个挡位采用了单个的齿轮，传动比选择受到限制，各个行星齿轮被布置成一排，意味着变速器的体积增大。

1.2机械式自动变速器

机械式自动变速器(AMT)是在手动变速器的基础上，采用电子装置以及液压执行装置对变速器换挡机构进行操纵控制(见图3)，将手动变速器的高效率与自动变速器的操作方便性相结合。通过车辆ECU来操纵变速器中的离合器和换挡杆，使离合器根据ECU发出的信号，利用液压执行装置对相应挡位位置进行变换，实现车辆有级机械变速器的自动选换挡。电子控制系统通过与高效的换挡策略相结合，能够有效降低燃油消耗。然而尽管实现了自动变换挡位，但是其换挡平稳性并不高，舒适性较差，换挡时冲击感、顿挫感明显，同时由于需要采集的信号参量较多，在换挡过程中离合器与加速踏板的操作必须协调配合才能使换挡时间短、冲击小，其控制难度较大。鉴于此，目前在AMT变速器策略中不仅仅将车速与油门开度二元参数作为换挡时机的考虑因素，越来越多的研究人员将人-车-路三元参数结合起来，通过ECU将驾驶人员因素、路况因素、车况因素结合起来，综合得出换挡时机，进一步提高了AMT变速器的使用性能。

1.3无级自动变速器

CVT变速器没有传统MT的齿轮传动机构，而是通过V形金属带和工作直径可调节的主、从动带轮实现变速级的调节，它能够在一个很宽的范围内实现传动比的连续变化。图4是常见的CVT变速器的一般控制结构：发动机动力通过曲轴输出到主动带轮，主动带轮具有一个固定盘和一个位置可调的可动盘，固定盘与位置可调的可动盘之间设置有传递动力的金属带，利用液压系统对可动盘中的油液压力进行调节，来改变固定盘与可动盘之间的轴距，从而改变金属带的工作半径。CVT变速器相比有级变速的其他变速器类型有着不可比拟的灵活性，特别是在调速比、发动机转速优化等方面，可以通过软件标定来实现，使发动机一直工作在最佳转速上，其节能效果非常明显。但是其传递的扭矩有限，应用范围受到限制；同时由于采用金属带传动，在使用中不可避免地会出现滑移情况，同时需要对带轮夹紧力与速比进行持续的调节与控制，液压能量损耗很大，使发动机的能量消耗较多。目前CVT自动变速器在日本市场最为广泛。

2　国外发明专利申请中自动变速器研究热点

国外对自动变速器的研发较早、投入较多，其中自动变速器的研发较为先进。随着车辆变速器技术的快速发展，越来越多的国外公司在中国关于自动变速器的专利申请量与日俱增，图5是国内外部分车辆企业在国内的专利总的申请量。可以看出：美国通用汽车公司、日本日产自动车株式会社、丰田自动车株式会社、本田技研株式会社、罗伯特·博世有限公司、现代自动车株式会社的申请量相对较大，国内的车辆企业包括奇瑞汽车股份有限公司、长城汽车股份有限公司、比亚迪股份有限公司以及北汽福田汽车股份有限公司的申请量也很大。由于国内与国外针对车辆的技术问题存在不同的侧重点，其专利申请技术方向也会有相对的倾斜。关于自动变速器方面的技术研究的专利申请在各自车企总的申请量的占比见图6。可以看出：国外车企专利申请中自动变速器相关专利申请在各自专利申请总量中占比较高的有美国通用汽车、加特可株式会社、爱信爱达株式会社、舍弗勒技术股份两合公司、ZF腓德烈斯哈芬股份公司，其中尤其是加特可株式会社作为在变速器领域中占比很大的自动变速器制造商，它在自动变速器的研究方面一直处于

领先的位置；国内的自动变速器申请量占比较高的是盛瑞传动股份有限公司和重庆青山工业有限责任公司，它们在专利申请中涉及自动变速器的占比甚至已经超越国外车企的占比。

美国通用公司的大量发明专利申请集中在自动变速器的整体控制以及变速换挡控制方面。针对自动变速器的整体技术改进特别是自动变速器的液压控制领域，利用ETRS系统接收车辆ECU发送的车辆状态信号，将压力调节子系统即用来为车辆提供油液的系统的增压油压提供给润滑子系统、变矩器离合子系统、冷却子系统，通过与TCU系统的配合实现各个挡位的离合器和制动器的组合配置，实现至少一个前进挡和至少一个倒挡速比控制；在实现这种控制的液压系统中，同时结合了车辆液压驻车锁止控制，将电子控制技术与液压控制技术极致配合，这是当前对自动变速器大致结构不发生变动的情况下，通过改变液压控制方式来实现对自动变速器控制技术改进的研究。同时通用汽车针对车辆起-停控制的研究也较多，在车辆启动事件发生期间，驾乘人员会有加速之前的驾驶延迟感，而在日常城市道路行驶中又会遇到较多的停车事件时，此刻制动器被抬起，加油踏板被踩下，发动机的转速迅速提升，且变矩器的耦合程度和通过变速器的扭矩传递迅速增加，发动机必须先和曲柄重新启动。发动机的启动次序和速度爬升是造成发动机动作和加速延迟的主要原因，而一些延迟是由于无法快速建立通过变矩器的流体耦合器的扭矩通过量引起的，特别是之前到变矩器的输入以及因此到变矩器泵轮的输入由于发动机的停止而引起。该类技术问题在当前领域中一般通过设置电子泵以及蓄能器的方式，在车辆停止事件发生时，利用辅助液压源来实现提前提升压力以及备用液压源的方式解决，而通用汽车专利申请中针对该类型的技术问题解决通过对锁止离合器的通断和滑移量控制来实现，对在车辆起-停中涉及的离合器、制动器以及锁止离合器的接合时机和接合次序做出改进，从而从不增加其他辅助设备、节省成本的角度解决了该类技术问题。同时通用汽车针对在自动变速器液压控制中车辆的误挂倒挡、停车怠速控制以及变速器内部离合器、制动器的控制提出了多种解决方式。

日本加特可株式会社专利申请中自动变速器占比量最高，它也是世界最大的自动变速箱生产厂家之一，为大多数著名车辆企业如日产、三菱、铃木、德国大众、马自达等提供自动变速器，在自动变速器的研究方面也处于领先地位，特别是CVT自动变速器。加特可株式会社在车辆自动变速器的换挡中减小冲击、降低顿挫感等方面进行了深入的研究。车辆在行驶中会根据路况不断地进行挡位变换，由于车辆前进与后退挡齿轮旋转方向不同，在换挡时为了避免冲击的产生而设置延迟时间来结合摩擦元件。但是从空挡换到前进挡与从后退挡换到前进挡不同：从空挡换挡到前进挡时，由于空挡不存在摩擦元件旋转的问题，也就不存在冲击问题，此时摩擦元件的结合并不需要延迟；而由倒挡变换前进挡时，由于齿轮转向的不同，为了避免冲击此时才需要延迟设置。针对该问题，加特可利用换挡手柄位置变换到前进挡之前的位置保持时间进行计时，通过与设定阀值比较的方式，结合变速器的输入转速和手柄位置变换信号来判断换入前进挡之前手柄位置在前进挡还是在空挡，从而决定是否执行摩擦元件的延时控制，来减小冲击顿挫感。同时加特可株式会社针对CVT自动变速器提出了更为复杂的双级变速结构即在通过带轮实现无级变速的情况下，设置副变速机构，来扩大可获取的变速范围。在该变速机构的研究方面，绝大多数专利申请均是加特可株式会社，其他自动变速器生产商较少涉及。针对具有双级变速的CVT自动变速器，为了解决行驶换挡中惯性扭矩带来的冲击、顿挫感，依据节气门开度、车速、变速器变速比将车辆分为低速模式与高速模式，低速模式具有低速模式最低线与低速模式最高线，高速模式具有高速模式最低线和高速模式最高线，同时低速模式与高速模式在某一范围内具有重合区域，在该重合区域内的挡位变化的冲击顿挫减小。这种从自动变速器控制方式来解决降低冲击感、提高舒适性的方式与通过调节油压来改变摩擦元件的方式相比，能够更有效地解决问题。同时加特可株式会社针对降低自动变速器体积、燃油消耗率，换挡时机的判断，坡道起步控制等问题，从驾驶人员操作、变速器转速差、油水温、计时判定、阈值比较等方式结合路况信息，给出较好的解决方案。

综合上述国外两家专利申请内容的分析可以看出：国外变速器研究的热点主要集中在变速器的软件控制、换挡策略研究、诊断检测控制三方面，着力解决当前车辆中起步停车问题、换挡冲击顿挫感问题以及燃油消耗问题。

3　国内专利申请中自动变速器的研究方向

国内自动变速器研究起步晚，技术相对落后，大量车辆的自动变速器均需要进口，尽管当前国内厂家研发了一系列的自动变速器，但其核心控制技术特别是变速器TCU、ECU的控制技术与国外差距较大。国内专利申请中涉及自动变速器技术的主要集中于重庆青山工业有限责任公司、盛瑞传动股份有限公司以及部分高校包括北京理工大学、吉林大学等。

重庆青山工业有限责任公司是中国产销规模最大、产品谱系最全的乘用车变速器专业企业，为中国长安汽车、上汽通用五菱、一汽集团、二汽集团、江淮公司、海马公司供应变速器，在国内变速器企业中具有较强实力。重庆青山工业有限责任公司专利申请涉及自动变速器控制领域较少，大部分涉及换挡结构、自动变速器特别是双离合变速器结构和方法。盛瑞传动股份有限公司从事汽车自动变速器研发制造，其自主研发的世界首款前置前驱8挡自动变速器填补了国内空白。该公司专利申请涉及换挡机构的定位及机构优化，同时涉及自动变速器控制方法，着力于解决车辆换挡的操作便利性、误挂挡等问题。近几年针对自动变速器控制方法的申请量和申请质量明显提升，利用传感器来测量液压系统参数，调节摩擦元件的结合程度，以实现滑移量控制，与国外当前的偏重于软控制方向相近，而关于换挡机构的优化则更多地是通过机械结构的改进来实现。

国内高校专利申请中研究热点集中在AMT换挡策略，其中吉林大学和北京理工大学在换挡策略中的换挡时机以及故障诊断方面提交了大量的专利申请，且申请质量较高。综合对国内变速器专利申请的分析可以看出：国内变速器专利申请中研究热点集中在变速器的换挡策略及结构优化上，着力于解决车辆换挡锁止、误挂挡、结构改进问题。

4　结束语

目前各国都针对汽车自动变速器现有技术中存在的问题进行深入研究，从专利申请内容分析可以看出：国外研究的热点集中在自动变速器的控制方法改进中，通过软件控制来解决车辆换挡冲击、燃油节能问题；而国内集中在换挡机构的优化与换挡策略的控制方面，来解决换挡冲击、燃油节能问题。国内与国外研究解决问题方式的差异与国内自动变速器控制技术发展落后有直接的关系。在当前自动变速器的迅速发展中，通过开发出新型变速器结构来解决现有变速器中存在的问题还是具有很大难度。

【1】NAUNHEIMERH.汽车变速器理论基础、选择、设计与应用[M].宋进桂，龚宗洋,译.北京: 机械工业出版社,2014.

HotspotsAnalysisforAutomaticTransmissionatHomeandAbroadBasedonApplicationofPatent

LIUTengda,GAOYujiang,LIUYang

(PatentExaminationCollaborationTianjinCenterofthePatentofficeSIPO,Tianjin300000,China)

Thedevelopmentoftheautomatictransmissionandthetypeofautomatictransmissionwereanalyzed.Theresearchhotspotsofautomatictransmissioninviewofpatentathomeandabroadwereanalyzedandcompared.Fromthedomesticandforeignpatentapplicationresearchdirection,thesolutionsforshiftingtiming,shiftingstrategyandfuelsavingtechnologyofautomatictransmissionwerefound.

Automatictransmission;Patentapplication;Researchhotspots

2016-04-17

刘腾达(1987—)，男，硕士，助理工程师，从事车辆自动变速器以及换挡结构、方法的专利审查。E-mail：hbhsltd@163.com。

U463.212

A

1674-1986(2016)07-089-05