日本ZF公司9档自动变速器的开发

【日】 松田達雄

0 前言

日本ZF公司长期致力于后轮驱动车型用的纵置变速器等产品的研发和制造。纵观汽车市场，后轮驱动（RWD）车的市场份额在下降，而前轮驱动（FWD）车的需求却在扩大［1－2］。在此背景下，已开始投入对前轮驱动车用横置变速器的开发与制造。

1 开发理念

横置变速器与纵置变速器不同，通常布置于车辆的发动机舱内，其总长受到较大限制。因此，开发变速器时，以当前市场上出现的横置变速器为基准，应使开发产品的外形、尺寸及质量与基准变速器相同或低于基准变速器。同时，设计时一方面将重点放在改善燃油经济性，降低CO2排放上；另一方面要实现优异的动力性能及舒适性。此外，还要求在价格上具有充分的市场竞争力。

2 变速器开发概况

在变速器的规划阶段，研究了无级变速器（CVT）、湿式双离合变速器（DCT）、干式DCT和有级式自动变速器。经过尺寸、质量及其他各种性能比较的仿真试验，最终选择了有级自动变速器开发方案：开发输入扭矩280N·m和480N·m的两种变速器。实际上，需求量较大的480N·m变速器已实现了量产，该变速器总长为367mm，注入润滑油后的总质量为86kg（图1）。图2表示其质量与输入扭矩的关系。

3 变速器的结构

图1 9档自动变速器9HP-组装（外壳）

图2 质量／扭矩的比较

作为改善燃油经济性与削减CO2排放的重要因素，发动机应在燃油耗较低的最佳范围内运转，故要求变速器的多级化与大范围的总级间比。根据后轮驱动车用纵置变速器的实际开发情况，考虑相关参数要与8档变速器多级化后相同或有所超越。基于减轻质量的目的，应该尽可能减少齿轮组及变速部件的数量，设定为具有4组行星齿轮组与6组变速部件的9档变速器（图3）。

为了将上述结构要素在设计尺寸方面进行反馈，形成该变速器的一大特征，即双重组合行星齿轮组，并进行紧凑地布置。此外，由于将6组换档部件中的2组做成爪形离合器，以便能更紧凑地布置结构部件（图4）。作为其他的换档部件，使用了两组液压式多片离合器及两组液压式多片制动器，紧凑地布置了变速器其他结构部件（图5）。

图3 行星变速器齿轮传动系统——研究模型

图4 齿轮组和爪形离合器

图5 9档自动变速器——9HP变速器横截面视图

4 提高传动效率

为改善燃油经济性并降低CO2排放量，需要减少变速器的功率损失，进而提高其传动效率。在变速器内部，应该减少齿轮组扭矩传递损失，使齿轮的每个齿面、每个轮齿最佳化，使效率与该公司的8档变速器达到同一水平（图6）。

图6 9档自动变速器——9HP齿轮传动装置效率比较

与变速器内部扭矩损失相关的换档部件也是重要因素。爪形离合器本身的扭矩损失，是无法与液压式多片离合器、液压式多片制动器在断开时的旋转扭矩相提并论的，后者具有较小的扭矩损失。为降低液压式多片离合器、液压式多片制动器断开时的拖曳阻力力矩，应使摩擦片的形状最佳化。然而，由于无法完全消除拖曳阻力矩，所以，将断开的液压式多片离合器和液压式多片制动器的数量设定为3组以下。由于在高速级断开爪形离合器，断开状态的液压多片离合器和液压式多片制动器设定为1组，这样可使拖曳阻力矩降至最低（图7）。

图7 选择的概念

此外，自动变速器为了进行液压控制，通常设有油泵。如从变速器的输出考虑，可认为油泵的驱动扭矩是变速器内部的扭矩损失。因此，由于油泵也使用与ZF公司8档变速器具备同样高效率的叶片泵，在整个旋转工况下可以改善效率达10%以上（图8）。此外，这种叶片泵不是装配在输入轴上，而是由于设定为皮带驱动，使驱动轴错开，可以有效缩短变速器的总长（图9）。

表1 选择的概念

图8 油泵效率

图9 带滚子链的叶片泵

5 行驶性能与舒适性

如表1所示，变速器9档的总级间比较大，为9.81，能够同时满足优异的起步性能与高速行驶需求。为满足变速时的舒适性，各种齿轮变速档采用密接变速比。在加速或减速时，根据当时的加减速工况，可以实现面向最佳变速器排档的超越式有级变速，相比6档变速器，从起步加速至100km／h甚至高于100 km／h，时间减少了0.6s。此外，从起步到行驶了4s后的路程可延长2.5m。

由于采用了超高速传动比，与6档变速器相比，能够使120km／h巡航行驶时的发动机转速降低700 r／min左右，提高了高速行驶时的乘车舒适性，并降低了燃油耗。

为了吸收由于发动机小排量化、短气缸化而产生的振动，配置了各种减振器。利用减振器可以实现低速旋转时离合器的锁止，不仅有利于提高舒适性，也改善了燃油经济性（图10）。

图10 扭矩转换器——减振系统

6 改善燃油经济性与降低CO2排放

利用削减变速器损失扭矩等方式以提高效率，采用具有宽广总级间比范围的9档变速器，在新欧洲行驱循环工况下（NEDC）可改善燃油耗达11%～16%，将CO2排放控制在17～25g／km，由于轻量紧凑的设计，已实现了降低燃油耗及CO2排放等预期目标（图11）。

图11 9档自动变速器9HP28及9HP48应用的新技术概况

7 9档自动变速器第二代产品9HP50

目前投入量产的9HP48型变速器如前文所述，具有革新的机构和功能。然而，ZF公司将进一步推进采用了该技术的第二代9档HP50变速器。其开发目标见图12。

图12 9档自动变速器第2代产品9HP50——9HP第二代变速器开发目标

开发目标包括：

（1）开发各种电动车，MHEV或者PHEV及实现相关功能的技术；

（2）进一步改善燃油经济性，降低CO2排放；

（3）改善动态变速及附加功能；

（4）提高变速器的耐用度及质量。

其中，力求进一步提高变速器的传动效率以改善燃油耗及削减CO2排放。通过降低变速器的管路压力可以提高1.2%左右的传动效率。此外，通过润滑油流量的优化，降低流动阻力等，可提高传动效率达0.6%，通过改进轴承及密封装置等内部构件以降低滑动阻力，可提高传动效率0.25%。总体上约提高传动效率达3%。

目前9HP48型变速器已采用发动机怠速停止技术。发动机的怠速停止技术极大地提高了燃油经济性能，在车辆停止前，如果能够先停止发动机，则可进一步改善燃油经济性。但是，由于与车辆各种车载装置存在紧密联系，要实现车辆行驶状态下的发动机停止要求，需要考虑采用附加功能系统等措施，以及安全方面的问题。同时，通过软件更新等措施，进行改善燃油耗等优化功能的开发。

关于行驶性能，在更为快速的动态降档方面有了较大的改善，包括超越式有级变速，大体上可以压缩10%～40%的换档时间。出于对作为换档部件的液压多片离合器、液压式多片制动器的优化控制，改进了锁止离合器的控制系统，并取得显著成果。

在其他方面也开展了对软硬件的改进，开发出更耐用，质量性能更好的自动变速器。

8 结语

目前，汽车动力传动系统是研究热点，纯电动汽车（EV）被认为是代表着未来汽车的发展方向。然而，受价格、基础设施建设等方面的制约，未来要在短期内完全置换为EV显然是存在一定困难的。据ZF公司调查资料显示，到2030年全世界汽车市场总销量预测为12 000万辆，其中EV所占份额为14%左右，PHEV、混合动力车（HEV）和MHEV等混合动力汽车的市场份额总量为32%左右，预计其余54%左右仍为内燃机汽车。因此，未来要满足面向PHEV、HEV和MHEV的电动化系统的最优化要求和未来更高的目标，变速器技术也在日新月异。