汽车换挡器专利技术分析

摘要：随着科技的发展，汽车换挡器越来越多样化、小型化、电子化，为了了解换挡器的发展方向，有必要对汽车换挡器相关的专利技术进行分析总结。以汽车换挡器为分析对象，阐述了汽车换挡器的作用和分类，通过对世界范围内和中国范围内与汽车换挡器相关的专利进行统计，对汽车换挡器相关的专利申请趋势、主要申请人、申请人国别进行统计分析，并对换挡器的技术发展路线和技术分布进行分析，最后提出换挡器的未来发展方向。

关键词：换挡器；换挡杆；换挡旋钮；换挡按键

中图分类号：U463.2 收稿日期：2024-07-12

1 前言

汽车换挡器是汽车中重要的零部件之一，其作用为保证驾驶员根据行驶条件，能准确可靠地将变速器换入所需要的挡位[1]，即能够使车辆处于前进挡、倒挡、空挡和驻车挡，以使车辆能够前进、后退、临时停止和驻车，并改变车辆行驶过程中的速度和扭矩。换挡器有多种类型，按照布置位置可以分为地挡和怀挡，其中地挡为布置在汽车驾驶室地板上的位于驾驶位旁边的换挡装置，怀挡为布置在方向盘下方的换挡装置[2]。按照换挡器的形状可以分为换挡杆、换挡旋钮、换挡按键等。同时近些年出现多种新型的形状各异的换挡器，甚至包括设置在触摸屏上的通过屏幕操作的换挡器，但都没有脱离换挡的基本功能。

换挡器本身无法改变汽车的挡位，其必须与变速器连接并通过变速器改变汽车的挡位，换挡器连通的变速器包括手动变速器和自动变速器，自动变速器又分为机械式自动变速器（AMT）、双离合自动变速器（DCT或DSG），液力自动变速器（AT）和无级变速器（CVT）[3]。换挡器与变速器的连接方式包括机械式连接和电子式连接，机械式连接为换挡器通过拉索等机械结构与变速器连接，通过换挡器自身的移动带动拉索、拨叉等部件移动进而使变速器进行换挡[4]，电子式连接为换挡器通过自身的移动触发不同的换挡信号并由控制器控制变速器进行换挡，例如采用霍尔传感器识别换挡器的位置从而控制换挡[5]。随着计算机技术的发展，电子式连接成为越来越多的选择。

2 汽车换挡器世界专利分析

换挡器的研发和设计主要集中在汽车行业发展较好的国家，如中国、美国、德国、日本、韩国等，专利申请也主要集中在这些国家。本文应用Incopat软件对汽车换挡器领域在2023年底之前公开的全球专利进行检索，并对检索结果作了统计，具体从专利申请趋势、主要申请人、申请人国别等方面作了进一步的分析。

2.1 专利申请趋势

从世界的专利申请数量按照时间的分布可以得到专利申请趋势，如图1所示。

由图1可以看出：在2009年之前，申请量较为稳定，每年在300件左右；在2009—2014年之间，专利申请量实现了快速的增长，从每年300件左右迅速增长到每年800件左右；在2014—2020年之间稳定到每年700～800件之间；在2020年之后申请量迅速下降。究其原因，在2009年之前，换挡器技术发展较为稳定，未有大的新技术的突破；在2009—2020年，计算机技术及传感器技术的迅速发展，为换挡器技术带来了新的技术突破，实现了换挡器技术的快速发展，其中换挡器与变速器之间的电子式连接方式成为技术发展的新方向，尤其是换挡杆、换挡旋钮这两种类型的换挡器迎来了新的发展；在2020年之后，计算机技术及传感器技术在换挡器上的应用较为成熟，换挡器相GKaeywGjTgCVqb0cRRvvsDu0SwmNHfrMq0kozRp328A=关的专利申请迅速下降，表明换挡器的发展进入一个缓慢发展期。

2.2 主要申请人

对汽车换挡器世界专利的申请人进行分析，可以得到换挡器申请专利数量排名比较靠前的主要申请人，如图2所示。

由图2可以看出，现代汽车公司在换挡器方面的专利申请量最多，其次是东海理化公司，再次是丰田、本田和日产公司。究其原因，这些公司或者是整车生产厂，或者是换挡器的主要供应商，说明这些公司对于换挡器的研发投入比较集中、专利布局比较完善。

2.3 申请人国别

从申请人所在的国别可以得到申请人国别的分析，如图3所示。

由申请人国别的分析图可以看出，中国在汽车换挡器方面的专利申请量最多，约占全部申请量的1/3，其次是日本，其专利申请量接近全部申请量的1/3，其次是韩国，但专利申请量远不如中国和日本。究其原因，虽然韩国的现代汽车公司在汽车换挡器方面投入和申请量较大，但韩国只有这一家公司投入较多，日本有多家公司在汽车换挡器方面投入和申请量均比较集中，说明日本的多家汽车公司在汽车换挡器方面均进行了深入的研发和完善的专利布局。中国申请量最大，但是排名靠前的专利申请人不在中国，说明中国有多家公司在换挡器方面进行研究，技术比较分散，未能形成集中的技术体系和专利布局。

3 汽车换挡器中国专利分析

在对换挡器的世界专利进行分析之后，发现汽车换挡器专利在中国的申请数量最多，但是汽车换挡器专利的主要申请人未在中国，因此，有必要对中国的汽车换挡器专利申请趋势和主要申请人做进一步的分析。

3.1 专利申请趋势

从中国的专利申请数量按照时间的分布可以得到专利申请趋势，如图4所示。

由图4可以看出：在2009年之前，申请量较为稳定，每年100件左右；在2009—2014年之间，专利申请量实现了快速的增长，从每年100件左右增长到每年600件左右；在2014—2020年之间稳定到每件600件左右；在2020年后申请量迅速下降。这些与换挡器世界专利的申请趋势是相似的，说明中国在近期汽车换挡器技术的发展与世界同步。

3.2 主要申请人

对中国的汽车换挡器专利的申请人进行分析，可以得到换挡器申请专利数量排名比较靠前的主要申请人，如图5所示。

由图5可以看出，现代汽车公司在中国的换挡器专利数量依然最多，说明其在汽车换挡器领域在中国进行了全方位的布局。中国的汽车换挡器专利主要申请人虽然在专利申请数量上不及现代汽车公司，但相差并不远，已有迎头赶上的趋势，且中国的汽车换挡器专利主要申请人均为整车制造企业，具备雄厚的研发实力和稳定的研发基础，如果抓住科技发展和市场发展的机遇，在现有的技术研发和专利布局基础上必然能够迎头赶上。

4 汽车换挡器技术发展路线和技术分布

4.1 汽车换挡器技术发展路线

换挡器的主要作用是改变变速器的挡位，因此换挡器的发展是与变速器的发展相适应的。早期的变速器是手动变速器，因此，早期的换挡器是与手动变速器相适配的，也就是要实现对手动变速器中的齿轮或者同步器进行拨动的功能。为了提供一种结构简单、成本低的换挡器，通用汽车公司在1917年提出一种公开号为US1330912A的换挡杆的专利申请，应用于手动变速器，其通过设置在变速箱上部的换挡杆直接与变速箱的换挡拨叉连接，通过换挡杆直接操纵换挡拨叉移动，从而使变速箱改变挡位。而为了减少换挡器所占用的空间，施密特公司在1926年提出一种公开号为US1690180A的换挡杆的专利申请，应用于手动变速器，其使得换挡杆通过线缆与变速箱间接连接，在换挡杆的运动时通过线缆带动换挡拨叉移动，从而使变速箱改变挡位。

为了解决换挡器占用驾驶室空间大和驾驶员需要将手从方向盘移开进行换挡从而造成的安全问题，本尼特乔治在1932年提出一种公开号为US1923905A的汽车换挡装置的专利申请，其在方向盘上设置换挡杆，从而取代设置在驾驶室地板上的换挡杆，能够减少占用空间和方便换挡。而同样为了解决换挡器占用驾驶室空间大的技术问题，福特汽车公司在1937年提出一种公开号为US2088787A的机动车辆的专利申请，其将换挡杆设置到仪表盘下方，能够减少换挡器占用驾驶室的空间，防止换挡器与车内乘客接触。

随着自动变速器的开发，换挡器随之发展。通用汽车公司在20世纪30年代开发出最早的四速液力自动变速器，其在1938年提出一种公开号为US2221393A的变速控制装置的专利申请，与液力自动变速器相适配，通过阀连接换挡杆，进而通过换挡杆的移动改变液力自动变速器中离合器和制动器的开闭而改变挡位，开启了自动变速器和汽车换挡器的新时代。

在自动变速器出现之后，为了更加方便的换挡和减少换挡器所占用的空间，ANN GOEDEKE等提出一种公开号为US2610518A的用于汽车操作的按钮控制的专利申请，其在方向盘的转向柱上设置用于驻车挡、倒挡、空挡和前进挡的按键，当按键被按下时将激活控制电机动作使其向按键对应的方向运动，从而改变变速器的挡位，以使得驾驶员可以在手不离开方向盘的情况下方便的换挡。

为解决换挡杆带来的占用空间大、难以维护的问题，通用汽车公司在1973年提出一种公开号为US3766793A的变速器换挡控制装置的专利申请，其将换挡杆改成换挡旋钮，通过换挡旋钮的运动带动电缆的运动，从而改变变速器的挡位。但此时的旋钮并非圆形的，而是在圆盘上转动的指针，由指针带动电缆运动从而进行换挡。为了提高安全性和节约空间，通用汽车公司随后在1975年提出一种公开号为US3901097A的控制机构的专利申请，即圆柱形的旋钮，通过旋钮与凸轮、链轮等部件的连接以改变变速器的挡位，并确保仅在空挡或驻车挡启动，避免驾驶员误操作，提高了旋钮换挡器的安全性。

为了减少检测换挡器的位置时部件之间的机械连接带来的磨损，威伯科公司在1983年提出公开号为DE3138827A1的用于变速器的挡位选择器单元的专利申请，其利用永磁体和传感器来检测换挡杆的位置，即在附接到换挡杆的臂上设置永磁体，在换挡杆所在的壳体中设置对磁场敏感的传感器，利用换挡杆运动时传感器感应到的磁场变化识别换挡杆的位置从而进行换挡。

为了解决车辆行驶过程中的安全问题和停放过程中的被盗问题，JSJ等公司在2001年提出一种公开号为US2003029261A1的具有电子换挡复位的可存储换挡器的专利申请，属于换挡旋钮，其在停车状态下可以隐藏在盖装置中，在车辆启动后可以升高以供驾驶员进行换挡，并可防止驾驶员错误的换挡，同时优化了驾驶室的空间。

为了减少换挡器占用空间，并防止驾驶员误操作，丰田公司在2004年提出一种公开号为JP2006177401A的选择装置的专利申请，其在仪表盘中央设置触摸屏，并在触摸屏上设置驻车挡、倒挡、空挡、前进挡的挡位显示符号，以供驾驶员通过触摸挡位显示符号来进行换挡，从而将换挡器进行完全电子化，不再占用驾驶室的空间。

为了减少换挡器占用的空间，福特汽车公司在2015年提出一种公开号为US2017130829A1的变速器驱动模式用户选择系统和方法的专利申请，其将四个开关设置到方向盘上，通过驾驶员对四个开关的拨动进行驻车挡、倒挡、空挡、前进挡、手动加档和手动减挡的换挡。而广州汽车公司在2020年提出一种公开号为CN114001151A的换挡控制方法、装置、换挡控制器的专利申请，仅在方向盘上设置两个换挡拨片，通过对两个拨片的操作就可以实现驻车挡、倒挡、空挡、前进挡、手动加档和手动减挡的换挡，大大减少了换挡器占用的空间。

由换挡器的技术发展路线可以看出，换挡器在向着小型化、电子化和安全化的方向发展，这与计算机、电子技术的发展是相适应的，未来随着新技术的进步仍然有较大的发展空间。

4.2 汽车换挡器技术分布

对换挡器的技术分布进行分析，结果如图6所示。

由换挡器技术分布可知，换挡杆的专利申请数量远大于其他换挡器形式的专利申请数量，表明换挡杆的发展已经较为成熟，且已形成严密的专利保护网，难以有大的突破。换挡旋钮的专利申请数量约占全部申请量的1/10，表明换挡旋钮处于快速发展的阶段，专利保护网正在形成，未来还有较大的发展空间。而换挡按键和其他换挡器的专利申请量较小，表明新形式的换挡器还处于研发阶段，如果能够抓住机遇，将会有很大的发展空间。

5 结语

经过对汽车换挡器相关的专利分析，可以知道，汽车换挡器的早期研发集中在欧洲和美国，但近几十年的研发集中在日本和韩国。这两个国家的企业不但申请的汽车换挡器专利数量大，而且申请比较集中，已形成较为严密的专利保护网。中国的企业对于换挡器的研发起步较晚，但研发速度较快，因而申请量最大。不足之处是研发主体比较分散，不够集中，这说明中国的企业对于换挡器的研发还不够深入。如果能够对处于快速发展阶段的换挡旋钮进行集中研发，或者对处于萌芽阶段的换挡按键及其他新型的换挡器进行开拓性研发，符合小型化、电子化和安全化的发展趋势，并适应市场的需要，未来将有非常大的发展空间。中国的申请人可以抓住汽车换挡器发展的新契机，集中研发，在换挡器领域取得新的技术突破和进行全面深入的专利布局。

参考文献：

[1]王振选.汽车底盘：动力传递系统结构与维修[M].北京：金盾出版社，2018.

[2]郭大民.汽车配置与性能[M].北京：北京理工大学出版社，2016.

[3]鲁民巧等.新型自动变速器（AT）结构原理[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2018.

[4]卢嗣之.汽车底盘构造与维修[M].北京：北京理工大学出版社，2011.

[5]赵振宁.混合动力汽车构造原理与检修[M].北京：航空工业出版社，2020.