賀宏良

摘 要：本文介紹了一種全新設(shè)計(jì)理念的多雙向離合器自動(dòng)變速箱，其擁有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，基于手動(dòng)變速箱的齒輪組結(jié)構(gòu)并簡(jiǎn)化了電液控制系統(tǒng)，以最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳的效果：兼具了目前主流的AT.CVT.DCT的優(yōu)點(diǎn)并較好的克服了其各自的缺點(diǎn)，對(duì)材料和工藝的要求都不高，非常適合目前國(guó)內(nèi)大環(huán)境下的研發(fā)和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)變速箱;雙向離合器;自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)

由于我國(guó)制造業(yè)材料和工藝與發(fā)達(dá)國(guó)家的巨大差距，也因?yàn)閲?guó)外自動(dòng)變速箱巨頭的專利壁壘，導(dǎo)致我國(guó)的自主自動(dòng)變速箱產(chǎn)業(yè)因?yàn)槿狈诵募夹g(shù)而遲遲沒有大的突破，嚴(yán)重制約了我國(guó)汽車工業(yè)由大到強(qiáng)的步伐。

縱觀目前的現(xiàn)狀，我國(guó)的自主自動(dòng)變速箱都是購買外國(guó)專利技術(shù)、進(jìn)口各種核心部件等等，基本全是跟在人家屁股后面追趕，雖然某些數(shù)據(jù)看起來也像模像樣，實(shí)際裝車體驗(yàn)差強(qiáng)人意不說，其可靠性和耐久性都還沒有經(jīng)過時(shí)間的考驗(yàn)，整體現(xiàn)狀不是那么樂觀，可以說是任重而道遠(yuǎn)。

截至目前為止，民用小型汽車上主流應(yīng)用的自動(dòng)變速箱類型主要有三種：AT、DCT和CVT，缺陷太大的AMT已經(jīng)邊緣化。

這三種主流變速箱各有優(yōu)點(diǎn)也各有缺點(diǎn)：

AT的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定可靠性高，但是結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜維修困難且因?yàn)橐毫ψ兙仄鞯木壒蕦?dǎo)致傳動(dòng)效率低換檔速度慢和動(dòng)力反應(yīng)遲緩。

CVT結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單行駛平順，但因?yàn)槭卿搸Σ羵鲃?dòng)，傳動(dòng)效率更低而且還易打滑，耐久性也一般，故障后基本上無法維修需要更換總成。

DCT雖然傳動(dòng)效率高換擋速度快，但是低速頓挫嚴(yán)重更兼可靠性最差

三種主流變速箱還普遍存在各種異響、某些區(qū)域的頓挫和急加速時(shí)需要自動(dòng)連續(xù)降檔或者打滑（CVT）等導(dǎo)致的動(dòng)力遲滯問題。

那么，為什么就不能有一種自動(dòng)變速箱，它既結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠耐用又換擋平順、傳動(dòng)效率還很高呢？也就是兼具三種變速箱的優(yōu)點(diǎn)但盡量克服其缺點(diǎn)。

設(shè)計(jì)的初期思路本來是想從自動(dòng)變速箱技術(shù)里最理想的方案：無級(jí)變速下手的，然而鋼帶的專利壁壘和摩擦傳動(dòng)的低效率低扭矩目前技術(shù)手段不足以完全解決，所以最終還是選擇從常規(guī)齒輪傳動(dòng)下手！比如DCT傳動(dòng)效率高換擋速度快是其最大優(yōu)點(diǎn)，所以只要解決了頓挫也就成功了一大半，再解決掉可靠性和耐用性那就基本大功告成。

因?yàn)槌錾頇C(jī)械加工行業(yè)，所以對(duì)普通車床上極為常見的濕式雙向摩擦片式離合器（參見最后的附圖3）很熟悉：這種離合器長(zhǎng)時(shí)間分離和長(zhǎng)時(shí)間結(jié)合都很適應(yīng)，還因?yàn)槭侨饘倌Σ疗?，所以耐磨性和耐久性及可靠性都非常好，又因?yàn)槭怯屠浣禍?，所以浸泡在?rùn)滑油里也可以正常工作。它的優(yōu)點(diǎn)還有結(jié)合平穩(wěn)無沖擊，體積小扭矩大，其完全結(jié)合后在允許的最大扭矩以下就等同于剛性連接，所以傳動(dòng)效率很高，因此個(gè)人認(rèn)為它非常適合在汽車的自動(dòng)變速箱里應(yīng)用。

由此鄙人就大膽嘗試，發(fā)明并設(shè)計(jì)出這款全新設(shè)計(jì)理念的·多雙向離合器自動(dòng)變速箱。該發(fā)明的齒輪組結(jié)構(gòu)類似于DCT，卻省略了昂貴的雙離合模塊。而每個(gè)檔位都配備多片式摩擦離合器類似于本田的平行軸AT，遺憾的是本田僅僅是把多片式摩擦離合器作為換檔機(jī)構(gòu)，卻依然采用了液力變矩器作為中斷動(dòng)力換擋的重要部件，影響了傳動(dòng)效率也無法做到無縫銜接的換檔速度。

圖2中：11三軸;12二軸;13一軸，2A、2擋主動(dòng)空套齒輪;4A、4擋主動(dòng)空套齒輪;5A、5擋主動(dòng)空套齒輪;1A、1擋主動(dòng)空套齒輪;RA、倒檔主動(dòng)空套齒輪;6A、6擋主動(dòng)空套齒輪;7A、7擋主動(dòng)空套齒輪;3A、3擋主動(dòng)空套齒輪;8發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力主動(dòng)齒輪;9二軸從動(dòng)齒輪;10一軸從動(dòng)齒輪;14雙向離合器;15雙向離合器;16雙向離合器;17雙向離合器;18液壓油缸;19液壓油管;20高速液壓旋轉(zhuǎn)接頭;21活塞桿;22壓力套;23 往差速器傳動(dòng)齒輪。

本變速箱主要部件有：變速箱殼體、一軸、二軸、三軸、各檔位齒輪、傳動(dòng)齒輪、惰齒輪、四個(gè)雙向離合器和四個(gè)液壓油缸，外置液壓模塊和微電腦控制模塊。其中一軸二軸兩端都配備有圖示一軸左側(cè)同樣的液壓控制裝置，示意圖中其他三個(gè)簡(jiǎn)略之（請(qǐng)參照示意圖）

雙向離合器17/14和15結(jié)構(gòu)與圖示中16一樣，圖示也簡(jiǎn)略之。

如圖所示，三軸上從左到右依次排列2檔從動(dòng)齒輪，四六檔共用從動(dòng)齒輪，七、五、一、三檔從動(dòng)齒輪，二軸上對(duì)應(yīng)排列2A、4A、5A、1A檔位主動(dòng)空套齒輪，一軸上對(duì)應(yīng)的是RA、6A、7A、3A檔位主動(dòng)空套齒輪，（檔位齒輪的錯(cuò)位排列設(shè)計(jì)是為了達(dá)到換擋時(shí)的無縫銜接）一，二軸最左側(cè)都是從動(dòng)齒輪9/10，與之嚙合的是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力主動(dòng)齒輪8。

二軸上2A、4A和5A、1A檔位主動(dòng)空套齒輪之間都安裝有雙向離合器14/15各一個(gè)，一軸上的RA、6A和7A、3A檔位主動(dòng)空套齒輪之間也是雙向離合器16/17各一個(gè)。

每個(gè)雙向離合器在其軸頭位置都配備液壓油缸18外接高速液壓旋轉(zhuǎn)接頭20（或者固定油缸）活塞桿從軸孔內(nèi)推動(dòng)壓力套能讓離合器片雙向壓緊完成左右結(jié)合，通過微電腦控制液壓活塞的動(dòng)作速度和液壓油壓力，可以獲得最佳的結(jié)合時(shí)機(jī)及良好的剛性連接。

各液壓油缸的液壓油管19通向液壓模塊。

其工作原理如下：

四個(gè)雙向離合器沒有動(dòng)作時(shí)一二軸是空轉(zhuǎn)的，動(dòng)力不會(huì)被傳遞到空套齒輪也就不會(huì)被傳遞到三軸，這就是和手動(dòng)變速箱一樣的空檔狀態(tài)。

具體的升檔過程：

汽車需要起步時(shí)，微電腦控制模塊接收到節(jié)氣門開啟信號(hào)后，立刻指令液壓模塊向二軸12右端的液壓油缸供油，推動(dòng)活塞桿帶動(dòng)雙向離合器15的壓套向右側(cè)的一檔主動(dòng)空套齒輪1A方向動(dòng)作，通過預(yù)設(shè)液壓油的流速可以控制壓套壓緊摩擦片的速度快慢，也就是能夠?qū)崿F(xiàn)勻速的半離合到全結(jié)合，從而能夠使得汽車起步平穩(wěn)不突兀。

半離合后一檔主動(dòng)空套齒輪1A就會(huì)開始被驅(qū)動(dòng)并傳遞動(dòng)力給一檔從動(dòng)齒輪帶動(dòng)三軸11，三軸通過往差速器傳動(dòng)齒輪23傳遞動(dòng)力給差速器完成起步。

起步以后當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升至設(shè)定閥值需要自動(dòng)增至二檔時(shí)，那么只需控制液壓油缸在松開雙向離合器15的同時(shí)控制雙向離合器14同步向左側(cè)二檔空套齒輪2A壓緊，也就能做到一二檔之間無縫銜接的平順過渡;

二檔升三檔時(shí)只需松開雙向離合器14的同時(shí)控制雙向離合器17向右側(cè)三檔空套齒輪3A壓緊，一樣做到無縫銜接的平順增檔，此時(shí)動(dòng)力通過3A空套齒輪傳遞給三檔從動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)三軸11，三軸11通過往差速器傳動(dòng)齒輪23傳遞動(dòng)力給差速器。

三檔增四檔只需松開離合器17的同時(shí)控制離合器14向右側(cè)的4A空套齒輪壓緊，

四檔升五檔只需控制離合器14松開的同時(shí)讓離合器15同步向左側(cè)的5A空套齒輪壓緊。

五檔升六檔控制離合器15松開的同時(shí)讓離合器16向右側(cè)的6A空套齒輪壓緊，六檔升七檔就控制離合器16松開的同時(shí)讓離合器17向左側(cè)的7A空套齒輪壓緊，這樣就完成了從空檔起步到最高檔位的依次無縫銜接。

具體的降檔過程：

七檔降六檔時(shí)只需控制離合器17松開的同時(shí)讓離合器16同步向右側(cè)的6A空套齒輪壓緊，六檔降五檔時(shí)只需松開離合器16的同時(shí)讓離合器15向左側(cè)的5A空套齒輪壓緊，五檔降四檔時(shí)只需松開離合器15的同時(shí)讓離合器14向右側(cè)的4A空套齒輪壓緊，四檔降三檔只需松開離合器14的同時(shí)讓離合器17同步向右側(cè)的3A空套齒輪壓緊，三檔降二檔只需松開離合器17的同時(shí)讓離合器14向左側(cè)的2A空套齒輪壓緊，二檔降一檔時(shí)只需松開離合器14的同時(shí)讓離合器15向右側(cè)的1A空套齒輪壓緊，一檔降空檔只需松開離合器15即可，這樣也就做到了從7檔到空檔依次無縫銜接的降檔。

連續(xù)降檔和跨級(jí)升檔基本也可以做到一樣的無縫銜接，比如7檔直降五檔，只需松開離合器17的同時(shí)控制離合器15同步向左側(cè)的5A空套齒輪壓緊，直降四檔只需控制離合器14同步向右側(cè)的4A空套齒輪壓緊，其他直降和跨級(jí)升檔就不贅述了。注：個(gè)別跨級(jí)檔位齒輪因?yàn)樵谝粋€(gè)雙向離合器的兩側(cè)所以會(huì)略有延遲，研發(fā)時(shí)可以重新設(shè)計(jì)最優(yōu)化的檔位齒輪排列。

據(jù)查目前換擋最快的自動(dòng)變速箱也需要耗時(shí)零點(diǎn)幾秒，多個(gè)雙向離合器的設(shè)計(jì)和檔位齒輪的錯(cuò)置排列能夠使多雙向離合變速箱幾乎做到增減擋基本上不需要時(shí)間。也就是說通過兩個(gè)離合器的完美配合，換擋時(shí)甚至不需要關(guān)閉節(jié)氣門，加速過程中扭矩是持續(xù)不斷的。

理論上其達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的理想狀態(tài)后有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）完全自主設(shè)計(jì)，可以打破所有國(guó)外自動(dòng)變速箱巨頭的專利壟斷。

（2）結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，忽略四個(gè)雙向離合器和液壓控制系統(tǒng)的話這只不過是個(gè)沒有換檔機(jī)構(gòu)的手動(dòng)變速箱結(jié)構(gòu)而已。

（3）其性能穩(wěn)定故障率低，變速箱內(nèi)部可以基本沒有任何電器元件，也沒有任何太易損部件，耐用性和可靠性都能得到很好的保障。

（4）無縫隙換擋的速度極快勝過AT甚至DCT，并且能通過調(diào)教很好的抑制頓挫，如CVT般絲滑平順也不是奢望。

（5）傳動(dòng)效率非常高，媲美手動(dòng)變速箱遠(yuǎn)勝AT和CVT，和DCT比也只高不低。

（6）由于雙向片式摩擦離合器可以長(zhǎng)時(shí)間空轉(zhuǎn)的特性，能夠完美實(shí)現(xiàn)手動(dòng)變速箱的空檔滑行功能，帶檔滑行和空檔滑行隨意切換，只需設(shè)置一個(gè)選擇按鍵即可。低速時(shí)嚴(yán)重的發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)導(dǎo)致的拖拽頓挫感選擇空檔滑行即可徹底解決。

（7）換擋邏輯很簡(jiǎn)單易于調(diào)教出各種駕駛風(fēng)格，通過對(duì)控制電腦的預(yù)置程序即可實(shí)現(xiàn)N種不同的升降檔機(jī)制，僅僅是需要調(diào)整液壓系統(tǒng)各種不同的動(dòng)作時(shí)機(jī)。

（8）檔把的檔位可以隨意設(shè)置，再也不必忍受掛D擋時(shí)必須經(jīng)過R和N檔的繁瑣。因?yàn)辇X輪固定掛鉤和P檔位都可以取消，設(shè)置一個(gè)P駐車按鍵即可：控制液壓模塊直連蓄電池的電子油泵把倒檔或一檔空套齒輪結(jié)合并鎖閉管路保持液壓即可實(shí)現(xiàn)駐車功能。

（9）隨叫隨到的動(dòng)力響應(yīng)，無論是起步加速還是急加速，其無需中斷動(dòng)力的優(yōu)勢(shì)加上無縫銜接的換檔速度能做到隨踩隨有的動(dòng)力反饋及豐富的駕駛樂趣。

（10）易于維修，雖然本設(shè)計(jì)的變速箱內(nèi)部基本沒有易損部件，但是萬一出現(xiàn)故障也很容易維修，只要液壓控制系統(tǒng)不出問題，那基本上也就比維修手動(dòng)變速箱難一點(diǎn)點(diǎn)而已。

（11）因?yàn)楸咀兯傧湓O(shè)計(jì)基本都是依靠飛濺潤(rùn)滑，所以自動(dòng)檔車型不能拖車一說從此告別！拖車時(shí)車輪驅(qū)動(dòng)差速器旋轉(zhuǎn)并通過傳動(dòng)齒輪23驅(qū)動(dòng)三軸，三軸驅(qū)動(dòng)一二軸上的各主動(dòng)空套齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，飛濺潤(rùn)滑沒任何問題。

（12）成本應(yīng)該能得到很好的控制，因?yàn)槠錄]有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也沒有昂貴的專利費(fèi)。

（13）體積和重量也應(yīng)該可以控制住，和DCT比盡管雙向離合器縱向尺寸略大，還多了四個(gè)液壓油缸和液壓旋轉(zhuǎn)接頭，但是也省略了占地不小的雙離合模塊，基本可以做到相同。

（14）最后也是最重要的一點(diǎn)就是該設(shè)計(jì)對(duì)工藝和材料的要求都不算太高，除了要求較高的關(guān)鍵部位軸承和高速液壓旋轉(zhuǎn)接頭，應(yīng)該基本無需采購進(jìn)口配件，非常適合目前國(guó)內(nèi)的大環(huán)境下普及應(yīng)用。

注：

液壓油缸的設(shè)計(jì)鄙人設(shè)想了兩種方案：固定式和旋轉(zhuǎn)式，固定式的難點(diǎn)在于對(duì)推力軸承的壓力很大，旋轉(zhuǎn)式的則對(duì)高速液壓旋轉(zhuǎn)接頭的質(zhì)量要求較高，研發(fā)時(shí)需要權(quán)衡利弊做出抉擇。估計(jì)這是本發(fā)明設(shè)計(jì)唯一的技術(shù)難點(diǎn)了。

也曾考慮過設(shè)計(jì)使用共用液壓活塞代替壓力套，缺點(diǎn)是液壓油缸必須在最外圈導(dǎo)致雙向離合器的徑向尺寸將進(jìn)一步加大，變速箱徑向體積更不容易控制。