摘要：隨著科技的發(fā)展，汽車換擋器越來(lái)越多樣化、小型化、電子化，為了了解換擋器的發(fā)展方向，有必要對(duì)汽車換擋器相關(guān)的專利技術(shù)進(jìn)行分析總結(jié)。以汽車換擋器為分析對(duì)象，闡述了汽車換擋器的作用和分類，通過(guò)對(duì)世界范圍內(nèi)和中國(guó)范圍內(nèi)與汽車換擋器相關(guān)的專利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)汽車換擋器相關(guān)的專利申請(qǐng)趨勢(shì)、主要申請(qǐng)人、申請(qǐng)人國(guó)別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并對(duì)換擋器的技術(shù)發(fā)展路線和技術(shù)分布進(jìn)行分析，最后提出換擋器的未來(lái)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：換擋器；換擋桿；換擋旋鈕；換擋按鍵

中圖分類號(hào)：U463.2 收稿日期：2024-07-12

1 前言

汽車換擋器是汽車中重要的零部件之一，其作用為保證駕駛員根據(jù)行駛條件，能準(zhǔn)確可靠地將變速器換入所需要的擋位[1]，即能夠使車輛處于前進(jìn)擋、倒擋、空擋和駐車擋，以使車輛能夠前進(jìn)、后退、臨時(shí)停止和駐車，并改變車輛行駛過(guò)程中的速度和扭矩。換擋器有多種類型，按照布置位置可以分為地?fù)鹾蛻褤?，其中地?fù)鯙椴贾迷谄囻{駛室地板上的位于駕駛位旁邊的換擋裝置，懷擋為布置在方向盤(pán)下方的換擋裝置[2]。按照換擋器的形狀可以分為換擋桿、換擋旋鈕、換擋按鍵等。同時(shí)近些年出現(xiàn)多種新型的形狀各異的換擋器，甚至包括設(shè)置在觸摸屏上的通過(guò)屏幕操作的換擋器，但都沒(méi)有脫離換擋的基本功能。

換擋器本身無(wú)法改變汽車的擋位，其必須與變速器連接并通過(guò)變速器改變汽車的擋位，換擋器連通的變速器包括手動(dòng)變速器和自動(dòng)變速器，自動(dòng)變速器又分為機(jī)械式自動(dòng)變速器（AMT）、雙離合自動(dòng)變速器（DCT或DSG），液力自動(dòng)變速器（AT）和無(wú)級(jí)變速器（CVT）[3]。換擋器與變速器的連接方式包括機(jī)械式連接和電子式連接，機(jī)械式連接為換擋器通過(guò)拉索等機(jī)械結(jié)構(gòu)與變速器連接，通過(guò)換擋器自身的移動(dòng)帶動(dòng)拉索、撥叉等部件移動(dòng)進(jìn)而使變速器進(jìn)行換擋[4]，電子式連接為換擋器通過(guò)自身的移動(dòng)觸發(fā)不同的換擋信號(hào)并由控制器控制變速器進(jìn)行換擋，例如采用霍爾傳感器識(shí)別換擋器的位置從而控制換擋[5]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子式連接成為越來(lái)越多的選擇。

2 汽車換擋器世界專利分析

換擋器的研發(fā)和設(shè)計(jì)主要集中在汽車行業(yè)發(fā)展較好的國(guó)家，如中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)等，專利申請(qǐng)也主要集中在這些國(guó)家。本文應(yīng)用Incopat軟件對(duì)汽車換擋器領(lǐng)域在2023年底之前公開(kāi)的全球?qū)＠M(jìn)行檢索，并對(duì)檢索結(jié)果作了統(tǒng)計(jì)，具體從專利申請(qǐng)趨勢(shì)、主要申請(qǐng)人、申請(qǐng)人國(guó)別等方面作了進(jìn)一步的分析。

2.1 專利申請(qǐng)趨勢(shì)

從世界的專利申請(qǐng)數(shù)量按照時(shí)間的分布可以得到專利申請(qǐng)趨勢(shì)，如圖1所示。

由圖1可以看出：在2009年之前，申請(qǐng)量較為穩(wěn)定，每年在300件左右；在2009—2014年之間，專利申請(qǐng)量實(shí)現(xiàn)了快速的增長(zhǎng)，從每年300件左右迅速增長(zhǎng)到每年800件左右；在2014—2020年之間穩(wěn)定到每年700～800件之間；在2020年之后申請(qǐng)量迅速下降。究其原因，在2009年之前，換擋器技術(shù)發(fā)展較為穩(wěn)定，未有大的新技術(shù)的突破；在2009—2020年，計(jì)算機(jī)技術(shù)及傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，為換擋器技術(shù)帶來(lái)了新的技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)了換擋器技術(shù)的快速發(fā)展，其中換擋器與變速器之間的電子式連接方式成為技術(shù)發(fā)展的新方向，尤其是換擋桿、換擋旋鈕這兩種類型的換擋器迎來(lái)了新的發(fā)展；在2020年之后，計(jì)算機(jī)技術(shù)及傳感器技術(shù)在換擋器上的應(yīng)用較為成熟，換擋器相GKaeywGjTgCVqb0cRRvvsDu0SwmNHfrMq0kozRp328A=關(guān)的專利申請(qǐng)迅速下降，表明換擋器的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)緩慢發(fā)展期。

2.2 主要申請(qǐng)人

對(duì)汽車換擋器世界專利的申請(qǐng)人進(jìn)行分析，可以得到換擋器申請(qǐng)專利數(shù)量排名比較靠前的主要申請(qǐng)人，如圖2所示。

由圖2可以看出，現(xiàn)代汽車公司在換擋器方面的專利申請(qǐng)量最多，其次是東海理化公司，再次是豐田、本田和日產(chǎn)公司。究其原因，這些公司或者是整車生產(chǎn)廠，或者是換擋器的主要供應(yīng)商，說(shuō)明這些公司對(duì)于換擋器的研發(fā)投入比較集中、專利布局比較完善。

2.3 申請(qǐng)人國(guó)別

從申請(qǐng)人所在的國(guó)別可以得到申請(qǐng)人國(guó)別的分析，如圖3所示。

由申請(qǐng)人國(guó)別的分析圖可以看出，中國(guó)在汽車換擋器方面的專利申請(qǐng)量最多，約占全部申請(qǐng)量的1/3，其次是日本，其專利申請(qǐng)量接近全部申請(qǐng)量的1/3，其次是韓國(guó)，但專利申請(qǐng)量遠(yuǎn)不如中國(guó)和日本。究其原因，雖然韓國(guó)的現(xiàn)代汽車公司在汽車換擋器方面投入和申請(qǐng)量較大，但韓國(guó)只有這一家公司投入較多，日本有多家公司在汽車換擋器方面投入和申請(qǐng)量均比較集中，說(shuō)明日本的多家汽車公司在汽車換擋器方面均進(jìn)行了深入的研發(fā)和完善的專利布局。中國(guó)申請(qǐng)量最大，但是排名靠前的專利申請(qǐng)人不在中國(guó)，說(shuō)明中國(guó)有多家公司在換擋器方面進(jìn)行研究，技術(shù)比較分散，未能形成集中的技術(shù)體系和專利布局。

3 汽車換擋器中國(guó)專利分析

在對(duì)換擋器的世界專利進(jìn)行分析之后，發(fā)現(xiàn)汽車換擋器專利在中國(guó)的申請(qǐng)數(shù)量最多，但是汽車換擋器專利的主要申請(qǐng)人未在中國(guó)，因此，有必要對(duì)中國(guó)的汽車換擋器專利申請(qǐng)趨勢(shì)和主要申請(qǐng)人做進(jìn)一步的分析。

3.1 專利申請(qǐng)趨勢(shì)

從中國(guó)的專利申請(qǐng)數(shù)量按照時(shí)間的分布可以得到專利申請(qǐng)趨勢(shì)，如圖4所示。

由圖4可以看出：在2009年之前，申請(qǐng)量較為穩(wěn)定，每年100件左右；在2009—2014年之間，專利申請(qǐng)量實(shí)現(xiàn)了快速的增長(zhǎng)，從每年100件左右增長(zhǎng)到每年600件左右；在2014—2020年之間穩(wěn)定到每件600件左右；在2020年后申請(qǐng)量迅速下降。這些與換擋器世界專利的申請(qǐng)趨勢(shì)是相似的，說(shuō)明中國(guó)在近期汽車換擋器技術(shù)的發(fā)展與世界同步。

3.2 主要申請(qǐng)人

對(duì)中國(guó)的汽車換擋器專利的申請(qǐng)人進(jìn)行分析，可以得到換擋器申請(qǐng)專利數(shù)量排名比較靠前的主要申請(qǐng)人，如圖5所示。

由圖5可以看出，現(xiàn)代汽車公司在中國(guó)的換擋器專利數(shù)量依然最多，說(shuō)明其在汽車換擋器領(lǐng)域在中國(guó)進(jìn)行了全方位的布局。中國(guó)的汽車換擋器專利主要申請(qǐng)人雖然在專利申請(qǐng)數(shù)量上不及現(xiàn)代汽車公司，但相差并不遠(yuǎn)，已有迎頭趕上的趨勢(shì)，且中國(guó)的汽車換擋器專利主要申請(qǐng)人均為整車制造企業(yè)，具備雄厚的研發(fā)實(shí)力和穩(wěn)定的研發(fā)基礎(chǔ)，如果抓住科技發(fā)展和市場(chǎng)發(fā)展的機(jī)遇，在現(xiàn)有的技術(shù)研發(fā)和專利布局基礎(chǔ)上必然能夠迎頭趕上。

4 汽車換擋器技術(shù)發(fā)展路線和技術(shù)分布

4.1 汽車換擋器技術(shù)發(fā)展路線

換擋器的主要作用是改變變速器的擋位，因此換擋器的發(fā)展是與變速器的發(fā)展相適應(yīng)的。早期的變速器是手動(dòng)變速器，因此，早期的換擋器是與手動(dòng)變速器相適配的，也就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)手動(dòng)變速器中的齒輪或者同步器進(jìn)行撥動(dòng)的功能。為了提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的換擋器，通用汽車公司在1917年提出一種公開(kāi)號(hào)為US1330912A的換擋桿的專利申請(qǐng)，應(yīng)用于手動(dòng)變速器，其通過(guò)設(shè)置在變速箱上部的換擋桿直接與變速箱的換擋撥叉連接，通過(guò)換擋桿直接操縱換擋撥叉移動(dòng)，從而使變速箱改變擋位。而為了減少換擋器所占用的空間，施密特公司在1926年提出一種公開(kāi)號(hào)為US1690180A的換擋桿的專利申請(qǐng)，應(yīng)用于手動(dòng)變速器，其使得換擋桿通過(guò)線纜與變速箱間接連接，在換擋桿的運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)線纜帶動(dòng)換擋撥叉移動(dòng)，從而使變速箱改變擋位。

為了解決換擋器占用駕駛室空間大和駕駛員需要將手從方向盤(pán)移開(kāi)進(jìn)行換擋從而造成的安全問(wèn)題，本尼特喬治在1932年提出一種公開(kāi)號(hào)為US1923905A的汽車換擋裝置的專利申請(qǐng)，其在方向盤(pán)上設(shè)置換擋桿，從而取代設(shè)置在駕駛室地板上的換擋桿，能夠減少占用空間和方便換擋。而同樣為了解決換擋器占用駕駛室空間大的技術(shù)問(wèn)題，福特汽車公司在1937年提出一種公開(kāi)號(hào)為US2088787A的機(jī)動(dòng)車輛的專利申請(qǐng)，其將換擋桿設(shè)置到儀表盤(pán)下方，能夠減少換擋器占用駕駛室的空間，防止換擋器與車內(nèi)乘客接觸。

隨著自動(dòng)變速器的開(kāi)發(fā)，換擋器隨之發(fā)展。通用汽車公司在20世紀(jì)30年代開(kāi)發(fā)出最早的四速液力自動(dòng)變速器，其在1938年提出一種公開(kāi)號(hào)為US2221393A的變速控制裝置的專利申請(qǐng)，與液力自動(dòng)變速器相適配，通過(guò)閥連接換擋桿，進(jìn)而通過(guò)換擋桿的移動(dòng)改變液力自動(dòng)變速器中離合器和制動(dòng)器的開(kāi)閉而改變擋位，開(kāi)啟了自動(dòng)變速器和汽車換擋器的新時(shí)代。

在自動(dòng)變速器出現(xiàn)之后，為了更加方便的換擋和減少換擋器所占用的空間，ANN GOEDEKE等提出一種公開(kāi)號(hào)為US2610518A的用于汽車操作的按鈕控制的專利申請(qǐng)，其在方向盤(pán)的轉(zhuǎn)向柱上設(shè)置用于駐車擋、倒擋、空擋和前進(jìn)擋的按鍵，當(dāng)按鍵被按下時(shí)將激活控制電機(jī)動(dòng)作使其向按鍵對(duì)應(yīng)的方向運(yùn)動(dòng)，從而改變變速器的擋位，以使得駕駛員可以在手不離開(kāi)方向盤(pán)的情況下方便的換擋。

為解決換擋桿帶來(lái)的占用空間大、難以維護(hù)的問(wèn)題，通用汽車公司在1973年提出一種公開(kāi)號(hào)為US3766793A的變速器換擋控制裝置的專利申請(qǐng)，其將換擋桿改成換擋旋鈕，通過(guò)換擋旋鈕的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)電纜的運(yùn)動(dòng)，從而改變變速器的擋位。但此時(shí)的旋鈕并非圓形的，而是在圓盤(pán)上轉(zhuǎn)動(dòng)的指針，由指針帶動(dòng)電纜運(yùn)動(dòng)從而進(jìn)行換擋。為了提高安全性和節(jié)約空間，通用汽車公司隨后在1975年提出一種公開(kāi)號(hào)為US3901097A的控制機(jī)構(gòu)的專利申請(qǐng)，即圓柱形的旋鈕，通過(guò)旋鈕與凸輪、鏈輪等部件的連接以改變變速器的擋位，并確保僅在空擋或駐車擋啟動(dòng)，避免駕駛員誤操作，提高了旋鈕換擋器的安全性。

為了減少檢測(cè)換擋器的位置時(shí)部件之間的機(jī)械連接帶來(lái)的磨損，威伯科公司在1983年提出公開(kāi)號(hào)為DE3138827A1的用于變速器的擋位選擇器單元的專利申請(qǐng)，其利用永磁體和傳感器來(lái)檢測(cè)換擋桿的位置，即在附接到換擋桿的臂上設(shè)置永磁體，在換擋桿所在的殼體中設(shè)置對(duì)磁場(chǎng)敏感的傳感器，利用換擋桿運(yùn)動(dòng)時(shí)傳感器感應(yīng)到的磁場(chǎng)變化識(shí)別換擋桿的位置從而進(jìn)行換擋。

為了解決車輛行駛過(guò)程中的安全問(wèn)題和停放過(guò)程中的被盜問(wèn)題，JSJ等公司在2001年提出一種公開(kāi)號(hào)為US2003029261A1的具有電子換擋復(fù)位的可存儲(chǔ)換擋器的專利申請(qǐng)，屬于換擋旋鈕，其在停車狀態(tài)下可以隱藏在蓋裝置中，在車輛啟動(dòng)后可以升高以供駕駛員進(jìn)行換擋，并可防止駕駛員錯(cuò)誤的換擋，同時(shí)優(yōu)化了駕駛室的空間。

為了減少換擋器占用空間，并防止駕駛員誤操作，豐田公司在2004年提出一種公開(kāi)號(hào)為JP2006177401A的選擇裝置的專利申請(qǐng)，其在儀表盤(pán)中央設(shè)置觸摸屏，并在觸摸屏上設(shè)置駐車擋、倒擋、空擋、前進(jìn)擋的擋位顯示符號(hào)，以供駕駛員通過(guò)觸摸擋位顯示符號(hào)來(lái)進(jìn)行換擋，從而將換擋器進(jìn)行完全電子化，不再占用駕駛室的空間。

為了減少換擋器占用的空間，福特汽車公司在2015年提出一種公開(kāi)號(hào)為US2017130829A1的變速器驅(qū)動(dòng)模式用戶選擇系統(tǒng)和方法的專利申請(qǐng)，其將四個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)置到方向盤(pán)上，通過(guò)駕駛員對(duì)四個(gè)開(kāi)關(guān)的撥動(dòng)進(jìn)行駐車擋、倒擋、空擋、前進(jìn)擋、手動(dòng)加檔和手動(dòng)減擋的換擋。而廣州汽車公司在2020年提出一種公開(kāi)號(hào)為CN114001151A的換擋控制方法、裝置、換擋控制器的專利申請(qǐng)，僅在方向盤(pán)上設(shè)置兩個(gè)換擋撥片，通過(guò)對(duì)兩個(gè)撥片的操作就可以實(shí)現(xiàn)駐車擋、倒擋、空擋、前進(jìn)擋、手動(dòng)加檔和手動(dòng)減擋的換擋，大大減少了換擋器占用的空間。

由換擋器的技術(shù)發(fā)展路線可以看出，換擋器在向著小型化、電子化和安全化的方向發(fā)展，這與計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)的發(fā)展是相適應(yīng)的，未來(lái)隨著新技術(shù)的進(jìn)步仍然有較大的發(fā)展空間。

4.2 汽車換擋器技術(shù)分布

對(duì)換擋器的技術(shù)分布進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。

由換擋器技術(shù)分布可知，換擋桿的專利申請(qǐng)數(shù)量遠(yuǎn)大于其他換擋器形式的專利申請(qǐng)數(shù)量，表明換擋桿的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，且已形成嚴(yán)密的專利保護(hù)網(wǎng)，難以有大的突破。換擋旋鈕的專利申請(qǐng)數(shù)量約占全部申請(qǐng)量的1/10，表明換擋旋鈕處于快速發(fā)展的階段，專利保護(hù)網(wǎng)正在形成，未來(lái)還有較大的發(fā)展空間。而換擋按鍵和其他換擋器的專利申請(qǐng)量較小，表明新形式的換擋器還處于研發(fā)階段，如果能夠抓住機(jī)遇，將會(huì)有很大的發(fā)展空間。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)汽車換擋器相關(guān)的專利分析，可以知道，汽車換擋器的早期研發(fā)集中在歐洲和美國(guó)，但近幾十年的研發(fā)集中在日本和韓國(guó)。這兩個(gè)國(guó)家的企業(yè)不但申請(qǐng)的汽車換擋器專利數(shù)量大，而且申請(qǐng)比較集中，已形成較為嚴(yán)密的專利保護(hù)網(wǎng)。中國(guó)的企業(yè)對(duì)于換擋器的研發(fā)起步較晚，但研發(fā)速度較快，因而申請(qǐng)量最大。不足之處是研發(fā)主體比較分散，不夠集中，這說(shuō)明中國(guó)的企業(yè)對(duì)于換擋器的研發(fā)還不夠深入。如果能夠?qū)μ幱诳焖侔l(fā)展階段的換擋旋鈕進(jìn)行集中研發(fā)，或者對(duì)處于萌芽階段的換擋按鍵及其他新型的換擋器進(jìn)行開(kāi)拓性研發(fā)，符合小型化、電子化和安全化的發(fā)展趨勢(shì)，并適應(yīng)市場(chǎng)的需要，未來(lái)將有非常大的發(fā)展空間。中國(guó)的申請(qǐng)人可以抓住汽車換擋器發(fā)展的新契機(jī)，集中研發(fā)，在換擋器領(lǐng)域取得新的技術(shù)突破和進(jìn)行全面深入的專利布局。

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