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自动变速科技未来大预测10速变速将成趋势?



    随着全球交通情况愈来愈恶劣、驾驶人在公路上堵车的机会愈来愈多,数据显示全球每年销售的1.1亿部新车中,选择自动变速传动系统的车主愈来愈多(即便在过去最拥护手动变速箱的欧洲市场亦是如此),随着10速自动变速箱已经于2016年正式投放市场,以及DSG/DCT双离合器变速箱、CVT无段变速系统近年来的快速发展,汽车自动变速科技未来发展趋势为何?请看我们的分析。

    文 许鸿德

    在汽车工程师的眼中,车辆传动系统的重要性不言可喻、也是提高车辆性能表现燃油使用效率的关键。也因此在手动变速箱(手排)与传统液压式自动变速箱(自排)技术逐渐成熟之后,汽车工程师们仍持续寻找传统系统技术的突破!本文讨论的液力式自动变速器(Hydraulic Automatic Transmissions)、CVT(Continuously Variable Transmission)无段变速系统以及DSG/DCT(Direct-Shift Gearbox)双离合器变速箱就是在前述时空背景下所出现的产物。传统(Transmission)系统有多重要,我们可从包括M.Benz、GM、Honda等都选择自行製造的决策看出端倪。

    自动变速科技未来大预测10速变速将成趋势?包含2017年式Chevrolet Camaro ZL1与Ford F-150都已搭载了全新10速自排变速箱。

    10速自动变速箱问世成为市场焦点

    传统4速自动变速箱在20多年前就开始使用,后来的6速、7速、8速甚至是9速变速箱,可见变速箱科技发展有多迅速;20年前如果我们预言一般民用车型将搭载比F1赛车档位还多变速箱,多数读者可能认为是在痴人说梦、今天却已成为现实──2017年F1赛车使用8速变速箱、2017年式Chevrolet Camaro ZL1则已搭载了全新10速自排变速箱!

    这款全新的10速自排变速箱由Ford与GM集团从2013年开始共同开发,而日前GM全球产品总监Mark Reuss在接受媒体访问时表示,目前GM集团旗下除了首款搭载10速自排变速箱的Camaro ZL1之外,接下来到2018年之前至少会有8款车型配备10速变速箱,Ford品牌也将有100万部新车(首先使用于F-150小货卡)搭载这款变速箱。外界预测GM集团旗下接下来会使用10速自排变速箱的车型可能是Cadillac Escalade、Chevrolet Suburban之类的全尺寸大型SUV,或是Chevrolet Silverado以及GMC Sierra 1500等大型Pickup小货卡车型,以兼顾优异的动力输出以及日益严苛的油耗排汙检测。加上Aisin也正大力推广新推出的10速变速箱(首先用于LC400车型),Honda则于2015年东京车展上展出了用于横置引擎平台的10速变速箱(将使用于未来投产新车),预估2018年全球每年搭载10速变速箱的车辆有望突破1000万部,与目前相比(2015年搭载8速以上变速箱之新车年销量仅250万部)有明显提昇。

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    而10速可能不是自排变速箱发展的终点:Honda继10速变速箱之后,又在2016年5月向日本专利局提出11速变速箱的专利申请,将变速箱档位数再推向更高层次。Honda未来的变速箱设不但有「11个档位」、更採用「3离合器」设计,并诉求「更有效率的换档过程」和「更快的换档反应」。Honda发表10速变速箱时亦表示相较于自家的6速变速箱、10速变速箱将可提高6%的节能表现及30%的换档反应。可想见前两项数据在11速出现后后将更有提昇,使用3离合器的设计也有望降低双离合器变速箱造成扭力损失的现象。

    液力式自动变速系统进步的背后含意

    仅仅在几年前,汽车产业人士的共识是8速或者9速自动变速箱平顺性和燃油经济性已经足够好,10速变速箱似乎是多此一举。前述想法不无道理,甚至在2015年M.Benz研发部门仍坚持其没有兴趣研究超过9个档位的自动变速箱,因为该厂通过超过810亿次电脑类比资料测试之后,发现目前的9G-Tronic变速箱是最好的产品。变速箱大厂ZF过去也指出9档是目前自动变速箱的极限,更多的档位代表着更複杂的结构和更大的自身重量,这对于节能没有任何意义。

    自动变速科技未来大预测10速变速将成趋势?2015年,Mercedes研发部门曾坚决表示他们没有兴趣研究超过9个档位的自动变速箱。

    事实上并不是传统的液力式自动变速系统没有进步的空间,而是传统自动变速箱对扭力转换器(Torque convertor)依赖过大,导致传统变速箱的结构在体积和成本上难以实现多方位统一。在6档之上再增加一个档位所付出的研发与製造成本十分巨大(製造上需再增加一组行星齿轮与一组多片式离合器),而取得的实际效益却不高,最重要的是变速箱体积一大再大,已经影响了车辆轻量化的整个发展道路。

    然而传统自排变速箱内的扭力转换器能根据外界负荷大小自动改变速度和扭力,但始终摆脱不了传动效率低、燃油经济性差的缺陷,低效率低带来的另一个缺点是发热量大;另一方面,传统自排变速箱的结构複杂、重量与体积大的特色导致其成本居高不下。为突破前述限制,汽车工程师在材料技术与变速箱工作原理上缔造突破:首先是6速以上的变速箱其扭力转换器的作用仅仅是缓解换档冲击,其他时候扭力转换器都是锁死的(以提高传动效率)。Honda车厂过去的传统自动变速箱採平行轴式,这种平行轴也遇到了档位数无法提昇的尴尬,因此Honda已决定放弃类似结构并改用双离合变速箱,并搭配使用扭力转换器,如此一来双离合变速箱的质量问题得到解决,而档位数也得到很大的提昇。

    自动变速科技未来大预测10速变速将成趋势?随着技术进步,变速箱内的行星齿轮组与多片离合器在强度和耐久性不变下可以做得更小更轻,也抑制了因档位数目提昇所导致的体积与重量问题;可以看出10速(红)和过去8速变速箱(蓝)体积相差不大。

    第二是随着合金材料技术与加工工艺的进步,变速箱内的行星齿轮组与多片离合器在保证强度和耐久性的前提下可以做得更小更轻,这使得档位数目提昇所导致的体积与重量负面影响被有效抑制。Aisin与GM的10速变速箱甚至只使用与9速变速箱相同的4组行星齿轮(但排列与构造改变)。如此一来档位增加的优势更为突出:液力式自动变速箱的平顺性并非由档位数决定,更多的是与换档逻辑的设置以及扭力转换器的调校有关,更多档位带来的直接优势是扩大变速箱的变速範围,这可实现提昇低档位的扭矩输出(车辆提速更快)及降低高速巡航时的转速(提昇车辆燃油经济性),更多档位也有利增加扭力转换器总成内部离合器锁止範围,在更低的车速下就让引擎与变速箱实现硬连接、提昇传动效率,对燃油经济性有更大助益。我们可以说液力式自动变速系统的进步代表了汽车传动技术发展又上了一层台阶。

    随着技术进步,变速箱内的行星齿轮组与多片离合器在保证强度和耐久性不变下可以做得更小更轻,不仅对体积与重量等负面影响被有效抑制,Aisin与GM的10速变速箱甚至使用与9速变速箱一样、仅排列不同的4组行星齿轮,档位增加的优势更为突出。

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    双离合器变速箱快速成长有迹可寻

    由于8速以上液力式自动变速箱的製造成本仍高,加以最适用的仍为大扭力、大排量车型,多数车主最有机会使用到的可能仍是DSG/DCT(Direct-Shift Gearbox)双离合器变速箱,这也是近年销量成长速度最快的变速系统!双离合器变速的控制理论其实早在70多年以前就已出现,不过当时由于技术限制而无法实现。从上个世纪80年代开始,双离合器变速箱开始出现在以竞技为用途的比赛车辆中(Porsche与Ferrari率先使用)。DSG变速箱宣称拥有民用车最快的换档速度,这要归功于内建的秘密武器:1、3、5与倒档使用一组多片式离合器,2、4、6档使用另一组离合器的双离合器系统。此系统可预先判断车主下一个档位(升档或降档)而驱动另一个离合器预先进档,所以换档速度仅需8ms(微秒)。

    自动变速科技未来大预测10速变速将成趋势?归功于1、3、5、倒档与2、4、6档使用不同的离合器,这套双离合器系统让DSG变速箱宣称拥有民用车最快的换档速度。

    而真正造就DSG变速箱大趋势的关键还是「油价高涨」以及对「增加车辆节能性」的需求!DSG变速箱的主要目的从过去「提昇性能与驾驶乐趣」转变为「满足日常驾驶所需」,其使用模式大幅改变的同时,工作原理也不断改善:BorgWarner执行长Timothy Manganello曾表示新款DSG变速箱的成本将低于CVT变速箱及传统自排变速箱。在消费者日后的维修上,BorgWarner的工程师也持续不断改善:DSG变速箱问世之初,其动力接合设计为湿式多片离合器,起步时离合器与传统手排变速箱一样处于半接合状态,由于双离合器结构在使用过程中不断消耗、加上DSG变速箱离合器结构完全包覆在本体内,车主日后维修的代价可想而知。但变速箱大厂BorgWarner并没有漠视此问题,之后推出了採用单片乾式离合器的7速DSG变速箱。新款DSG变速箱适合多数小排量引擎车型,而且离合器结构独立于变速箱本体外、不但更换容易还可降低维修成本。义大利Fiat集团採用的乾式双离合器(Dual Dry Clutch、简写为DDC变速箱)技术则由Fiat Powertrain Technologies公司开发,乾式离合器比湿式双离合器变速箱重量更轻、对冷却系统的需求却更少。

    自动变速科技未来大预测10速变速将成趋势?新款DSG变速箱适合多数小排量引擎车型,而且离合器结构独立于变速箱本体外,适用之扭力範围也愈来愈大。(图为获得2014年《WHATCAR?》最佳露营拖车1550~1699kg级距、搭载DSG的VW Passat Estate)

    随着DSG变速箱逐渐趋于成熟,Audi负责研究驾驶行为的高级工程师Ralph Riegger证实他们已经停止CVT变速箱的研发工作,下一代Audi车内将不再使用CVT传动技术、而以7速DSG变速箱全面取代、甚至整个VW集团也规划档位与使用效率更高的10速DSG变速箱(但传闻目前计画暂缓)!变速箱档位数目的增加不但可减轻引擎负荷、更有利于燃油经济性、废气排放降低和动力输出平顺性,带给消费者更好的驾乘体验与乐趣。考虑到档位的增加将带来机械设计的複杂性与製造成本度,预估乘用车变速箱档位不太可能再超过10速。

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    CVT变速箱仍有广大发展空间

    相较于DSG与液力式自动变速的快速进步,可能有读者认为CVT(Continuously Variable Transmission)无段变速系统并不值得一提!然而在複合材料与电子控制技术的帮助之下,今日的CVT变速箱性能已不可同日而语。有人认为使用DSG变速箱的车辆性能更为优异,其实这并非事实:因为F1赛车也曾试用过CVT变速箱。F1工程师眼中的理想世界,就是让引擎能够在最长的时间以最佳效率(可能是最大扭力或最大马力状态)运作,但这个目标在传统的变速箱设计上因为受限于齿轮组的数目限制而困难重重、唯一有可能实现这个梦想的变速箱设计原理就是CVT无段变速系统。

    Williams车队曾将搭载CVT系统的赛车命名为FW15C,并由当时的测试车手David Coulthard进行测试。Coulthard在测试后对这部赛车大为激赏:FW15C不但在加速过程中毫无间断,他也可以使用过去在Go-Kart小型赛车上的「左脚煞车」技巧(Kart赛车就使用CVT系统),Williams车队甚至开发出一个可让车手在驾驶时调整最佳引擎转速的开关(当领先对手一段距离时,可选择减轻引擎负荷)。

    自动变速科技未来大预测10速变速将成趋势?CVT变速箱透过两个半径可以改变的滑轮来模拟传统变速箱内的不同齿轮比例,而日本车厂由于多数生产在都会区使用的小排量车型,所以较偏好CVT变速技术。

    事实上在所有变速箱技术中,CVT变速箱仍是最平顺的,没有之一。Audi的琵琶别抱也没有阻止其他车厂技术支持CVT变速技术的态度,反而更积极改善其技术缺陷(以Renault-Nissan集团为首)。根据调查显示,部分消费者对CVT变速箱没有好感,其原因是起步加速较无感的「皮带效应」、以及因先天结构存在扭力承受上限而导致较长时间高负荷运作的可靠度瓶颈。「皮带效应」是指使用传统CVT变速箱的车主经常感觉到「车速与引擎转速不一致」的现象(引擎转速已大幅提昇、但车速却没有上昇),此现象容易让车主产生「加速性能不佳」的错觉。加上由于没有固定档位,「降档加速」等技巧并无用武之地而导致操作感下降。

    针对前述抱怨,包括Audi、Nissan与Mini都搭载「手自排模式」(Drive Sport mode),这是透过限制CVT变速齿比而衍生的功能,让CVT变速箱在平稳上昇曲线加速时在特定齿比「暂停」进而「模拟」出传统变速箱换档的效果(如果有需要、甚至可以模拟出100档),透过增设「虚拟档位」的电脑控制程式、让车主产生类似「使用手排变速箱」感觉的方式来克服「皮带效应」,使得驾驶过程中「CVT不再那幺像CVT」。Nissan更推出了「D-Step」换档逻辑,该技术已使用于Nissan Versa、Versa Note、Sentra、Altima V-6、Pathfinder和Quest等车型。在「D-Step」换档逻辑下,CVT变速箱透过软体控制在4000rpm转速条件下,根据车速调整滑轮比例、带给驾驶人传统自动变速箱的换档感受。

    自动变速科技未来大预测10速变速将成趋势? 

    目前Nissan集团是目前CVT技术的最大支持者(甚至以XTRONIC名称专门行销),旗下从小型车到3.5L大排量车,基本都是使用JATCO公司(Nissan持股75%)提供的CVT变速箱,其产品有完整体系并涵盖各种排量和动力输出、性能与成本领先优势十分明显。

    行文至最后,还是要提醒读者:世界上没有「最好的变速箱」、只有「最适合自己情况的变速技术」,小排量车型使用10速变速箱的意义不大、反倒是CVT技术能在性能与油耗上缔造最好的平衡性,这也是近年CVT变速系统的全球市佔及成长速度仍十分出色的根本原因。

    自动变速科技未来大预测10速变速将成趋势?Williams车队将搭载CVT系统的赛车命名为FW15C,并由当时的测试车手David Coulthard进行测试且取得不俗成绩。
    自动变速科技未来大预测10速变速将成趋势?目前Nissan集团是目前CVT技术的最大支持者(甚至以XTRONIC名称专门行销)。
    自动变速科技未来大预测10速变速将成趋势?Nissan集团旗下车款基本上都使用JATCO公司(Nissan持股75%)提供的CVT变速箱,性能与成本领先优势十分突出。
    自动变速科技未来大预测10速变速将成趋势?随着电动车的持续普及,未来我们使用的车辆甚至可能不需要使用变速箱。