深度揭秘9AT變速箱
隨著多款9AT變速箱車型的發布，關於SUV是否適合使用9AT成為了熱門話題。今天我們就以ZF和通用9AT對比為基礎，深度揭秘9AT變速箱的優勢及設計難點
SUV使用9AT的第一炮ZF 9AT變速箱由於質量問題沒有打響，影響了消費者信心。其問題可總結為齒比分布不合理及Dog Clutch犬牙離合器可靠性存疑。對應的，通用9AT基於集團內Hydra-Matic變速箱家族及對應專利技術對齒比分布和換擋機構進行了相應優化。相應技術有成熟案例及長期驗證作為保證，性能與可靠性表現值得期待。
首先聊一下為什麼多家車企堅持開發9AT的車型，特別是SUV。原因是9AT變速箱有著無法替代的優勢。
9AT優點：
省油
加速快
SUV車型本身車身重油耗偏高，面臨降低油耗的壓力更大。因此9AT提供更多的檔位使得發動機始終處在經濟轉速區。同時9AT的1檔普遍齒比大，有助於提升重型SUV的加速性能。
限制9AT發展的因素：
複雜性
尺寸
成本
↑ZF的9速自動變速箱9HP拆解圖
第一款搭載9AT的橫置發動機SUV車型Jeep自由光，其搭載來自德國ZF的9速自動變速箱9HP48。為了應對如上提到的尺寸限制因素，ZF採用特有的技術將9AT橫置變速箱的尺寸控制在於傳統6AT相當的水平。如下圖，9HP28與9HP48的長度均在367mm左右。
目前ZF 9AT存在的主要問題
1.t不合理的齒比分布
如下圖所示ZF 9HP共包含6個換擋機構。其實現的9個檔位中，有多達4個的超速檔（輸出軸車輪側轉速高於輸入軸發動機側）。分別為0.80、0.70、0.58、0.48。齒比跨度達到了9.8：1（4.70：0.48=9.8）。第九檔使用如此低的齒比導致最高的第九檔使用頻率較低。這一點通用9AT做得就比較好。後面詳細介紹。
2.t複雜結構導致複雜問題
如上提到的複雜性一直制約9AT變速箱的發展。ZF 9HP變速箱為了降低尺寸，使用了Dog Clutch犬牙離合器。進一步增加了換擋機構的複雜度。這也為之後出現的可靠性問題埋下了隱患。正所謂複雜結構導致複雜問題。
如上為ZF 9HP變速箱具體結構，包括液力耦合器Torque Converter，差速器Differential，4個行星齒輪組Gear Set 1to4和6個換擋執行器（犬牙離合器Dog Clutch A/F，旋轉離合器Clutch B/E和靜止離合器Brake C/D）。
↑ZF 9HP換擋機構原理圖
提到Dog Clutch犬牙離合器大家是否覺得有些陌生，完全無法想像是什麼樣的結構？但相信我，開車的人基本都接觸過該結構。因為學車時使用的手動變速箱普遍使用了犬牙離合器。如下為手動變速箱的換擋機構。由左側換擋撥叉決定套筒與對應齒輪結合實現硬連接。右側套筒中紫色部分即為犬牙離合器。其通過長短齒相互嚙合，形似犬牙因此得名。由於是硬連接，因此需要如下同步器的幫助進行轉速同步（套筒中黃色結構）。
↑手動變速箱的犬牙離合器機構
將犬牙離合器應用到自動變速箱絕對是ZF的獨創，目前來看業界也僅此一家量產了該技術。由於犬牙離合器不屬於摩擦傳遞動力而是硬連接，其本身結合過程轉速差控制要求就很高。由於結構限制又無法放置同步器。所有轉速同步工作都交由電控完成。大家想必都經歷過學車初期的手動擋換擋打齒或者頓挫的體驗。實話說，ZF的這一步可能跨得有些大了。
ZF 9HP包含兩組犬牙離合器。如上提到的犬牙離合器A負責控制第二排行星齒輪組的太陽輪與輸入軸動力的結合和脫開。需要通過液壓控制犬牙離合器在輸入軸上做軸向移動。這也是業界首次。之前輸入軸上從沒有部件能軸向移動。同時也沒有位置感測器直接感測是否移動到位。上圖A中液壓壓力由輸入軸一端向右輸送（紅色箭頭）推動犬牙離合器向右移動（藍色箭頭）。從而如圖B所示完成輸入軸與太陽輪結合。圖C中液壓壓力由輸入軸另一側向左輸送（紅色箭頭）推動犬牙離合器向左移動（藍色箭頭）。從而如圖D所示完成輸入軸與太陽輪脫開。
ZF 9HP中的另一組犬牙離合器稱為犬牙離合器F。其控制第三四排行星齒輪組太陽輪鎖住或旋轉。如下圖所示上半部為包含犬牙離合器F的輸出齒輪支架（其最終固定在變速箱箱體上）。圖中黃色標示A即為犬牙離合器F激活Active液壓管路。黃色標示R即為犬牙離合器F釋放Release液壓管路。圖中下半部分第三四排行星齒輪組太陽輪。
如上細節圖中中心內部包含的即為犬牙離合器F（處於較高的激活位置鎖住太陽輪）。通過液壓控制，犬牙離合器F可降低至釋放位置，太陽輪即可相應自由旋轉。
3.t相應召回信息
如上提到的齒比分布和犬牙離合器的使用間接導致了如下Jeep自由光的客戶投訴和相應召回。其問題主要集中在兩方面。一是換擋頓挫。由於1至3檔的檔位齒比分布不夠緊密導致換擋策略無法找到一個合適的檔位適應發動機轉速。再加上犬牙離合器換擋過程的控制難度。因此客戶投訴普遍反映換擋過程比較神經。無法預測變速箱想要幹什麼。
另一個更嚴重的問題變速箱無法換擋則直接指向了犬牙離合器。因為其換擋難度高且沒有直接感測器判斷是否換擋成功。從而導致換擋失效車輛失去動力的發生。
通用GM 9AT
通用的9AT將率先在國內應用於雪佛蘭中型SUV探界者Equinox。如上提到的，SUV車型需要在燃油經濟性和加速性能找到一個平衡點。9AT與高性能的2.0T發動機配合，成為了實現這個平衡的關鍵因素。那麼通用的9AT如何來應對如上提到的變速箱複雜性和尺寸因素帶來的挑戰呢？我們具體往下看。
如下通用9AT變速箱拆解圖可以看到，內部的換擋機構做的非常緊湊。整體體積上實現了和傳統橫置前驅6AT尺寸相當的水平。因此首先尺寸問題得以解決。並且從正面照片的左上方和背面照片的右上方能夠看到一個內部由彈簧構成的零件。這個零件就是起停蓄壓器Start Stop Accumulator。後文詳細介紹該零件的作用。
如上提到通用9AT和傳統的橫置前驅6AT尺寸類似。其實通用很早就布局新一代變速箱家族的產品開發。全新的9AT變速箱和目前智能電驅變速箱5ET50及6AT變速箱都引入了模塊化開發的理念。其尺寸類似，輸出減速機構均為鏈輪+行星齒輪組的形式，且組件高度共用。這保證了其9AT、6AT和電驅變速箱可以在集團內的前驅車型中靈活搭配。
通用GM 9AT做出的對應改進
1.t更合理的齒比分布
相對ZF 的9HP變速箱，通用對其9AT變速箱齒比分布做了全新的優化。其保留了2個超速擋（分別為0.75和0.62）。其齒比跨度為7.6：1（4.69/0.62=7.6），稍寬於傳統6AT的6.0：1。提升燃油經濟性的同時，仍然考慮了擋位的可用性。其最高第九檔可在時速95公里左右切入。
日前公布的探界者台架測試視頻：
雪佛蘭探界者台架測試視頻_騰訊視頻
經過不同的循環測試工況統計，最高第九檔的使用頻率在13%~52%之間。相對使用頻率還是比較高的。其1檔的齒比為4.69，可以為SUV車型提供不錯的加速性能。
2.t換擋策略專利技術
Shift by shift 擋位接擋位的換擋機構和換擋策略是通用集團的專利技術。該技術的重點就是保證換擋的平順性。其理念就是直到當前擋位成功接手前一個擋位才完全脫開。保證了動力傳輸的連續性。
如下圖所示為目前通用6T50 6AT變速箱所使用的Shift by shift換擋策略。可以看到其由5組離合器和一個單向離合器F1實現。擋位的切換按照箭頭方向一個個地執行Shift by shift換擋。該專利技術也在通用9AT變速箱上得以使用。
通用6T50 6AT變速箱所使用的3組行星齒輪組、 5組離合器和一個單向離合器F1在變速箱中的具體分布如下。此處可以注意到C456、C35R和CB26這3個離合器在同一個平面上採用嵌套設計。該設計保證了整個變速箱緊湊的尺寸並沿用至9AT變速箱。
通用中國變速箱副總工程師希普利Kevin Shipley在接受Autolab汽車實驗室的專訪時提到，為了增加更多的擋位，通用9AT變速箱相對現有6AT變速箱在有限的空間內增加了一組全新的行星齒輪組和兩個離合器。並且使用可選擇單向離合器來替代上文提到的單向離合器F1和一檔/倒擋離合器單元CBLR。這項技術的使用大幅降低了換擋機構所佔用的體積，成為了通用9AT變速箱實現緊湊尺寸的關鍵技術。
3.tSelectable One-way Clutch可選擇單向離合器
如上提到，Selectable One-way Clutch可選擇單向離合器是通用9AT變速箱實現緊湊尺寸的關鍵技術。那它是否也會類似犬牙離合器在自動變速箱中的首次使用成為一種可靠性的隱患呢？實際上可選擇單向離合器技術已經在通用集團內有超過10年的使用經歷。完全不知道？那跟著小星來看一看細節吧。
可選擇單向離合器首先於2006年搭載在通用6L80系列縱置後驅6AT變速箱，並先後應用與多款高性能車型。比如國內比較熟悉的有雪佛蘭科邁羅、科爾維特、GMC重型SUV Yukon。曾經的博鰲官方用車別克林蔭大道Park Avenue也使用該縱置後驅6AT變速箱與一台3.0 V6的發動機進行搭配。
如下原理圖所示，可選擇單向離合器以其特殊的結構，可通過電控液壓閥控制對應方向的支柱（前向支柱Forward Strut或反向支柱Reverse Strut）抬起，從而在傳遞扭矩和自由旋轉間進行切換。
如下圖所示，傳統多片離合器（左側黃色部分）與可選擇單向離合器（右側綠色部分）相比尺寸減小了很多。可選擇單向離合器更薄，非常適合在9AT變速箱中應用實現緊湊的尺寸。
4.tStart Stop Accumulator起停蓄壓器的使用
上文提到，起停蓄壓器Start Stop Accumulator安裝於變速箱的頂部，內部由彈簧構成。這個零件的配備，表明通用9AT變速箱已經為未來車型的起停Start/Stop功能的支持做了充分的考慮。
如下原理圖所示，起停蓄壓器用於在發動機停止時，將機油壓力以彈簧勢能的形式進行存儲。並在車輛啟動加速的瞬間釋放壓力，保證變速箱的換擋機構能夠快速切到1檔進行車輛加速的支持。
5.t未來展望
說起通用的9AT變速箱，它與中國頗有幾分淵源。首先通用在中國早在2008年就申請了九速變速箱的相關中國專利。現如今隨著雪佛蘭探界者的上市，通用全新9速自動變速箱在上海金橋的上汽通用工廠投入生產。
據上汽通用公布的車型計劃，2017年開始將先後有10款橫置平台車型搭載該9AT變速箱。如下為行業權威資訊機構IHS給出的預測。通用集團的車型在一段時間內將保持6AT和9AT/10AT並存高低搭配的產品分布，並在2020年左右開始逐漸倒向9AT/10AT變速箱。
以上，9AT存在無可替代的優勢，但尺寸和複雜性存在巨大挑戰。之前的ZF 9AT由於齒比分布不合理及犬牙離合器首次應用導致可靠性問題。全新通用9AT相應地優化了齒比分布，並基於充分驗證過的可選擇單向離合器等專利技術優化尺寸。其性能和可靠性值得期待。
參考文獻和擴展閱讀：
專利Patent CN101344157B 九速變速器
專利Patent CN1936363A 具有六個轉矩傳遞機構的九檔自動變速器
專利Patent US7736263 9-SPEED TRANSMISSION
專利Patent US7731625 9-SPEED TRANSMISSION
專利Patent US7364527 NINE SPEED AUTOMATIC TRANSMISSION WITH SIX TORQUE TRANSMITTING MECHANISMS
SAE論文 SAE 2014-01-1721 General Motors Rear Wheel Drive Eight Speed Automatic Transmission
SAE論文 SAE 2010-01-0857 General Motors Small Front Wheel Drive Six speed Automatic Transmission Family
SAE論文 SAE 2009-01-0509 Selectable One-Way Clutch in GM』s RWD 6-Speed Automatic Transmissions
SAE論文 SAE 2007-01-1095 General Motors Hydra-Matic & Ford New FWD Six-Speed Automatic Transmission Family
SAE論文 SAE 2006-01-0846 General Motors New Hydra-Matic RWD Six-Speed Automatic Transmission Family
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