馬自達SKYACTIV-Drive變速器的技術分析

徐凱 高惠東 呂金賀 褚亞旭

（北華大學，吉林 132013）

主題詞：SKYACTIV-Drive 自動變速器 多盤式鎖止離合器 鎖止范圍

1 前言

汽車變速器直接關系著汽車駕駛的平順性，不僅對降低油耗有重要的影響，而且對汽車駕駛性有重要影響。目前全球主流自動變速器包括行星齒輪組為核心裝置的AT（Automatic Transmission）變速箱、以可變徑的主從動錐盤為主要裝置的CVT（Continuously Variable Transmission）變速箱和布置雙齒輪組機械系統各自配有離合器的DCT（Dual Clutch Transmission）變速箱三種。

傳統自動變速器均存在先天性的設計缺陷，如AT有級式變速器通過液力變矩器輸出轉矩，變矩器內部鎖止離合器不能滿足剛性連接，因此傳動效率下降。CVT變速器結構設計的缺陷是存在金屬傳動帶易損壞的問題，不能承受較大的扭矩載荷，起步或低速行駛易發生打滑現象[1]。而DCT變速器存在低速頓挫現象，干式DCT會產生較多的熱量，促使離合器的磨損加劇,導致離合器的可靠性下降，而濕式DCT由于摩擦力的不足，而不能提供較大的扭矩。

馬自達開發了全新的SKYACTIV-Drive自動變速器，采用小型的傳統液力變矩器，并搭載了多片離合器，大幅提升各擋位齒輪的鎖止范圍[2]。實現了更直接動力表現，更平順的換擋表現，更理想的換擋邏輯，在保證舒適性的前提下，更加具有運動風格。

2 SKYACTIV-Drive自動變速器工作原理

馬自達SKYACTIV-Drive自動變速器在保留有級式自動變速箱(AT)的液力變矩器啟動快捷性的同時，采用大幅抑制傳動損耗等技術，開發出集AT、CVT和DCT優點于一身的高效能SKYACTIV-Drive變速器[3]。將多盤式鎖止離合器裝配在液力變矩器內部，不是利用油液的攪動，而是利用機械配合實現動力輸出。在具體的操作過程中，一旦發動機轉速到達鎖止轉速，液壓油就會推動多片離合器將整個液力變矩器鎖死，變成一個機械的整體，以降低液力損失，并且提高動力傳遞的直接性[4-5]。且在鎖止離合器的中部存在類似于手動擋離合器的減振結構，以達到減振效果。液力變矩器只有在換擋時才發揮緩沖并傳遞扭力的作用，其余時間則利用機械嚙合輸出動力，有效降低低速域油耗，提高直接驅動感[6]。

3 SKYACTIV-Drive自動變速器主要技術特點

由于傳統有級式自動變速箱(AT)的鎖止離合器只有當車速較高時才會進入鎖止狀態，且液力變矩器允許變速器輸入端與發動機輸出端產生相對滑動，因此造成變速器傳動效率較低，低速域油耗較高，直接驅動感不佳的問題[7-9]，故馬自達工程師設計了全新的液力變矩器全域鎖止離合器。

3.1 全速域鎖止技術

液力變矩器全域鎖止離合器的內部結構如圖1所示，即在液力變矩器中設計了一套可控性更好的多盤式鎖止離合器結構及縮小循環圈，在大幅提升鎖止范圍（圖2）的同時，消除振動和噪聲。

圖1 SKYACTIV-Drive自動變速器液力變矩器內部結構[19]

圖2 離合器的鎖止范圍[19]

鎖止離合器的離合片外邊緣和內邊緣的齒形分別與殼體與渦輪鏈接，當離合片接合時，殼體和渦輪相當于剛性連接在一起，發動機產生扭矩直接接入變速器，不再通過變矩器內部的液壓油傳動，以提升整體動力傳遞效率[10-12]，如圖3所示。泵輪和渦輪上的葉片均通過銅焊工藝焊接，由于銅的熔點低于不銹鋼，故可避免葉片產生熱變形而影響其性能[13]。由于采用多盤離合器結構，改善了油液流動、提高了冷卻性能、擴大了鎖定區域。SKYACTIV-Drive自動變速器的鎖止動作時間較傳統自動變速器更理想，且基本滿足全域鎖止的要求。YAMAGUCHI在SKYACTIVDrive自動變速器中采用了油液控制的多片離合器作為液力變矩器的鎖止離合器，可更精準地控制離合器鎖止時刻。為降低離合器鎖止時的噪音和振動，尤其是低速時的鎖止動作產生的振動，SKYACTIV-Drive自動變速器還采取了更大的減振彈簧。由于液力變矩器只是在汽車起步或低速行駛時才進入工作，同時為保持變速器的緊湊性，設計了體積更小葉輪渦輪組，同時優化其機構，以提高低速時的傳動效率[14]。

圖3 多盤式鎖止離合器結構[20]

由于采用多盤式鎖止離合器，使離合器的鎖止范圍從現款5AT的50%～60%擴大到高達64%～89%(圖2)。降低燃油消耗與換擋頓挫感，使變速器工作時的油耗更低、起步更迅捷、變速更平順、驅動感更直接，從而提升了離合器的靈敏性，使鎖定控制更精確，避免了滑齒時發熱，確保了離合器的可靠性[15-18]。

3.2 其他技術特點

（1）全新機電一體化控制單元[21]

SKYACTIV-Drive自動變速器采用了全新的機電一體化控制單元，集成了通過車速、油門踏板來確定擋位的電子控制單元和推動變速箱元件移動改變擋位的液壓控制單元在變速器單元內，更加準確地采集車速、油門踏板的信息，通過車載計算機的數據處理之后，使液壓精度得以提升，減少信號傳遞的偏差?？梢詫崿F對各擋位的精準控制，達到順暢平滑的換擋性能[22]。

（2）Kick-Down Switch（強制降擋開關）

SKYACTIV-Drive自動變速器配置Kick-Down Switch可實現更好的提升車輛操控性及更理想的換擋邏輯。當駕駛員深踩油門踏板，便會觸發強制換擋開關使變速箱強制換擋，從而實現瞬時輸出較大的驅動力，如圖4所示[23-25]。

（3）大型扭轉減振器

大型扭轉減振器彈簧為雙彈簧嵌套式結構，在外圈彈簧中還設計有浮動式且長度更短的彈簧，這種設計結構使得扭轉減振器上減振彈簧的勁度系數具有兩段式變化功能，當扭矩沖擊較小時，只有外圈彈簧起減振作用；當扭矩沖擊較大時，內外圈減振彈簧同時發揮減振作用。在承受扭矩沖擊的同時擁有較好的平順性，同時提升了可承受的最大扭矩沖擊力[26-28]。

圖4 有無強制降擋開關工作邏輯對比[20]

（4）直接線性電磁閥

SKYACTIV-Drive自動變速器在控制液壓促動器中采用了響應迅速的“直接線性電磁閥”，使響應速度得以提升，從而大幅改善變速響應性和換擋品質[29]。

4 SKYACTIV-Drive自動變速器的技術優勢

有級式自動變速器（AT）有著高速行駛時較好的燃油經濟性，出色的起步響應表現及坡道起步爬行能力等特點，但由于使用液力變矩器，使其油耗和直接驅動感無法達到理想狀態。無級式自動變速器（CVT）有著低速行駛時較好的燃油經濟性，換擋平順，出色的起步響應表現及坡道起步爬行能力等特點，但由于傳動帶和帶輪之間的滑動降低了傳動效率；雙離合式自動變速器（DCT）有著全速域燃油經濟性出色，較好的直接驅動感受等特點，但由于通過液力變矩器來傳遞發動機和行星齒輪機構之間的動力，直接驅動感不佳；由于復雜的離合器結構，導致車輛在爬坡和起動狀況下的性能變差，如表1所示。

對比有級式自動變速器（AT），SKYACTIV-Drive自動變速器的液力變矩器體積更小，單盤式鎖止離合器被多盤式鎖止離合器取代。多片離合器的優勢在于由于摩擦片增多，摩擦面積增大，使得動力接合更平順。而縮小的液力變矩器會縮小變速器傳遞的扭矩[30-31]。但SKYACTIV-Drive自動變速器擴大了鎖止離合器的鎖止范圍，液力變矩器并不需要傳遞非常大的扭矩，這使得采用小型液力變矩器成為可能，如圖5所示。

如表2所示，SKYACTIV-Drive自動變速器齒輪箱前進擋相同擋位的速比小于6T40 6AT自動變速器[32]，但馬自達通過配置一個主減速比更大的主減速器。最終使SKYACTIV-Drive自動變速器的2-3擋、4-5擋、5-6擋之間的速比要比6T40 6AT自動變速器更密集，但兩者各前進擋的總減速比相差不大[32]。

圖5 小型液力變矩器[20]

表1 主流變速器性能對比[19]

表2 SKYACTIV-Drive自動變速器與6T40 6AT自動變速器速比參數對比

5 結束語

SKYACTIV-Drive自動變速器創新性地結合了AT、DCT和CVT的技術優勢，通過提高液力變矩器鎖止范圍來實現提升變速器的直接驅動感和傳動效率。通過采用多盤式鎖止離合器、減振性能更好的扭轉減振器以及更小巧的液力變矩器，使得車輛駕駛感受更加舒適，操控過程更加流暢。不僅起步更平穩、加速更順暢，換擋更能保持很好的平順性。通過集成先進的電控模塊，使得操控更加迅捷精準，降速時表現優異，性能與效率實現同步提升。同時與SKYACTIV-X發動機完美結合，使車輛燃油效率提升4%～7%[19]。

總結SKYACTIV-Drive自動變速器在以下3方面的創新性：

（1）性能方面：通過采用軟液力變矩器的特性、高失速轉矩比，同時在液力變矩器內部鎖止機構鎖止狀態的臨界車速時（Vmax），使液力變矩器鎖止，來實現提高驅動力、降低轉動慣量，同時在Vmax時防止打滑。

（2）燃油消耗方面：通過采用硬液力變矩器的特性、提高液力變矩器的鎖止離合器處在結合狀態的驅動，來實現無打滑工作及高效率的液壓操縱。

（3）舒適性方面：通過采用軟液力變矩器的特性，提高液力變矩器的鎖止離合器處在分離狀態的驅動，來實現振動衰減、降低發動機轉速。

機械設計的再完美，也永遠離不開調校。相信未來馬自達會對SKYACTIV-Drive自動變速器換擋邏輯進行可預測、智能和系統的后期調校，以便提前判斷駕駛員的駕駛意圖，使得車輛駕駛感受更加舒適，操控過程更加流暢、敏捷，節油效果更好。