全新設計理念的多雙向離合器自動變速箱

賀宏良

山東省煙臺市 264100

由于我國制造業材料和工藝與發達國家的巨大差距，也因為國外自動變速箱巨頭的專利壁壘，導致我國的自主自動變速箱產業因為缺乏核心技術而遲遲沒有大的突破，嚴重制約了我國汽車工業由大到強的步伐。

縱觀目前的現狀，我國的自主自動變速箱都是購買外國專利技術、進口各種核心部件等等，基本全是跟在人家屁股后面追趕，雖然某些數據看起來也像模像樣，實際裝車體驗差強人意不說，其可靠性和耐久性都還沒有經過時間的考驗，整體現狀不是那么樂觀，可以說是任重而道遠。

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

這三種主流變速箱各有優點也各有缺點：

AT的優點是性能穩定可靠性高，但是結構極其復雜維修困難且因為液力變矩器的緣故導致傳動效率低換檔速度慢和動力反應遲緩。

CVT結構簡單行駛平順，但因為是鋼帶摩擦傳動，傳動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雖然傳動效率高換擋速度快，但是低速頓挫嚴重更兼可靠性最差

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

那么，為什么就不能有一種自動變速箱，它既結構簡單、性能穩定、可靠耐用又換擋平順、傳動效率還很高呢？也就是兼具三種變速箱的優點但盡量克服其缺點。

設計的初期思路本來是想從自動變速箱技術里最理想的方案：無級變速下手的，然而鋼帶的專利壁壘和摩擦傳動的低效率低扭矩目前技術手段不足以完全解決，所以最終還是選擇從常規齒輪傳動下手！比如DCT傳動效率高換擋速度快是其最大優點，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。

因為出身機械加工行業，所以對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：這種離合器長時間分離和長時間結合都很適應，還因為是全金屬摩擦片，所以耐磨性和耐久性及可靠性都非常好，又因為是油冷降溫，所以浸泡在潤滑油里也可以正常工作。它的優點還有結合平穩無沖擊，體積小扭矩大，其完全結合后在允許的最大扭矩以下就等同于剛性連接，所以傳動效率很高，因此個人認為它非常適合在汽車的自動變速箱里應用。

由此鄙人就大膽嘗試，發明并設計出這款全新設計理念的·多雙向離合器自動變速箱。該發明的齒輪組結構類似于DCT，卻省略了昂貴的雙離合模塊。而每個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構，卻依然采用了液力變矩器作為中斷動力換擋的重要部件，影響了傳動效率也無法做到無縫銜接的換檔速度。

圖1 本發明的三維結構示意圖

圖2中：11三軸；12二軸；13一軸，2A、2擋主動空套齒輪；4A、4擋主動空套齒輪；5A、5擋主動空套齒輪；1A、1擋主動空套齒輪；RA、倒檔主動空套齒輪；6A、6擋主動空套齒輪；7A、7擋主動空套齒輪；3A、3擋主動空套齒輪；8發動機動力主動齒輪；9二軸從動齒輪；10一軸從動齒輪；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高速液壓旋轉接頭；21活塞桿；22壓力套；23 往差速器傳動齒輪。

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、傳動齒輪、惰齒輪、四個雙向離合器和四個液壓油缸，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同樣的液壓控制裝置，示意圖中其他三個簡略之（請參照示意圖）

雙向離合器17/14和15結構與圖示中16一樣，圖示也簡略之。

如圖所示，三軸上從左到右依次排列2檔從動齒輪，四六檔共用從動齒輪，七、五、一、三檔從動齒輪，二軸上對應排列2A、4A、5A、1A檔位主動空套齒輪，一軸上對應的是RA、6A、7A、3A檔位主動空套齒輪，（檔位齒輪的錯位排列設計是為了達到換擋時的無縫銜接）一，二軸最左側都是從動齒輪9/10，與之嚙合的是發動機動力主動齒輪8。

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

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

各液壓油缸的液壓油管19通向液壓模塊。

其工作原理如下：

四個雙向離合器沒有動作時一二軸是空轉的，動力不會被傳遞到空套齒輪也就不會被傳遞到三軸，這就是和手動變速箱一樣的空檔狀態。

具體的升檔過程：

汽車需要起步時，微電腦控制模塊接收到節氣門開啟信號后，立刻指令液壓模塊向二軸12右端的液壓油缸供油，推動活塞桿帶動雙向離合器15的壓套向右側的一檔主動空套齒輪1A方向動作，通過預設液壓油的流速可以控制壓套壓緊摩擦片的速度快慢，也就是能夠實現勻速的半離合到全結合，從而能夠使得汽車起步平穩不突兀。

圖2 本發明的二維結構示意圖

半離合后一檔主動空套齒輪1A就會開始被驅動并傳遞動力給一檔從動齒輪帶動三軸11，三軸通過往差速器傳動齒輪23傳遞動力給差速器完成起步。

起步以后當發動機轉速上升至設定閥值需要自動增至二檔時，那么只需控制液壓油缸在松開雙向離合器15的同時控制雙向離合器14同步向左側二檔空套齒輪2A壓緊，也就能做到一二檔之間無縫銜接的平順過渡；

二檔升三檔時只需松開雙向離合器14的同時控制雙向離合器17向右側三檔空套齒輪3A壓緊，一樣做到無縫銜接的平順增檔，此時動力通過3A空套齒輪傳遞給三檔從動齒輪驅動三軸11，三軸11通過往差速器傳動齒輪23傳遞動力給差速器。

三檔增四檔只需松開離合器17的同時控制離合器14向右側的4A空套齒輪壓緊，

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

五檔升六檔控制離合器15松開的同時讓離合器16向右側的6A空套齒輪壓緊，六檔升七檔就控制離合器16松開的同時讓離合器17向左側的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：

七檔降六檔時只需控制離合器17松開的同時讓離合器16同步向右側的6A空套齒輪壓緊，六檔降五檔時只需松開離合器16的同時讓離合器15向左側的5A空套齒輪壓緊，五檔降四檔時只需松開離合器15的同時讓離合器14向右側的4A空套齒輪壓緊，四檔降三檔只需松開離合器14的同時讓離合器17同步向右側的3A空套齒輪壓緊，三檔降二檔只需松開離合器17的同時讓離合器14向左側的2A空套齒輪壓緊，二檔降一檔時只需松開離合器14的同時讓離合器15向右側的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。

連續降檔和跨級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的同時控制離合器15同步向左側的5A空套齒輪壓緊，直降四檔只需控制離合器14同步向右側的4A空套齒輪壓緊，其他直降和跨級升檔就不贅述了。注：個別跨級檔位齒輪因為在一個雙向離合器的兩側所以會略有延遲，研發時可以重新設計最優化的檔位齒輪排列。

據查目前換擋最快的自動變速箱也需要耗時零點幾秒，多個雙向離合器的設計和檔位齒輪的錯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間。也就是說通過兩個離合器的完美配合，換擋時甚至不需要關閉節氣門，加速過程中扭矩是持續不斷的。

理論上其達到設計目標的理想狀態后有如下優點：

（1）完全自主設計，可以打破所有國外自動變速箱巨頭的專利壟斷。

（2）結構非常簡單，忽略四個雙向離合器和液壓控制系統的話這只不過是個沒有換檔機構的手動變速箱結構而已。

（3）其性能穩定故障率低，變速箱內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，并且能通過調教很好的抑制頓挫，如CVT般絲滑平順也不是奢望。

（5）傳動效率非常高，媲美手動變速箱遠勝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時間空轉的特性，能夠完美實現手動變速箱的空檔滑行功能，帶檔滑行和空檔滑行隨意切換，只需設置一個選擇按鍵即可。低速時嚴重的發動機制動導致的拖拽頓挫感選擇空檔滑行即可徹底解決。

（7）換擋邏輯很簡單易于調教出各種駕駛風格，通過對控制電腦的預置程序即可實現N種不同的升降檔機制，僅僅是需要調整液壓系統各種不同的動作時機。

（8）檔把的檔位可以隨意設置，再也不必忍受掛D擋時必須經過R和N檔的繁瑣。因為齒輪固定掛鉤和P檔位都可以取消，設置一個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合并鎖閉管路保持液壓即可實現駐車功能。

圖3

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

（10）易于維修，雖然本設計的變速箱內部基本沒有易損部件，但是萬一出現故障也很容易維修，只要液壓控制系統不出問題，那基本上也就比維修手動變速箱難一點點而已。

（11）因為本變速箱設計基本都是依靠飛濺潤滑，所以自動檔車型不能拖車一說從此告別！拖車時車輪驅動差速器旋轉并通過傳動齒輪23驅動三軸，三軸驅動一二軸上的各主動空套齒輪轉動，飛濺潤滑沒任何問題。

（12）成本應該能得到很好的控制，因為其沒有復雜的結構也沒有昂貴的專利費。

（13）體積和重量也應該可以控制住，和DCT比盡管雙向離合器縱向尺寸略大，還多了四個液壓油缸和液壓旋轉接頭，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就是該設計對工藝和材料的要求都不算太高，除了要求較高的關鍵部位軸承和高速液壓旋轉接頭，應該基本無需采購進口配件，非常適合目前國內的大環境下普及應用。

注：

液壓油缸的設計鄙人設想了兩種方案：固定式和旋轉式，固定式的難點在于對推力軸承的壓力很大，旋轉式的則對高速液壓旋轉接頭的質量要求較高，研發時需要權衡利弊做出抉擇。估計這是本發明設計唯一的技術難點了。

也曾考慮過設計使用共用液壓活塞代替壓力套，缺點是液壓油缸必須在最外圈導致雙向離合器的徑向尺寸將進一步加大，變速箱徑向體積更不容易控制。