汽車換擋器專利技術分析

摘要：隨著科技的發展，汽車換擋器越來越多樣化、小型化、電子化，為了了解換擋器的發展方向，有必要對汽車換擋器相關的專利技術進行分析總結。以汽車換擋器為分析對象，闡述了汽車換擋器的作用和分類，通過對世界范圍內和中國范圍內與汽車換擋器相關的專利進行統計，對汽車換擋器相關的專利申請趨勢、主要申請人、申請人國別進行統計分析，并對換擋器的技術發展路線和技術分布進行分析，最后提出換擋器的未來發展方向。

關鍵詞：換擋器；換擋桿；換擋旋鈕；換擋按鍵

中圖分類號：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行駛條件，能準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擋、倒擋、空擋和駐車擋，以使車輛能夠前進、后退、臨時停止和駐車，并改變車輛行駛過程中的速度和扭矩。換擋器有多種類型，按照布置位置可以分為地擋和懷擋，其中地擋為布置在汽車駕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。同時近些年出現多種新型的形狀各異的換擋器，甚至包括設置在觸摸屏上的通過屏幕操作的換擋器，但都沒有脫離換擋的基本功能。

換擋器本身無法改變汽車的擋位，其必須與變速器連接并通過變速器改變汽車的擋位，換擋器連通的變速器包括手動變速器和自動變速器，自動變速器又分為機械式自動變速器（AMT）、雙離合自動變速器（DCT或DSG），液力自動變速器（AT）和無級變速器（CVT）[3]。換擋器與變速器的連接方式包括機械式連接和電子式連接，機械式連接為換擋器通過拉索等機械結構與變速器連接，通過換擋器自身的移動帶動拉索、撥叉等部件移動進而使變速器進行換擋[4]，電子式連接為換擋器通過自身的移動觸發不同的換擋信號并由控制器控制變速器進行換擋，例如采用霍爾傳感器識別換擋器的位置從而控制換擋[5]。隨著計算機技術的發展，電子式連接成為越來越多的選擇。

2 汽車換擋器世界專利分析

換擋器的研發和設計主要集中在汽車行業發展較好的國家，如中國、美國、德國、日本、韓國等，專利申請也主要集中在這些國家。本文應用Incopat軟件對汽車換擋器領域在2023年底之前公開的全球專利進行檢索，并對檢索結果作了統計，具體從專利申請趨勢、主要申請人、申請人國別等方面作了進一步的分析。

2.1 專利申請趨勢

從世界的專利申請數量按照時間的分布可以得到專利申請趨勢，如圖1所示。

由圖1可以看出：在2009年之前，申請量較為穩定，每年在300件左右；在2009—2014年之間，專利申請量實現了快速的增長，從每年300件左右迅速增長到每年800件左右；在2014—2020年之間穩定到每年700～800件之間；在2020年之后申請量迅速下降。究其原因，在2009年之前，換擋器技術發展較為穩定，未有大的新技術的突破；在2009—2020年，計算機技術及傳感器技術的迅速發展，為換擋器技術帶來了新的技術突破，實現了換擋器技術的快速發展，其中換擋器與變速器之間的電子式連接方式成為技術發展的新方向，尤其是換擋桿、換擋旋鈕這兩種類型的換擋器迎來了新的發展；在2020年之后，計算機技術及傳感器技術在換擋器上的應用較為成熟，換擋器相GKaeywGjTgCVqb0cRRvvsDu0SwmNHfrMq0kozRp328A=關的專利申請迅速下降，表明換擋器的發展進入一個緩慢發展期。

2.2 主要申請人

對汽車換擋器世界專利的申請人進行分析，可以得到換擋器申請專利數量排名比較靠前的主要申請人，如圖2所示。

由圖2可以看出，現代汽車公司在換擋器方面的專利申請量最多，其次是東海理化公司，再次是豐田、本田和日產公司。究其原因，這些公司或者是整車生產廠，或者是換擋器的主要供應商，說明這些公司對于換擋器的研發投入比較集中、專利布局比較完善。

2.3 申請人國別

從申請人所在的國別可以得到申請人國別的分析，如圖3所示。

由申請人國別的分析圖可以看出，中國在汽車換擋器方面的專利申請量最多，約占全部申請量的1/3，其次是日本，其專利申請量接近全部申請量的1/3，其次是韓國，但專利申請量遠不如中國和日本。究其原因，雖然韓國的現代汽車公司在汽車換擋器方面投入和申請量較大，但韓國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量均比較集中，說明日本的多家汽車公司在汽車換擋器方面均進行了深入的研發和完善的專利布局。中國申請量最大，但是排名靠前的專利申請人不在中國，說明中國有多家公司在換擋器方面進行研究，技術比較分散，未能形成集中的技術體系和專利布局。

3 汽車換擋器中國專利分析

在對換擋器的世界專利進行分析之后，發現汽車換擋器專利在中國的申請數量最多，但是汽車換擋器專利的主要申請人未在中國，因此，有必要對中國的汽車換擋器專利申請趨勢和主要申請人做進一步的分析。

3.1 專利申請趨勢

從中國的專利申請數量按照時間的分布可以得到專利申請趨勢，如圖4所示。

由圖4可以看出：在2009年之前，申請量較為穩定，每年100件左右；在2009—2014年之間，專利申請量實現了快速的增長，從每年100件左右增長到每年600件左右；在2014—2020年之間穩定到每件600件左右；在2020年后申請量迅速下降。這些與換擋器世界專利的申請趨勢是相似的，說明中國在近期汽車換擋器技術的發展與世界同步。

3.2 主要申請人

對中國的汽車換擋器專利的申請人進行分析，可以得到換擋器申請專利數量排名比較靠前的主要申請人，如圖5所示。

由圖5可以看出，現代汽車公司在中國的換擋器專利數量依然最多，說明其在汽車換擋器領域在中國進行了全方位的布局。中國的汽車換擋器專利主要申請人雖然在專利申請數量上不及現代汽車公司，但相差并不遠，已有迎頭趕上的趨勢，且中國的汽車換擋器專利主要申請人均為整車制造企業，具備雄厚的研發實力和穩定的研發基礎，如果抓住科技發展和市場發展的機遇，在現有的技術研發和專利布局基礎上必然能夠迎頭趕上。

4 汽車換擋器技術發展路線和技術分布

4.1 汽車換擋器技術發展路線

換擋器的主要作用是改變變速器的擋位，因此換擋器的發展是與變速器的發展相適應的。早期的變速器是手動變速器，因此，早期的換擋器是與手動變速器相適配的，也就是要實現對手動變速器中的齒輪或者同步器進行撥動的功能。為了提供一種結構簡單、成本低的換擋器，通用汽車公司在1917年提出一種公開號為US1330912A的換擋桿的專利申請，應用于手動變速器，其通過設置在變速箱上部的換擋桿直接與變速箱的換擋撥叉連接，通過換擋桿直接操縱換擋撥叉移動，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年提出一種公開號為US1690180A的換擋桿的專利申請，應用于手動變速器，其使得換擋桿通過線纜與變速箱間接連接，在換擋桿的運動時通過線纜帶動換擋撥叉移動，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移開進行換擋從而造成的安全問題，本尼特喬治在1932年提出一種公開號為US1923905A的汽車換擋裝置的專利申請，其在方向盤上設置換擋桿，從而取代設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問題，福特汽車公司在1937年提出一種公開號為US2088787A的機動車輛的專利申請，其將換擋桿設置到儀表盤下方，能夠減少換擋器占用駕駛室的空間，防止換擋器與車內乘客接觸。

隨著自動變速器的開發，換擋器隨之發展。通用汽車公司在20世紀30年代開發出最早的四速液力自動變速器，其在1938年提出一種公開號為US2221393A的變速控制裝置的專利申請，與液力自動變速器相適配，通過閥連接換擋桿，進而通過換擋桿的移動改變液力自動變速器中離合器和制動器的開閉而改變擋位，開啟了自動變速器和汽車換擋器的新時代。

在自動變速器出現之后，為了更加方便的換擋和減少換擋器所占用的空間，ANN GOEDEKE等提出一種公開號為US2610518A的用于汽車操作的按鈕控制的專利申請，其在方向盤的轉向柱上設置用于駐車擋、倒擋、空擋和前進擋的按鍵，當按鍵被按下時將激活控制電機動作使其向按鍵對應的方向運動，從而改變變速器的擋位，以使得駕駛員可以在手不離開方向盤的情況下方便的換擋。

為解決換擋桿帶來的占用空間大、難以維護的問題，通用汽車公司在1973年提出一種公開號為US3766793A的變速器換擋控制裝置的專利申請，其將換擋桿改成換擋旋鈕，通過換擋旋鈕的運動帶動電纜的運動，從而改變變速器的擋位。但此時的旋鈕并非圓形的，而是在圓盤上轉動的指針，由指針帶動電纜運動從而進行換擋。為了提高安全性和節約空間，通用汽車公司隨后在1975年提出一種公開號為US3901097A的控制機構的專利申請，即圓柱形的旋鈕，通過旋鈕與凸輪、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，避免駕駛員誤操作，提高了旋鈕換擋器的安全性。

為了減少檢測換擋器的位置時部件之間的機械連接帶來的磨損，威伯科公司在1983年提出公開號為DE3138827A1的用于變速器的擋位選擇器單元的專利申請，其利用永磁體和傳感器來檢測換擋桿的位置，即在附接到換擋桿的臂上設置永磁體，在換擋桿所在的殼體中設置對磁場敏感的傳感器，利用換擋桿運動時傳感器感應到的磁場變化識別換擋桿的位置從而進行換擋。

為了解決車輛行駛過程中的安全問題和停放過程中的被盜問題，JSJ等公司在2001年提出一種公開號為US2003029261A1的具有電子換擋復位的可存儲換擋器的專利申請，屬于換擋旋鈕，其在停車狀態下可以隱藏在蓋裝置中，在車輛啟動后可以升高以供駕駛員進行換擋，并可防止駕駛員錯誤的換擋，同時優化了駕駛室的空間。

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年提出一種公開號為JP2006177401A的選擇裝置的專利申請，其在儀表盤中央設置觸摸屏，并在觸摸屏上設置駐車擋、倒擋、空擋、前進擋的擋位顯示符號，以供駕駛員通過觸摸擋位顯示符號來進行換擋，從而將換擋器進行完全電子化，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年提出一種公開號為US2017130829A1的變速器驅動模式用戶選擇系統和方法的專利申請，其將四個開關設置到方向盤上，通過駕駛員對四個開關的撥動進行駐車擋、倒擋、空擋、前進擋、手動加檔和手動減擋的換擋。而廣州汽車公司在2020年提出一種公開號為CN114001151A的換擋控制方法、裝置、換擋控制器的專利申請，僅在方向盤上設置兩個換擋撥片，通過對兩個撥片的操作就可以實現駐車擋、倒擋、空擋、前進擋、手動加檔和手動減擋的換擋，大大減少了換擋器占用的空間。

由換擋器的技術發展路線可以看出，換擋器在向著小型化、電子化和安全化的方向發展，這與計算機、電子技術的發展是相適應的，未來隨著新技術的進步仍然有較大的發展空間。

4.2 汽車換擋器技術分布

對換擋器的技術分布進行分析，結果如圖6所示。

由換擋器技術分布可知，換擋桿的專利申請數量遠大于其他換擋器形式的專利申請數量，表明換擋桿的發展已經較為成熟，且已形成嚴密的專利保護網，難以有大的突破。換擋旋鈕的專利申請數量約占全部申請量的1/10，表明換擋旋鈕處于快速發展的階段，專利保護網正在形成，未來還有較大的發展空間。而換擋按鍵和其他換擋器的專利申請量較小，表明新形式的換擋器還處于研發階段，如果能夠抓住機遇，將會有很大的發展空間。

5 結語

經過對汽車換擋器相關的專利分析，可以知道，汽車換擋器的早期研發集中在歐洲和美國，但近幾十年的研發集中在日本和韓國。這兩個國家的企業不但申請的汽車換擋器專利數量大，而且申請比較集中，已形成較為嚴密的專利保護網。中國的企業對于換擋器的研發起步較晚，但研發速度較快，因而申請量最大。不足之處是研發主體比較分散，不夠集中，這說明中國的企業對于換擋器的研發還不夠深入。如果能夠對處于快速發展階段的換擋旋鈕進行集中研發，或者對處于萌芽階段的換擋按鍵及其他新型的換擋器進行開拓性研發，符合小型化、電子化和安全化的發展趨勢，并適應市場的需要，未來將有非常大的發展空間。中國的申請人可以抓住汽車換擋器發展的新契機，集中研發，在換擋器領域取得新的技術突破和進行全面深入的專利布局。

參考文獻：

[1]王振選.汽車底盤：動力傳遞系統結構與維修[M].北京：金盾出版社，2018.

[2]郭大民.汽車配置與性能[M].北京：北京理工大學出版社，2016.

[3]魯民巧等.新型自動變速器（AT）結構原理[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，2018.

[4]盧嗣之.汽車底盤構造與維修[M].北京：北京理工大學出版社，2011.

[5]趙振寧.混合動力汽車構造原理與檢修[M].北京：航空工業出版社，2020.