单向离合器在汽车上的百年进化

单向离合器在汽车上的百年进化

导读

对于汽车来说,单向离合器(One-way Clutch,后文简称OWC)是非常小的一个零件。1912年,通用汽车(后文称GM)首次在汽车上应用OWC。1948年,GM又首次把OWC用于自动变速箱。一直到2017年,GM经过长达十几年的研发,首次在量产车型上应用可选单向离合器(Selectable one-way clutch,后文简称SOWC)。在其最新9AT上,该零件可以减少离合器搅油过程的能量损失,减小变速箱尺寸,降低重量。从这个零件上面,我们可以看出造车有多么不易。一方面,汽车经过百余年的发展 ,每一个细小的零件上都凝结着一代代工程师积累下来的知识经验,另一方面,即使是已经有百年历史的零件,看似平平无奇,但是只要继续钻研挖掘,往往还能找到新的性能提升空间,而这每一点点的改进力量,从研发到量产,常常需要十年以上的时间。这就是精进的力量。


2016年12月6日,GM在其官方网页上宣布发布最新的9速变速箱Hydra-Matic 9T50。在美国市场,这款变速箱首先亮相于迈锐宝。在中国市场,则已经在探界者和君威得到使用。按照GM的传统,未来很可能会在SAE会议上发表论文,透露这款变速箱的更多技术细节。目前官方对这个变速箱的介绍非常简短,但是我们依然可以从中窥探到一些有趣的信息。官方罗列了一些技术亮点,其中第一条说这是GM首款采用SOWC的变速箱。我在一番搜索后发现,9T50很可能是全球第一款使用SOWC的量产车用自动变速箱。而GM早在差不多十几年前就和供应商密切合作,研发这一技术了。SOWC的应用,可以降低离合器拖拽扭矩(drag torque),减小变速箱尺寸,降低重量,进而提高油耗表现,同时也能降低成本。OWC在自动变速箱上的应用,已经有超过半个世纪的历史,而OWC在汽车上的应用更是超过百年。

1. OWC历史

在解释SOWC之前,我们先来看一看什么是OWC。所谓单项离合器,顾名思义,就是只能从一个转动方向传递扭矩,即离合器锁死,在另一个方向则可以自由转动。

1.1 诞生

OWC最初诞生于自行车,早年的自行车都是死飞。1869年,William Van Anden发明了用于自行车的OWC(美国专利US88238:Improvement in velocipedes),从此我们在骑自行车下坡的时候,可以不用再移动双脚了。

1.2 OWC首次用于汽车

1912年,GM首次把OWC应用于汽车,这一年销售的凯迪拉克Model Thirty,是世界首款装有启动电机的量产车型。这套启动装置的发明人是GM历史上赫赫有名的Charles Kettering。在1911年提交的专利(美国专利US1293468:Engine starting device)中,Kettering描述了这套启动装置的工作原理,OWC可以保证电机电枢轴可以带动驱动齿轮,进而带动发动机飞轮,一旦发动机成功启动,飞轮转速提高,超过电机转速后,OWC连接自动断开,防止电机超速造成损坏。这一设计让人们告别了手摇启动汽车的年代,并一直沿用至今。

上图为Kettering的专利,最左圆形零件为OWC。Kettering后来执掌GM研发部门长达20多年。为GM以及整个汽车行业输送了大量高管的Kettering University就是用他的名字命名。

1.3 OWC首次用于自动变速箱

1948年,又是GM,第一次在自动变速箱上应用OWC。这一年GM开发出了第一款带液力变矩器的自动变速箱。GM早在1939年,就成功研制出世界上第一台量产车型自动变速箱Hydra-Matic(这个名字一直被GM骄傲地保留到现在),并取得巨大商业成功。Hydra-Matic在发动机和齿轮箱之间采用的是液力耦合器,主要由泵轮和涡轮构成,液体在两者之间流转,如同两位高手相互推搡,由于力的作用是相互的,扭矩传递也不会发生变化,但是从泵轮到涡轮的转速损失,使得液力耦合器的传递效率较低。

液力变矩器在液力耦合器的基础上增加了一个导轮。导轮如同一个有乾坤大挪移之法的太极高手,当其与涡轮有不同的相对转速时,就能用不同的力推拉涡轮,改变输出扭矩。由于我们希望液力变矩器只增扭而不减扭,于是工程师们在导轮和传动轴之间,安装了一个OWC。这样,当发动机转速大于涡轮转速时,液力变矩器有增扭效果,但是当发动机转速小于涡轮转速时,却不会减小发动机扭矩。

液力变矩器的初亮相并没有被用在Hydra-Matic上,而是被用于一款最初为坦克开发的全新自动变速箱Dynaflow。这是一款在今天看来十分诡异的产品。这款变速箱被宣传为一款两挡变速箱,但是行星齿轮部分无法自动变速,D挡只能2挡起步,1挡需要手动挂入Low挡位。这款变速箱的液力变矩器有两个泵轮,一个涡轮,两个导轮,另外还有三个OWC,其中两个OWC装在两个导轮上,还有一个OWC装在第二泵轮上。车辆在起步的时候,主泵轮工作,带动涡轮驱动车辆。第二泵轮受导轮冲击作用,其转速高于发动机转速自由旋转,随着车速及涡轮转速的增加,第二泵轮转速逐渐降低,直到降低至发动机转速,OWC将两个泵轮锁在一起,共同工作。这两个泵轮的叶片形状分别针对起步工况和稳态行使工况进行优化。

上图紫红色部分为三个OWC。(图片来源:Dynaflow, Turboglide, Roto Hydra-Matic, and Other Early GM Automatics > Ate Up With Motor

这款变速箱在二战期间研发,最开始用于坦克上,而后别克、雪佛兰等品牌也开始使用。这很像是一个点歪了科技树的产品。在当年,这种多阶段液力变矩器也曾风骚一时,被多家企业效仿采用。1963年后,这款变速箱停止生产,退出了历史舞台。

70年代之后随着对油耗要求的提高,液力变矩器离合器(Torque Converter Clutch,简称TCC)逐渐流行起来。TCC在车辆达到较高车速时,把涡轮和泵轮结合起来,从而提高传动效率。我们可以看出,这款点歪了科技树的产品,其OWC的功能,和之后流行的TCC有几份相似之处。

1.4 OWC用于行星齿轮控制

OWC最早用于行星齿轮的换挡控制,是在1956年,被克莱斯勒用于其一代传奇自动变速箱:TorqueFlite。该变速箱由一个液力变矩器和一套辛普森行星齿轮组成,可以提供三个前进挡位和一个倒挡,最高挡为速比1:1的直接挡。该变速箱使用了两个离合器(Front Clutch和Rear Clutch,后文简称C_f、C_r),两个制动带(Low and Reverse Band和Kickdown Band,后文简称B_lr、B_k),以及一个超越离合器(Overunning Clutch,也就是OWC)。

各挡位动力流如下图 所示(图片来源:papers.sae.org/580018/):

1挡:

2挡:

3挡:

倒档:

有点复杂,我画了一个简图:

这款变速箱的一大创新就是在1挡及倒挡制动带(Low and Reverse Band)旁边,增加了一个OWC。该制动带和OWC共同作用在前端行星齿轮的行星架上。

各挡位工作状态如下表:

我们可以看到,有了OWC之后,变速箱从1挡不带发动机制动的状态切换到2挡,只需要一个制动带(B_k)接合,这种换挡方式带来的好处很明显:

  • 换挡更加简单,减少换挡时间,增加换挡平顺性。省了两个离合器扭矩交互的过程,输出扭矩也更加线性。
  • 更少的离合器滑磨,尤其是1-2挡之间,速比变化较大,滑磨功也比较大,OWC可以减少变速箱工作中产生的热量,保护硬件,更加省油。

不像后来流行的PRND换挡,这款变速箱提供的是换挡按钮:

这是当时道奇的换挡按钮广告,还是左手操作,是不是帅气至极?

早年的自动变速箱当然都是纯液压控制,没有电控。这款变速箱的1挡及倒挡制动带(Low and Reverse Band)只能由手动阀驱动。R挡好说,驾驶员按下R就能锁住这个制动带。但是在D挡行使的时候,该制动带无法自动锁住,所以无法在D挡的1挡提供发动机制动。如果下坡需要发动机制动(还记得38号怎么开哈弗H9的吗?),就需要按下手动1挡。稍微补充下,为了防止发动机超速,这款变速箱在手动1挡下,如果车速超过30迈/小时,也是会进入2挡的。早年的汽车缺乏电控手段,因此会比今天的汽车多很多妥协。

这是带OWC的辛普森式行星齿轮自动变速箱第一次登上历史舞台。可以认为,这个结构是第一个稳定的现代自动变速箱结构

1964年,福特推出了辛普森结构的C-4,和TorqueFlite结构非常类似。

同样在1964年,GM推出辛普森结构的Turbo Hydramatic,而且GM把1-2和2-3都做成了带OWC的换挡。

OWC配合辛普森行星齿轮这种结构对自动变速箱发展的影响有多大呢。北美三大主机厂在随后几十年时间里面,其生产的变速箱都是在对这一结构进行不断改进。辛普森结构的4挡自动变速箱,甚至包括少量3挡变速箱,被这几家公司一直用到了21世纪。

GM在2006年推出的6挡自动变速箱Hydra-Matic 6T70同样采用了OWC结构。(图片来源:papers.sae.org/2007-01-

如图红框部分,和最初的TorqueFlite一样,OWC和Low and Reverse Clutch紧挨在一起,多数时候1挡依赖OWC传递动力,Low and Reverse Clutch用于一挡发动机制动及倒挡。

2 SOWC与自动变速箱

2.1从OWC到SOWC

尽管应用已经超过半个世纪,但是这一结构仍然是有缺点的。工程师最为关心的,是对油耗的影响。Low and Reverse离合器在D挡下使用率极低,除了1挡发动机制动以外,都处于打开状态,离合器片浸润在油液里面旋转,会产生拖拽扭矩(Drag Torque),浪费一部分能量。另外和单个离合器相比,OWC也增加了硬件复杂程度。

GM的工程师很早就开始思考如何改进这套古老的零件了。他们的想法是:既然Low and Reverse离合器利用率这么低,有没有可能把这个离合器取消掉。顺着这个方向,需要从两个方面改造OWC:

  • OWC需要可控
  • OWC需要可以双向锁止

于是OWC升级为SOWC(单向锁止可控的OWC也叫SOWC,GM使用「SOWC」这个名称并没有刻意区分是否可以双向锁止,本文SOWC都指可以双向锁止的可控OWC)。查阅专利发现,至少从2006年开始,GM就开始大量申请SOWC的专利了,把各种常用结构都申请了个遍。然后在2009年,GM发表了一篇论文揭示当时的研究成果:Selectable One-Way Clutch in GM's RWD 6-Speed Automatic Transmissions,链接:papers.sae.org/2009-01-

在这篇论文里,GM采用了机械二极管式(Mechanical Diode,简称MD)SOWC。该SOWC在普通OWC的基础上,在另一个旋转方向也增加了一套锁止装置,并且由一个滑板控制,该滑板受液压控制,可以选择是否反向锁止。


该论文的参考文献透露出这套SOWC的供应商:Means。在其官网(meansindustries.com/)上,我们能找到该SOWC的工作动画,和论文描述简直一模一样:

也就是说,早在十几年前,GM就已经和供应商密切合作,共同研究SOWC在自动变速箱上的应用了。从论文还能看出,GM在4、5、6速变速箱上都进行过相关试验。从某装配6速变速箱的后驱SUV上的试验结果来看:SOWC能使车辆在EPA油耗测试下省油1.2%,变速箱减重2%。

在Means官网上,我们能看到一些这款SOWC的最新信息。在其第一款应用的变速箱上(显然就是指GM 9AT),SOWC减少了50%的拖拽扭矩,变速箱减重1.5kg,尺寸减小5到25毫米。(链接:meansindustries.com/new

2.2 SOWC的缺点

我们知道,工程问题常常就是各种取舍和妥协。几乎任何一个更改在带来一些优点的同时,往往不可避免的也会带来一些缺点

1. 可靠性

在原论文中,正向锁止通过了一百万次的耐久测试,反向锁止则在进行了26.3万次锁止后卡环出现断裂。这是八年以前的论文。相信这八年时间,GM和Means应该花了很多功夫进行改进。

2. 高转速下手动2-1换挡平顺性挑战

在D挡行使时,车辆很少有需要1挡发动机制动的需求。但是驾驶员在手动模式下做2-1降挡时,通常希望车辆能马上提供发动机制动。在传统自动变速箱做手动2-1降挡时,由于离合器滑磨过程中的制动感比较强烈(手动挡驾驶员应该很熟悉这种感觉,所以手动挡驾驶员一般不喜欢做2降1,而是2挡直接进空挡),通常自动变速箱会请求发动机提升扭矩,降低制动感。对于传统带Low and Reverse离合器的变速箱来说,即使发动机转速没有与1挡转速完全同步,Low and Reverse离合器也可以接合,通过滑磨完成同步。但是对于SOWC,由于不具备滑磨能力,因此必须要求发动机主动提升转速,精准完成同步后,再让SOWC反向锁止。这对发动机与变速箱的精准配合提出了更高要求。一旦控制出现偏差,将有可能出现换挡顿挫和噪音。在低转速下,这一过程相对更容易控制,但是在高转速下,控制难度不小。事实上,ZF 9AT由于采用了无法做滑磨控制的狗齿离合器(Dog Clutch),就有类似控制,也是这款变速箱上存在的一些顿挫和噪音来源。GM在论文中坦承这是SOWC最大的挑战。2009年,GM专门发表了一篇专利详细描述这一换挡的控制方法:美国专利US7491151:Selectable One-way Clutch Control

由于手头并没有GM 9AT的车辆,以上都是我个人的「云测评」。GM到底控制得如何呢?我带着这个疑问咨询了几个摸得到车的人。发现之前的探届者并没有提供手动模式,而最新上市的新君威则提供了手动模式,简单开下来觉得这个换挡还挺顺畅。相信GM的工程师在这个地方肯定多花了更多功夫,去适应新君威上更宽广的SOWC工作范围。

2.3 倒挡需要担心吗?

倒挡的时候SOWC也是双向锁死状态,N挡或1挡切换到倒挡会有冲击吗?这个SOWC还真没影响。下图是不同挡位离合器接合图(美国专利US 20140378266 Nine speed transmission with latching mechanism):

其中34为SOWC,其他六个为传统多片式湿式离合器。在整个1挡、倒挡、空挡中,SOWC都是双向锁死状态。换挡在24和32离合器之间进行,和传统AT的原地换挡并没有什么区别。

2.4 SOWC的未来展望

GM并不是唯一一家对SOWC感兴趣的企业,今年福特就发表了一片论文(papers.sae.org/2017-01-)讨论在混动系统中应用SWOC。SOWC未来是否会有更多应用场合,我们可以拭目以待。


一点感想

技术的积累和进步都是非常不容易的事情。汽车上很多不起眼的小零件在西方都经过了上百年的积累。我记得自己之前在了亨利•福特博物馆游览,刚进门没走几步看到马车的时候就感觉要跪了。这一百五十年前的东西,上面的钢板弹簧和大学《汽车构造》上的图一模一样啊。汽车呈现成我们今天看到的样子,是无数的工程师们一点一点改进的结果。今天看来很复杂的结构,最初都有其来源。一百多年过去了,从自行车到GM 9AT,OWC依然走在进化的道路上,这就是技术的魅力吧。

50年前,汽车行业曾经是最先进的技术与商业结合的行业。在当年。通用汽车在美国的影响力超过了今天的苹果。彼时最杰出的汽车工程师们就和今天的互联网精英一样,改变世界,顺便创造巨额财富。自动变速箱的发明与发展,就是汽车行业黄金时代的见证。在密歇根的Ypsilanti Herititage汽车博物馆,有一则短片记录了GM在Ypsilanti的变速箱生产线的兴衰历程。在片尾,这些已经退休的工程师们骄傲地打出字幕:We moved America。

今天,中国企业正在努力追赶世界先进水平,我们之前欠下的债太多,但是最近这十年的进步,大家有目共睹。汽车行业虽然没有了当年的风光,但是依然足够有趣。现在整个行业处于变革之中,我们这些工程师们,也需要和前辈们一样,在各种细节处不断积累,不断改进,创造更加美好的汽车。

顺便做个小广告。本文的考古过程得到了Ypsilanti Herititage Museum的Ron Bluhm和Bob Elton的帮助。对自动变速箱感兴趣的朋友,如果有机会去密歇根,一定要去拜访一下Ypsilanti Herititage Museum,馆长Ron Bluhm在GM工作了三十六年,退休后专职经营这个博物馆。在那里能看到1939年的世界第一台自动变速箱Hydra-Matic,以及GM这几十年造的各种变速箱。


最后的彩蛋,寻找SOWC

这台变速箱长这样(图片来源):

结构简图是这样的(美国专利US 20140378266 Nine speed transmission with latching mechanism):

其中34是SOWC,你能根据这个示意图在前面的展示图中找到SOWC吗?可以先自己找找,答案往下翻。

你找对了吗?


最后加个声明:本文所有资料来自不同年代的公开论文专利等,与现有实际产品可能存在差异。

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