AT变速箱最新资讯及技术分析(二十七)—10AT自动变速箱对比分析(纵置篇)

AT变速箱最新资讯及技术分析(二十七)—10AT自动变速箱对比分析(纵置篇)

纵置10AT的对比分析


10AT是当前量产的最高挡位数的AT自动变速箱,分别有丰田的AWR10L65系列和GM/Ford联合开发的10R80系列。

现阶段,10AT是先进自动变速箱的技术标杆,肯定先用于大排量的豪华车。对标杆的技术分析,有利于了解AT自动变速箱技术发展趋势。先进的10AT必然有先进的行星机构,本篇文章先进行纵置10AT行星机构的对比分析,看看丰田和GM是如何设计自己10AT的行星机构?相比于6AT/8AT,10AT的行星机构先进性体现在哪里?丰田和GM在设计过程中有没有考虑继承性,有没有考虑自身企业的技术优势等?

▲丰田的10AT

▲GM和Ford联合开发的10AT


丰田的10AT行星机构分析

丰田的横置8AT刚开始大批量装备车型上市,所以没必要那么快更新横置平台的9AT或者10AT。但纵置平台的8AT已经有多年的历史了,升级到9AT或者10AT是顺理成章的事情。更何况纵置平台代表丰田豪华车车型,是利润和品牌宣传的保障。

丰田的纵置8AT采用莱佩莱捷行星机构形式,是在其纵置6AT的基础上改进而来的。三自由度莱佩莱捷式行星机构不可能再改进出10AT来,因为莱佩莱捷式行星机构中的拉维纳机构不可能再被打散(拉维纳机构是一个整体,没法打散增加机构的自由度),因此只能通过增加操纵元件实现挡位的增大;但如果增加操纵元件,则三自由度莱佩莱捷式行星机构的操纵元件就到达7个了(原来8AT就有6个操纵元件),每个挡位不工作的操纵元件达5个(7-2=5),一方面湿式操纵元件的拖曳功率损失增大,影响传动效率,另一方面7个操纵元件的结构也很复杂。所以,丰田发展10AT必须放弃8AT的莱佩莱捷式行星机构,采用四自由度的行星机构,保证操纵元件小于或等于6个。

▲丰田10AT传动简图及换挡逻辑图

在纵置平台上,1个行星排的轴向尺寸是要小于1个湿式离合器的,因此宁愿增加1个行星排比增加1个湿式离合器,结构上更划算。所以丰田采用了4个行星排、6个操纵元件的四自由度行星机构的传动方案,6个操纵元件,每个挡位需要接合3个操纵元件。

从输入端往输出端看,前面两个行星排为拉维纳行星机构,4AT的典型行星机构。后面的两个行星排为辛普森机构,也是4AT的典型行星结构。非常明显,该10AT就是2个4AT的组合,中间通过C1\C2\C3三个离合器连接。

▲丰田的10AT是由2个4AT组合而成

丰田的AT变速箱的行星机构都非常具有继承性,大致可以这样理解:6AT(拉维纳机构+1个单行星排+5个操纵件)就是1.5个4AT,8AT(拉维纳机构+1个单行星排+6个操纵件)是1.75个4AT,而10AT就是2个4AT。行星机构的继承性非常好,技术不断迭代,成熟可靠,非常符合丰田的性格。从4AT到10AT都是辛普森行星机构、拉维纳行星机构和CR-CR行星机构的组合。

▲常用的4AT行星机构

丰田10AT行星机构的组成规律与ZF的横置9AT、KATE的纵置9AT和Benz的纵置9AT非常类似,都是由上述三种典型4AT行星机构的组合而成(后续会单独写一篇9AT/10AT典型行星机构的分析)。


GM/Ford的10AT行星机构分析

我在前面的文章中分析过,GM的纵置8AT、ZF的纵置8AT和GM的纵置10AT有莫大的渊源。

GM的纵置8AT与ZF的纵置8AT其实是同一个行星机构传动方案,只不过是GM在结构设计过程中,把4个行星排中的2个换了个位置。

▲GM的终置8AT和ZF的终置8AT是同一个传动方案,只是行星排的位置不同

当GM在发展其10AT时,还是采用了在ZF的8AT基础上改进而来。GM宣传获得了ZF的离合器设计方面的专利授权,个人估计GM应该是跟ZF达成了某些协议后,才能在ZF的8AT基础上研发10AT。

GM10AT和ZF8AT的区别是:仅增加了一个离合器(下图中的F离合器),增多了2个挡位。该行星传动方案是五自由度,6个操纵元件,每个挡位接合4个操纵元件,仅仅只有2个空载的操纵元件,可有效降低拖曳功率损失。每个挡位切换时,只需切换其中的一个操纵元件,并且继承了ZF8AT中的跳挡功能。

▲GM和Ford联合开发的10AT传动简图及换挡逻辑图

本人在前面的文章中给予GM这个10AT行星机构最高的评价,这是目前量产AT中最最最牛逼的行星机构(3个最都不足以表达我的敬意),理由如下:

  1. 首先它是第一个量产的五自由度行星机构,把AT行星机构的自由度推到一个更高的高度。如果想要看到六自由度的行星机构,要等到14AT以后了,我估计那时AT都已经可以进博物馆了。我多次强调,电动化的浪潮很快会把AT给颠覆了的。
  2. 这个行星机构离合器操纵序列很合理,C(6,4)=15,用了11个挡位,行星机构的复用率比较高。在12/13AT没有出来之前,是所有大于9挡AT中机构复用率最高的。
  3. 结构设计很合理,套轴层数不多,最多只有两层;构件的迂回度也比较好,只有第1个行星排的行星架和第4个行星排连接的长筒构件,其他的结构设计都非常舒服。
  4. 制动器/离合器的最大力矩小,可缩小制动器的容量;以一挡为例,A\B制动器共同分担制动反力矩,制动器容量小,有利于缩小体积和重量。

GM宁愿放弃其纵置8AT的结构继承性,也要采用ZF的8AT进行改进成为10AT,说明该五自由度行星传动方案是有其独特的技术优势的。



▲GM和Ford联合开发的10AT结构图


10AT行星机构设计

这么复杂,这么牛逼的行星机构是传动专家排脑袋设计出来的吗?是莱佩莱捷式6AT行星机构那样,由经验丰富的工程师灵感突现吗?

不是,这都是行星机构综合的计算机程序算出来的。最简单的算法是暴力穷举,把所有可能的行星机构传动方案计算一遍(4个行星排的排列组合数目可达亿级),看看那个传动方案合适(后面我会单独写篇AT行星机构的计算机综合程序的介绍)。

就算是丰田的10AT,我承认:我也无法单靠一支笔和一张纸,算出来和画出来这个四自由度的传动简图,即使我知道设计方向,10AT是两个4AT的组合。当然,看到这丰田的10AT传动简图后,我还是可以分析其组成规律。

具体到ZF的8AT和GM的10AT,那就更不可能用人工设计了,肯定是计算机算出来的。即使是经验丰富的工程师,你也无法一眼看出来它是由什么典型的行星机构组成的,基本没有什么明显的规律可言。

ZF和GM都有自己开发的行星机构综合程序,才能在10年前就开始布局9AT、10AT的专利。德国的高校与工业界的合作比较深,很多课题都来自工业界,我认识的FZG的两个教授都是来自汽车业界,后面才到高校当教授的。雄厚的基础研究加上良好的产学合作,是国外AT技术不断创新的推动力。


丰田和GM的10AT行星机构对比

单从行星机构本身来说,GM的10AT比丰田的10AT高了一个level。行星机构的自由度、机构复用率、制动器的最大容量、拖曳功率损失等方面都比丰田的10AT优。

但是不能说丰田的10AT行星机构就差,考虑到丰田的10AT就是两个4AT的组合,结构工艺完全继承了丰田以前4AT、6AT和8AT,技术一脉相承,一代一代升级,脚踏实地,成熟可靠、成本可控,这都是丰田最拿手的。

汽车行业是充分竞争的,市场说了才算,技术先进不一定能成功。加上日本人的工匠精神,能把某个垂直小领域做精、做好,因此估计丰田的10AT最终的性能不会比GM的10AT差。当然,他们两个变速箱的细分市场都不一样,一个是美式肌肉,一个是东方典雅。

但两个变速箱均能代表各自品牌的技术实力,GM大大咧咧,不屈小节,但基础研究雄厚,创新能力超强。丰田严谨、精工、技术迭代稳健,注重成本和技术继承性。


小结

  1. 丰田的10AT为四自由度行星机构,采用4个行星排,6个操纵元件。
  2. 丰田的AT变速箱行星机构都非常具有继承性,大致可以这样理解:6AT(拉维纳机构+1个单行星排+5个操纵件)就是1.5个4AT,8AT(拉维纳机构+1个单行星排+6个操纵件)是1.75个4AT,而10AT就是2个4AT。
  3. GM的10AT为五自由度行星机构,采用4个行星排,6个操纵元件。
  4. GM的纵置8AT、ZF的纵置8AT和GM的纵置10AT有莫大的渊源;GM的10AT在ZF的8AT基础上改进而来,仅增加了一个离合器,就增多了2个挡位。
  5. GM的10AT是第一个量产的五自由度行星机构,是目前量产AT中最最最牛逼的行星机构,把AT行星机构的自由度推到一个更高的高度。如果想要看到六自由度的行星机构,要等到14AT以后了;估计那时AT都已经可以进博物馆了。
  6. 单从行星机构本身来说,GM的10AT比丰田的10AT高了一个level,行星机构的自由度、机构复用率、制动器的最大容量、拖曳功率损失等方面都比丰田的10AT优。
  7. 丰田的10AT结构工艺完全继承了丰田以前4AT、6AT和8AT,技术一脉相承,一代一代升级,脚踏实地,成熟可靠、成本可控。
  8. GM10AT和丰田10AT的行星机构都是计算机设计出来的,工程师人工很难设计出如此复杂的行星机构;得益于雄厚的基础研究,ZF和GM都有自己开发的行星机构综合程序,10年前就开始布局9AT、10AT的专利了。



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发布于 2019-05-15