汽车变速器的角色变迁(一):自动变速器的控制


本文速读:

  • 在驱动系统发展的历史中,所有部件的研发都严格依照发动机的设计进行。

  • 变速器是驱动系统中第二重要的部件,对汽车性能有着巨大影响。

  • 在汽车发展的很长一段时间内,变速器几乎完全消失在发动机背后,默默无闻。技术的限制,使得变速器无法对发动机做出控制,以提高换档质量。

  • 历史上,变速器的角色发生过两次变迁。

  • 第一次变迁使得变速器控制发动机变为可能,第二次变迁正在发生,变速器地位的提升更为显著。

在驱动系统发展的历史中,发动机的绝对主导地位至今没有动摇过,驱动系统中的其他部件都是按照发动机的各项性能来设计和控制。

变速器与发动机的历史地位

变速器,是驱动系统中除发动机外最为重要的部件,负责(通过档位控制)将发动机的输出扭矩和转速调整到最佳区间,再将其输送到驱动轴上驱动汽车。历史上,变速器几乎消失在发动机的光芒之后。人们称赞一辆汽车的动力性能时,基本不会记得发动机后面的变速器,更不会想到变速器设计对汽车动力性能的巨大影响。

驱动系统中这两个关键部件——发动机与变速器——的控制则更形象地体现了两者地位的区别:历史上的很长一段时间内,屈居次席的变速器只能被动地接收发动机的输出,无法主动对发动机的运行做出任何影响。

奔驰500E车型装配4速MB W4A 040自动变速器,该变速器采用经典控制

奔驰500E车型装配4速MB W4A 040自动变速器,该变速器采用经典控制 | 图片@Traum-Klassiker.de

虽然如此,历史上有两次技术的变迁,使得变速器相对于发动机的角色发生了改变。第一次的变迁使得变速器能够控制发动机。第二次变迁今天正在我们身边发生,由此带来的革新可能使得变速器与发动机平起平坐。

这篇文章里面我们谈谈第一次变迁,之前,我们先来看看这次变迁前变速器是什么样的。

自动变速器的液压控制

MB W4A 040 是梅赛德斯 • 奔驰于1979年投入市场的一款4速自动变速器。在今天看来,它的控制老式得很经典。与今天的自动变速器不同,MB W4A 040 变速器内没有电控阀门,挡位完全由液压控制。车速的增加、发动机负荷的升降等都会间接地导致油压的改变,由此,大大小小的机械阀门被油压推动,导致变速器内离合器(Kupplung)、制动器(Bremse)被打开或关闭,从而实现换挡。液压系统中的油,说是变速器的血液还不够形象,应该说是变速器的肌肉,支配者变速器内档位的一切控制。

这种老式的变速器控制,在许多汽车工程师的眼中是最纯粹、最稳定的控制方式。德国教授 Hans-Joachim Förster 在他1990年那本著名的《汽车自动变速器》(Automatische Fahrzeuggetriebe)一书中写道:“纯机械液压控制的变速器是一个和谐的系统”。

如之前所说,发动机负荷是变速器(液压)控制的一个重要指标。在那个没有电控的年代,传感器(Sensor)的应用不成熟。奔驰的工程师于是从发动机进气管(Saugrohr)上拉出一根管子,把它连接到了变速器的阀门系统上。通过这根管子,发动机的进气压力(这个压力在很大程度上反映了发动机的负荷)与变速器液压系统直接相连(下图中C)。这个压力在变速器内紧接着被转化为相应的油压,参与变速器的控制。

奔驰自行研发生产的4速MB W4A 040自动变速器

奔驰自行研发生产的4速 MB W4A 040 自动变速器 | 图片@Mercedes Benz

然而,变速器的换挡控制在当时受到很大局限。其中很重要的一点是——由于当时技术所限——变速器在换挡过程中无法控制发动机的运行。

电控系统进入汽车——变速器角色的第一次变迁

80年代,大街上的解放牌大卡车还风驰电掣,我当时还在课本里读鲁迅和他的三味书屋 。这个年代,电子控制器 ECU(Electronic Control Unit)逐渐成熟,开始进入汽车,负责控制发动机和变速器。其中,发动机控制器叫 ECU(Engine Control Unit)1,变速器控制器叫 TCU(Transmission Control Unit)。

自动变速器的换挡,其实是将变速器内离合器与制动器的打开和关闭的过程。在这个过程中,如果不对发动机做任何控制,变速器的输出扭矩会发生突变。通俗地来讲,就是驾驶员在换挡时会感觉到“换挡震动”。

为了使档位变换平顺,避免震动,工程师利用 TCU 和 ECU 的控制,使得发动机在换挡中的某一时刻降低扭矩输出,待换挡完成后,再将扭矩重新升至之前的水平。整个过程,从变速器发出指令,发送至发动机控制器,到其调整发动机点火时间,总共只有几毫秒的时间。

采埃孚公司4HP22自动变速器

采埃孚公司4HP22自动变速器 | 图片@ZF

这个在缺乏电控系统的时代无法实现的功能,在80年代成为了可能。采埃孚(ZF)的4HP 22是这次变迁后第一批进入市场的一款4速自动变速器。电控的引入,不仅提高了换挡质量,还使得变速器可以为驾驶员提供 Economy 和 Sport 两种档位控制模式2。此外,大量传感器也在这个年代进入变速器,代替了更重体积更大的机械部件,变速器从而可以做得更小更轻。

到90年代时,几乎所有的自动变速器都配备了电控系统。由此,变速器的第一次变迁完成,变速器历史上第一次能主动地控制发动机。

变速器角色的第二次变迁开始于90年代,源于混合动力汽车的兴起。这一次的变迁,将使得变速器逐渐成为驱动系统的控制和决策中心。我在下一篇文章里会试着去说一说这一次正在发生的、更为显著的变迁。

注释:

  1. 电子控制器与发动机控制器在英语中的简写都为ECU。

  2. 出处:Johannes Looman所著《Zahnragetriebe》(德语)一书第221页


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