图1  多种变速器系统性合成的序列以及解决方案

随着汽车技术的发展，未来变速器需要满足日益增大的速度范围及速比要求，这些新挑战极为复杂，甚至在某些条件下自相矛盾。传统工艺和以工程师经验为导向的开发方法已经不再适用，这也正是IAV越来越多地使用专业仿真软件协助性能开发的原因。

控制并减少温室气体的排放，既是当前也是未来汽车工业发展所要面临的巨大挑战。固然整车与驱动系统都具备优化潜质，两者需要相互配合才能实现整体性能的提升。与此同时，变速器在应对这一挑战时也拥有巨大潜能，变速器速比范围较宽，有助于覆盖发动机整个MAP图（工作范围），为整车提供充足动力。工程师的优化目标是关键环节控制，例如提高机械部件的传动效率，降低阻力损失以及选用较小负载等。由传统动力总成改进获得的混合动力系统，因其具备灵活的能量管理方案，能够满足客户的不同需求。以传统变速器及混合动力变速器为基础的智能开发模式，能够大幅缩减开发及生产成本。

图2  8挡自动变速器系统结构

未来变速器的设计流程

未来的变速器能够由2个程序自动设计完成，以行星齿轮自动变速器为例，艾尔维（IAV）的专业仿真软件能够对其结构进行设计分析。

程序第一部分，首先根据输入参数生成变量的所有可能组合，计算出所有行星齿轮副的拓扑结构（数学代码化）以及换挡元件配置，并将两者组合起来生成齿轮结构。然后应用相关的算法对最大速度进行校核，核查结束之后，齿轮副传动比（高速齿轮）按照以下方式优选：兼顾动力换挡必要性的同时，尽可能的实现所需传动比。该方法同样适用于其他附加条件，例如提高齿轮啮合效率和降低部件负荷等。

图3  轻混8挡自动变速器

程序第一部分能够生成多样的结构方案，如图1所示。3个行星齿轮副搭配五、六种换挡元件，需要研究多达32亿种齿轮结构，如果换作4个行星齿轮副，其组合方案上升为10910亿种。

程序的第二部分，运用高效的仿真分析软件计算并评估齿轮组的各项性能参数，譬如零部件的数量、传动比、换挡逻辑、转矩、零部件的速度负荷、效率级别以及阻力损失等。此外，仿真软件还能模拟并评估混合动力方案的可行性，程序会自动计算集成一个或多个电动机的可行方案，并根据不同权重和限值准确匹配，推荐各项性能最优的变速器方案。图1中展示了由此生成的排序，每个点代表新生成的变速器，最佳匹配方案对后续的产品开发具有重要的指导意义。

本文将以混合动力自动变速器及横置式双离合混合动力变速器为例，介绍专业仿真软件的产品开发优势。

图4  挡位增加时的节油潜力

横置式8挡混合动力自动变速器

为在新技术领域占据显著优势，前置式8挡行星齿轮自动变速器的开发势在必行。其主要挑战来自：其一，在不增加齿轮副及换挡元件的前提下，提供2个额外的前进挡；其二，适用于并联混合动力模式。

齿轮副的拓扑结构是构建可变模块系统的重要基础，3个逆向行星齿轮副、2个刹车片及3个离合器的组合，就能在保障8挡阶梯式前进传动比的同时满足宽范围、高适应性的速比要求。行星齿轮自动变速器（轻度混和）的齿轮副结构如图2左所示。高分离传动比使得离合器仅通过内部换挡元件就能在第一挡分离。高啮合效率及低转速，保证了发动机有效功率的高效传输，为灵活的驾驶策略奠定了坚实的基础。

电动机集成到输入轴，增加的转矩能够确保发动机起动过程更加平稳。电力驱动时，输入端通过离合器与发动机分离，实现这一功能，仅需对原变速器方案稍作修改，传统的行星齿轮自动变速器。可以选用液力装置作为分离元件，全混合动力的衍生产品能够提供舒适性，双电动机电力驱动有利于提升续驶里程，而通用部件的采用，则有助于降低生产成本。

图5  9挡混合动力双离合器变速器和8挡衍生产品

轻度混合动力8挡行星齿轮自动变速器的设计细节如图3所示。为比较与传统变速器的性能差异，以一台传统的横置式前置前驱发动机（最高转矩350Nm，最大转速6000r/min）作为试验平台。对于混合动力变速器而言，应当考虑附加75Nm的电动转矩以及12.5kW的输出功率。

所有的离合器、制动片以及两对行星齿轮副均被安置在主传动轴上。为实现顺利换挡，换挡元件设计成盘状。为缩减轴向尺寸，第三对行星齿轮副安装在中间轴上，通过两对直齿轮副相连，所有行星齿轮副紧凑安装。永磁式励磁同步电动机安装在近中间轴的位置，传动链的使用在为传动比与输出轴的匹配提供方便的同时具备了高自由度的径向及电动机定位能力。良好的组件布置，使得混合动力变速器轴向尺寸缩减至350mm。

通过纵向动态特性的模拟仿真，能够准确计算变速器油耗，中型汽车不同行驶循环工况下的试验结果如图4所示。

与传统6挡变速器相比，新型8挡行星齿轮自动变速器实际省油约3%。使用混合动力功能时，城市道路工况最多节油10%。

图6  9挡混合动力双离合器变速器设计

横置式9挡双离合混合动力变速器

目前，双离合变速器多为6挡和7挡，仿真数据显示，未来9挡双离合变速器（DCT）由于具备更为宽广的速比范围，能够显著减少能耗。同时，电动机的集成技术也将为缩减能耗和降低排放做出显著贡献。高于7挡的变速器，可以采用通用部件耦合的方式提升系统结构的稳定性。

集成优化后的9挡变速器如图5所示。按照相同流程，亦能实现双离合变速器的自动生成。扩大的传动比能够在进一步降低CO2排放的同时，提升整车动力性及舒适性。合理的变速器配置能提供较好的阶梯式传动比，通过优化各项速比，变速器能够轻易适应速比范围、齿轮速比差及分离传动比。此外，微调变速器结构能够使其变得更紧凑，如拥有较少组件的8挡变速器。9挡混合动力变速器（最大转矩为450Nm），同样具备紧凑结构，其总长仅为368mm，如图6所示。概念设计采用了较为高效的电力液压驱动系统以及额定功率为30 kW、额定转矩300Nm的水冷电动机，永磁同步电动机直接与输出轴相连，能提供多种混合动力模式。

图7  纯电动驱动单元

2挡纯电力驱动

零排放的电力驱动为整车价值的提升和汽车行业的可持续发展创造了条件，使其成为城市里一道移动的风景线。然而，目前最先进的电力驱动系统通常由电动机、定传动比变速器以及差速器匹配而成，集成度相对较低，仅具备一定的爬坡和加速能力。单一传动比不能满足所有工况的需求，为提供适宜动力，多挡位变速器应运而生，成为解决对立需求的合理方案。集成电力驱动的开发是为了获得卓越的效率和优越的性能，驱动单元应当充分利用通用模块的可扩展性，为今后与整车的集成提供便利。

双速电驱动单元如图7中所示，功率为50kW（额定）/ 80kW（峰值）的异步电动机安装在移动式电源行星齿轮组一侧，由于车辆向前行驶最为频繁，为提高效率，第二挡齿轮使用时，行星齿轮变速器的旋转将受限。摩擦盘与离合器能够实现互锁，低速工况时，高牵引力的第一挡齿轮速比由摩擦盘实现。

图8  单挡、2挡变速器模拟分析

为优化结构布局，差速器安置在电动机转子内部，主减速器安装在差速器下游，形成两级横置的直齿轮。行星轮副的传动比，最后一级可以调节，以满足不同车辆需求。安装在集成电动油泵旁的液压模块，如图7所示，为润滑及冷却系统提供油压及体积流量。

在C型电动样车上进行纵向动力性能模拟试验，用于比较2挡变速器和单挡变速器的性能差异。采用相同的异步电动机，试验结果如图8所示，2挡变速器的第一挡爬坡能力明显优于单挡变速器（提升约90%）；紧凑型轿车能够在4 s内由静止加速到60km/h，在10s内由静止加速到100km/h；与此同时，NEDC工况测试，综合能耗降低16%。