迎接新时代的变速器技术

访上海捷能汽车技术有限公司电驱变速器部总工程师陈扬珑先生

作者:陈永光 发布时间:2011-05-05
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变速器作为汽车传动系统的重要组成部分之一,其技术的发展与进步对整车的演进发挥了重要作用。人们在追求汽车零排放,以顺应环境保护和相关政策的强制规定。在未来的二三十年中,内燃机或已不符合时代的潮流而逐渐被更加环保的新型动力所取代,就如同20世纪初蒸气机被内燃机所取代一样。到那时,燃油如已能被某些成熟的能源所取代,那么变速器在驱动系统的主导地位可能将更趋重要,这在纯电动车的传动系统上便可体现。因此,除了基本的机械变速机构如齿轮和离合器外,电机及控制系统以及能源储存系统乃至充电方式的优化及创新,则是当代的重要议题。

AI: 您在汽车传动器(变速齿轮箱)领域拥有超过35年的丰富经验,能否与我们分享一下汽车变速器的技术演进、当前的创新技术及其未来发展趋势?

陈扬珑先生:众所周知,汽车传动系统包括发动机、变速器和差速器等,是汽车整体中最主要的系统之一。传动系统在技术上的不断更新,对整车的演进起到了极大的推动作用。可以说,汽车传动系统是汽车发展史上的一大功臣。汽车传动器,尤其是变速器发展的过程在开始的前五六十年中进展得并不是很快,虽有福特汽车和大众汽车的极力推广,但就连欧美大部分市镇在当时因基于交通系统的限制及阻隔,加上两次世界大战的秧及,民疲财竭,私家车更无法达到大量需求及生产的条件,所以手动二挡或三挡在当时便足以应付。然而,这个情况到了二战后便有了急剧的进展,尤其在美国。美国基于其得天独厚的地理环境和丰富的自然资源,加上两次世界大战本土都没受到战争的直接祸害,反而因支援各国而发了大笔横财,二战中及战后又从各方拉拢了无数的世界级精英,加上战后婴儿潮(baby boomers),所以在这种国强、民富、具有广大市场需求以及高技术的支持下,对汽车有着大量且性能更高的需求。

在短短的十数年中从太空竞争中的累积硕果中,无论是电子、机械、材料或控制诸项系统上所获取到的,很快便被汽车行业所采用,因而产生了许多划时代的应用技术。而日本则适逢韩战时在运输维修上所占的地理优势,本着日本民族性的各项特殊优点及原有的工业潜力,加上美国政府因在长崎、广岛使用原子弹对其无辜百姓造成了巨大伤亡而引发的内疚,故敦促美国汽车工业界在二十世纪六七十年代对日本优渥的协助,使日本无论在汽车业及相关的电子业能在短短30多年中从战后一无所有跃居世界前列,至今其所研发的自动变速器(AT)及其他节能变速器仍然是世界注目的基准标杆产品。而欧洲各汽车先进国家则因历蒙两次战祸,二则深受传统的包袱,在AT的进展上反较美日为缓,这在欧盟各国手动变速器(MT)的使用比例至今仍然在60%以上可作实证。


图1  汽车变速器的演化趋势

如前所述,MT在汽车传动系统上的演进及应用,缓慢地走了半个多世纪;然而AT从最初二挡纯机械操控到本世纪初研发的八速电控变速器的演进用时则仅30多年。多种新概念的变速器因技术的飞跃发展和时代的不同需求,从20世纪末至今短短十数年间便推出诸多类型,至今仍方兴未衰与日俱增(如图1所示)。在20世纪末,由于人们对于高性能、大动力车型的尤为热衷,于是高速、高转矩、换挡平稳且具低噪声的变速器如六速到八速的AT和AMT、无级自动变速器(CVT),以及双离合自动变速器(DCT)应运而生。而最近几年中,由于能源的急速需求而引发的匮乏,加之因高排放而引起的严重环境污染,高效率、低(或零)排放的油电混合、纯电动车以及燃料电池车的发展便成了环保人士、国家政要甚至民众所最关心的重要话题。基于此,许多汽车制造公司纷纷投入了大量的资源和人力,希望能在这块未知的领域中占得一席之地。而各种新概念变速器的开发及使用周期更由原先的数十年快速地缩减到短短数年。

因此,对未来汽车动力系统的发展,我们可以作一个相当有把握的预测,那便是谁能在低(或零)排放、高效率的技术上有所突破并能加以有效运用,谁便有可能出于未来的主导地位,而这有可能由于其他新的设计概念及技术的不断更新而随时易主。

AI: 我们知道,中国的汽车销量已经连续两年超越美国而成为全球最大的汽车市场。您对汽车变速器在中国市场的发展持何看法?

陈扬珑先生:我个人认为,中国汽车(或变速器)很可能会经历四个不同阶段,当然每个阶段经历的时间会各有不同,主要取决于中国整体经济发展的速度、全民的收入水平及政府对汽车业者的鼓励政策,这四个阶段分别是渐进式但也可能是超越式的。

(1)满足基本需求  以目前中国的一般经济水平来评估,如果以占人口比例最多的劳动阶层的收入来看,能有余力购买新车(其中还包括维修、燃油、保险、税金及停车、路费等)的家庭或个人,为数并不多,即使有但在购车时也会精打细算作最经济的选择。基于这个原则,在未来数年中,4气门、3~5挡的MT省油节能小型车应该是最能满足普罗大众的需求,而成为当前汽车市场上的主流,当然这和目前国内所能提供变速器的技术及制造水平也是息息相关的。

(2)追求功能及性能完善  当全民的经济水平逐渐(或加速)提升到某个程度,而日常生活上的基本需求也不虞匮乏,这时中上收入的家庭或个人,均有能力购车。在这一阶段中,一般购车的顾客除了注重基本品质外,对于汽车内外的任何单元,大到车型、传动系统的性能,小到门窗、音响及空调的控制都有着多方面的要求,此时生产厂家必会推出各型不同的产品,以满足客户的需求。而变速器的种类也必然随之而增加,呈现百花齐放的景象。希望届时国内变速器的制造技术及能力均已达到炉火纯青的地步。

(3)追求奢华以满足优越的虚荣感  当然这不是一般普遍人所需求或能达到的,然而在任何一个时代及社会中总是有这种以追求奢华来表现自我的优越感的需求,而商家则为了利益所趋,总会千方百计地来满足这部分少量客户的需求。汽车是一种突显工艺及技术的综合产品,所以借着豪华的车款来显耀一个人的财力及权势,而用千万元打造的限量且高性能的变速器来匹配也是理所当然的。

(4)除性能完美外并能达到环保的需求(意识上或政策上)  不论哪种类型汽车的发展,其最终目标都看重市场占有率,即拥有广大客户的喜好和赞同。而这种喜好和赞同是会随时间及地域的不同而不同,以目前及可预计的将来因为石油的急速消耗以及使用后对全球环境的污染及“温室效应”已达到超警的地步,所以无论是政府的环保政策,还是社会大众在意识上对汽车的燃油效率和排放水平都已开始警觉。基于此,更多的人对环保车有了更深刻的了解及需求。因此,这类由低排高效的电动或介于过渡期的油电混合式变速器所驱动的车型不论是国内或全球很快将成为购车者关注的对象。然而,目前由于用于电动车的电池(包括燃料电池)、电机、控制系统以及整体配套架构——如充电站等尚处于发展期,在价格及实用性上与一般传统车型比较尚无竞争优势,许多客户也因此而有所顾忌,但如政府及工商学界能积极鼎立支持赞助,我认为,不久便可突破技术的瓶颈,而大展其利。


图2  汽车能源消耗示意图

这四个市场的进展过程除了第一到第二阶段是渐近式的,第三项则是必然存在但非必经或必要的,而第四项则是必要也是必经的过程,至于它的形式及发展的速度则完全取决于技术的突破及外在支持。

AI: 目前市场上的汽车变速器产品有多种方案,那么,您认为那一(几)种变速器技术最有可能在中国汽车市场得到大力发展?为什么?

陈扬珑先生:我想这应该从几个不同的层次上来商讨可能比较恰当,因为目前在国内制造汽车变速器的厂家可能不少于数十家,但各家的技术水平及资本雄厚与否、客户对各厂家在质量或数量上的需求都有相当的差距,基于以上条件,各制造商很可能用以下对他们最有利的方式来生产不同类型的变速器产品:

(1)针对国内现有技术及制造的水平及一般民众的经济能力和需求来发展——MT以及AMT变速器的推进或许最能适合目前市场行情,但这种变速器在市场上的占有率很快会被其他性能更佳的产品如AT所取代,美日等汽车工业发达国家的汽车发展史便是很好的例证;

(2)针对以比较容易进入但具有市场竞争力上来发展——如第一代电动车,AMT、小型的CVT或四速干式DCT,但以采用较简单的控制系统来主控驱动及换挡需求:目前市场需求量并不会很高,但针对5~10年后因国内经济快速成长,在新的市场其竞争力不可小觑,尤其如厂商有能力和野心在未来的高科技汽车业占得一席之地,这种在技术上作研发铺路的投资是十分必要的;

(3)针对需要高技术水平,但对未来的汽车工业发展具有主导力上来发展——如大型多速DCT、油电混合或二速的纯电动车。以最先进的技术资源来支持各类变速器的开发:如果厂商已具有充实的技术人员及丰富的生产资源,而又有坚定的决心,希望在未来不仅在国内而且全球的汽车业界中具有主导力,现在其实是一个大好的发展时机。前面所提及的数种节能/低排的变速器在汽车工业发达国家中,都还属于新的概念,真正被研发也仅有三四年的时间,许多高端功能系统如高压电池、电机和控制器,甚至材料都还处于发展阶段,所以尚有极大的发展空间,加上中国政府及各级地方政府对这类节能低排车的鼎立支持,虽因其功能系统尚未完善,且成本偏高等因素的限制,目前市场占有率尚不会很高,但只要这些基本的技术瓶颈逐渐地被突破或优化,站在这种近乎同一起步竞争的平台上。我相信,届时以中国的财力、物力配合优秀的技术和管理人才,加上政府的大力支持和鼓励,定能在这些先进应时的汽车产品中跻身主导地位;

(4)着重引进外国现有的高技术及资金来开发——强油电混合动力车型的多速自动变速器:虽拥有雄厚的资金,但目前比较缺乏在这方面的技术和人才,又希望以最短的时间内用具有高品质的产品来打出一片市场,这种开发方法则应是首选,但因外股的参与及掣肘,因受到知识产杈的保护限制,国内合资厂家很可能无法对许多核心技术作有效的掌控。

总而言之,就如第二个话题所提及的,由于市场的需求是随经济的增减变更而不断地向上(下)提升(下降)。如果用凯因斯(J. M. Keynes)基本的需求与供应平衡的经济理论来说,目前第一类价廉省油生产技术需求较低的变速器最适合中国国内市场,因此供应量必然随着需求而急剧增加,这是有目共睹的。当全民收入因随着经济的发展而增加时,第二类及第四类的车型及相应的变速器便会跟着增长。至于第三种车型的发展则完全要依赖技术的突破,民众及政府的共识和支持,但最重要的也要看油价是否会暴涨,以及燃油污染对环境及人类所造成的损害程度而定。

AI: 有人认为,DCT会成为未来变速器发展的主潮流。以您的观点,DCT和CVT各有怎样的优劣点?您如何看待这两种变速器技术在中国汽车市场上的发展潜力?

陈扬珑先生:从下表中我们可以看出CVT和DCT在功能及性能上的优劣势比较,藉以阐明此两种变速器技术在中国汽车市场上发展的可能潜力:

(1)CVT:因受现有钢材的刚度、强度限制,仅适用于小型车种制造使用,对目前国内市场的需求或能满足,但因其控制机构及系统具有较高的复杂性,对润滑油品的要求很高。国内制造厂家在投资此项目时除了因为换挡平顺及节油的优点外,在设计及工艺的特殊需求上也应当作些深远的考虑。

(2)DCT:除复杂的双离合器(湿式或干式)及控制系统外,从目前国内最普及的MT转换成DCT,无论从设计、工艺制造或是资产投资上都应该说是最快并最可行的,因为许多MT内部构件及子系统都可沿用或优化。DCT在功能及性能上比AMT要好很多,又能与AT相抗衡,同时因省油及换挡上兼具MT及AT的双重功能,在未来国内市场应具有相当的吸引力,尤其是对于中上收入的中、青年的男性。

AI:节能减排是汽车工业发展的两大关键因素。谈到新能源汽车技术,您认为油电混合或纯电动汽车对未来变速器技术有怎样的需求?

陈扬珑先生:目前和可预见的未来,全球大部分地区所面临的最大挑战和危机可能是能源匮乏及环境污染。当社会民众在日常生活中开始感到压力甚至威胁时,必然会退而反思探讨,然后做出明确的举措,当意识到问题的主因仍出于由于日常必备燃油的消耗因为全球燃油汽车的需求激增而大量开采,不仅将导致未来(无以取代)的匮乏,也使全球的环境在短短不到一个世纪里便蒙受严重的污染创伤(当然汽车排气不是惟一的罪魁祸首,但无可置疑的是主因之一)。当我们将整车的能源消耗(如图2所示)作一个简单的分析后,可以很清楚地了解,因为汽车发动机的低功率及高排放造成了以上所提到的一些不良后果,所以很自然地会考虑如何使用其他驱动方式来部分或完全地取代它。

从最近几年中各大汽车公司及相关行业在节能减排的各类车型,如油电混合、纯电动、插电式或者燃料电池车型的大力积极研发中便可预见一个新的能源时代即将来临。

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