自主品牌車企逐漸實現了對發動機的自主研發和生産,而對于另一樣同樣重要的核心部件、汽車三大件之一的變速箱,也沒有停止前進的步伐。
長城汽車的銷量當家車型哈弗H6,在SUV市場裡有着頗高的熱度,其搭載的就是長城自主研發的7速濕式雙離合變速箱,代号為7DCT450,這款變速箱能承受最大450N·m的扭矩輸入,性能在同級變速箱當中處于領先行列。接下來便詳細看看這款自主品牌變速箱有哪些值得關注的地方。
誕生背景和研發曆程
長城汽車作為自主品牌裡面的代表性車企,早在2009年就已經實現了首台汽油發動機的量産,但同樣作為動力總成之一的變速箱,在當時仍然需要對外采購。
來自德國的格特拉克是全球幾大變速箱供應商之一,旗下的濕式雙離合變速箱具有技術成熟可靠、傳動效率高等優點,加上采購成本相對較低,在相當一段時間内成為了"國産車企變速箱救星",影響力甚至和愛信齊名。而長城也是格特拉克其中一位大客戶,初期的哈弗H6、H6 Coupe等車型均使用了格特拉克的7DCT300變速箱,對于格特拉克的依賴程度非常高。
但變速器供應商根本不會為自主品牌變速器單獨設計和開模,隻提供現成産品供采購,供應量控制在格特拉克手中。更重要的是,比變速箱本身更重要的調校和匹配,同樣掌握在格特拉克手裡,長城還需要支付軟件匹配的成本。
多方面受制于人,要改變"卡脖子"的命運隻能盡快實現自研自産。2013年4月,長城濕式雙離合變速器項目正式啟動。至于長城為什麼選擇自研濕式雙離合而不是AT或CVT,個中原因也不難理解。
在變速箱自主研發的道路上,實際上不但長城,大部分自主品牌車企也是選擇了雙離合變速箱作為自研對象,一方面是因為雙離合的結構相對簡單,底層技術接近"開源",研發難度和成本低。
另一方面,AT技術和專利基本集中在愛信和采埃孚兩大廠商手中,而CVT變速箱的傳動鋼帶隻有德國博世和舍弗勒能夠生産。
第三方面,雙離合變速箱相對AT或CVT也具備換擋速度快、燃油經濟性好等自身優勢。更重要的是對于長城來說,長期以來與格特拉克的合作也積累了不少雙離合變速器的技術經驗。實際上格特拉克7DCT300合作項目開始階段長城已經明确提出自己将平行研發變速箱,格特拉克也簽署了相關協議來幫助長城提升變速箱技術。因此長城直接研發雙離合變速箱無疑在研發難度、研發成本、周期等方面均具備優勢和成熟的條件。
當然了,真正實施,而且還要保證成功,并不是一件容易的事情,特别是自動變速箱對齒輪加工精度、零部件的耐高溫性、耐久性要求極高,生産難度和工藝相比發動機還要更難。長城于是采用了更高效率的方法,借力人才。
研發環節,長城請來了變速器領域有着接近30年經驗、先後參與大衆DSG項目、奔馳9AT項目(參與研發戴姆勒7-Tronic和9-Tronic的AT變速器,)的專家格哈德·亨甯作為研發的總工程師。
最終經過4年時間,到了2017年3月,代号為7DCT450的第一代濕式雙離合變速器成功實現量産。
随後在2018年,蜂巢易創科技有限公司成立,推出了經過改良優化的第二代7DCT450,能夠進一步适配四驅系統、電子換擋機構,支持機械或電子駐車、自動泊車等功能。
到了2019年10月份,該變速器累計産量正式超過100萬台。2021年3月21日,7DCT450第200萬台産品正式下線。随後,長城還先後發布了第三代代号為300S和400S的兩款7DCT變速箱,預計今年年内實現量産。
長城的7DCT變速箱自13年誕生至今經曆了三代,搭載在哈弗H6上的為第二代型号為7DCT450的濕式雙離合變速箱,這款變速箱除了搭載在哈弗H6上,還廣泛搭載在哈弗系列其他SUV的自動擋車型上。
軟硬件構成及生産環節
零部件方面,長城7DCT450由157種零部件組成,其中殼體、齒輪及軸承等18種基礎零部件由自己生産,剩下部件則來自進口或外資零部件在華工廠。
在生産環節,長城也采取了引進國外先進生産線、設備或交鑰匙工程的方式來實施。
而軟件部分,包括需求分析、技術标定、專利、系統匹配等全部環節,具體如新下線變速器在使用過程不同階段的自主學習功能、變速器易損部位的保護及報警策略、換擋邏輯和策略、基于物理模型的離合器充油策略等等均由長城的技術團隊來主導編寫實現,把動力總成調校匹配的主動權掌握在自己手裡,也讓産品更适應中國的路況和車主實際需求。
同時,蜂巢易創也正在進行ASPICE軟件開發流程、ISO26262 功能安全等國際标準體系建設,用來規範産品安全生命周期内軟硬件和系統層面的開發流程,判定風險等級,以滿足産品國際化發展需求。
性能亮點7DCT450作為一款7擋濕式雙離合變速箱,相比以往的幹式雙離合,其離合片浸泡在變速箱油内,利用油液冷卻摩擦片,并通過液壓推動高低換擋,散熱效果更理想,軸承和離合片等部件的磨損和壓力降低,穩定性提升,也能承受更大扭矩。相比AT變速箱,雙離合變速箱沒有液力變矩器,而是采用了兩套離合器,能實現無縫換擋的效果,因此換擋速度更快,發動機的動力輸出也更直接,動力損失少,燃油經濟性更佳。
具體性能參數方面,7DCT450的速比範圍達到了8.0,屬于較寬傳動比範圍的設計,最大可承受450N·m的輸入扭矩,綜合效率高達 95.6%,另外設計壽命達到30萬公裡,也超過了歐美24萬公裡的設計壽命标準。
具體到第三代哈弗H6上,其1.5T發動機最大扭矩285N·m,2.0T發動機最大扭矩325N·m。
變速箱能承受的最大輸入扭矩與發動機的峰值扭矩之間的差就是扭矩餘量,扭矩餘量越大,越有利于提高變速箱的耐用性。相對于第三代哈弗H6 1.5T發動機,7DCT450的扭矩餘量為165N·m,而2.0T發動機扭矩餘量為125N·m。
一般情況下,為确保變速箱的耐久性和穩定性,扭矩餘量需要确保在10%以上,7DCT450就算匹配第三代哈弗H6大功率的2.0T發動機,扭矩餘量也超過了30% ,完全滿足匹配要求,能夠确保傳動系統的耐久性和穩定性。
橫向比較主流的雙離合變速箱
可承受最大輸入扭矩是衡量一款雙離合變速器的重要性能指标,下面為國内外主流的DCT變速箱,根據可承受扭矩的大小進行排名:
可見,長城7DCT450可承受的最大輸入扭矩在目前自主品牌量産的雙離合變速箱排名首位,同時也不輸國際主流品牌。
衡量一款變速器性能除了最大可承受扭矩,另外一個比較關鍵的指标就是速比範圍。速比範圍越大,意味着變速器在低速時能提供較好的加速性能,在高速巡航時也盡可能降低發動機轉速,以此降低油耗。
長城7DCT450的速比為7.99,綜合效率達到95.6%;而吉利的7DCTEVO380速比為7.7,綜合效率95.07%;著名的愛信8AT速比範圍為7.6,綜合效率在80-90%左右;大衆DQ500速比為6.7,綜合效率95.4%。因此,長城7DCT450的速比範圍最大,綜合傳動效率也是當中最高的。
采用了哪些先進技術長城7DCT450具備承受較大的輸入扭矩、實現高效的傳動效率和換擋迅速等特點,當中采用了高可靠離合摩擦片、超低粘度潤滑油、雙泵供油設計、直接靈活的換擋控制機制、高效冷卻系統等多種先進技術。
高可靠離合片和潤滑方案
要能承受高扭矩又能提升傳動效率,離合器摩擦片的質量至關重要,7DCT450的離合器摩擦片采用了博格華納編号為BW6910的摩擦片,BW6910是一種高端摩擦片,具有強抗釉裂性(表面釉層防止微細裂紋的能力)以及穩定性高的特點,能有效降低離合器的拖曳損失,增加摩擦片的散熱能力,對于提升整個變速器的性能和耐久性至關重要。
黑科技般的BW6910摩擦片,不但長城在用,以雙離合著稱的大衆也在使用。其組成主要包含納米纖維、耐熱纖維和摩擦調節顆粒三種材料。下圖為摩擦片成分示意圖,圖中黑色的線條代表納米纖維,白色比較粗一些的是耐熱纖維,在中間的部分就是摩擦調節顆粒。
要實現大的扭矩容量意味着增大摩擦,而耐熱穩定性要求又需要降低摩擦生熱,BW6910摩擦片就是通過以上三種材料的最優化配方,調節摩擦顆粒的比例,在不影響兩種纖維的摩擦性的同時達到最佳的散熱效果,從而解決這對矛盾。
除了采用高質量摩擦材料,潤滑系統的作用也不能忽視,特别是對于齒輪結構豐富的雙離合變速箱而言,潤滑則顯得更為重要。
長城7DCT450在潤滑方面實現了電磁閥對潤滑冷卻流量的精确控制、優化摩擦片溝槽設計、齒輪采用強制噴油潤滑等方案。
另外在潤滑油選擇上,通常情況下,油品的粘度越低,齒輪攪油損失小,傳動效率越高;相反,若油品粘度過大,會降低傳動效率,長城的7DCT450選擇了粘度為4.1cSt@100℃的超低粘度潤滑油,在全溫度(-40~140℃)下與各材料的兼容性均優良,确保摩擦性能穩定。
雙泵系統設計
長城7DCT450采用了機械油泵 電子油泵的雙油泵系統。變速箱對液壓油的流量需求比不是固定不變的,會根據不同工況和負荷在随時變動,而機械油泵是按照最高需油量設計的,無法做到按需供油,因此會産生浪費。在加入電子輔助油泵之後,機械油泵作為油液控制系統的主泵,排量按照基本負荷來設計, 而峰值負荷排量則由電子油泵補充,從而實現按需供油,最大程度減少機械油泵存在餘量設計而産生的能耗損失,雙泵系統較單泵系統可以節能約2%-3%。
另外,機械油泵的動力源來自發動機,隻有在發動機啟動的時候才工作,而電子油泵隻要通電了就可以工作,不受到發動機轉速影響,就算發動機停止工作時仍然能提供一定的機油壓力,在啟停或滑行模式時也能持續為部件供油,還能改善發動機再啟動時離合重接合的響應性。在輕混、重混等動力模式逐漸普及的前提下,發動機停止運轉的情況越來越多,雙油泵系統的作用也會越來越明顯。
直接、靈活的換擋控制邏輯
長城7DCT450的換擋控制系統由壓力調節閥及雙向流量電磁閥組成。
壓力調節閥根據TCU提供的節氣門開度、選擋杆位置等反饋信号将油泵輸出的油壓調節到設定值,流量電磁閥再引導液壓油至需要執行換擋的油路當中,完成換擋動作(此時的液壓換擋控制系統好比人的神經,将大腦TCU發出的信号傳遞至相應部位并使其做出動作)。
傳統的先導控制式電磁閥,其控制壓力和流量都比較低,不能直接驅動執行機構,隻能提供先導控制壓力,長城7DCT450為直驅式雙向流量電磁閥,比先導式具備更大的電磁力,可以直接控制換擋執行機構,同時減少了機械閥的數量,簡化了系統結構。其雙向流量機制可以讓介質在進口端和出口端雙向流動,不分進口和出口,進口當出口或出口當進口均可以正常使用,可以實現更靈活的油路導向。
另外,不同的變速器由于擋位數或擋位排列位置結構不同,撥叉和撥叉軸的數量及排列位置也不相同。一般提供7個前進擋、1個倒擋的雙離合變速器,當中一組離合器控制1/3/5/7擋,另一組離合器控制2/4/6和倒擋,總共有4個換擋撥叉,每個撥叉同時控制兩個擋位。而長城的7DCT450有8個撥叉,分别受4個獨立的電磁閥控制,每個擋位單獨使用一個換擋撥叉,這樣做雖然撥叉的利用率降低,也增加了成本,但提供了更靈活的換擋控制邏輯,具備任意直接切換擋位的條件,同時還能降低換擋沖擊,實現在各種條件下加快換擋響應時間。
電磁閥dither優化提升液壓控制模塊響應時間
除了通過換擋機構和控制邏輯來提升變速器的響應時間,長城7DCT450還通過對電磁閥Dither的優化來提升液壓控制模塊壓力穩定性以及響應時間。
電磁閥内部有兩個重要的零部件,閥芯和閥套,閥芯在閥套内部運動過程中存在兩種運動狀态,均會産生摩擦阻力,一種狀态是閥芯與閥套處于相對靜止狀态,當電流發生變化時,閥芯從靜止狀态開始運動,需要克服閥芯閥套間的靜摩擦力;另外一種狀态是閥芯與閥套處于相對運動狀态,閥芯需要克服閥芯閥套間的滑動摩擦力 。由于第二種狀态的滑動摩擦阻力遠少于第一種狀态的靜摩擦力,因此,在第二種狀态下,閥芯的響應速度也大于第一種狀态。
為了加快電磁閥響應時間,使電磁閥在工作過程中始終處于第二種狀态,便引入了 Dither優化的概念。Dither中文翻譯過來是顫抖、震顫的意思,這裡是指在發出的電流信号中加入一種周期性變化的信号,使電磁閥在工作過程中,閥芯一直處于一種微弱的震顫狀态,閥芯在這種震顫狀态下,可以消除閥芯在閥套内靜止到運動臨界狀态下的靜滞力,從而提高電磁閥的響應速度。如果不添加Dither信号,閥芯停止在某一位置之後,再運動時靜滞阻力增大,除了影響電磁閥響應速度,還會導緻控制系統産生滞後,導緻系統工作不穩定。長城7DCT450通過對Dither的優化,較同類型液壓控制模塊的響應時間減少了15%,壓力穩定性提高了5%。
高效冷卻系統
要維持雙離合變速器正常工作溫度,除了離合片本身的散熱能力,高效的冷卻系統也至關重要,濕式雙離合變速器的離合片浸泡在變速器油内,利用油液來冷卻離合器摩擦片,油液始終處于流動狀态,從而帶走離合片的熱量,但這種作用效果帶有一定的随機性,效率并不處于可控和最優化的狀态。
如何對散熱效果進行更有效合理的分布,長城提出了以離合器滑磨功、變速器油溫、離合器油溫和離合器鋼片溫度為導向的整箱流量分配控制方法,通過設定一定的采樣周期,根據上述雙離合器的滑磨功等動态參數,獲取流經離合器的冷卻油期望流量,然後通過調節流量閥,控制實際冷卻油流量和期望流量的差距,從而保證整箱各個部分冷卻油液的合理分配和散熱性能的穩定高效,以及全壽命周期内各部分摩擦材料均工作在最佳溫度區。
低洩漏電磁閥
以上有關雙離合器的結合和分離、換擋控制、油泵系統流量分配、溫度調節、零部件潤滑等功能的部件均需要變速箱液壓控制模塊參與,液壓控制模塊可以稱得上變速箱的心髒,但既然是液壓系統,便存在油液洩漏的可能,液壓系統洩漏會導緻變速箱離合器和換擋機構控制不穩定甚至完全失效,長城7DCT450便采用了多方面的措施,來保證液壓控制模塊低洩漏或零洩漏。
由于電磁閥體内有大量的液壓元件接口和油路工藝孔,液壓油路内部壓力差或密封失效等情況的出現均會造成電磁閥體洩漏,是液壓模塊主要洩漏源之一,也是變速箱的主要故障源之一。長城在設計階段便考慮到電磁閥體洩漏的各項因素,在設計、生産、測試、裝車等各個環節對閥體的質量進行控制。例如對于洩漏率有較大影響的閥體氣密性,在毛坯階段便充分考慮閥體的鑄造特性,根據模流分析優化閥體毛坯結構、嚴格設定閥體最小壁厚度、匹配熱膨脹系數接近的閥體和液壓元件等,降低成品氣孔、裂紋、壁厚過薄等缺陷産生的風險,從而盡肯能降低後期電磁閥體洩漏的可能性。
輕量化設計
長城7DCT450在能夠承受450N·m扭矩的前提下實現了小型化和輕量化設計,采用緊湊軸齒布局、窄齒寬設計,同時通過殼體拓撲優化減重、輕量化差速器設計、樹脂液壓模塊罩蓋開發、齒輪減重孔、鋼鋁混合撥叉、低油量設計等多種手段降低變速箱重量、縮小變速器體積,最終把變速箱的軸向長度控制在389mm,寬度和高度分别為643mm、414mm,重量81.5kg,相比同等扭矩的雙離合模塊重量降低8%。
可靠性和口碑
可靠性方面,7DCT450變速箱分别從質檢、台架試驗、整車試驗、路試、建立質量追溯體系等多個方面,以保障産品的質量穩定。
生産質檢環節,7DCT450變速箱完成組裝後需要經過一系列的檢測工位,例如氣密性檢測、換擋性能檢測、NVH性能檢測等環節才會正式下線,其在線檢測率為100%,這個過程雖然相對耗時,但能最大程度保證量産變速箱的品質。
台架試驗方面,長城通過采用20個變速器總成台架和9個零部件台架,以及完整涵蓋零部件單體、總成及整車的測試規範體系,以便盡早地發現軟硬件問題。
在整車試驗方面,長城汽車使用了1000多輛試驗車用于标定和整車耐久試驗,匹配4款發動機,測試項目達到26項,涉及到長城旗下所有橫置整車平台車型,整車在高原、高溫、低溫、高濕、山路、沙漠等極端環境測試,以檢測車輛在各種環境條件下的運行穩定及駕乘安全。
除了常規的變速箱台架試驗、整車試驗和耐久性試驗外,為了保證7DCT450變速箱在國内外複雜路況下的可靠性,長城收集了中國和歐洲20多個典型城市的典型道路譜,用于調整變速箱的控制邏輯。
對于出現問題的産品,從質檢、到生産、到研發,建立起一整套質量追溯體系。一旦發生用戶投訴,可以通過ERP、EAS、WMS、LMS等信息系統快速回溯,定位到具體部件,并調出相關檢測資料,進行質量核查與改進,從而不斷降低故障率。
具體質量反饋方面,通過第三方大型質量反饋平台車質網公布的數據,有關2021款哈弗H6的投訴共1264綜,涉及變速器的故障為75宗,比例為5.94%。
作為一款長期占據銷量冠軍位置的車型,哈弗H6保有量大,銷量越大遇到投訴的機會也相對更大,因此需結合哈弗H6的銷量來看待其投訴量,也就是所謂的投訴銷量比。同樣根據車質網的數據,2021年度哈弗H6整車的投訴銷量比為萬分之24.9,如果按比例具體到變速箱上,變速箱的投訴銷量比在萬分之1.3左右,處于較低的範圍。
在車質網搜哈弗H6的具體投訴問題列表,有關變速箱的投訴不多,隻有零星幾單關于異響頓挫的投訴。
總體來看,哈弗H6上搭載的這款7DCT450變速箱有着較高的市場保有量,但投訴量比較低,質量反饋是比較良好和穩定的。
同時也必須看到,無論AT還是DCT變速箱,都不能夠做到“100%無頓挫換擋”,究其原因是換擋必須中斷發動機和變速器之間的連接,換擋瞬間發動機轉速必然降低低,扭矩變化大,轉速及扭矩不匹配,出現短暫的發動機制動,這時頓挫就會出現。因此再優秀的雙離合變速箱也隻能把頓挫降到極低、或體感以外的程度。
總結和展望從2009年誕生第一台自主研發的汽油發動機,到2017年誕生第一台也是自主品牌首款自主研發的雙離合變速器,長城實現了從發動機到變速箱的全自研和生産,讓整車的兩大關鍵部件的知識産權掌握在自己手中,這無疑是長城同時也代表着自主品牌在關鍵零部件領域實現正向研發、邁向國際主流行列的重要一步。在随後的日子裡,第三代的7DCT300S、400S相繼推出,計劃在今年量産。并且誕生了擋位數更多的全球首款橫置9速濕式雙離合變速器、國内首款縱置9AT變速箱、GW4N20發動機、9HDCT變速器、9HAT變速器等新一代動力總成産品。
其中9DCT在7DCT的基礎上,性能進一步優化,采用緊湊型同步器設計、集成式TCU和傳感器系統,最大承載扭矩提升54%(693N·m),體積更緊湊(軸向搭載空間縮小5.8mm)、平均重量降低2.6%。
按照蜂巢易創在變速器領域研發的未來規劃,将分成I1.0-I3.0三個階段,9DCT的誕生,也表明長城已經步入了I2.0階段,将會誕生支持EV的集成式電橋、同軸電橋、支持四驅系統的9DCT等一系列I2.0時代的産品。
除了發動機和變速箱,蜂巢易創作為長城旗下子公司,涵蓋了動力、傳動、電驅、智能轉向四個主要業務,全面覆蓋燃油、混動、純電領域,除了能滿足長城自身供應,也會對外向其他主機廠輸出産品,意味着長城除了作為整車生産企業,也向着零部件供應商的方向在邁進。
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