自動變速科技未來大預測10速變速將成趨勢?

隨著全球交通情況愈來愈惡劣、駕駛人在公路上堵車的機會愈來愈多,數據顯示全球每年銷售的1.1億部新車中,選擇自動變速傳動系統的車主愈來愈多(即便在過去最擁護手動變速箱的歐洲市場亦是如此),隨著10速自動變速箱已經於2016年正式投放市場,以及DSG/DCT雙離合器變速箱、CVT無段變速系統近年來的快速發展,汽車自動變速科技未來發展趨勢為何?請看我們的分析。

文 許鴻德

在汽車工程師的眼中,車輛傳動系統的重要性不言可喻、也是提高車輛性能表現燃油使用效率的關鍵。也因此在手動變速箱(手排)與傳統液壓式自動變速箱(自排)技術逐漸成熟之後,汽車工程師們仍持續尋找傳統系統技術的突破!本文討論的液力式自動變速器(Hydraulic Automatic Transmissions)、CVT(Continuously Variable Transmission)無段變速系統以及DSG/DCT(Direct-Shift Gearbox)雙離合器變速箱就是在前述時空背景下所出現的產物。傳統(Transmission)系統有多重要,我們可從包括M.Benz、GM、Honda等都選擇自行製造的決策看出端倪。

包含2017年式Chevrolet Camaro ZL1與Ford F-150都已搭載了全新10速自排變速箱。

10速自動變速箱問世成為市場焦點

傳統4速自動變速箱在20多年前就開始使用,後來的6速、7速、8速甚至是9速變速箱,可見變速箱科技發展有多迅速;20年前如果我們預言一般民用車型將搭載比F1賽車檔位還多變速箱,多數讀者可能認為是在痴人說夢、今天卻已成為現實──2017年F1賽車使用8速變速箱、2017年式Chevrolet Camaro ZL1則已搭載了全新10速自排變速箱!

這款全新的10速自排變速箱由Ford與GM集團從2013年開始共同開發,而日前GM全球產品總監Mark Reuss在接受媒體訪問時表示,目前GM集團旗下除了首款搭載10速自排變速箱的Camaro ZL1之外,接下來到2018年之前至少會有8款車型配備10速變速箱,Ford品牌也將有100萬部新車(首先使用於F-150小貨卡)搭載這款變速箱。外界預測GM集團旗下接下來會使用10速自排變速箱的車型可能是Cadillac Escalade、Chevrolet Suburban之類的全尺寸大型SUV,或是Chevrolet Silverado以及GMC Sierra 1500等大型Pickup小貨卡車型,以兼顧優異的動力輸出以及日益嚴苛的油耗排汙檢測。加上Aisin也正大力推廣新推出的10速變速箱(首先用於LC400車型),Honda則於2015年東京車展上展出了用於橫置引擎平台的10速變速箱(將使用於未來投產新車),預估2018年全球每年搭載10速變速箱的車輛有望突破1000萬部,與目前相比(2015年搭載8速以上變速箱之新車年銷量僅250萬部)有明顯提昇。

而10速可能不是自排變速箱發展的終點:Honda繼10速變速箱之後,又在2016年5月向日本專利局提出11速變速箱的專利申請,將變速箱檔位數再推向更高層次。Honda未來的變速箱設不但有「11個檔位」、更採用「3離合器」設計,並訴求「更有效率的換檔過程」和「更快的換檔反應」。Honda發表10速變速箱時亦表示相較於自家的6速變速箱、10速變速箱將可提高6%的節能表現及30%的換檔反應。可想見前兩項數據在11速出現後後將更有提昇,使用3離合器的設計也有望降低雙離合器變速箱造成扭力損失的現象。

液力式自動變速系統進步的背後含意

僅僅在幾年前,汽車產業人士的共識是8速或者9速自動變速箱平順性和燃油經濟性已經足夠好,10速變速箱似乎是多此一舉。前述想法不無道理,甚至在2015年M.Benz研發部門仍堅持其沒有興趣研究超過9個檔位的自動變速箱,因為該廠通過超過810億次電腦類比資料測試之後,發現目前的9G-Tronic變速箱是最好的產品。變速箱大廠ZF過去也指出9檔是目前自動變速箱的極限,更多的檔位代表著更複雜的結構和更大的自身重量,這對於節能沒有任何意義。

2015年,Mercedes研發部門曾堅決表示他們沒有興趣研究超過9個檔位的自動變速箱。

事實上並不是傳統的液力式自動變速系統沒有進步的空間,而是傳統自動變速箱對扭力轉換器(Torque convertor)依賴過大,導致傳統變速箱的結構在體積和成本上難以實現多方位統一。在6檔之上再增加一個檔位所付出的研發與製造成本十分巨大(製造上需再增加一組行星齒輪與一組多片式離合器),而取得的實際效益卻不高,最重要的是變速箱體積一大再大,已經影響了車輛輕量化的整個發展道路。

然而傳統自排變速箱內的扭力轉換器能根據外界負荷大小自動改變速度和扭力,但始終擺脫不了傳動效率低、燃油經濟性差的缺陷,低效率低帶來的另一個缺點是發熱量大;另一方面,傳統自排變速箱的結構複雜、重量與體積大的特色導致其成本居高不下。為突破前述限制,汽車工程師在材料技術與變速箱工作原理上締造突破:首先是6速以上的變速箱其扭力轉換器的作用僅僅是緩解換檔衝擊,其他時候扭力轉換器都是鎖死的(以提高傳動效率)。Honda車廠過去的傳統自動變速箱採平行軸式,這種平行軸也遇到了檔位數無法提昇的尷尬,因此Honda已決定放棄類似結構並改用雙離合變速箱,並搭配使用扭力轉換器,如此一來雙離合變速箱的質量問題得到解決,而檔位數也得到很大的提昇。

隨著技術進步,變速箱內的行星齒輪組與多片離合器在強度和耐久性不變下可以做得更小更輕,也抑制了因檔位數目提昇所導致的體積與重量問題;可以看出10速(紅)和過去8速變速箱(藍)體積相差不大。

第二是隨著合金材料技術與加工工藝的進步,變速箱內的行星齒輪組與多片離合器在保證強度和耐久性的前提下可以做得更小更輕,這使得檔位數目提昇所導致的體積與重量負面影響被有效抑制。Aisin與GM的10速變速箱甚至只使用與9速變速箱相同的4組行星齒輪(但排列與構造改變)。如此一來檔位增加的優勢更為突出:液力式自動變速箱的平順性並非由檔位數決定,更多的是與換檔邏輯的設置以及扭力轉換器的調校有關,更多檔位帶來的直接優勢是擴大變速箱的變速範圍,這可實現提昇低檔位的扭矩輸出(車輛提速更快)及降低高速巡航時的轉速(提昇車輛燃油經濟性),更多檔位也有利增加扭力轉換器總成內部離合器鎖止範圍,在更低的車速下就讓引擎與變速箱實現硬連接、提昇傳動效率,對燃油經濟性有更大助益。我們可以說液力式自動變速系統的進步代表了汽車傳動技術發展又上了一層台階。

隨著技術進步,變速箱內的行星齒輪組與多片離合器在保證強度和耐久性不變下可以做得更小更輕,不僅對體積與重量等負面影響被有效抑制,Aisin與GM的10速變速箱甚至使用與9速變速箱一樣、僅排列不同的4組行星齒輪,檔位增加的優勢更為突出。

雙離合器變速箱快速成長有跡可尋

由於8速以上液力式自動變速箱的製造成本仍高,加以最適用的仍為大扭力、大排量車型,多數車主最有機會使用到的可能仍是DSG/DCT(Direct-Shift Gearbox)雙離合器變速箱,這也是近年銷量成長速度最快的變速系統!雙離合器變速的控制理論其實早在70多年以前就已出現,不過當時由於技術限制而無法實現。從上個世紀80年代開始,雙離合器變速箱開始出現在以競技為用途的比賽車輛中(Porsche與Ferrari率先使用)。DSG變速箱宣稱擁有民用車最快的換檔速度,這要歸功於內建的秘密武器:1、3、5與倒檔使用一組多片式離合器,2、4、6檔使用另一組離合器的雙離合器系統。此系統可預先判斷車主下一個檔位(升檔或降檔)而驅動另一個離合器預先進檔,所以換檔速度僅需8ms(微秒)。

歸功於1、3、5、倒檔與2、4、6檔使用不同的離合器,這套雙離合器系統讓DSG變速箱宣稱擁有民用車最快的換檔速度。

而真正造就DSG變速箱大趨勢的關鍵還是「油價高漲」以及對「增加車輛節能性」的需求!DSG變速箱的主要目的從過去「提昇性能與駕駛樂趣」轉變為「滿足日常駕駛所需」,其使用模式大幅改變的同時,工作原理也不斷改善:BorgWarner執行長Timothy Manganello曾表示新款DSG變速箱的成本將低於CVT變速箱及傳統自排變速箱。在消費者日後的維修上,BorgWarner的工程師也持續不斷改善:DSG變速箱問世之初,其動力接合設計為濕式多片離合器,起步時離合器與傳統手排變速箱一樣處於半接合狀態,由於雙離合器結構在使用過程中不斷消耗、加上DSG變速箱離合器結構完全包覆在本體內,車主日後維修的代價可想而知。但變速箱大廠BorgWarner並沒有漠視此問題,之後推出了採用單片乾式離合器的7速DSG變速箱。新款DSG變速箱適合多數小排量引擎車型,而且離合器結構獨立於變速箱本體外、不但更換容易還可降低維修成本。義大利Fiat集團採用的乾式雙離合器(Dual Dry Clutch、簡寫為DDC變速箱)技術則由Fiat Powertrain Technologies公司開發,乾式離合器比濕式雙離合器變速箱重量更輕、對冷卻系統的需求卻更少。

新款DSG變速箱適合多數小排量引擎車型,而且離合器結構獨立於變速箱本體外,適用之扭力範圍也愈來愈大。(圖為獲得2014年《WHATCAR?》最佳露營拖車1550~1699kg級距、搭載DSG的VW Passat Estate)

隨著DSG變速箱逐漸趨於成熟,Audi負責研究駕駛行為的高級工程師Ralph Riegger證實他們已經停止CVT變速箱的研發工作,下一代Audi車內將不再使用CVT傳動技術、而以7速DSG變速箱全面取代、甚至整個VW集團也規劃檔位與使用效率更高的10速DSG變速箱(但傳聞目前計畫暫緩)!變速箱檔位數目的增加不但可減輕引擎負荷、更有利於燃油經濟性、廢氣排放降低和動力輸出平順性,帶給消費者更好的駕乘體驗與樂趣。考慮到檔位的增加將帶來機械設計的複雜性與製造成本度,預估乘用車變速箱檔位不太可能再超過10速。

CVT變速箱仍有廣大發展空間

相較於DSG與液力式自動變速的快速進步,可能有讀者認為CVT(Continuously Variable Transmission)無段變速系統並不值得一提!然而在複合材料與電子控制技術的幫助之下,今日的CVT變速箱性能已不可同日而語。有人認為使用DSG變速箱的車輛性能更為優異,其實這並非事實:因為F1賽車也曾試用過CVT變速箱。F1工程師眼中的理想世界,就是讓引擎能夠在最長的時間以最佳效率(可能是最大扭力或最大馬力狀態)運作,但這個目標在傳統的變速箱設計上因為受限於齒輪組的數目限制而困難重重、唯一有可能實現這個夢想的變速箱設計原理就是CVT無段變速系統。

Williams車隊曾將搭載CVT系統的賽車命名為FW15C,並由當時的測試車手David Coulthard進行測試。Coulthard在測試後對這部賽車大為激賞:FW15C不但在加速過程中毫無間斷,他也可以使用過去在Go-Kart小型賽車上的「左腳煞車」技巧(Kart賽車就使用CVT系統),Williams車隊甚至開發出一個可讓車手在駕駛時調整最佳引擎轉速的開關(當領先對手一段距離時,可選擇減輕引擎負荷)。

CVT變速箱透過兩個半徑可以改變的滑輪來模擬傳統變速箱內的不同齒輪比例,而日本車廠由於多數生產在都會區使用的小排量車型,所以較偏好CVT變速技術。

事實上在所有變速箱技術中,CVT變速箱仍是最平順的,沒有之一。Audi的琵琶別抱也沒有阻止其他車廠技術支持CVT變速技術的態度,反而更積極改善其技術缺陷(以Renault-Nissan集團為首)。根據調查顯示,部分消費者對CVT變速箱沒有好感,其原因是起步加速較無感的「皮帶效應」、以及因先天結構存在扭力承受上限而導致較長時間高負荷運作的可靠度瓶頸。「皮帶效應」是指使用傳統CVT變速箱的車主經常感覺到「車速與引擎轉速不一致」的現象(引擎轉速已大幅提昇、但車速卻沒有上昇),此現象容易讓車主產生「加速性能不佳」的錯覺。加上由於沒有固定檔位,「降檔加速」等技巧並無用武之地而導致操作感下降。

針對前述抱怨,包括Audi、Nissan與Mini都搭載「手自排模式」(Drive Sport mode),這是透過限制CVT變速齒比而衍生的功能,讓CVT變速箱在平穩上昇曲線加速時在特定齒比「暫停」進而「模擬」出傳統變速箱換檔的效果(如果有需要、甚至可以模擬出100檔),透過增設「虛擬檔位」的電腦控制程式、讓車主產生類似「使用手排變速箱」感覺的方式來克服「皮帶效應」,使得駕駛過程中「CVT不再那麼像CVT」。Nissan更推出了「D-Step」換檔邏輯,該技術已使用於Nissan Versa、Versa Note、Sentra、Altima V-6、Pathfinder和Quest等車型。在「D-Step」換檔邏輯下,CVT變速箱透過軟體控制在4000rpm轉速條件下,根據車速調整滑輪比例、帶給駕駛人傳統自動變速箱的換檔感受。

目前Nissan集團是目前CVT技術的最大支持者(甚至以XTRONIC名稱專門行銷),旗下從小型車到3.5L大排量車,基本都是使用JATCO公司(Nissan持股75%)提供的CVT變速箱,其產品有完整體系並涵蓋各種排量和動力輸出、性能與成本領先優勢十分明顯。

行文至最後,還是要提醒讀者:世界上沒有「最好的變速箱」、只有「最適合自己情況的變速技術」,小排量車型使用10速變速箱的意義不大、反倒是CVT技術能在性能與油耗上締造最好的平衡性,這也是近年CVT變速系統的全球市佔及成長速度仍十分出色的根本原因。

Williams車隊將搭載CVT系統的賽車命名為FW15C,並由當時的測試車手David Coulthard進行測試且取得不俗成績。

目前Nissan集團是目前CVT技術的最大支持者(甚至以XTRONIC名稱專門行銷)。

Nissan集團旗下車款基本上都使用JATCO公司(Nissan持股75%)提供的CVT變速箱,性能與成本領先優勢十分突出。

隨著電動車的持續普及,未來我們使用的車輛甚至可能不需要使用變速箱。

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