赵福全对话徐向阳:变速器是整车电气化及电动化的关键技术
作者: 发布时间:2019-02-05 来源:本站 点击:

  中国汽车产业零部件关键技术长期以来受制于人,发动机、变速箱和底盘三大核心技术的落后,是中国汽车工业“大而不强”的根本原因。核心技术的突破,成为中国汽车产业人的使命。

  2017年1月,在人民大会堂举办的国家科技颁奖典礼上,北航交通科学与工程学院徐向阳教授,作为第一完成人完成的项目“前置前驱8挡自动变速器(8AT)研发及产业化”,获得2016年度国家科技进步一等奖。作为新中国成立以来,第一个获此殊荣的汽车零部件项目,徐向阳教授在变速箱领域的研究填补了国内技术空白,成功打破了国外企业对变速箱技术的封锁和市场垄断,中国拥有了世界领先的汽车自动变速器生产技术。

  第十二季《赵福全研究院》有幸邀请到北京航空航天大学汽车工程系教授、国家乘用车自动变速器工程技术研究中心常务副主任徐向阳教授,就“汽车技术创新”主题,畅谈中国汽车工业如何完成“由大到强”的转变。对变速器技术研发的经历,徐向阳教授认为靠买技术图纸进行跟随研发,是永远也超越不了国外技术。一定要有新的理论、新的方法、新的技术手段去突破国外专利的封锁,创新提出全新的方案才能有技术上的突破。同时,他指出中国汽车动力总成落后国外是客观事实,中国变速器产业应该借助自发或者国家组织建立的行业组织,成立动力总成技术创新联盟,联手攻关关键技术。

  此外,在新能源趋势下,徐向阳对变速器与电动车之间的关系,以及变速器产业的未来趋势进行了分享。

  变速器的价值在于,作为核心部件它很大程度上决定着汽车动力性、经济性和可靠性等关键技术指标,因此变速器是汽车产品核心竞争力的体现。实际上,很多企业都把变速器作为自己的核心竞争力,将其打造为技术品牌标签。

  一款变速器从开发到量产,是一个从基础研究到工程技术、制造技术,再到试验测试技术,最后到整车标定匹配等支撑技术的完整过程,这些环节缺一不可,只要有一点没有突破,就无法做出优质的变速器产品。

  如果买图纸跟着他们的方案来做,是永远也超越不了国外技术的。因此一定要有新的理论、新的方法、新的技术手段去突破国外专利的封锁,创新提出全新的方案,这是自动变速器攻关中非常困难的一点。

  自动变速器是多学科多领域技术集成的成果结晶,自动变速器的研发不只是设计方案先进或落后的问题,也不只是某一个关键零部件的制造问题,而是中国高精尖整车、整机研制水平和制造业综合实力的体现。

  中国自动变速器市场肯定也会是多种技术路线同时发展的格局,不可能某一种类型的自动变速器在所有车型上都广泛使用。

  现在国内的自动变速器在技术上并不落后国外,某些指标我们还要略优,也有个别指标略差,总体来讲技术水平相当。

  中国变速器产业应该借助自发或者国家组织建立的行业组织,成立动力总成技术创新联盟,联手攻关关键技术。要把研发机构、整车企业、发动机企业、变速器企业及其他关键零部件企业都吸引到联盟中来,由国家提供政策和资金上的支持,让各方各司其职、共同努力。

  电动车本身仍然需要变速器。只是不会像传统汽车一样需要那么多个挡位,因为电机特性确实比较好。电动乘用车用2-3挡变速器,电动公交车用3-4挡变速器,即可获得良好的能耗经济性,而且结构也比较简单,性价比很好。

  赵福全:各位网友,大家好!欢迎大家来到凤凰汽车“赵福全研究院”高端对话栏目,我是栏目主持人、清华大学汽车产业与技术战略研究院院长赵福全。今天我们非常荣幸地请到了国家乘用车自动变速器工程技术研究中心常务副主任、北京航空航天大学汽车工程系徐向阳教授。徐教授,欢迎您!

  赵福全:您多年来一直致力于自动变速器的研发,取得了丰硕的成果。两年前您领衔开发了世界上首款前置前驱8挡自动变速器(以下简称8AT),这个项目荣获了2016年国家科技进步一等奖,这也是迄今为止中国汽车零部件行业唯一的国家科技进步一等奖。上个月末,您分享8AT研发方法的新书也问世了。应该说,您长期扎根于自动变速器领域的科学研究和产业化推广,为中国自动变速器产业的发展立下了汗马功劳。作为学者,您的贡献很了不起。

  今天借此机会,想和您交流一下自动变速器的发展现状、主要问题以及未来机遇。本栏目今年的主题是“汽车技术创新”,而自动变速器是传统动力总成中重要的组成部分,也是一直困扰中国汽车产业的核心技术之一。变速器其实不是简单的零部件,而是一个总成,是一个传动机构。您研究自动变速器这么多年,感受肯定很深,首先请您和我们分享一下中国自动变速器产业的发展情况。

  徐向阳:感谢赵院长的邀请。变速器是汽车动力总成的核心部件,行业普遍认为自动变速器是汽车上技术含量最高、最复杂的产品之一。长期以来,国内自动变速器严重依赖进口和外资供应商,这主要是因为国内外开展自动变速器技术研究的时间相差非常大。

  一般认为,国外自动变速器的研究开始于1937年,以通用把自动变速器安装在奥兹莫比尔汽车上为标志。而国内自动变速器的研究是从本世纪初才开始的,相比之下有70年的差距。我们开始研究自动变速器时,这一领域的人才储备、产业链、核心技术和行业标准等方面都基本处于空白状态。要改变这种状态是非常困难的,涉及到方方面面的突破。

  经过十多年的自主创新,国内自动变速器产业已经取得了非常大的进步。以盛瑞为代表的一些企业,在8AT技术上取得了产业化突破。上汽混合动力电驱变速器EDU也取得了重大突破。此外,吉利长城的7速双离合变速器(7DCT)也在去年实现了产业化。可以说,最近十年来,自动变速器是中国汽车技术创新中最活跃的领域,也是成效最显著的领域。

  结合市场数据来看,可以更直观地看到中国自动变速器领域的成果。2013年之前,中国自主自动变速器的市场份额几乎是0,2014年市场份额约占1%,2015年约3%,2016年约7%,2017年达到了12%。我预计到2018年底,自主自动变速器的市场份额将接近20%。

  赵福全:您刚才讲自动变速器复杂,技术攻关很难。但是核心技术不只是难的问题,更要有价值,否则也没必要去做。那么自动变速器的重要性如何?它在汽车动力传动系统中的价值体现在哪里?

  徐向阳:变速器的重要性在于它是汽车上不可或缺的一个总成。汽车的行驶工况非常复杂,现在汽车的最高车速可以达到每小时200公里,还有速度更高的车型;而在怠速工况下,车速只有每小时5-6公里,最低车速和最高车速之间的跨度是40倍。我们知道,发动机在怠速状态下转速约为每分钟800转,在车辆行驶中最高转速大概可达每分钟6500转左右,高低转速之间的跨度是8倍。如果用发动机直接驱动,其转速和扭矩特性并不能满足汽车的行驶需求。所以必须要有一个变速机构,把发动机的转速和扭矩进行适当地调节,使其满足行驶需求。从这个角度来讲,变速器是十分重要的核心部件。

  总之,一款变速器从开发到量产,是一个从基础研究到工程技术、制造技术,再到试验测试技术,最后到整车标定匹配等支撑技术的完整过程,这些环节缺一不可,只要有一点没有突破,就无法做出优质的变速器产品。

  赵福全:如果我们买来图纸,按照人家成熟的变速器方案来开发,难道就不能做好吗?这其中是制造更难,还是设计更难?如果做个排序,您觉得哪个环节最难?

  徐向阳:很难说哪个环节更难,不同的阶段各有各的难点。在设计阶段,最大的难点就是方案设计。因为变速器作为核心技术,跨国公司建立了很多的技术壁垒,包括知识产权方面的布局。跨国公司围绕自动变速器注册了很多专利,这些注册过专利的结构和方案就不能再用了。所以在开发之前,我们还必须对现有变速器的专利进行系统的研究。例如6挡及以上的AT,比较好的传动方案差不多都已经被跨国公司注册了专利。

  徐向阳:是的,核心技术都被专利保护起来了。如果买图纸跟着它们的方案来做,是永远也超越不了国外技术的。因此一定要有新的理论、新的方法、新的技术手段去突破国外专利的封锁,创新提出全新的方案,这是自动变速器攻关中非常困难的一点。上百亿个方案不可能靠人工去筛选,我们需要设计理论的创新。

  赵福全:正如徐教授介绍的,自动变速器既涉及到基本的机械结构,也涉及到材料,更涉及到液压、传动、电控和制造,所有这些技术共同构成了自动变速器的产品竞争力,最终体现为性能、效率、噪声、重量、体积等技术指标。

  实际上,变速器领域面临的问题可以说是中国汽车产业目前面临问题的缩影,因为自动变速器是一个“古老”的学科,是一个机电液控一体化的集大成者,是多学科多领域技术集成的成果结晶,任何一方面落后都会成为创新道路上的“绊脚石”。所以,自动变速器研发不只是设计方案本身先进或落后的问题,也不只是某一个关键零部件的制造问题,而是中国高精尖整车、整机研制水平和制造业综合实力的体现。

  下面我们来谈谈您主导的变速器技术创新成果。刚才说到发达国家的汽车工业已经有一百多年历史,自动变速器也有超过80年的发展史,期间产生了很多专利,形成了森严的技术壁垒。在这种情况下,由您作为第一完成人的8AT自动变速器研发与产业化项目取得了成功,一举荣获国家科技进步一等奖,这非常不容易。那么,这个项目的独到之处在哪里?为什么在如此困难的情况下还能实现重大突破呢?这款自动变速器产品从专利、设计和性能的角度,都有哪些优势?

  徐向阳:首先,8AT项目实现了传动方案上的创新,从而突破了国外专利的封锁。我们刚开始启动这个项目的时候,国际上还只有6AT,国外专利保护的6AT技术主要是三自由度的行星齿轮机构,这种结构下较好的技术方案都被国外专利封锁了。所以当时我们面临两个选择:一个是继续做6AT研发,那只能仿造别人的6AT,但跟随永远也不可能超越,我们最终摒弃了这个选择;另一个就是努力突破专利封锁,想办法找到新的传动方案。

  为此我们开发了一套寻找优秀方案的算法,不再分析三自由度,而是直接去分析四自由度的结构,在四自由度行星齿轮的所有组合里去寻找新的传动方案,以便在技术上超跃国外。在这种情况下,我们决定直接做8挡变速器,因为挡位越多,变速器的速比范围就越宽,也就可以和发动机有更好的匹配,从而更大地降低燃油消耗。基本上变速器每增加一个挡位,可额外节油3%。从6AT到8AT增加了两个挡位,意味着可以多节油6%。

  最终,我们成功做出了世界上首款前置前驱8AT产品。在这款产品上,我们取得了三个重要的创新突破。

  第一,传动方案的创新。我们创新地提出了一个四自由度、双轴、复合传动的变速器方案。既有行星齿轮传动,又有定轴齿轮传动,行星排布置在两根平行轴上。不仅突破了国外的专利,而且因为挡位数的增加,变速器更为高效。这是一个非常重要的创新。

  第二,机电液精准控制的创新。装备自动变速器的车辆,在行驶中挂到前进挡就可以了,随着驾驶员踩油门,挡位会自动切换。但是如果换挡过程不平顺,驾驶员就会觉察到车辆的顿挫,驾驶感受就不好。如何确保行驶中自动变速器的挡位切换能够不让驾驶员感到不适呢?要做到这一点,不仅要把机械部分和液压部分分别设计好,而且要把两部分集成好,使挡位精准控制在正确的时间节点进行正确的切换,同时对换挡的控制也要非常平顺。在开发过程中,我们主要在软件上下了很大的工夫,提出了敏捷控制策略,并在控制过程中使用了聚类算法,保证了换挡的平顺性。

  第三,保证批量制造产品一致性的创新。变速器产业化涉及到机械、液压、电子等各种各样的零部件,一条年产30万台变速器的生产线,必须保证每一台下线的产品都是合格的。而且变速器的使用寿命要按照30万公里设计,以确保汽车行驶30万公里内的换挡品质不会变差,这对变速器出厂时品质的一致性要求极高。为此,我们在零部件制造的精度控制和装配的精细工艺上做了很多创新。此外,变速器还要在使用过程中保持品质一致性。由于机械零件使用一定时间后必然会有磨损,造成零件之间的间隙变大,要在这种情况下保持变速器的工作状态如同新出厂时一样,难度可想而知。针对这个问题,我们在控制软件上做了很多工作,通过大量自适应和自学习的算法,让变速器在使用过程自行调整,来解决由于磨损造成的换挡品质下降和性能衰退问题。

  总结来说,8AT研发项目主要实现了三大突破:即传动方案的创新;机电液精准控制的创新;批量制造产品一致性的创新。这个项目不仅仅是工程上的优化,而是基于基础科研的创新完成了传动方案的理论创新,又在创新方案的基础上,融合了工程技术方面的创新,包括控制软件、控制算法和控制策略,我们都提出了很多全新的方法和策略,这样才最终实现了变速器产品的高度一致性,保证8AT在运行30万公里内都能确保换挡平顺且性能稳定。

  赵福全:8AT自动变速器项目确实克服了来自多方面的挑战,解决每个方面的问题都要有自己的独到之处,否则不可能设计出受到行业认同的8AT产品,更不可能获得国家科技大奖。这其中既有结构问题,也有材料问题,既有传动效率的问题,也有机电液一体化控制的问题,最终还要优化制造体系来支撑这款产品的大批量生产。说到这里,想问一下徐教授,一款变速器的优劣应该从哪几个角度来评价?

  徐向阳:评价变速器有几十个关键技术指标。其中,最核心的评价指标有四个:一是传动效率;二是轻量化设计,轻量化与功率密度、扭矩密度息息相关;三是换挡品质,要保证换挡具有良好的平顺性,无论是动态还是静态;四是NVH(NoiseVibration Harshness,噪声振动)性能。此外比较重要的指标还有设计输入扭矩和输入转速,这两个指标在轻量化指标中也有所体现。

  徐向阳:我们做过对比测试。从传动效率的角度讲,单独看最高传动效率没有意义,要看变速器在循环过程中的综合效率。综合效率反映了机械、液压、电控系统的综合技术水平,包括变速器与发动机、整车匹配标定和系统集成的技术水平。我们的8AT与国外主要竞争对手的6AT产品相比,在NEDC工况测试中综合传动效率高3.7%,这是很重要的一个指标。同时,在外部尺寸上,我们的8AT要比国外的6AT短两毫米。

  赵福全:您研发的是8AT,比6AT更复杂,然而尺寸却更短小。这里说的尺寸是轴向尺寸,轴向尺寸对于轿车的总布置来说太重要了。

  徐向阳:是的,我们把8挡自动变速器做得比国外6挡自动变速器还要短,这一点非常不容易。另外,经过主客观评价,我们的8AT在换挡品质上也做到了与国外变速器处于同等水平。而在不同的转速和扭矩下的NVH对比测试中,我们8AT的噪声也比国外变速器低2-3分贝。

  赵福全:刚才我们了解了8AT研发及产业化的情况,也谈到了这款自动变速器与国外同类产品之间的对比,应该说,这个项目确实非常不容易,获得国家科技大奖可谓实至名归。接下来让我们围绕自动变速器技术展开探讨。徐教授,自动变速器主要有哪几种?不同种类的自动变速器各有哪些优缺点?

  徐向阳:现在产业化的自动变速器有四大类:第一类是AT(液力自动变速器);第二类是AMT(机械自动变速器);第三类是CVT(无级变速器);最后一类是DCT(双离合器变速器)。这四种类型的自动变速器结构和工作原理都不一样,各有优缺点,适合的车型也不相同。它们的核心零部件既有共性的又有个性的。

  概括来讲,AT的优点是扭矩范围非常广,所以可以适合各种类型的车型。但是AT采用行星排结构,比较复杂,同时国内行星排的产业化基础相对比较薄弱。

  相比之下,AMT是在手动变速器的基础上,增加了一套机械装置来实现自动换挡,而国内有传统手动变速器的产业基础,但是在控制技术上仍然较为薄弱。另外,由于AMT在换挡过程中有动力中断,乘用车消费者通常不太接受,它适用于价格偏低的入门级车型。

  CVT的原理是通过摩擦实现传动,因此CVT本身的传动效率在四种变速器中是最低的。但是它可以实现无级变速,能够尽可能地去贴近发动机的最佳工作曲线,所以这种变速器与发动机集成在一起,作为动力总成的整体效率还是可以的。不过CVT有一个很大的缺点,就是最大扭矩受到限制,目前最好的CVT扭矩大致可以做到400牛米,更适合于中小排量的车型。

  最后,DCT采用了一个双离合器模块,通过交替传动完成换挡,其优点是换挡更快捷。不过DCT的结构总体上不比AT简单,虽然很多人认为它更简单,其实由于它有双离合器模块,还有一套液压模块,结构是比较复杂的。DCT的扭矩范围比较宽,搭载DCT变速器的跑车在极限工况下可以传递大约1000牛米的扭矩,在乘用车上DCT的最大扭矩通常约为500-600牛米,干式DCT要比湿式DCT传递的扭矩更小一些,所以DCT适用的汽车类型比较多。但是DCT不太可能应用到大型商用车上,主要是因为双离合模块摩擦生热的问题较难解决。

  赵福全:现在这几类自动变速器技术发展得都比较成熟。正如徐教授介绍的,每种技术都有它的优点和缺点。各家企业需要根据自己产品的类型和价格、以及企业内部的技术积累等多个因素选择变速器的类型。

  那么这四种主流自动变速器未来的发展前景如何?您更看好哪一种?或者说您觉得哪一种会有更大的发展空间?为什么?实际上,美国、欧洲和日本汽车市场上都有占主导地位的自动变速器类型,像美国就是绝对以AT为主,中国市场未来会不会如此呢?

  徐向阳:我个人觉得中国的汽车市场太大了,目前年销量已经接近3000万辆。在这么大的市场里,各种车型都会有空间,所以中国自动变速器市场肯定也会是多种技术路线同时发展的格局,不可能某一种类型的自动变速器在所有车型上都广泛使用。

  我曾经做过一个数据统计,国内合资车企和自主车企自动变速器的类型以及产能规模状况:截至目前的规划,到2020年DCT的产能将达到年产1000万台,约占自动变速器整体产能的50%;AT的年产能大概在600多万台;CVT的产能则是年产300万台左右。根据这个数字我们基本上就可以预测到2020年三种类型自动变速器的市场份额。AMT主要是用在低端车型上,量相对较少,年产量估计约20-30万台。另外,国内商用车自动变速器要比乘用车落后一些。

  赵福全:粗略算下来,2020年这几种自动变速器的产能加起来接近2000万台。自动变速器在中国有那么大的市场吗?现在自动变速器在汽车上的搭载率是多少?如果按汽车年销量3000万辆计算,中国自动变速器的产能会不会出现过剩?

  徐向阳:国内自动变速器的搭载率在逐年上升。以乘用车为例,自动变速器的搭载率在2015年第一次超过50%,达到51%;2018年搭载率则有望达到60%,搭载率正在高速增长。2017年中国乘用车销量为2472万辆,如果2020年以乘用车年销量为2500万辆来计算,再考虑到搭载率继续提高的因素,从市场需求的角度讲,基本上应该处于产能与需求平衡的状态。

  赵福全:目前各国都在开发AT、AMT、CVT、DCT四种自动变速器,相比之下国内和国外的技术水平是否存在差距?如果存在,差距有多大?具体表现在哪些方面?

  徐向阳:经过这十多年的自主创新,国内自动变速器行业已经基本掌握了这四种类型自动变速器的核心技术,技术难关都已经突破,现在正处于产业化突破的关键时期。

  从技术指标上来看,现在国内的自动变速器在技术上并不落后于国外。大家同台竞技,某些指标可能我们还要略优,也有个别指标略差。总体的评价应该是技术水平相当。

  然而国内外自动变速器在产品上仍然存在一定差距,主要体现在两个方面:一是零部件的供应。国内自动变速器的很多关键零部件还需依赖国外供应商提供,比如CVT最核心的零部件钢带,DCT的双离合器模块,还有一些电控机构如TCU(Transmission Control Unit,自动变速器控制单元)等,都是掌握在少数国外企业手中。而国内供应商,无论是零部件的配套能力,还是技术水平和质量管理水平,都还有不小的差距。二是自动变速器和发动机、整车的集成与协同控制能力,这方面也有比较大的差距。

  赵福全:关键零部件供应的缺失和系统集成能力的差距,导致中国自主自动变速器的作用没有完全发挥出来。

  徐向阳:情况还不仅如此,变速器研发与发动机和整车集成的关系十分密切。而发动机的控制器ECU还掌握在外资企业手中,很多核心能力我们还不具备。要知道在变速器和发动机匹配标定的过程中,如何把变速器的性能发挥到最好,这不只是变速器自身的问题。比如换挡的时候,发动机扭矩需要进行变化,发动机能不能快速响应扭矩变化的需求,直接决定换挡的时间,也影响开车时的驾乘感受。如果发动机不能优化调整,变速器的匹配标定就会受影响。动力总成与整车的集成也会遇到类似的问题。也就是说,由于我们在发动机和整车控制方面存在短板,影响了变速器和发动机以及整车集成以后的整体性能,导致我们的变速器表现得好像要差一些。

  赵福全:由于变速器是动力传动机构,很多涉及车辆动力表现的情况,即使并不是变速器的问题,用户也会把问题归罪到变速器上。比如驾驶员踩下油门,发动机响应比较慢时,转速延迟一点时间才提升上来,这实际上是发动机控制的问题。然而表现出来的却是换挡慢或者换挡有顿挫感,用户会认为这是变速器的问题。

  徐向阳:客观来说,如何把发动机加变速器的动力总成集成、协调和控制好,在这方面国内外还有明显的差距。毕竟国外的自动变速器研究已经有八九十年的历史,而中国只有十多年的时间,积累远远不够。

  赵福全:作为自动变速器领域的学术领军人,您认为应该如何解决这些问题?国家、行业、企业、高校各自应该做些什么?请您给一些建议。

  徐向阳:我认为要想把这个差距缩短,最终赶上并超越竞争对手,单靠某一方面的力量肯定是不够的,应该把国内外的产、学、研、用资源都整合起来。高校的优势是基础研究、控制策略和控制算法;企业的强项在工程技术和制造技术;行业要思考如何把整个产业链打通;国家则应出台相关政策,建立并完善标准体系。

  对此,我的建议是:国内外动力总成存在差距是客观事实,中国变速器产业应该借助自发或者国家组织建立的行业组织,成立动力总成技术创新联盟,联手攻关关键技术。要把研发机构、整车企业、发动机企业、变速器企业及其他关键零部件企业都吸引到联盟中来,由国家提供政策和资金上的支持,让各方各司其职、共同努力。同时,国家还应通过标准和法规引导和激励整个行业的技术进步。这样通过官、产、学、研、用协同创新,来加快提升变速器行业整体的技术水平,缩小和国外的差距,争取早日赶超国外。

  赵福全:应该说,从原理设计一直到试制样机的性能我们都与国外水平相当,无论是创新能力,还是性能表现,自主变速器的水平都并不输给国外产品了。然而一旦量产,产品的一致性以及最终安装在车上的实际效果就不尽如人意了,根本原因还是在于产业化的能力不足。产业化能力的强弱不是简单地能不能把产品造出来的问题,而是体现在各个关键零部件上。对整车而言,变速器是零部件,而对变速器而言,里面还包含很多零部件。这其中不少关键零部件都依赖进口或者由外资企业提供,也就是说,国内尚未形成强大完整的自动变速器产业链。

  零部件都买来了之后,还要组装到一起,这就需要集成能力,而我们在这方面也比较弱。集成能力既与变速器和发动机、整车之间的有效匹配相关,更取决于电子控制的技术水平,也可以说是一个电控问题。那么,当今变速器电控系统的开发究竟有多难,又难在哪里呢?

  徐向阳:电控可以分为硬件系统和软件系统,在变速器电控硬件和软件系统上,国内与国外先进水平相比都有差距。硬件系统首要的就是变速器控制器TCU,此外包括电磁阀、传感器、线束等也很重要,像电磁阀的响应速度会直接影响换挡速度和动力响应。整个硬件系统,我们都有明显差距。

  软件系统主要分为底层软件和应用层软件,底层软件又是和TCU连在一起。目前我国在软件核心功能如安全控制、故障模式等方面缺乏经验,尚需要较长时间的积累。而在应用层软件中,国内自主企业的开发和匹配标定都已经做得不错了,完全可以自主研发。目前的难点就在于如何实现变速器与发动机及整车的有效匹配和集成。与国外先进软件系统相比,在控制策略的精细程度上,国内还需要做得更细致。

  赵福全:电子控制的覆盖面太广泛了:既有变速器电控TCU,也有发动机电控ECU,还有整车电控VCU;既涉及硬件的性能和品质,也涉及软件的控制逻辑、复杂度以及提供支撑的数据库。每一个问题都要解决,单个问题解决之后,还要解决系统整合的问题,各子系统的集成、不同控制系统之间的互动等,都是非常复杂的。而所有这些加在一起,最终体现为变速器产品的市场竞争力。

  下一个问题,未来中国汽车产业的油耗和排放法规将越来越严,纯发动机作为动力源的生存空间越来越窄,汽车动力总成电气化是大势所趋。在动力总成电气化的过程中,发动机和变速器还会继续存在,但是还将引入电机和电池。面对这样的前景,变速器将会发生哪些重大变化?具体来说,机会在哪里?挑战又是什么?

  徐向阳:动力总成电气化和整车电动化是不可逆转的大趋势,变速器必须适应这种发展趋势。我认为,变速器适应动力总成电气化的改变主要有三个层面:

  第一,变速器关键零部件和执行机构的电气化。例如,无论是传统变速器,还是用于混动车型的变速器,过去是机械泵,今后都可以用电子泵来代替,或者电子泵和机械泵协同,以提高效率;过去液压控制的换挡执行机构,则可以用电控的换挡执行机构代替。

  第二,变速器整机的电气化。这主要是指混动车型的变速器,不管采用什么混动结构和形式,包括串联、并联或混联,都需要在变速器里集成一个或两个电机,来实现变速器和发动机、电池之间的动力耦合。

  赵福全:在动力总成全面电气化的转变过程中,变速器和发动机更需要有效协同。现在很多变速器还是在原来基础上改良的,属于嫁接模式,无论性能还是成本都不可能理想,只能作为阶段性的过渡产品,未来产业需要真正为混动车型专门开发的变速器。在混动车型上,变速器一方面要把发动机的效率发挥到极致,另一方面又要规避传统机械式变速器的复杂结构,以降低成本。您觉得从基本原理乃至开发哲学的角度来看,未来变速器应该做哪些革命性的改变?当前的技术还是不是变速器领域发展的重点,或者说这些技术今后还会不会有更大的飞跃?此外,如何在控制上获得大幅改善,您有没有一些前瞻的思考?请您从基础科研和产业发展两个方向,分享一下看法。

  徐向阳:我觉得整车电动化或者说动力总成电气化是一个逐渐演化的过程,不可能一蹴而就。在这个过程中,每家企业的技术背景不一样,产业基础也不一样,所以采取的技术路线也应该不一样。现在有一种思路就是在现有变速器的基础上,通过增加电机来实现混动化,就是大家所说的Add-On即附加方式,无论是把电机放在什么位置,包括P1、P2、P3、P4构型也好,或者这几种构型的组合也好,本质上都属于Add-On方式。总的来说,这一类变速器在节能上虽有效果,但肯定不是最好的。

  为了真正把发动机和电机的效率都发挥到极致,做到更省油、更省电,就要开发专用的混动变速器,即所谓DHT(Dedicated Hybrid Transmission)。一提到DHT,大家首先想到的就是丰田的THS(Toyota Hybrid System),这个系统其实也是一代一代更新的。而要开发比现有变速器更好的专用混动变速器,需要从以下三个方面着手:

  第一,构型方案的原始创新。研发过程中必须找出一个更好的构型,这个构型要能实现两个或几个电机和发动机进行动力耦合。难点在于要如何连接和组合?采用什么样的控制策略?而首要问题就是一定要在构型方案上实现重大突破,这是DHT研发的根本出发点。

  第二,变速器在动力系统中的匹配。即使是同一个构型方案,在整车上匹配以后,油耗表现的差别可能非常大。在选定的构型方案当中,诸如发动机、变速器、电机、电池和传动机构等,都要找到最佳的匹配参数。

  第三,能量流的有效管理。什么时候用发动机驱动,什么时候用电机驱动,什么时候联合驱动,什么时候进行能量回收,都要实现最优组合,做到最优匹配。

  赵福全:在您所知的范围内,目前有没有做得比较超前、值得在行业内推广的DHT?比如能够实现发动机和电机最大限度耦合的变速器产品。或者说,据您了解现在有哪些比较好的构型吗?

  徐向阳:DHT要做到位,第一要有很好的经济性;第二要在整车上有很好的表现。回到变速器的基本要求,目前看主要有两条技术路线:一条是采用行星排,另一条是采用定轴齿轮。无论是单个或多个行星排,还是几对定轴齿轮,又或者是行星排和定轴齿轮的组合,都可以实现变速器的工作要求。但是要获得最好的解决方案,还需要大家一起去探索。

  就大方向而言,DHT需要有不同的挡位。分挡位的好处是,混动发动机可以像传统车一样通过换挡保持在高效区间工作;同时分挡位也能使电机在工作时实现最佳的表现;此外,还可以确保制动能量更高效地回收。所以,好的DHT一定是分挡位的。

  另外,还需注意混动驱动向纯电驱动逐步过渡。一个混动变速器方案,除了分挡位、能够有效满足混合动力车型的各种功能要求以外,还应该容易向纯电驱动过渡,这才是最理想的方案。

  赵福全:您的分析很清晰,专用混动变速器还需要在原理和结构创新上有大的突破。丰田的方案也不一定就是终极解决方案,DHT未来还有很大的提升空间,理想状态就是先把电机和发动机做到最佳状态,再把两个最佳状态放到一起有效耦合,实现“最佳+最佳”。这其中能量流管理、控制与集成都很关键,而如果基础结构没有突破,后续就很难有优化的空间。那么,您个人更偏向于哪种结构形式呢?

  徐向阳:我认为,一方面,总体的发展方向还是要采用行星排的结构,行星排是一个二自由度的机构,更有利于不同动力源之间的耦合。另一方面,未来变速器要进行平台设计,即同一平台的结构要能同时兼顾混动、插电混动和纯电驱动的需求。

  赵福全:随着节能减排法规日趋严格,由于热力学原理的限制,单纯依靠发动机驱动在能耗与排放方面都遇到很大的挑战。但这并不意味着发动机将要退出历史舞台,实际上,发动机还有发展潜力。尽管纯发动机驱动的节能减排潜力已渐趋极限,但如果把电池、电机充分利用起来,和发动机有效地耦合,可以形成混合动力,还有纯电驱动里程更长的插电式混合动力,也包括增程式电动车。在这些动力形式中,发动机依然有用武之地,并将带来巨大的节能减排空间。变速器的原理创新恰恰需要在这个基础上进行思考,进行全新的设计。而一旦成功设计出全新的专用混动变速器,就可以重新与发动机建立最佳的组合,也就是说,通过DHT,未来发动机将能更好地发挥作用。

  不过在纯电动车上是没有发动机的,在这种情况下,变速器还有应用空间吗?如果还需要变速器,那么搭载于纯电动车的变速器应该是什么样的?它对于电动车的性能有多大的影响?还是说到纯电动车大行其道的时候,就不需要变速器了呢?

  徐向阳:这正是整个变速器乃至汽车行业的同仁们都在思考的问题。可以说,变速器行业确实面临着很大的挑战。有人认为,驱动电机的性能已经可以基本满足车辆的需求了,因此电动车只需要一个单级减速器就可以了,不需要复杂的变速器了。在我看来,这种认识即使不能说完全错误,起码是片面的。

  目前电机效率总体来说确实比较高,并且高效的工作范围也比较大。但电机仍然不是在所有工作点上都是高效的,例如低速大扭矩的时候,它的效率只有60%-70%,又如高速小扭矩的时候,它的效率也不高。同时,电动车对于能耗更为敏感,因为能耗差就意味着必须搭载更多昂贵的电池。

  正因如此,一方面很多产品并不会轻易放弃发动机,像日产的e-Power技术,就是采用一套由汽油发动机与电机组合的动力总成,由电机直接驱动车轮,发动机只负责发电。这样可以把发动机设计成一直在高效区间运行,同时保证驱动电机也高效运行,从而在总体上获得更高效率。

  另一方面,纯电驱动下安装分级变速器带来的收益也很明显。我们做过的大量仿真分析研究表明,纯电乘用车如果从单级减速器改成两挡自动变速器,大概可以节能6%,而且车辆的动力性也会得到很大改善。如果改成三挡,节能效果还可以继续提高1%-2%。如果是纯电动商用车,比如公交车,用三挡变速器替代单级减速器,可以节能13%左右。

  徐向阳:没错,结论是电动车本身仍然需要变速器。只是不会像传统汽车一样需要那么多个挡位,因为电机特性确实比较好。电动乘用车用2-3挡变速器,电动公交车用3-4挡变速器,即可获得良好的能耗经济性,而且结构也比较简单,性价比很好。

  之前很多人都认为,电动乘用车不需要换挡,所以一开始的时候,企业采用的都是单级减速器。未来,随着电动车产业的发展日趋成熟、竞争日益激烈,我认为越来越多的电动乘用车产品一定会使用2-3个挡位的自动变速器。至于具体采用哪种换挡技术,不同的企业将按照自身的技术背景和产品定位,选择不同的技术路线。

  赵福全:也就是说,即使进入纯电动时代,电机也不是万能的。电机有其优点,也有其缺点。由于汽车的行驶工况是多样的,电机仍然需要与变速器有效配合,才能规避缺点,同时最大化地发挥优点,实现节能、高效的动力传递。而且这种组合还可以提高传动的扭矩和功率范围,从而更好地满足用户在各种工况下的使用需求。所以,变速器在纯电动车上并不会消失,也不会变成简单的单级减速器。当然对乘用车而言,太多挡位也没有必要,毕竟电机的调速范围很大,本身适应能力很强。过多挡位的变速器改善能耗的效果有限,且结构复杂、成本激增。综合衡量,对于电动乘用车,2-3挡自动变速器是最合适的。

  因此,搭载于电动车的变速器绝对不是以往的变速器,它将更简单。同时,因为要在动力传输不中断的情况下实现换挡,所以需要更强的电控能力与之配合。而对于负荷大的电动商用车而言,所需挡位更多,效率改善空间更大。总之,并不是说电动车就不需要变速器了。在电动车上,变速器可以让电机的性能得到最大化地发挥,作用仍然很重要。

  徐向阳:还要特别说明一点,电动车的变速器和传统汽车的变速器一样,都面临着很多新的巨大挑战。现有的变速器技术,无论是手动的还是自动的,都是基于燃油车发展起来的技术,把这些技术简单地挪到电动车上并不能满足电动车的工况要求,这其中还要攻克很多技术难关。

  比如,目前电机的最高转速可以达到每分钟15000-16000转,未来电机的转速可能是每分钟20000-30000转,而发动机的最高转速只有每分钟6500转。电机的这种高转速带来的NVH问题,是电动车变速器必须解决的关键问题之一。此外,高转速还意味着变速器的润滑和密封都面临巨大的挑战。还有轴承,转速每分钟6500转和15000转对轴承的要求差别是巨大的。

  赵福全:纯电动车需要的绝不是“拿来主义”的传统变速器,因为电动车的自身特点、使用环境和性能要求都与传统汽车完全不同,这也给变速器带来了新的技术难题。所以,必须从现在开始谋划和布局,进行重点攻关。否则一旦电动车普及了,我们又会遭遇结构、材料、工艺、控制等一系列的“老”问题,还是会陷入落后局面。同时,变速器内在的核心技术有很大的共同性,最终都是要围绕着机电液控四位一体来攻克核心技术难题。

  最后一个问题,请您展望一下未来20年变速器技术的发展前景,从传统发动机到混合动力,再到纯电动,在能源革命的时代大背景下,变速器将会遵循什么样的技术路线?

  徐向阳:变速器技术的进步一定和整车技术的进步方向一致,要为整车更好地服务。刚才讲到了整车电动化是一个循序渐进的过程,我个人预测,到2035年,新能源汽车和传统汽车可能是平分天下的状态。因此,未来变速器技术既要满足传统汽车的需求,又要满足混合动力汽车的需求,还要满足纯电动汽车的需求,而且纯电驱动还分动力电池和燃料电池等不同形式。

  从技术路线来讲,变速器的发展主要有四个方向:一是传统的自动变速器,要持续优化,追求多挡化、高效化、电动化、轻量化以及更宽的速比;二是混合动力的变速器,要研究满足不同类型或者不同混合比的变速器,无论是Add-On也好,还是DHT也好,都要满足各种驱动类型混动汽车的需求;三是纯电动的变速器,大方向就是电机、电控、变速器高度一体化的集成;四是解决超越现有技术的新问题,比如在纯电动汽车上,当电机转速达到每分钟20000-30000转的时候,再用齿轮传动可能就会有问题,因为受机械加工精度水平的限制,很难做出如此高精度的齿轮。这是需要攻关的重要问题,我们要把非接触式的一些新的传动方式作为一个研究方向,如磁性齿轮等。这可能也是中国发挥后发优势、实现超越乃至领先的技术路径之一。

  赵福全:徐教授近30年来一直致力于变速器领域的研究,他不仅是资深学者,更是参与推动产业化的专家。他参与了8AT自动变速器研发与产业化的全过程,为推动中国自动变速器产业与技术的进步立下了汗马功劳。

  自动变速器绝对不是简单的机械传动装置,而是机电液控四位一体的复杂系统。它既涉及到基本原理和方案设计,也涉及到原材料和制造工艺,还涉及到关键零部件的研发;同时,变速器的软硬件都制造出来、装配起来之后,还需要有效集成,其最终性能又牵涉到电控系统的优化问题。显然,自动变速器产业不是简单依靠变速器的开发人员和工程技术人员就能做好的,这实际上是中国整个工业水平的缩影。所以,我们不能就变速器论变速器。

  中国自动变速器起步比较晚,与国外相比积累不足,这确实是国内自动变速器落后于国外的原因之一。但更重要的是,自动变速器涉及到了整个制造业的方方面面,是一个集大成的产品,不是单点突破就能实现全面赶超的。如果说,汽车是一个“集大成”的产品,那么也可以说,变速器是一个“集大成”的关键部件(整机)。尤其是车用变速器的工作要求非常苛刻,既要把动力传递出去,又要让驾乘者有良好的体验;既要高效率,又要低成本和小尺寸,同时还要满足耐久性以及NVH性能的指标。这也正是自动变速器研发和产业化的难点所在。

  展望未来,四种传统结构的自动变速器都有很大的发展空间。同时,随着节能减排要求的提高,传统发动机要想更好地发挥作用,就必须和电机有效耦合;两套动力源的模式将会重新定义变速器的角色,变速器必须迎接新挑战,满足新需求,完成新使命。这也是未来DHT专用混动变速器的发展空间及潜力所在。目前DHT在市场上还只有初步的实践,远远没有达到最佳水平,后续还有漫长的提升过程和巨大的改善空间。

  最后,大家应该认识到,即使是纯电动汽车,为了让电机能够更高效地工作,也依然需要变速器。而且电动车上的变速器,也和传统变速器一样,会有新使命、新要求和新挑战。比如电机高转速带来的变速器齿轮问题、润滑问题、噪声问题等,解决这些问题可能需要突破传统机械式变速器的基本概念,建立全新的理念。

  总体来说,伴随着汽车产业的不断发展和进步,变速器的定义将不断更新,任务将不断增加。这将为我们所有从事变速器产业的同仁们带来新的挑战和机遇,而应对挑战,把握机遇,加快做强中国自动变速器产业,正是我们的使命和责任。

  
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