序列變速箱構造與原理 更新時間: 2019-11-08

序列式變速箱(SEQUENTIAL Manual Gearbox ) 全稱序列式手動變速箱,它區別于普通手動變速箱只是操作方法,加檔和減檔只需要前后推拉排擋桿就可以完成降檔和加檔。這設計不但加快了換擋速度,更大大減低了換錯擋的可能。


SMG

SMG簡介、特點及工作原理

SMG變速箱(Sequential Manual Gearbox)最初是由寶馬和兩家頂級配件公司GETRAG和SACHS(ZF)合作研發的全新概念變速系統,最初在1996年被裝備在寶馬E36 M3運動型轎車上,作為寶馬第一代的半自動變速系統,其起源應該來自BMW參加BTCC(英國房車賽)時候所使用的推拉式變速系統技術,這也是寶馬一次歷史性的賽車技術向民用轉移的見證。至今SMG已經發展到了第三代產品,裝載在上一代的M5和M6車型上(最新車型已經由雙離合變速器取代了SMGⅢ)。第一代SMG有S(手動)、A(自動)兩種換檔模式,駕駛者可以在手動和自動之間任意切換。當選擇A模式時,它就是一臺 自動變速箱,電腦可以根據車速和發動機轉速自動準確的選擇換檔點,換檔平順,沒有明顯的沖擊;當選擇S模式時,將排擋桿向后拉動一下升一個檔,向前推一下則降一個檔位,如果排檔桿不動,那么即使將油門踩到底,它也不會變換檔位,這時的它完全就是一臺純手動變速器。


『裝備SMG的E36 M3運動型轎車』

SMG的出現無疑是變速器史上的一大突破,它所帶來的優點是顯而易見的。首先,SMG的一系列換檔操作可以完全由計算機來控制,所以它就像普通AT一樣,駕駛員無需離合踏板,便可以輕松完成換檔任務,即使是在S模式下,你要做的也只是前推或者后拉一下換檔桿,省去了手動變速器復雜的操作步驟,而且由于受檔位順序升降的限制,SMG也不會由于駕駛員的誤操作而掛錯檔位,這一點在賽車上尤為重要。其次,SMG的原理是基于手動變速器,雖然操作上與“ Tiptronic”有些相似,但沒有液力變矩器,所以傳動過程中的能耗損失很小,結構簡單,價格便宜,使車輛的經濟性得以提高。

SMG變速器其實與通常的手動變速器在功能上大同小異, 只是它采用電子而非機械地傳遞換檔信號,通過計算機控制離合器和選、換檔機構,所以序列式變速箱仍舊屬于手動變速箱 范疇。SMG由一臺普通的齒輪變速器、一套自動換檔機構和電子離合器組成。該換擋機構分為撥叉伺服器和選位伺服器兩部分,伺服器一般采用電動機或者液壓馬達,撥叉伺服器用來推拉撥叉完成換檔,選位伺服器則用來選擇工作所需的撥叉。


『第一代SMG系統結構圖』

SMGⅡ的問世將換檔變速的科技引領到另一個新的紀元

但是,任何一項新技術都不可能一出現就是完美的。正如第一代的SMG,雖然它給駕駛者帶來了操作上的便利,但由于受到當時電腦、液壓系統等一系列因素的制約,導致換檔速度還不如普通的手動變速器,于是在2002年,一套名為SMGⅡ的全新改良機械式自動變速箱 問世,這套系統一改之前換檔速度慢的詬病,它將換檔變速的科技引領到另一個新的紀元,在先進的電子控制單元的支配下,其換檔速度達到了驚人的0.08秒,要知道一個接受過專業訓練的賽車手的換檔速度也不過0.3秒,仿佛讓F1賽車開上了街道。


『寶馬SMGⅡ變速器系統』

為了提高變速器換檔速度和牢靠程度,設計師在第二代SMG上采用了一個換檔轉換鼓,換檔轉換鼓的前端帶有錐齒,用來驅動換檔轉換鼓的旋轉,在換檔轉換鼓的外圓表面上有3條特殊槽,分別控制在槽內的3個撥叉。

換檔鼓的安裝有兩種方式,一是緊靠在變速器上直接將三個撥叉分別卡在三條槽里,二是由于空間的限制,無法緊靠在變速器上,需要利用撥叉臂,將三個撥叉臂分別卡在三條槽里。在換檔的時候,只要轉動換檔鼓,三個撥叉由于卡在特殊的槽里,三個撥叉就會隨著換檔鼓的轉動而同時前后移動,實現退檔和進檔的任務。所以換檔鼓上槽的設計非常重要,一般當換檔鼓轉動50°完成一次換檔,并且非常快捷。由于通過換檔鼓的旋轉進行換檔,因此 SMGII變速器的換檔是有順序地一檔一檔進行的,比如要從一檔換到三檔,必須后拉排檔桿2次,使換檔鼓轉動2個50°,先經過二檔再換入三檔,降檔同樣如此。


『SMGⅡ排檔桿和“DriveLogic”按鈕』

第二代的SMG系統,在操作界面上最大的轉變就是增加了一套方程式控制系統,可以讓駕駛者在任何時候,任何工況下調整預先設定的11種換檔模式,其中包括6種自動模式“A”,5種手動模式“S”,而在這11種模式下,電腦都具備自己學習和糾錯功能。例如在高速狀態下進行減檔操作,離合器 松開,但因為變速箱電腦與行車電腦、引擎電腦關聯,馬上會知道有可能造成側滑等危險,于是對換檔動作進行必要的修正,在配合車輛各種穩定系統使車輛可以遵循最安全的狀態繼續行進。SMGⅡ中還加入了更加人性化的設備,例如方向盤換檔撥片,可以讓駕駛者更集中于路面的控制;轉速表也加入了LED的提示燈號;轉速表下方也有了檔位顯示。

另外,這個變速箱還有個看家本領,是類似于F1賽車上適用的“起跑”裝置,它完全可以讓駕駛者擁有舒馬赫一般出色的駕駛技術。在E46 的SMGⅡ中,在排擋桿后設置了一個“DriveLogic”按鈕,這個按鈕可以讓駕駛員調節手動換檔的速度和換檔時機,共有6種不同模式的設定。S6—加速輔助系統的程序,在選擇這種純跑車模式前,你必須先要把車輛動態穩定系統(DSC )關掉。這時啟動S6,踩住剎車踏板,然后掛入1檔,深踩油門,電子系統自動地將轉速調整至起步最適合的3500rpm/min;松開制動,M3便像一頭突然爆發的野獸竄向前方,引擎轉速迅速逼近紅線,換檔指示燈亮起,換檔!微震一下,引爆二檔進入下一階段的沖刺,簡直令人窒息!最后,輕松的駕駛對于SMG變速箱來說也是相當重要的改善,自動 (“A”) 模式讓駕駛者減少了壓力和疲勞,無論是在高速公路或是比賽的跑道,汽車將自動地在停下來時退回第一檔, 而再度前進,只需要輕踩加速腳踏板。

增加坡道輔助功能,換檔更快的7速SMGⅢ

雖然幾年下來,SMG在技術上已經有了明顯改進,但是依然存在一個飽受批評的缺點:上坡時如果腳從剎車踏板上抬起,車就會往下滑,因為自動變速箱 需要一點嚙合時間。最新的SMGⅢ變速箱的坡路探測功能則是SMG的另外一個特性,在自動模式下,SMG變速器能夠自動識別車輛是否行駛在斜坡路面上,并保持“上坡”模式以保持理想的加速度,下坡時則自動選擇低檔位通過發動機制動來保證剎車的有效性。

從SMG發展到SMGⅡ,該系統已經變得非常聰明,而且寶馬隨后又推出了第三代產品,SMGⅢ裝載于當時最新的M5、M6上,與馬力、扭矩 更加強大的V10引擎搭配,而且檔位數目也從原來的6檔提升為7檔。在同類型的變速箱中,它具有無法比擬的換擋速度,以前的第二代已經很快了,而SMGⅢ又將速度提升了20%,整個換檔過程平順,動力流的停頓在換檔過程中幾乎感覺不到。M5在從靜止到最高車速的整個加速過程中,駕駛者幾乎不會感受到任何頓挫,從而可以讓駕駛者能夠感受到駕駛F1般的感覺。



從原理上講,SMG變速箱的所有換檔操作都是采用電動液壓方式,SMG變速箱采用“線控換檔”(shift-by-wire)技術,這是一種源自航空領域的技術成果。利用這項技術,換檔可以在瞬間完成,而且無需機械連接。與原6檔SMG變速箱相比,SMGⅢ液壓單元與執行元件都被集成到變速箱殼體上。一旦需要換檔,該控制單元會激活控制整套系統液壓設備的相應電磁閥。接著,具有很高壓力的液壓油(最高達90bar)快速地流經一個電磁閥,進入 離合器總泵,打開離合器。然后使用液壓單元中電磁閥,打開執行元件中的四個液壓缸,后者則通過四根獨立的排檔桿完成實際換檔過程。

這款7檔SMGⅢ正是能夠完全滿足V10發動機所有需求的變速箱,它可以將V10發動機的動力以最理想的方式傳送至車輪。BMW M GmbH是世界上第一家提供帶有駕駛邏輯功能的7檔連續變速箱的制造商。新款7檔變速箱絕對不是6檔變速箱的改進版,實際上它是一款全新設計的變速箱,專門為新M5而開發。這款7檔SMG變速箱比原來的6檔變速箱更為出色,手動選檔時其檔位轉換時間極短,此外,它的自動換檔功能還可以讓您感受舒適的巡航駕駛。 新變速箱的工藝設計使之可以應對發動機550Nm的最大扭矩和8500rpm/min的最高轉速。因此,盡管獨立式機油冷卻系統顯著延長了發動機使用壽命,這款變速箱仍然可以確保在新M5及M6的整個使用期內以最可靠的方式工作。


總結:

隨著技術的不斷發展,一直以追求操控和性能著稱的寶馬M車型現如今也已經更換了更為先進的M-DCT雙離合變速器。也許SMG的出現只是曇花一現,但不得不承認,SMG變速箱無論在動力輸出還是在換檔時間上,相較同代產品都有著明顯的優勢。它為推動變速箱技術的發展做出了巨大貢獻,而且必將會成為汽車發展史上永恒的經典。

ISR

ISR變速箱全稱為independent shift rail,它裝備在蘭博基尼的新的性能旗艦Aventador LP700-4上,這臺全新的7速ISR變速箱為其卓越的動力性能提供了保證。


官方的數據顯示,這臺伺服驅動機械式變速器換擋速度比目前同檔次快50%,換擋間隔只有驚人的50毫秒(幾乎和F1的序列式變速箱相差無幾),而變速器總重卻只有70公斤,特別是與同類的雙盤式離合器相比時,這一優勢更為明顯。在全新V12發動機和7速ISR變速箱的幫助下,Aventador 的0-100加速更是突破了3秒大關,僅需2.9秒就能完成破百。

這臺變速箱來自于知名的意大利變速箱制造商格拉奇亞諾(Oerlikon Graziano),作為一個專注于高性能跑車的變速箱制造商,格拉奇亞諾的目標客戶為法拉利、瑪莎拉蒂,蘭博基尼和阿斯頓-馬丁等高性能跑車制造商,其在 雙離合變速箱(DCT)和序列式變速箱(AMT)上都有很高的造詣。邁凱輪MP4-12C使用的七前速雙離合器變速箱便是由格拉奇亞諾提供,而Aventador的前任Murciélago的E-gear序列式變速箱也同樣來自于格拉奇亞諾。


普通的AMT變速箱,其基本結構是和傳統的手動變速箱 相一致的,一般只有一根輸入軸和一根輸出軸(后驅車一般會多出一根中間軸),其結構一般情況是輸入軸上5個前進擋齒輪與輸出軸齒輪處于常嚙合狀態,其中輸出軸上的1擋和倒檔,2擋和3擋,4擋和5擋分別共用三個換擋撥叉。這種機構相鄰兩個齒輪使用同一個換擋機構,當換擋動作進行時,撥叉需要從前一擋位處脫離,經過空擋才能與下一個檔位齒輪進行嚙合,由于三個動作是順序進行的,即使將每個動作的時間縮至最短,依舊很難獲得足夠快的換擋速度。


對于一直致力于制造高性能雙離合變速箱 的格拉奇亞諾的工程師們而言,他們知道想要獲得更快的換擋速度,其關鍵在于在前一個齒輪脫離的瞬間,下一個齒輪就可以完成嚙合的動作。這個設計理念就和目前已經廣泛使用的雙離合變速箱的原理很接近。而格拉齊亞諾開創性的為蘭博基尼設計了一套獨一無二變速器結構:一套既擁有雙離合變速箱的換擋速度,還擁有輕量化小型化的優勢的AMT變速箱。

創新的“獨立換擋撥叉”

ISR變速箱擁有一個獨特的結構,它的齒輪布置方式既有別與傳統AMT變速箱,也不同于雙離合變速箱 。其使用四個獨立的換擋撥叉,相鄰的兩個檔位齒輪則由不同換擋撥叉控制。四個獨立撥叉分別控制1擋和倒檔;3擋和5擋,2擋和4擋,6擋和7擋,也就是說,從1擋一直到6擋,相鄰的兩個檔位都是由兩個獨立的撥叉來分別控制的。


正因為這個設計,使得換擋的過程得以進一步縮短:當相鄰的兩個擋位要進行擋位切換時,換擋撥叉與當前檔位的齒輪脫離時,另一個擋位齒輪早已經開始了嚙合,而換擋撥叉的動作同時又激活了電子離合器 ,由于三個動作幾乎是同步進行的,因此使得整個過程所需時間大大縮短。蘭博基尼方面則宣稱,相比原本性能就非常出色的前一代的E-gear序列式變速箱,換擋速度提升了40%,50毫秒的換擋速度已經接近了F1賽車變速箱的水平。


ISR的換擋機構則由電動液壓泵驅動,最高60巴的壓力保證了必要的操作速度,7個液壓閥負責控制換擋機構的動作,而電動泵則提供動力,強悍的雙盤式離合器同樣由液壓驅動,負責將690Nm的扭矩傳遞到四個車輪。同步器齒環則由碳纖維制成,不僅耐磨而且更減輕了變速箱整體質量。

要想擁有優異的性能,快捷的通訊架構當然不可或缺,格拉奇亞諾控股的Vocis公司則負責變速箱TCU的設計,使用了傳統的CAN bus總線控制器局域網絡,通過對換擋撥叉位置的精確測量和驅動電流控制,實現了對高精度液壓閥的步進控制。


在設計過程中,變速箱還不能僅僅是快,換擋的質量同樣重要,VOCIS設計電控程序時也整個也充分考慮到日常駕駛的舒適性。變速箱可選擇三種工作模式: Strada(道路)或者全自動模式可提供舒適為導向型的換擋操作;Sport(運動)模式則會延后換擋節點并且提供更快速的檔位切換; Corsa(賽道)模式可為賽道行駛提供最佳的換擋策略,這一模式還可提供起步控制,也就是彈射起步功能。

小結:

在競爭對手紛紛裝上高性能的雙離合變速箱的時候,蘭博基尼則還在堅持傳統的AMT序列式變速箱,然而Aventador 的ISR變速箱的性能參數確實令DCT變速箱汗顏,超快的換擋速度,以及輕量化小型化的優勢讓它勢必會得到更多超跑制造商的青睞,而雙離合陣營也將會繼續通過技術升級應對這一挑戰。對于民用變速箱領域來說,這也許又預示這另一個時代的開始。

When

in the competitors with high performance dual clutch gearbox, Lamborghini still adhere to the traditional AMT sequential gearbox, but the performance parameters of ISR Aventador gearbox has really DCT gearbox shift shame, fast speed, and the advantages of lightweight miniaturized so that it will be more than run manufacturers, while the dual clutch camp will also continue to respond to this challenge through technological upgrading. For the field of civilian transmission, this may herald the beginning of another era.

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