中级SUV使用9AT是不是有点杀鸡用牛刀的意思？

缩写注释：

ZF： 德国采埃孚集团，著名零部件公司

AT： 自动变速器(Automatic Transmission）

近年来，主流自动变速箱的趋势已经从最初的4AT、6AT，向8AT、9AT发展。很多高档车，都把8AT/9AT作为自己的一个卖点，而对于消费者来说，真的是档位越多越好吗？从汽车理论的角度，档位越多，对经济性、平顺性都会有提升。

• 第一，档位越多，越接近无级变速，所谓的换档顿挫就不复存在，对平顺性有较大的提高
• 第二，档位的增多会使得发动机工作点更容易调优，所以经济性更好

但是档位增多带来的问题也很明显，最头疼的可能是空间和重量，尤其是对于横置车型来说，发动机＋变速箱的整体长度受限，必须要采用很多新技术，或者在别的方面做一些妥协。

一、新的变速箱技术总是不可靠吗？

变速箱的每一次新技术都会对车辆的动力性、经济性、平顺性有所提升，但是新技术永远是一把双刃剑，往往会带来可靠性和成本的问题。

a) 双离合的前车之鉴

说到变速箱可靠性，双离合变速箱可以算是个“典型”。虽然这项技术算是变速箱史上的一个创新，能够显著提高动力性和经济性，但是其可靠性确实堪忧。想当年，大众因为干式DSG连3.15都上了。而今五年过去了，消费者对双离合依然“谈虎色变”：不仅对双离合的忧虑没有消除，对新生事物9AT也是心存疑虑。但从技术角度来说，双离合尤其是湿式双离合本身并没有缺陷，而大众因为从德国照搬原样，没有进行因地制宜的匹配，所以才被3.15抓了典型。

b) ZF9速变速箱问题多多

除了双离合，最近比较火的变速箱新技术就是8AT/9AT了。这方面，最著名的要数ZF的9AT，代号9HP。这款变速箱可以算是第一款横置式8、9档自动变速箱，因此有着非常大的意义，但是从目前应用的几款车型来说，从第一个“吃螃蟹”的JEEP自由光，到后面荣登3.15舞台的路虎揽胜极光，也可以说是出现了较大的问题，算是命运多舛。

按道理说，6AT技术已经很成熟了，9AT无非就是多几个档位，并不是双离合那种革命性的变化，从技术研发上应该是小意思么，为什么会出这么多问题呢？

二、9AT结构复杂性带来的主要问题

正如@辣笔小星 所分析的ZF 9AT结构复杂性，因而带来的问题主要在两个方面

a) 匹配问题

9AT之所以能够提升经济性，是因为可以在高速的时候使用更小的传动比（超速档），而从另一个角度来说需要更大的发动机才可以匹配，第一个吃螃蟹的自由光显然是“小马拉大车”了，没有合理地匹配。

从ZF战略来说，想用一款变速箱来满足多种发动机排量，虽然可以节约成本，但为了匹配不同功率、不同大小的发动机，就不得不牺牲了匹配适用性，比如对JEEP自由光的匹配就是个很好的例子，ZF的9档传动比过低，导致扭矩比较小的JEEP在正常工况下根本无法跑到，而且常用的几个档位间隙大，顿挫感强。

为了保证换档的平顺性，需要在软件调试上下更大的功夫。比如，换挡时需要更加精确控制发动机转速以减少换挡时的冲击，或者增加torque slip的时间来减少两档之间的“硬间隙”。但是torque slip时间增加会增加搅油损失从而增加实际工况的油耗，发动机转速的精确控制更是需要ECU的PID精确调节，会增加换档时间。

相比较而言，在Jeep自由光之后上市的本田冠道，应该吸取了吃螃蟹人的教训，在发动机、变速箱的匹配方面下了很大的“软功夫”，据说顿挫问题会比自由光俩前辈解决了很多。其实，排除上市时间上的因素，冠道作为中大型SUV，定位高端，确实也会比JEEP这样的中级SUV对舒适性的要求更高，在性能标定、软件方面做的努力也不只一点两点，成本付出也不是一点两点，当然最后都是消费者买单。

再举个例子，使用ZF 9AT的路虎，刚开始问题蛮多的，后来也好很多，估计后续通过软件标定在牺牲性能的基础上修掉顿挫，以改良匹配性。当然，考虑到路虎是个豪华品牌，在用户体验的一些细节方面下的功夫也不一般，才会有这样的效果。其实在整车厂内部，这种情况经常发生，高档车平台的开发，整车性能的要求会比低档车要苛刻很多。

b) 技术路线略有不同

ZF作为一家欧洲企业，和大众一样，更加注重的是动力性和经济性，因此在开发过程中必然会忽视平顺性。例如，在设计9HP时，使用了Dog Clutch的方案，这种方案一般用于赛车，能够提高换档速度并减少动力中断，但是牺牲了平顺性。此外，档位数的排布，超速档多达4个也是为了增加高速行驶的经济性，这也是导致JEEP基本换不上9档，饱受抱怨的原因。这也能够解释为什么欧洲车厂喜欢推双离合，尤其是干式双离合，但在中国却遇到很多问题。

三、9AT是一个错误的技术路线吗？是否所有的9速变速箱都不靠谱呢？

目前9AT的验证并不充分，仅仅ZF一家的成绩单并不说明问题，而且有些是匹配方面原因导致。所以，不能因为ZF的9速在路虎和JEEP上出现问题，就否定整个技术路线。目前通用所推出的9AT，技术方案和ZF有所差异，匹配方面更胜一筹，可以说为9AT技术路线扳回一子。

前面已经提到了，变速箱和发动机的匹配比较重要，如果变速箱和发动机属于不同的供应商，匹配起来未免有些隔阂。通用很早就意识到了这个问题，发动机几乎都是自主开发，而从新世纪开始推进了自主开发变速箱。

比如通用6速自动变速箱。在08－09年推出大部分车型搭载了6AT，此后经过三代的迭代，第三代6AT已经在各个方面达到了当前主流变速箱的水平，通用在自动变速箱开发方面积累了相当的经验。而在未来战略方面，通用也是未雨绸缪，这次9AT的推出，是下一代高端车主流变速箱的第一次亮相，也是经过了多年的实验验证，吸取了很多经验后的结果。

ZF的变速箱遇到比较严重的问题其实是换挡顿挫。从区域特点的角度分析，欧洲人确实更加注重经济性和动力性，而美国人更加注重运动性和平顺性的均衡。在AT的研发上，欧洲和美国在开发目标上也有着相应的侧重。

从下表可以看出，ZF的9AT在档位设计上要更加激进一些，设计了更多的超速档，当然是为了省油，但是传动比范围大了，档位之间的间距会变得“稀疏”，多档带来的平顺性就会大大降低——虽然粮食增收了(更多档位)，但吃饭的壮丁也更多了(传动比范围)，所以总体上每个壮丁也多吃不了几口粮(平顺性)。

这种设计，虽然有些情况下经济性得到提升，但实际档位间距和6AT差不多。而且过低传动比的超速档，使用情况非常小，例如JEEP自由光的9档据说很难挂上去，相当于花9AT的钱买了个8AT。而相比下来，通用在探界者上率先用上的这款9AT只有两个超速档，所以档位排布非常密集，平顺性自然会有很大的提升。而平顺性更好，其实更多体现的是高端车的诉求。

上图就是通用大名鼎鼎的9速Hydra-Matic 变速箱实物图，从尺寸上来看非常紧凑，尤其是长度方面。从总体来看，9速变速箱的设计吸取了之前通用6速变速箱的大部分经验，本质上来说，这是一台纯正的AT。

与ZF 9AT使用狗牙离合器对空间进行压缩的方案不同，通用在节省空间方面使用来了三组换档离合器进行嵌套。这种嵌套的离合器设计，需要比较精妙的设计方案，对材料和加工的要求也比较高，但是只要能够造出来，在性能上是比较稳定可靠的。

此外，并使用了单向离合器（如下图所示，就是当年用在VOLT上面的那个单向离合器，当时为了新能源开发，成本压力比较小）替代机械二极管式离合器。

这种设计其实可靠性和平顺性都会比狗牙要来的好，只是在换档速度方面做了一些牺牲，也增加了一些成本（不得不说，通用为了保证产品可靠还是舍得花钱的）。这样的设计，不需要浪费太多软件和标定的功夫，都可以得到比较不错的驾驶性效果。其实狗牙离合器其实也不算什么新技术，一般是用在赛车或者AMT车型（一般是低端车采用的方案）上，主要是为了换档快，而这类车型对平顺性要求比较低。

除此之外，为了保证启停系统，通用增加了一个大的蓄能器，就是结构图上方那个像弹簧一样的东西。为什么要加这个东西呢，这就不得不提到启停系统。当今的通用，已经不再是当年那个“油老虎”代名词，为了节油，未来几年会给所有新车型都装上了自动启停系统。

在发动机停机时，需要把发动机换到空档，驾驶员松开刹车后再换到D档；而在发动机停机时，没有足够的油压给变速箱换档，所以一般启停的车在红灯前起步时都会有一些延迟才有动力。这个蓄能器的作用就是在发动机停机时储存油压，在发动机启动后能够迅速结合D档，产生动力，从而提供了更好的驾驶体验。就是为了提升用户的一点点体验，居然设计了这么大的一个东西，无论从成本还是空间角度都非常“不划算”，但从另一个角度，是不是也说明通用确实比较厚道呢。

至于变速箱匹配问题，如前文所述，通用对自主开发的变速箱和发动机进行匹配，已经有了非常久的经验，所有的规范、需求都已经很成熟。通用自主开发变速箱和发动机之间的匹配，不会出现整车厂和供应商之间“鸡同鸭讲”情况，标定的匹配相比会更有优势。比如，通用内部有详细的动力总成文档，对发动机转速控制曲线、时序要求、换档时机都有非常明确的定义，而发动机和变速箱团队，经过多年的配合，对这套方法已经烂熟于心，所以配合起来更为默契。

总的来说，9AT作为一项新技术，虽然在最初的应用遇到一些问题，但是新的思路、新的产品的推出还是为这项技术带来了不少希望，而新技术永远是驱动未来的动力。

照例先说观点，后面多图详细聊。
SUV使用9AT的第一炮ZF 9AT变速箱由于质量问题没有打响，影响了消费者信心。其问题可总结为齿比分布不合理及Dog Clutch犬牙离合器可靠性存疑。对应的，通用9AT基于集团内Hydra-Matic变速箱家族及对应专利技术对齿比分布和换挡机构进行了相应优化。相应技术有成熟案例及长期验证作为保证，性能与可靠性表现值得期待。

↑ZF的9速自动变速箱9HP


首先聊一下为什么多家车企坚持开发9AT的车型，特别是SUV。原因是9AT变速箱有着无法替代的优势。
9AT优点：
省油
加速快

SUV车型本身车身重油耗偏高，面临降低油耗的压力更大。因此9AT提供更多的档位使得发动机始终处在经济转速区。同时9AT的1档普遍齿比大，有助于提升重型SUV的加速性能。

限制9AT发展的因素：
复杂性
尺寸
成本

↑ZF的9速自动变速箱9HP拆解图

第一款搭载9AT的横置发动机SUV车型Jeep自由光，其搭载来自德国ZF的9速自动变速箱9HP48。为了应对如上提到的尺寸限制因素，ZF采用特有的技术将9AT横置变速箱的尺寸控制在于传统6AT相当的水平。如下图，9HP28与9HP48的长度均在367mm左右。

↑ZF的9速自动变速箱9HP系列尺寸图


目前ZF 9AT存在的主要问题
1. 不合理的齿比分布
如下图所示ZF 9HP共包含6个换挡机构。其实现的9个档位中，有多达4个的超速档（输出轴车轮侧转速高于输入轴发动机侧）。分别为0.80、0.70、0.58、0.48。齿比跨度达到了9.8：1（4.70：0.48=9.8）。第九档使用如此低的齿比导致最高的第九档使用频率较低。这一点通用9AT做得就比较好。后面详细介绍。

↑ZF 9HP换挡机构和齿比分布


2. 复杂结构导致复杂问题
如上提到的复杂性一直制约9AT变速箱的发展。ZF 9HP变速箱为了降低尺寸，使用了Dog Clutch犬牙离合器。进一步增加了换挡机构的复杂度。这也为之后出现的可靠性问题埋下了隐患。正所谓复杂结构导致复杂问题。

↑ZF 9HP换挡机构

如上为ZF 9HP变速箱具体结构，包括液力耦合器Torque Converter，差速器Differential，4个行星齿轮组Gear Set 1to4和6个换挡执行器（犬牙离合器Dog Clutch A/F，旋转离合器Clutch B/E和静止离合器Brake C/D）。

↑ZF 9HP换挡机构原理图

提到Dog Clutch犬牙离合器大家是否觉得有些陌生，完全无法想象是什么样的结构？但相信我，开车的人基本都接触过该结构。因为学车时使用的手动变速箱普遍使用了犬牙离合器。如下为手动变速箱的换挡机构。由左侧换挡拨叉决定套筒与对应齿轮结合实现硬连接。右侧套筒中紫色部分即为犬牙离合器。其通过长短齿相互啮合，形似犬牙因此得名。由于是硬连接，因此需要如下同步器的帮助进行转速同步（套筒中黄色结构）。

↑手动变速箱的犬牙离合器机构

将犬牙离合器应用到自动变速箱绝对是ZF的独创，目前来看业界也仅此一家量产了该技术。由于犬牙离合器不属于摩擦传递动力而是硬连接，其本身结合过程转速差控制要求就很高。由于结构限制又无法放置同步器。所有转速同步工作都交由电控完成。大家想必都经历过学车初期的手动挡换挡打齿或者顿挫的体验。实话说，ZF的这一步可能跨得有些大了。

↑ZF 9HP换挡机构的犬牙离合器A

ZF 9HP包含两组犬牙离合器。如上提到的犬牙离合器A负责控制第二排行星齿轮组的太阳轮与输入轴动力的结合和脱开。需要通过液压控制犬牙离合器在输入轴上做轴向移动。这也是业界首次。之前输入轴上从没有部件能轴向移动。同时也没有位置传感器直接传感是否移动到位。上图A中液压压力由输入轴一端向右输送（红色箭头）推动犬牙离合器向右移动（蓝色箭头）。从而如图B所示完成输入轴与太阳轮结合。图C中液压压力由输入轴另一侧向左输送（红色箭头）推动犬牙离合器向左移动（蓝色箭头）。从而如图D所示完成输入轴与太阳轮脱开。

↑ZF 9HP换挡机构的犬牙离合器F

ZF 9HP中的另一组犬牙离合器称为犬牙离合器F。其控制第三四排行星齿轮组太阳轮锁住或旋转。如下图所示上半部为包含犬牙离合器F的输出齿轮支架（其最终固定在变速箱箱体上）。图中黄色标示A即为犬牙离合器F激活Active液压管路。黄色标示R即为犬牙离合器F释放Release液压管路。图中下半部分第三四排行星齿轮组太阳轮。

↑ZF 9HP换挡机构的犬牙离合器F细节

如上细节图中中心内部包含的即为犬牙离合器F（处于较高的激活位置锁住太阳轮）。通过液压控制，犬牙离合器F可降低至释放位置，太阳轮即可相应自由旋转。

具体犬牙离合器A/F参与换挡过程可以参考如下动图。

https:// upload.wikimedia.org/wi kipedia/commons/1/19/ZF_9HP_Animated_Schematic_Drive_Line_%26_Nomogram.gif

↑ZF 9HP换挡过程原理图（动图点开看）

3. 相应召回信息
如上提到的齿比分布和犬牙离合器的使用间接导致了如下Jeep自由光的客户投诉和相应召回。其问题主要集中在两方面。一是换挡顿挫。由于1至3档的档位齿比分布不够紧密导致换挡策略无法找到一个合适的档位适应发动机转速。再加上犬牙离合器换挡过程的控制难度。因此客户投诉普遍反映换挡过程比较神经。无法预测变速箱想要干什么。

↑Jeep自由光9AT变速箱问题投诉-换挡顿挫

另一个更严重的问题变速箱无法换挡则直接指向了犬牙离合器。因为其换挡难度高且没有直接传感器判断是否换挡成功。从而导致换挡失效车辆失去动力的发生。

↑Jeep自由光9AT变速箱问题投诉-变速箱无法换档



通用GM 9AT

↑通用9AT变速箱

通用的9AT将率先在国内应用于雪佛兰中型SUV探界者Equinox。如上提到的，SUV车型需要在燃油经济性和加速性能找到一个平衡点。9AT与高性能的2.0T发动机配合，成为了实现这个平衡的关键因素。那么通用的9AT如何来应对如上提到的变速箱复杂性和尺寸因素带来的挑战呢？我们具体往下看。

↑搭载通用9AT变速箱的雪佛兰SUV探界者Equinox

如下通用9AT变速箱拆解图可以看到，内部的换挡机构做的非常紧凑。整体体积上实现了和传统横置前驱6AT尺寸相当的水平。因此首先尺寸问题得以解决。并且从正面照片的左上方和背面照片的右上方能够看到一个内部由弹簧构成的零件。这个零件就是起停蓄压器Start Stop Accumulator。后文详细介绍该零件的作用。

↑通用9AT变速箱拆解图正面近照

↑通用9AT变速箱拆解图背面近照

如上提到通用9AT和传统的横置前驱6AT尺寸类似。其实通用很早就布局新一代变速箱家族的产品开发。全新的9AT变速箱和目前智能电驱变速箱5ET50及6AT变速箱都引入了模块化开发的理念。其尺寸类似，输出减速机构均为链轮+行星齿轮组的形式，且组件高度共用。这保证了其9AT、6AT和电驱变速箱可以在集团内的前驱车型中灵活搭配。

↑通用6AT变速箱6T50拆解图

↑智能电驱变速箱5ET50（左）与目前6AT变速箱（右）体积相似


通用GM 9AT做出的对应改进
1. 更合理的齿比分布
相对ZF 的9HP变速箱，通用对其9AT变速箱齿比分布做了全新的优化。其保留了2个超速挡（分别为0.75和0.62）。其齿比跨度为7.6：1（4.69/0.62=7.6），稍宽于传统6AT的6.0：1。提升燃油经济性的同时，仍然考虑了挡位的可用性。其最高第九档可在时速95公里左右切入（日前公布的探界者台架测试视频：

雪佛兰探界者台架测试视频_腾讯视频 https://v.qq.com/x/page/p0386wcz92n.html

经过不同的循环测试工况统计，最高第九档的使用频率在13%~52%之间。相对使用频率还是比较高的。其1档的齿比为4.69，可以为SUV车型提供不错的加速性能。

↑通用9AT变速箱齿比分布


2. 换挡策略专利技术
Shift by shift 挡位接挡位的换挡机构和换挡策略是通用集团的专利技术。该技术的重点就是保证换挡的平顺性。其理念就是直到当前挡位成功接手前一个挡位才完全脱开。保证了动力传输的连续性。
如下图所示为目前通用6T50 6AT变速箱所使用的Shift by shift换挡策略。可以看到其由5组离合器和一个单向离合器F1实现。挡位的切换按照箭头方向一个个地执行Shift by shift换挡。该专利技术也在通用9AT变速箱上得以使用。

↑通用Shift by shift换挡策略

通用6T50 6AT变速箱所使用的3组行星齿轮组、 5组离合器和一个单向离合器F1在变速箱中的具体分布如下。此处可以注意到C456、C35R和CB26这3个离合器在同一个平面上采用嵌套设计。该设计保证了整个变速箱紧凑的尺寸并沿用至9AT变速箱。

↑当前通用6AT变速箱6T50换挡机构

通用中国变速箱副总工程师希普利Kevin Shipley在接受Autolab汽车实验室的专访时提到，为了增加更多的挡位，通用9AT变速箱相对现有6AT变速箱在有限的空间内增加了一组全新的行星齿轮组和两个离合器。并且使用可选择单向离合器来替代上文提到的单向离合器F1和一档/倒挡离合器单元CBLR。这项技术的使用大幅降低了换挡机构所占用的体积，成为了通用9AT变速箱实现紧凑尺寸的关键技术。

↑通用9AT变速箱更新的换挡机构（来自Autolab汽车实验室对通用中国变速箱副总工程师希普利Kevin Shipley的专访）


3. Selectable One-way Clutch可选择单向离合器
如上提到，Selectable One-way Clutch可选择单向离合器是通用9AT变速箱实现紧凑尺寸的关键技术。那它是否也会类似犬牙离合器在自动变速箱中的首次使用成为一种可靠性的隐患呢？实际上可选择单向离合器技术已经在通用集团内有超过10年的使用经历。完全不知道？那跟着小星来看一看细节吧。
可选择单向离合器首先于2006年搭载在通用6L80系列纵置后驱6AT变速箱，并先后应用与多款高性能车型。比如国内比较熟悉的有雪佛兰科迈罗、科尔维特、GMC重型SUV Yukon。曾经的博鳌官方用车别克林荫大道Park Avenue也使用该纵置后驱6AT变速箱与一台3.0 V6的发动机进行搭配。

↑通用9AT变速箱使用的可选择单向离合器

如下原理图所示，可选择单向离合器以其特殊的结构，可通过电控液压阀控制对应方向的支柱（前向支柱Forward Strut或反向支柱Reverse Strut）抬起，从而在传递扭矩和自由旋转间进行切换。

↑通用9AT变速箱使用的可选择单向离合器原理图

↑通用9AT变速箱使用的可选择单向离合器内部电控执行机构原理图

如下图所示，传统多片离合器（左侧黄色部分）与可选择单向离合器（右侧绿色部分）相比尺寸减小了很多。可选择单向离合器更薄，非常适合在9AT变速箱中应用实现紧凑的尺寸。

↑传统多片离合器（左）与可选择单向离合器（右）尺寸对比



4. Start Stop Accumulator起停蓄压器的使用
上文提到，起停蓄压器Start Stop Accumulator安装于变速箱的顶部，内部由弹簧构成。这个零件的配备，表明通用9AT变速箱已经为未来车型的起停Start/Stop功能的支持做了充分的考虑。
如下原理图所示，起停蓄压器用于在发动机停止时，将机油压力以弹簧势能的形式进行存储。并在车辆启动加速的瞬间释放压力，保证变速箱的换挡机构能够快速切到1档进行车辆加速的支持。

↑博格华纳相关起停蓄压器结构介绍

↑博格华纳相关起停蓄压器工作原理介绍

5. 未来展望
说起通用的9AT变速箱，它与中国颇有几分渊源。首先通用在中国早在2008年就申请了九速变速箱的相关中国专利。现如今随着雪佛兰探界者的上市，通用全新9速自动变速箱在上海金桥的上汽通用工厂投入生产。

↑通用9AT变速箱相关中国专利

↑上汽通用在上海建立变速箱工厂

据上汽通用公布的车型计划，2017年开始将先后有10款横置平台车型搭载该9AT变速箱。如下为行业权威资讯机构IHS给出的预测。通用集团的车型在一段时间内将保持6AT和9AT/10AT并存高低搭配的产品分布，并在2020年左右开始逐渐倒向9AT/10AT变速箱。

↑通用集团将陆续普及9AT和10AT的变速箱

以上，9AT存在无可替代的优势，但尺寸和复杂性存在巨大挑战。之前的ZF 9AT由于齿比分布不合理及犬牙离合器首次应用导致可靠性问题。全新通用9AT相应地优化了齿比分布，并基于充分验证过的可选择单向离合器等专利技术优化尺寸。其性能和可靠性值得期待。

参考文献和扩展阅读：

专利Patent CN101344157B 九速变速器
专利Patent CN1936363A 具有六个转矩传递机构的九档自动变速器
专利Patent US7736263 9-SPEED TRANSMISSION
专利Patent US7731625 9-SPEED TRANSMISSION
专利Patent US7364527 NINE SPEED AUTOMATIC TRANSMISSION WITH SIX TORQUE TRANSMITTING MECHANISMS
SAE论文 SAE 2014-01-1721 General Motors Rear Wheel Drive Eight Speed Automatic Transmission
SAE论文 SAE 2010-01-0857 General Motors Small Front Wheel Drive Six speed Automatic Transmission Family
SAE论文 SAE 2009-01-0509 Selectable One-Way Clutch in GM’s RWD 6-Speed Automatic Transmissions
SAE论文 SAE 2007-01-1095 General Motors Hydra-Matic & Ford New FWD Six-Speed Automatic Transmission Family
SAE论文 SAE 2006-01-0846 General Motors New Hydra-Matic RWD Six-Speed Automatic Transmission Family

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