序列变速箱构造与原理

序列式变速箱(SEQUENTIAL Manual Gearbox ) 全称序列式手动变速箱,它区别于普通手动变速箱只是操作方法,加档和减档只需要前后推拉排挡杆就可以完成降档和加档。这设计不但加快了换挡速度,更大大减低了换错挡的可能。


SMG

SMG简介、特点及工作原理

SMG变速箱(Sequential Manual Gearbox)最初是由宝马和两家顶级配件公司GETRAG和SACHS(ZF)合作研发的全新概念变速系统,最初在1996年被装备在宝马E36 M3运动型轿车上,作为宝马第一代的半自动变速系统,其起源应该来自BMW参加BTCC(英国房车赛)时候所使用的推拉式变速系统技术,这也是宝马一次历史性的赛车技术向民用转移的见证。至今SMG已经发展到了第三代产品,装载在上一代的M5和M6车型上(最新车型已经由双离合变速器取代了SMGⅢ)。第一代SMG有S(手动)、A(自动)两种换档模式,驾驶者可以在手动和自动之间任意切换。当选择A模式时,它就是一台 自动变速箱,电脑可以根据车速和发动机转速自动准确的选择换档点,换档平顺,没有明显的冲击;当选择S模式时,将排挡杆向后拉动一下升一个档,向前推一下则降一个档位,如果排档杆不动,那么即使将油门踩到底,它也不会变换档位,这时的它完全就是一台纯手动变速器。


『装备SMG的E36 M3运动型轿车』

SMG的出现无疑是变速器史上的一大突破,它所带来的优点是显而易见的。首先,SMG的一系列换档操作可以完全由计算机来控制,所以它就像普通AT一样,驾驶员无需离合踏板,便可以轻松完成换档任务,即使是在S模式下,你要做的也只是前推或者后拉一下换档杆,省去了手动变速器复杂的操作步骤,而且由于受档位顺序升降的限制,SMG也不会由于驾驶员的误操作而挂错档位,这一点在赛车上尤为重要。其次,SMG的原理是基于手动变速器,虽然操作上与“ Tiptronic”有些相似,但没有液力变矩器,所以传动过程中的能耗损失很小,结构简单,价格便宜,使车辆的经济性得以提高。

SMG变速器其实与通常的手动变速器在功能上大同小异, 只是它采用电子而非机械地传递换档信号,通过计算机控制离合器和选、换档机构,所以序列式变速箱仍旧属于手动变速箱 范畴。SMG由一台普通的齿轮变速器、一套自动换档机构和电子离合器组成。该换挡机构分为拨叉伺服器和选位伺服器两部分,伺服器一般采用电动机或者液压马达,拨叉伺服器用来推拉拨叉完成换档,选位伺服器则用来选择工作所需的拨叉。


『第一代SMG系统结构图』

SMGⅡ的问世将换档变速的科技引领到另一个新的纪元

但是,任何一项新技术都不可能一出现就是完美的。正如第一代的SMG,虽然它给驾驶者带来了操作上的便利,但由于受到当时电脑、液压系统等一系列因素的制约,导致换档速度还不如普通的手动变速器,于是在2002年,一套名为SMGⅡ的全新改良机械式自动变速箱 问世,这套系统一改之前换档速度慢的诟病,它将换档变速的科技引领到另一个新的纪元,在先进的电子控制单元的支配下,其换档速度达到了惊人的0.08秒,要知道一个接受过专业训练的赛车手的换档速度也不过0.3秒,仿佛让F1赛车开上了街道。


『宝马SMGⅡ变速器系统』

为了提高变速器换档速度和牢靠程度,设计师在第二代SMG上采用了一个换档转换鼓,换档转换鼓的前端带有锥齿,用来驱动换档转换鼓的旋转,在换档转换鼓的外圆表面上有3条特殊槽,分别控制在槽内的3个拨叉。

换档鼓的安装有两种方式,一是紧靠在变速器上直接将三个拨叉分别卡在三条槽里,二是由于空间的限制,无法紧靠在变速器上,需要利用拨叉臂,将三个拨叉臂分别卡在三条槽里。在换档的时候,只要转动换档鼓,三个拨叉由于卡在特殊的槽里,三个拨叉就会随着换档鼓的转动而同时前后移动,实现退档和进档的任务。所以换档鼓上槽的设计非常重要,一般当换档鼓转动50°完成一次换档,并且非常快捷。由于通过换档鼓的旋转进行换档,因此 SMGII变速器的换档是有顺序地一档一档进行的,比如要从一档换到三档,必须后拉排档杆2次,使换档鼓转动2个50°,先经过二档再换入三档,降档同样如此。


『SMGⅡ排档杆和“DriveLogic”按钮』

第二代的SMG系统,在操作界面上最大的转变就是增加了一套方程式控制系统,可以让驾驶者在任何时候,任何工况下调整预先设定的11种换档模式,其中包括6种自动模式“A”,5种手动模式“S”,而在这11种模式下,电脑都具备自己学习和纠错功能。例如在高速状态下进行减档操作,离合器 松开,但因为变速箱电脑与行车电脑、引擎电脑关联,马上会知道有可能造成侧滑等危险,于是对换档动作进行必要的修正,在配合车辆各种稳定系统使车辆可以遵循最安全的状态继续行进。SMGⅡ中还加入了更加人性化的设备,例如方向盘换档拨片,可以让驾驶者更集中于路面的控制;转速表也加入了LED的提示灯号;转速表下方也有了档位显示。

另外,这个变速箱还有个看家本领,是类似于F1赛车上适用的“起跑”装置,它完全可以让驾驶者拥有舒马赫一般出色的驾驶技术。在E46 的SMGⅡ中,在排挡杆后设置了一个“DriveLogic”按钮,这个按钮可以让驾驶员调节手动换档的速度和换档时机,共有6种不同模式的设定。S6—加速辅助系统的程序,在选择这种纯跑车模式前,你必须先要把车辆动态稳定系统(DSC )关掉。这时启动S6,踩住刹车踏板,然后挂入1档,深踩油门,电子系统自动地将转速调整至起步最适合的3500rpm/min;松开制动,M3便像一头突然爆发的野兽窜向前方,引擎转速迅速逼近红线,换档指示灯亮起,换档!微震一下,引爆二档进入下一阶段的冲刺,简直令人窒息!最后,轻松的驾驶对于SMG变速箱来说也是相当重要的改善,自动 (“A”) 模式让驾驶者减少了压力和疲劳,无论是在高速公路或是比赛的跑道,汽车将自动地在停下来时退回第一档, 而再度前进,只需要轻踩加速脚踏板。

增加坡道辅助功能,换档更快的7速SMGⅢ

虽然几年下来,SMG在技术上已经有了明显改进,但是依然存在一个饱受批评的缺点:上坡时如果脚从刹车踏板上抬起,车就会往下滑,因为自动变速箱 需要一点啮合时间。最新的SMGⅢ变速箱的坡路探测功能则是SMG的另外一个特性,在自动模式下,SMG变速器能够自动识别车辆是否行驶在斜坡路面上,并保持“上坡”模式以保持理想的加速度,下坡时则自动选择低档位通过发动机制动来保证刹车的有效性。

从SMG发展到SMGⅡ,该系统已经变得非常聪明,而且宝马随后又推出了第三代产品,SMGⅢ装载于当时最新的M5、M6上,与马力、扭矩 更加强大的V10引擎搭配,而且档位数目也从原来的6档提升为7档。在同类型的变速箱中,它具有无法比拟的换挡速度,以前的第二代已经很快了,而SMGⅢ又将速度提升了20%,整个换档过程平顺,动力流的停顿在换档过程中几乎感觉不到。M5在从静止到最高车速的整个加速过程中,驾驶者几乎不会感受到任何顿挫,从而可以让驾驶者能够感受到驾驶F1般的感觉。



从原理上讲,SMG变速箱的所有换档操作都是采用电动液压方式,SMG变速箱采用“线控换档”(shift-by-wire)技术,这是一种源自航空领域的技术成果。利用这项技术,换档可以在瞬间完成,而且无需机械连接。与原6档SMG变速箱相比,SMGⅢ液压单元与执行元件都被集成到变速箱壳体上。一旦需要换档,该控制单元会激活控制整套系统液压设备的相应电磁阀。接着,具有很高压力的液压油(最高达90bar)快速地流经一个电磁阀,进入 离合器总泵,打开离合器。然后使用液压单元中电磁阀,打开执行元件中的四个液压缸,后者则通过四根独立的排档杆完成实际换档过程。

这款7档SMGⅢ正是能够完全满足V10发动机所有需求的变速箱,它可以将V10发动机的动力以最理想的方式传送至车轮。BMW M GmbH是世界上第一家提供带有驾驶逻辑功能的7档连续变速箱的制造商。新款7档变速箱绝对不是6档变速箱的改进版,实际上它是一款全新设计的变速箱,专门为新M5而开发。这款7档SMG变速箱比原来的6档变速箱更为出色,手动选档时其档位转换时间极短,此外,它的自动换档功能还可以让您感受舒适的巡航驾驶。 新变速箱的工艺设计使之可以应对发动机550Nm的最大扭矩和8500rpm/min的最高转速。因此,尽管独立式机油冷却系统显著延长了发动机使用寿命,这款变速箱仍然可以确保在新M5及M6的整个使用期内以最可靠的方式工作。


总结:

随着技术的不断发展,一直以追求操控和性能著称的宝马M车型现如今也已经更换了更为先进的M-DCT双离合变速器。也许SMG的出现只是昙花一现,但不得不承认,SMG变速箱无论在动力输出还是在换档时间上,相较同代产品都有着明显的优势。它为推动变速箱技术的发展做出了巨大贡献,而且必将会成为汽车发展史上永恒的经典。

ISR

ISR变速箱全称为independent shift rail,它装备在兰博基尼的新的性能旗舰Aventador LP700-4上,这台全新的7速ISR变速箱为其卓越的动力性能提供了保证。


官方的数据显示,这台伺服驱动机械式变速器换挡速度比目前同档次快50%,换挡间隔只有惊人的50毫秒(几乎和F1的序列式变速箱相差无几),而变速器总重却只有70公斤,特别是与同类的双盘式离合器相比时,这一优势更为明显。在全新V12发动机和7速ISR变速箱的帮助下,Aventador 的0-100加速更是突破了3秒大关,仅需2.9秒就能完成破百。

这台变速箱来自于知名的意大利变速箱制造商格拉奇亚诺(Oerlikon Graziano),作为一个专注于高性能跑车的变速箱制造商,格拉奇亚诺的目标客户为法拉利、玛莎拉蒂,兰博基尼和阿斯顿-马丁等高性能跑车制造商,其在 双离合变速箱(DCT)和序列式变速箱(AMT)上都有很高的造诣。迈凯轮MP4-12C使用的七前速双离合器变速箱便是由格拉奇亚诺提供,而Aventador的前任Murciélago的E-gear序列式变速箱也同样来自于格拉奇亚诺。


普通的AMT变速箱,其基本结构是和传统的手动变速箱 相一致的,一般只有一根输入轴和一根输出轴(后驱车一般会多出一根中间轴),其结构一般情况是输入轴上5个前进挡齿轮与输出轴齿轮处于常啮合状态,其中输出轴上的1挡和倒档,2挡和3挡,4挡和5挡分别共用三个换挡拨叉。这种机构相邻两个齿轮使用同一个换挡机构,当换挡动作进行时,拨叉需要从前一挡位处脱离,经过空挡才能与下一个档位齿轮进行啮合,由于三个动作是顺序进行的,即使将每个动作的时间缩至最短,依旧很难获得足够快的换挡速度。


对于一直致力于制造高性能双离合变速箱 的格拉奇亚诺的工程师们而言,他们知道想要获得更快的换挡速度,其关键在于在前一个齿轮脱离的瞬间,下一个齿轮就可以完成啮合的动作。这个设计理念就和目前已经广泛使用的双离合变速箱的原理很接近。而格拉齐亚诺开创性的为兰博基尼设计了一套独一无二变速器结构:一套既拥有双离合变速箱的换挡速度,还拥有轻量化小型化的优势的AMT变速箱。

创新的“独立换挡拨叉”

ISR变速箱拥有一个独特的结构,它的齿轮布置方式既有别与传统AMT变速箱,也不同于双离合变速箱 。其使用四个独立的换挡拨叉,相邻的两个档位齿轮则由不同换挡拨叉控制。四个独立拨叉分别控制1挡和倒档;3挡和5挡,2挡和4挡,6挡和7挡,也就是说,从1挡一直到6挡,相邻的两个档位都是由两个独立的拨叉来分别控制的。


正因为这个设计,使得换挡的过程得以进一步缩短:当相邻的两个挡位要进行挡位切换时,换挡拨叉与当前档位的齿轮脱离时,另一个挡位齿轮早已经开始了啮合,而换挡拨叉的动作同时又激活了电子离合器 ,由于三个动作几乎是同步进行的,因此使得整个过程所需时间大大缩短。兰博基尼方面则宣称,相比原本性能就非常出色的前一代的E-gear序列式变速箱,换挡速度提升了40%,50毫秒的换挡速度已经接近了F1赛车变速箱的水平。


ISR的换挡机构则由电动液压泵驱动,最高60巴的压力保证了必要的操作速度,7个液压阀负责控制换挡机构的动作,而电动泵则提供动力,强悍的双盘式离合器同样由液压驱动,负责将690Nm的扭矩传递到四个车轮。同步器齿环则由碳纤维制成,不仅耐磨而且更减轻了变速箱整体质量。

要想拥有优异的性能,快捷的通讯架构当然不可或缺,格拉奇亚诺控股的Vocis公司则负责变速箱TCU的设计,使用了传统的CAN bus总线控制器局域网络,通过对换挡拨叉位置的精确测量和驱动电流控制,实现了对高精度液压阀的步进控制。


在设计过程中,变速箱还不能仅仅是快,换挡的质量同样重要,VOCIS设计电控程序时也整个也充分考虑到日常驾驶的舒适性。变速箱可选择三种工作模式: Strada(道路)或者全自动模式可提供舒适为导向型的换挡操作;Sport(运动)模式则会延后换挡节点并且提供更快速的档位切换; Corsa(赛道)模式可为赛道行驶提供最佳的换挡策略,这一模式还可提供起步控制,也就是弹射起步功能。

小结:

在竞争对手纷纷装上高性能的双离合变速箱的时候,兰博基尼则还在坚持传统的AMT序列式变速箱,然而Aventador 的ISR变速箱的性能参数确实令DCT变速箱汗颜,超快的换挡速度,以及轻量化小型化的优势让它势必会得到更多超跑制造商的青睐,而双离合阵营也将会继续通过技术升级应对这一挑战。对于民用变速箱领域来说,这也许又预示这另一个时代的开始。

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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