挡位数量为什么在不断增加?

随着档位增加,更多的挡位数量让发动机保持在最有效的转速区间,既能放大扭矩,又能降低油耗.
随着档位增加,更多的挡位数量让发动机保持在最有效的转速区间,既能放大扭矩,又能降低油耗.

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挡位数不断增加,是为了让发动机能保持在功率和扭矩输出最高效的狭窄转速区间内: 朝一挡方向缩短的齿比在起步时放大扭矩,而朝高挡位方向延长的齿比则在高速公路车速下降低发动机转速和油耗. 上世纪90年代,典型汽车配备3-5个前进挡,而在最近两个车型年份,这一数字至少增至6个,部分车型甚至达到10个.

亮点

  • ZF 8速自动变速箱相比3速自动变速箱可提供21%-24%更好的燃油经济性.
  • 2017款福特F-150从6速升级到10速,使0-60英里/小时加速时间缩短了0.2秒.
  • 从2016车型年度开始,自动变速箱在燃油效率上超越了手动变速箱.
  • 福特和通用的工程师承认,10个前进挡是实用的上限.

挡位数为何不断增加? 发动机的高效转速区间

Şanzımanın tek görevi, motoru hem en güçlü hem en az yakıt tükettiği o dar devir aralığında tutmak; vites sayısı arttıkça motor bu ideal bölgede daha çok vakit geçirir.

试想一台内燃机的运行图谱. 无论是汽油机还是柴油机,发动机都有一个相对狭窄的转速(RPM)区间,在此区间内它输出最大功率和扭矩,同时油耗最低. 变速箱的任务正在于此: 让传递到车轮的转速保持在发动机的理想区间内. 挡位数越多,发动机就越频繁地工作在这一最优区间内; 每个挡位都为维持发动机转速提供了更精细调校的齿比.

而在挡位较少的车辆上,发动机只能迁就与当前车速最接近的挡位. 其结果就是发动机转速高于实际所需. 高转速意味着单位时间内消耗更多燃油,也会让发动机更加疲劳. 如果建立一个粗略的逻辑链条: 更多转速,意味着发动机更多的做功,更多的油耗,更大的应力和磨损. 逆转这一链条,正是挡位竞赛的根本驱动力.

低挡位与高挡位的角色截然不同. 短齿比的一挡通过放大车轮扭矩,使起步和爬坡成为可能. 而长齿比的超速挡则能在高速行驶时降低发动机转速,既减少油耗,也降低车内的噪音. 问题在于: 在这两个极端之间压缩的中间齿比越多,发动机转速下降得越少,效率就越高.

齿比范围: 10挡变速箱的工程逻辑

挡位数增加时,不仅仅是中间步骤增多; 总齿比范围,即ratio spread也在扩大. 在现代10挡变速箱中,一挡为实现激进起步而采用更短的齿比,而最高挡则比以往更长,以实现低转速巡航. 而中间的级差保持很小. 起步时高数值齿比,巡航时长超速挡: 从同一台变速箱上同时要求性能和效率,这已不再是矛盾,而是设计目标.

级差缩小还有第二个好处: 换挡时的顿挫感也随之减少. 当发动机转速在两个挡位之间下降过多时,换挡会产生顿挫感,加速也会中断. 挡位间隔越窄,这种过渡就越平顺也越迅速; 现代8-10速自动变速箱凭借快速的离合器切换和智能控制软件,可以一次跳过四五个挡位. 例如,福特与通用汽车联合开发的10速变速箱的控制电脑包含超过100万行代码,是此前6速变速箱的两倍多,并能根据油门踏板的动作实现瞬间降挡.

数字上有什么变化?

具体的例子让挡位数量的影响变得可以衡量. 2017款福特F-150相比上一年配备6速变速箱的版本,10速变速箱在市区和高速公路上分别多获得了1 mpg的燃油经济性,4x4版本则多获得2 mpg; 0-60 mph加速时间缩短了0.2秒. 同一车型年的拖挂版本凭借375马力的功率和470磅-英尺的扭矩,达到了12,200磅的拖挂能力. 轿车方面也有类似的情况: 2017款雪佛兰Malibu从8速升级到9速后,燃油效率提高了约3%.

ZF在2012年公布的数据,显示了挡位数与油耗之间的关系可以有多么显著: 8速自动变速箱相比3速自动变速箱承诺实现21-24%的改善; 相比6速,节省约11%;相比5速,节省14%. ZF的9速变速箱则瞄准了相比6速高达16%的改善. ZF 8HP技术手册中的数据也印证了同一趋势: 相比6速的6HP,油耗降低12%;相比5速,降低14%. 从工程师的角度看,这些数字并非巧合,而是传动比阶梯的直接数学结果.

变速箱 对比 燃油经济性改善
ZF 8速 对比3速 21-24%
ZF 8速 对比5速 14%
ZF 8速 对比6速 11%
ZF 9速 对比6速 高达16%
通用9速 对比此前的8速(Malibu) 3%

多挡位的代价: 复杂性、重量与成本

每增加一个挡位,就意味着额外的离合元件、更复杂的阀体组件以及更多的电脑控制. 运动部件越多,必然意味着更大的机械故障潜在风险和更昂贵的变速箱总成. GM向位于密歇根州Romulus的高速挡变速箱工厂投资了3.23亿美元; 这一数字,衡量了多挡自动变速箱需要何等规模的工业投入.

重量也是争论的焦点. 一个批评性的观点是: 重量是性能的敌人; 制造商应该寻求减轻车辆重量的方法,而不是增加更多挡位. 这种批评并非不无道理,因为每一分收益都是以机械复杂性换来的. 另一方面,收益递减也不可避免: 虽然8速和9速之后仍然可以看到收益,但一旦进入11-12速,就会触发导致架构问题的收益递减效应. 福特和GM的工程团队将10个前进挡视为这一效益曲线的最佳平衡点.

还有一个持续性的问题. 10个前进挡并非每款车的最优解决方案; 据认为,根据区域市场的不同,6速变速箱还将长期存在. GM则在其自身一侧测算,其面向前驱车型的9挡变速箱能够共同覆盖高端多挡市场,并强调两款变速箱均设计为终身密封、免维护的总成.

8个前进挡还是10个前进挡? 齿比范围的另一种解决方案

10个前进挡并不是唯一的竞争视角. ZF学派主张采用齿比范围更宽而非挡位更密的8速变速箱,而8HP作为一款既快又精致、足以同时服务跑车和豪华轿车的单元,获得了广泛认可. 一项实际对比印证了这一点: 在2020款Chevrolet Silverado Z71上进行的8速与10速变速箱版本对比中,10速相比8速并未发现明显优势; ZF的宽齿比范围发挥了作用.

由此得出的经验是,重要的不是挡位数量本身,而是齿比范围和挡位间的紧凑程度. 10个前进挡尤其在牵引和重载场景下作为强有力的选择脱颖而出; 而对于轻型车辆和日常使用,调校良好的6-8速变速箱往往已经足够. "挡位越多越好"的公式在工程领域很少成立.

CVT与DCT: 挡位数量的替代方案

多挡自动变速箱并非唯一的道路. CVT凭借皮带和带轮系统提供无限数量的齿比,无需换挡即可将发动机保持在效率最佳平衡点; 在多数情况下,它能提供比传统自动变速箱更好的燃油经济性. 作为代价,带轮与钢带结构带来的驾驶特性并非人人喜欢,而在高扭矩应用中,其耐久性也会受到质疑. 双离合变速箱(DCT)不仅适用于性能导向的车辆,也为希望平衡速度与效率的车型提供了一条可行之路.

一个有趣的转折点,是自动变速箱相对手动变速箱的历史性优势: 从2016车型年起,自动变速箱在燃油经济性上超越或至少追平了手动变速箱. 在此前十年的时间里,"手动更省油"的假设几乎适用于每个级别,而多挡自动变速箱的紧密齿比颠覆了这一等式. 挡位竞赛的真正目标不是性能,而是燃油效率; 显然,美国企业平均燃油经济性(CAFE)标准是这一趋势的推动力. 而性能提升,则是短一挡与快速换挡的副产品.

为什么电动车不看重挡位?

电机拥有一项使这场争论完全失效的特性: 它们从零转到最高转速几乎持续输出扭矩. 无需再寻找所谓的狭窄高效转速区间; 电机在任何地方都展现出几乎相同的特性. 因此电动车只需单速变速箱即可. 挡位数量的增加,曾是解决内燃机狭窄高效区间的一种方案; 狭窄高效区间消失后,增加传动比的需求也随之消失. 杠杆的对比也很有启发性: 脚踏自行车中,人力只能在非常窄的力量区间内输出,因此需要18个甚至更多挡位; 卡车由于载重原因,也可能配备18个前进挡. 挡位数量,弥补了发动机特性与车辆任务之间的空隙.

多少个挡位才够? 收益递减的黄金比例

那么理想数字是多少? 没有明确且可衡量的答案,但界限是清晰的. 对于动力较弱、重量较轻的车辆,5个前进挡无论在生产成本还是车辆性能潜力方面仍然足够. 对于重型卡车,18个前进挡是合理的,因为载重与空载状态之间的传动比需求差距巨大. 乘用车的6-8个前进挡能满足大多数场景; 10个前进挡则在同时追求满载牵引、快速加速和低巡航油耗的大排量发动机车辆中才有意义. 制造商方面,福特和通用将10挡视为最佳平衡点,而反对观点则认为多挡位带来的重量和复杂性负担并不必要. 双方都有部分道理: 正确的答案取决于车辆的用途,并且每增加一个挡位的成本都必须由燃油经济性方面的收益来补偿. 否则,挡位数量就会变成一个账面上好看、路上却要付出代价的配置.

参考资料