随着多款9AT变速箱车型的发布，关于SUV是否适合使用9AT成为了热门话题。今天我们就以ZF和通用9AT对比为基础，深度揭秘9AT变速箱的优势及设计难点

SUV使用9AT的第一炮ZF9AT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DogClutch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

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

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。

目前ZF9AT存在的主要问题

1.不合理的齿比分布

如下图所示ZF9HP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。

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。ZF9HP变速箱为了降低尺寸，使用了DogClutch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。↑ZF9HP换挡机构

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。ZF9HP变速箱为了降低尺寸，使用了DogClutch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。

如上为ZF9HP变速箱具体结构，包括液力耦合器TorqueConverter，差速器Differential，4个行星齿轮组GearSet1to4和6个换挡执行器(犬牙离合器DogClutchA/F，旋转离合器ClutchB/E和静止离合器BrakeC/D)。↑ZF9HP换挡机构原理图

如上为ZF9HP变速箱具体结构，包括液力耦合器TorqueConverter，差速器Differential，4个行星齿轮组GearSet1to4和6个换挡执行器(犬牙离合器DogClutchA/F，旋转离合器ClutchB/E和静止离合器BrakeC/D)。

↑ZF9HP换挡机构原理图

提到DogClutch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

提到DogClutch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)。

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。↑ZF9HP换挡机构的犬牙离合器A

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。

ZF9HP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。

↑ZF9HP换挡机构的犬牙离合器F

ZF9HP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。

↑ZF9HP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。

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

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。

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

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。

通用GM9AT

↑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

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。

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StartStopAccumulator。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

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StartStopAccumulator。后文详细介绍该零件的作用。

↑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GM9AT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：

通用GM9AT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

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

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。

2.换挡策略专利技术Shiftbyshift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6T506AT变速箱所使用的Shiftbyshift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Shiftbyshift换挡。该专利技术也在通用9AT变速箱上得以使用。↑通用Shiftbyshift换挡策略

2.换挡策略专利技术

Shiftbyshift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6T506AT变速箱所使用的Shiftbyshift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Shiftbyshift换挡。该专利技术也在通用9AT变速箱上得以使用。

通用6T506AT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6T506AT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。

通用中国变速箱副总工程师希普利KevinShipley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KevinShipley的专访)

通用中国变速箱副总工程师希普利KevinShipley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。

3.SelectableOne-wayClutch可选择单向离合器如上提到，SelectableOne-wayClutch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SUVYukon。曾经的博鳌官方用车别克林荫大道ParkAvenue也使用该纵置后驱6AT变速箱与一台3.0V6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

3.SelectableOne-wayClutch可选择单向离合器

如上提到，SelectableOne-wayClutch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SUVYukon。曾经的博鳌官方用车别克林荫大道ParkAvenue也使用该纵置后驱6AT变速箱与一台3.0V6的发动机进行搭配。

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ForwardStrut或反向支柱ReverseStrut)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

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ForwardStrut或反向支柱ReverseStrut)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

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。

4.StartStopAccumulator起停蓄压器的使用上文提到，起停蓄压器StartStopAccumulator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

4.StartStopAccumulator起停蓄压器的使用

上文提到，起停蓄压器StartStopAccumulator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。

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ZF9AT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PatentCN101344157B九速变速器专利PatentCN1936363A具有六个转矩传递机构的九档自动变速器专利PatentUS77362639-SPEEDTRANSMISSION专利PatentUS77316259-SPEEDTRANSMISSION专利PatentUS7364527NINESPEEDAUTOMATICTRANSMISSIONWITHSIXTORQUETRANSMITTINGMECHANISMSSAE论文SAE2014-01-1721GeneralMotorsRearWheelDriveEightSpeedAutomaticTransmissionSAE论文SAE2010-01-0857GeneralMotorsSmallFrontWheelDriveSixspeedAutomaticTransmissionFamilySAE论文SAE2009-01-0509SelectableOne-WayClutchinGM’sRWD6-SpeedAutomaticTransmissionsSAE论文SAE2007-01-1095GeneralMotorsHydra-Matic&FordNewFWDSix-SpeedAutomaticTransmissionFamilySAE论文SAE2006-01-0846GeneralMotorsNewHydra-MaticRWDSix-SpeedAutomaticTransmissionFamily

参考文献和扩展阅读：

专利PatentCN101344157B九速变速器

专利PatentCN1936363A具有六个转矩传递机构的九档自动变速器

专利PatentUS77362639-SPEEDTRANSMISSION

专利PatentUS77316259-SPEEDTRANSMISSION

专利PatentUS7364527NINESPEEDAUTOMATICTRANSMISSIONWITHSIXTORQUETRANSMITTINGMECHANISMS

SAE论文SAE2014-01-1721GeneralMotorsRearWheelDriveEightSpeedAutomaticTransmission

SAE论文SAE2010-01-0857GeneralMotorsSmallFrontWheelDriveSixspeedAutomaticTransmissionFamily

SAE论文SAE2009-01-0509SelectableOne-WayClutchinGM’sRWD6-SpeedAutomaticTransmissions

SAE论文SAE2007-01-1095GeneralMotorsHydra-Matic&FordNewFWDSix-SpeedAutomaticTransmissionFamily

SAE论文SAE2006-01-0846GeneralMotorsNewHydra-MaticRWDSix-SpeedAutomaticTransmissionFamily

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