横置9AT的对比分析2
上一篇文章介绍了ZF横置9AT和GM横置9AT传动比方面的对比分析，这篇文章接着写这两个横置9AT结构方面的对比。
行星机构对比
GM的横置9AT是从其横置6AT改进而来的，行星机构继承了6AT的传动方案，巧妙的增加了双联行星齿轮和一个太阳轮，实现了9个挡位，具体的实现方式可翻阅我前面的文章。
既然继承了其6AT，那就很多方面跟6AT有共同之处，例如某些挡位的传动比和换挡阶比基本与6AT一致，前面的一篇文章分析了。从行星机构来看，GM的横置9AT与其6AT是一个水平的，都是三自由度行星机构，用4个行星排，7个操作元件，每个挡位需要接合2个操作元件，其余的5个操作元件不工作，拖拽功率损失较大。
其实GM是有四自由度9AT的专利的，为什么偏要用三自由度的行星机构呢？主要还是想继承原来6AT的结构，省成本，节省开发周期。下图中，除了红色部分是9AT新增的，其他部分都是继承其6AT的。这样的改进但也带来了一个技术挑战：离合器操纵元件过多，达到7个。GM只好用可控单向离合器技术（图中的F1R），作为起步和倒挡的切换离合器。GM宣称可控单向离合器技术的可靠性经过验证，用在倒挡和1挡之间的切换，估计问题也不大，毕竟正倒车的频率相比于换挡频率，不算太高。
▲GM横置9AT传动简图，红色部分为9AT相对于6AT的改动部分
▲GM横置9AT离合器操纵序列
而ZF的横置9AT则为四自由度行星结构，是非常典型的四自由度行星机构，前面的两个排为辛普森机构，后面的两个排为RS-CC机构（GM的双模式混动的行星机构），每个挡位需要接合3个操作元件，其余的3个操作元件空转，离合器的拖拽功率损失小于GM的横置9AT。更何况ZF用了2个Dog Clutch进行换挡，离合器的拖曳功率损失就更小，传动效率更高。
▲ZF横置9AT传动简图
▲ZF横置9AT传动简图（展开）
▲ZF横置9AT离合器操纵序列
个人认为ZF的9AT行星机构会优于GM的9AT，传动效率也略有占优；但GM的优点是结构继承性好，ZF就是一个全新的设计。
结构设计对比
GM和ZF的9AT结构设计都非常有特点，都是敢于创新的结构，如ZF的两个Dog Clutch、行星排嵌套；GM的离合器油缸设计、铝制离合器鼓、可控单向离合器。相比于爱信的8AT小心翼翼，步步为营的技术更新，ZF的9AT简直就是创新。
▲GM横置9AT结构图
▲ZF横置9AT结构图
ZF的9AT用了2个Dog Clutch，分别在4-5挡，7-8挡需要切换Dog Clutch。Dog Clutch的引入使结构紧凑，减小拖曳功率损失，但换挡控制的难度就大大增大。比如，0~100km/h加速工况还好，升挡过程，Dog Clutch A和F都是脱开操作，只要调整发动机转矩就可以了。但是如果是同步接入过程就比较麻烦了，最明显的工况，如果平时在高速工况8挡巡航，突然一脚大油门加速，电脑强制降挡，比如降到4挡，这时候就需要同时切换2个Dog Clutch了，这个工况的Dog Clutch同步就异常困难了，即使控制很好，也需要较长的同步时间。
还存在一个问题：4-5挡之间的频繁切换在城市低速工况会经常发生，升挡过程还好办，如果从5-4或者6-4，就存在Dog Clutch F的同步切换问题了。因为 ZF9AT的车开的不多，不知道如何，不好判断。
个人认为，ZF的9AT中的Dog Clutch F完全可以做成摩擦片换挡的制动器，布置在离合器E的外面，从ZF的9AT的结构图来看，还是有空间的。如果减少一个Dog Clutch F，那只有在7-8挡切换才用到Dog Clutch A，控制难度就大大降低了。估计ZF不这样做，应该是基于传动效率的考虑，Dog Clutch F的速差应该不会太小，因为是制动太阳轮的，太阳轮往往都是行星传动里面较高转速的元件。
精通维修里面有一篇文章专门介绍这个Dog Clutch的工作原理的，感兴趣的可以查阅。个人认为Dog Clutch在电动汽车两挡变速箱上最适合，驱动电机可以主动调速实现同步。这个Dog Clutch的齿形设计时关键，这方面爱信也有相关的研究（我前面的文章介绍过）。
GM的9AT结构设计最大的难度在于后面的5个操作元件上，那么小的空间布置3个离合器、2个制动器。所以GM用了3层的嵌套设计，我在前面的文章中有详细的分析。GM在这里有一个不得已的设计，就是离合器C4的油缸设计。通常离合器的油缸是旋转的，但GM估计没有空间了，把离合器的油缸设计在壳体中，不旋转了，用了一个推力轴承实现离合器的接合。但这个推力轴承是没有轴向定位的，也就是说会随着离合器摩擦片轴向运动的，这个轴承的受力状态不好还随着摩擦片高速旋转， 不知道可靠性如何。GM这样做也是没有办法，没有空间了。
▲通常离合器油缸设计 GM9AT的C4离合器油缸设计
为了实现横置9AT，ZF和GM结构设计上都做了妥协。ZF用Dog Clutch；GM用了7个操纵元件，可控单向离合器、多离合器嵌套，结构设计复杂。得益于两家都是AT自动变速箱设计的牛耳，具备雄厚的技术储备。一句话，想低调，实力不允许啊。
小结
- ZF的9AT为四自由度行星传动方案，较GM的9AT三自由度传动，技术上稍优，传动效率方面占优。
- GM的9AT最大的优势是结构上深度继承了其6AT，劣势为离合器操纵件较多。
- GM和ZF的9AT结构设计都非常有特点，相比于爱信的8AT，都是敢于创新的结构。
- ZF的9AT在4-5挡，7-8挡需要切换Dog Clutch，在城市50-60km/h工况和高速突然大油门加速工况，Dog Clutch的控制要求较高。
- 个人认为，ZF的9AT中的Dog Clutch F完全可以做成摩擦片换挡的制动器，布置在离合器E的外面，从ZF的9AT的结构图来看，还是有空间的。
- 为了实现横置9AT，ZF和GM结构设计上都做了妥协。ZF用Dog Clutch；GM用了7个操纵元件，可控单向离合器，多离合器嵌套，结构设计复杂。
注：部分图片来源于网络或SAE文献，如有侵权，请联系13810696083。文中的观点纯属个人的技术观点，不针对某个人或某公司、机构，如有不同意见，欢迎探讨。
参考文献：
1.SAE PAPER: General Motors Hydra-Matic 9T50 Automatic Transaxle.2018-01-0391.
2.SAE PAPER: The ZF Automatic Transmission 9HP48 Transmission System, Design and Mechanical Parts. 2013-01-1276.
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来源：知乎 www.zhihu.com
作者：pengzengx
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