1變速器:汽車動力總成核心部件自動替代手動是趨勢1.1實現扭矩收放自如三大功能決定核心位置變速器解決發動機輸出扭矩與實際需求扭矩的矛盾。汽車動力總成主要由發動機和變速器構成,發動機一旦被制造出
1變速器:汽車動力總成核心部件自動替代手動是趨勢
1.1實現扭矩收放自如三大功能決定核心位置
變速器解決發動機輸出扭矩與實際需求扭矩的矛盾。汽車動力總成主要由發動機和變速器構成,發動機一旦被制造出來,其排量大小是不變的,可燃混合氣的成分也基本不變,因此發動機輸出的轉矩變化范圍較小;但是,汽車在起步和上坡時,一般需要的扭矩要比發動機直接輸出的大很多,而在平坦的路面上高速行駛時,需要的扭矩甚至可以小于發動機直接輸出扭矩。為了解決這些矛盾,變速器應運而生;變速器通過齒輪之間的配合實現扭矩的增大與減小,有效解決發動機輸出扭矩與實際需求之間的矛盾。
變速器主要有三種功能:
1)通過變矩實現變速:由實驗得知,汽車在瀝青路低速均速行駛,需要克服約為1.5%總重力的滾動阻力,假設某車自重為9,290Kg,總重為91,135N,最小滾動阻力為1,367N,該車發動機(6100Q1)最大輸出扭矩為353N•m,但傳送到驅動輪上產生的牽引力僅為784N,小于1,367N;這說明:如果沒有變速器,即便在平路上,汽車也是啟動不了的。如果有變速器的存在,利用小齒輪帶動大齒輪增大扭矩,大齒輪帶動小齒輪減小扭矩的原理實現變矩,就可以實現通過變矩實現變速。
2)實現倒車:內燃機不可能實現反向旋轉,在保證發動機旋轉方向不變的情況下,只能通過變速器來實現驅動輪的反轉,實現倒車。
3)中斷動力傳送:發動機在不停止運轉情況下,要實現汽車暫時停駐,僅需要變速器保持與發動機中斷狀態即可。
1.2手動擋逐漸勢微自動代手動是趨勢
按照是否需要手動操作換擋,變速器可分為手動變速和自動變速兩類。其中手動變速的變速器又分為手動變速器(MT)和自動離合變速器(AMT)兩種,兩者都采用齒輪傳動的變速結構,其區別是MT有離合器踏板,而AMT無離合器踏板。AMT是在MT的基礎上改進而來的,可以理解成電控的手動擋,當踩下剎車的時候,電腦會控制變速器斷開離合器,因此不需要離合器踏板。
自動變速的變速器可分為自動變速器(AT)、雙離合變速器(DCT)和無級變速器(CVT)。AT、CVT與DCT這三種變速器都沒有離合器踏板;AT可分為純自動變速器和手自一體變速器,采用液力變矩器+齒輪變速的結構。DCT和CVT都是手自一體變速器,既可自動換擋也可手動換擋;其中,DCT采用純齒輪變速結構,CVT采用液力變矩器+金屬帶變速的結構。
手動擋占比持續下滑,自動變速器多技術同發展。從國內汽車上牌數量數據來看,MT車型的市占率持續下滑,從2009年的53%下滑到2015年的44.6%;MT占比下滑的主要原因在于:1)自動變速器技術已經成熟;2)自動變速器操作性優于MT;3)自動變速器更加適宜于城市路況駕駛。2015年AT、CVT、DCT的市占率分別為37.9%、9.3%、7.7%。
圖1:國內2015年不同變速器新車占率情況(單位:%)
置換新車時變速器的選擇傾向:自動變速器成為首選,CVT與DCT份額提升。據汽車之家的汽車置換市場調研得知,72%的消費者會選擇自動變速器置換車型;細分到自動變速器的選擇,CVT和DCT在置換時的比例有所增加,分別達到17%與18%。
2地域技術路線分析:日系CVT/美系AT/歐系AT與DCT
2.1日本汽車啟停頻繁自動變速器偏愛CVT
日本汽車自動變速器的配套比例在80%以上,尤其偏愛CVT。日本自動變速器中CVT在數量上占據絕對優勢,主要原因在于,CVT有利于提高燃效和更適應于城市交通擁堵導致的頻繁啟停情況。日系車中,排量為2.5L及以下的FF(發動機前置/前輪驅動)/4WD(基于FF)車型(含微車型)幾乎均搭載CVT;其中,全球CVT龍頭加特可為全部日產車型配套CVT;愛信AW生產的E-CVT(THS-II)為豐田等車企的混合動力車型配套,因此近年來日本的E-CVT配套量逐年增多。
圖2:日系車2015年變速器市占率情況(單位:%)

2.2美國大型車居多AT占絕對主流
AT占比90%以上,檔位增多趨勢明顯。與日本市場相同,美國也是自動變速器的主力市場;但與日本市場不同的是,美國以大型車居多,因此自動變速器以AT居多,CVT主要配套于通用樂馳(Spark)等極少數小型車,而通用和福特的HEV和PHEV車型則分別搭載自主生產的E-CVT。據Marklines統計,2011年美國本土汽車自動變速器滲透率為95.6%(AT占比達到90%以上),比2009年增0.7個百分點;美國汽車AT檔位增多趨勢明顯,其中,6AT從2009年的29.1%激增至2011年的53.7%,4AT從28.4%減半至15.3%。
圖3:美國發售汽車變速器市場格局(單位:%)
2.3歐洲消費者重駕駛操縱AT與DCT表現佳
MT占比在50%左右,AT與DCT表現良好。歐洲汽車消費者喜歡MT手動操縱帶來的刺激感,同時對油耗也比較看重,因此一直以來歐洲的手動變速器的滲透率一直維持較高水平。自動變速器方面,歐洲D級和E級車型配套自動變速器的比例逐步增加,而且從CVT過渡到多檔AT,我們預計CVT在歐洲仍將處于少數比例,8AT與9AT逐漸取代7AT,開始成為主流。除此之外,歐洲多數車企開始在中低端車領域開發DCT,德國大眾繼續保持技術領先。
圖4:歐系車2015年變速器市占率情況(單位:%)
2.4國內自動擋配套率低多技術路線共存
自主品牌汽車自動變速器匹配率低,未來將加速提升。蓋世汽車對2015年在售的394款主流車型變速器的統計表明,國內車型MT占比45%,AT占比34%,DCT與CVT占比分別為9%和8%,少量車型為AMT與電動變速器。其中,自主品牌MT配套車型占比達56%,AT占比僅為25%,其他變速器占比均低于10%;外資品牌車型整體以AT為主,占比達44%,MT占比為34%,DCT和CVT占比分別為12%和9%。值得注意的是,雖然自主品牌在車型數量上MT占比為56%,但銷量占比卻達到80%,說明自主品牌汽車自動擋車型銷量并不多,主要原因在于:1)自主變速器企業配套能力弱,外資變速器企業對自主品牌配套限量;2)之前自動品牌汽車主拼性價比,自動變速器價格較高。隨著自主品牌的加速崛起和自主變速器企業在自動變速器領域的突破,自主品牌汽車的自動變速器占比將越來越高。
受外資影響,自動變速器多技術共發展。國內AT應用市場中,上汽通用、上汽大眾、北京現代、一汽豐田和一汽大眾是AT產銷的主體,獨立供應商以日本愛信和德國采埃孚為主。DCT的大戶主要是一汽大眾、上汽大眾和長安福特三家公司,市場占比達95%以上,其余份額主要為廣汽菲亞特和比亞迪。CVT主要以日系品牌為主(東風日產占比很大的市場份額),供應商主要是日本加特可(廣州),其他還有豐田常熟、本田佛山、南京邦奇(主要配套自主車型)等。
3AT:自動變速器中的老大哥中高端市場中的絕對霸主
3.1AT多檔位趨勢加快供應商市場集中度較高
AT多檔位化趨勢加快,中低端市場份額發生微變。AT全球市場的主要變化趨勢有兩個:1)AT升級多檔位趨勢明顯,目前7AT、8AT和9AT均已在中高端汽車領域規模量產,同時本田、福特和通用均發表投放10AT的計劃;2)中低端領域,AT市占率雖占優勢,但CVT和DCT加快市場滲透,正蠶食AT在中低端領域的市場份額。
不考慮整車自主生產,供應商市場集中度相對較高。具有代表性的供應商包括生產乘用車和輕型車專用AT的日本愛信AW與加特可、生產乘用車和輕/重型商用車AT的德國采埃孚、生產重型商用車AT的Allison。除此之外,整車廠自主生產方面情況有,日系車,本田全部自產,三菱和日產不進行自產(加特可前身就是日產自動變速器工廠,三菱在2002年就將京都、水島和八木各大工廠的全部AT和CVT統一由加特可生產);歐美系乘用車中,美系三大整車廠(通用、福特和克萊斯勒)、歐系的德國戴姆勒和法國雷諾與標致均實現自主生產,其他整車廠基本接受采埃孚和愛信AW的供應。
3.2AT結構解析:液力變矩器+行星齒輪組
AT=液力變矩器+變速機構。世界最早的‚可自動變速的變速器?就是AT,最早可追溯到100年前的T型車,但真正意義上的AT還是‚液力變矩器+行星齒輪組?組合的出現。時至今日,AT還是保持著液力變矩器和其后方變速機構的基礎性結構。
液力變矩器工作原理如同插電的風扇能夠帶動對面不插電的風扇轉動。液力變矩器由泵輪、定葉輪、渦輪以及鎖止離合器組成的,動力傳遞路徑由‚殼體-泵輪-渦輪-變速器?單向傳遞。工作時,液力變矩器中充滿傳動油,發動機帶動泵輪旋轉,傳動油帶動與輸出軸相連的渦輪一起轉動,從而將動力傳遞出去;當車速超過一定范圍時,鎖止離合器會將發動機與變速機構直接相連,以此降低油耗。
液力變矩器不僅僅是緩沖器,更可以將其看成一個無級變速器。液力變矩器除了相當于緩沖器外,還可以實現變矩。由于液力變矩器是靠液壓傳動的機構,液力本身具備儲能特性,工作時可以實現扭矩的放大;這其實在某種程度上可以把它視作一個可以瞬間工作、小齒比范圍的無級變速器。
行星齒輪組是AT扭矩輸出的核心。AT每一個檔位對應一組離合片控制,一組離合片對應一套行星齒輪組。AT均采用電磁閥對離合片進行控制,ECU獲得指令和車速后,控制電磁閥運動,從而改變變速器油在閥體油道的走向,當某檔位的多片式離合片油壓達到致動壓力時,離合片結合從而促使相應的行星齒輪組輸出動力。值得注意的是AT與MT所用的傳動齒輪不同,AT是通過行星齒輪組實現扭矩的轉換。
3.3新型AT:換擋不輸DCT舒適度不輸CVT
傳統AT過度依賴液力變矩器,以至于出現CVT和DCT。傳統AT由于技術和工藝的限值,難以增加太多檔位,因此常見傳統AT的檔位一般少于MT的,即4MT普及時代對應著3AT,5MT普及對應著4AT的發展。在發動機扭矩范圍不是很寬泛的年代中,要讓4AT實現5MT甚至6MT的齒比范圍就必須要讓液力變矩器擔任更多的任務,甚至起到用傳動油傳遞動力的工況。這樣設計的結果就造成了傳統AT傳動效率低,油耗高,加速滿的缺點。隨著動力總成工作效率提升的要求日益升高,矛盾越來越尖銳,矛盾的尖銳促使了CVT和DCT的出世。
新型AT變革實現多檔位,在液力變矩器的輔助下性能得到極大地提升。傳統AT一直停滯在6檔位,本世紀初,戴姆勒推出了7AT;后來,采埃孚推出8AT,并匹配大多數縱置寶馬車型。從8AT開始,AT的性能得到全面的提升,完全可以做到比同款車MT省油。由于檔位的增多,液力變矩器的變矩作用被弱化,更多的時候在擔任緩沖器的作用;與此同時,極小的齒比落差和伺服機構的革新,使得多檔位AT換擋速度直接與DCT媲美,舒適性不輸CVT。
低檔位AT油耗指標獲得長足發展。在AT不斷實現多檔位的同時,低端少檔位AT也獲得了長足的發展;在基于發動機技術的進步和伺服控制機構的提升,少檔位AT在避免沖擊的情況可以提升換擋速度和增加液力變矩器的鎖止頻率,從而實現高效運轉,達到降低油耗的目的。例如,愛信配備在威馳和樂風RV等車型上的4AT綜合油耗可以做到與5MT完全一樣。
3.4AT在高端車型中競爭力十足
在高端車型領域,AT有可能會進一步擴大市占率。在中高端車型中,除了大眾還在繼續推廣DCT外,其他汽車品牌幾乎全部改用AT,其中包括之前嘗試DCT的福特和沃爾沃等;同時,隨著大眾宣布放棄10速DSG的研發,其旗下的多數SUV和頂級豪華轎車奧迪A8等也開始采用AT。多檔位AT在高端車型中的優勢和競爭力十足,未來仍有進一步擴大市場份額的可能。
在中低端領域,DCT與CVT將與AT分庭抗禮。雖然低檔位AT性能得以提升,但考慮到不同車系選擇技術路線的不同,不同車系在DCT、CVT和AT上均投入大量資金;在成本、性能、布置方式等多方權衡的情況下,DCT和CVT依然具備足夠的競爭力與4AT、5AT或6AT分庭抗禮。從目前的競爭格局來看,未來AT在中低端車型中的市占率可能會進一步下降,最終與DCT和CVT形成三足鼎立局面。
4DCT與CVT將大放異彩中低端將與AT達三足之勢
4.1DCT:大眾全力推廣中低端或將大有所為
4.1.1DCT結構解析:雙離合器+定軸齒輪組
DCT換擋可實現無停滯。一般手動擋汽車換擋時,離合器在分離與結合之間存在動力傳遞中斷的現象;為了消除換擋時的動力傳遞停滯現象,實現更快的平穩換擋,雙離合變速器DCT應運而生。
雙離合器是DCT的核心部件,市場集中度較高。DCT基本是由雙離合器和后續的換擋機構構成,其中雙離合器是技術壁壘最高的零部件,目前主要被博格華納和舍弗勒旗下的Luk所壟斷。
閑置離合器提前掛擋,實現最快換擋。以6檔DCT為例,兩個離合器與變速器裝配在同一機構內,其中一個離合器負責掛1、3、5和倒擋;另一個離合器負責控制2、4、6檔。
當駕駛人掛上1檔,松開離合器踏板起步時,另外一個離合器預先掛上2檔,但保持離合器分離狀態;當車速提上來準備換擋時,第一個離合器分離同時,第二個離合器結合,2檔開始工作;與此同時,第一個離合器所控制的3檔齒輪組完成嚙合并等待換擋指令。這樣的換擋構架省略了檔位控制的一剎那,使動力傳遞更加連續。
4.1.2DCT技術不斷優化大眾全力推廣應用
DCT換擋快、更省油,德國大眾為其推廣主力軍。DCT采用四軸兩組傳動軸和兩個離合器的構架,由于離合器是硬傳動,因此DCT主打的宣傳口號是:換擋快+傳動效率高(省油)。大眾在國內率先大力推廣DCT,2007年3月,大眾發布‚中國動力總成技術?,計劃將TSI(同時裝載渦輪增壓和機械增壓,并采用分層燃燒的發動機)+DSG(DCT變速器大眾自稱)技術引入中國,實現本土化生產,TSI+DSG也自然而然成為大眾旗下大眾品牌和斯柯達的主要賣點。除此之外,福特推出自己的DCT,將其命名為Powershift;2011年3月份,長安福特新上市蒙迪歐2.0T版本就搭載進口的福特Powershift;沃爾沃2011款和2012款的S60和XC60均有配備DCT。
DCT出現抖動、過熱和失速等質量問題。隨著AT和動力總成的技術進步,多檔位AT大幅度突破檔位數瓶頸,在效率、加速度和油耗方面絲毫不差于DCT,DCT在高端領域開始失去競爭優勢;而低端AT源于發動機扭矩變寬,同樣可以增加液力變矩器的鎖止頻率,油耗接近DCT。2012年3月,315曝光大眾DSG存在抖動、頓挫感強力、不能換擋、過熱和失速等質量問題;隨后,福特和沃爾沃等車型陸續曝光出現類似情況,因此福特新蒙迪歐和沃爾沃S60與XC60等車型均改用8AT或者6AT替代原有DCT。目前,國內主要的DCT車型均是大眾系車型。
DCT問題屬于軟件問題,需要時間來優化解決。很多人認為,DCT的抖動、過熱和失速是結構性缺陷,這些問題其實出在控制系統,更準確的說是控制軟件。從DCT的保有量來看,出問題的比例其實并不高,符合一個新興變速器的正常范疇;大眾近年來一直在優化其DSG變速器,是國內推廣DCT的主力軍,目前大眾天津和大連變速器基地主要生產大眾DSG,大連基地年產銷在100萬套左右,天津基地2016年產能開始釋放,未來具備180萬套的產能潛力。我們認為隨著時間和技術的積累,不斷發現問題,不斷優化算法,DCT的這些問題終將會得到解決。
4.1.3DCT市場在中低端干式或許更符合發展需要
濕式DCT多用于大車型,干式DCT用于小車型。雙離合變速器又分為干式雙離合和濕式雙離合,以大眾DSG為例,其擁有6速濕式雙離合變速器(離合器由博格華納提供)和7速干式雙離合變速器(離合器由舍弗勒旗下Luk提供)。從工作原理和基本構造上,干式雙離合與濕式雙離合并沒有本質上的差別;不同之處在于雙離合摩擦片的冷卻方式:濕式DCT的兩組離合器在一個密封的油槽中,通過浸泡著離合器片的變速器油吸收熱量,而干式DCT摩擦片則沒有密封油槽,需要通過風冷散熱。一般來講,濕式DCT因具備良好的散熱效果,可以承載較大的動力傳遞,也能更好地適應較為激烈的駕駛環境,因此在一些發動機功率和扭矩輸出較大的車型往往配備濕式DCT(大眾汽車一般會為2.0TSI或更高級的發動機配備6速濕式雙離合,例如邁騰、帕薩特和CC的2.0TSI、3.0LV6FSI版本、高爾夫GTI、速騰GLi等車型)。干式DCT少了液力系統,結構簡單,成本降低,燃油經濟性也有所提高,多用于小扭矩動力傳遞,適用于小車型,大眾的1.2TSI、1.4TSI、1.8TSI等‚小排量低功率?發動機一般匹配7速干式離合器。
濕式DCT在跑車領域具備競爭力,豪華車領域依然弱于多檔位AT。由于雙離合變速器換擋速度快,動力銜接幾乎沒有中斷,這在很多追求加速性能表現的車型上獲得認可。濕式DCT在超級跑車上得到比較廣泛的應用,例如,法拉利已經全面使用雙離合變速器替代之前助推的序列式變速器,保時捷跑車系列、日產GT-R、邁凱輪MP-4、甚至布加迪威航都采用的是雙離合變速器。我們認為濕式DCT在超豪華跑車這個細分領域具備一定的市場競爭力;但在中高端豪華車市場中,多檔位AT的競爭力依然要強于濕式DCT。
圖7:搭載濕式DCT的保時捷911
DCT市場空間在中低端車型,干式或許能更好滿足市場需求。考慮到雙離合變速器自身特點以及AT的發展,我們認為DCT更大的發揮空間應該在中低端汽車市場。干式與濕式相比最大的優勢是效率高、重量輕、成本低,這些特性符合中低端車型的設計訴求,也符合輕量化、低能耗、發動機小型化的發展趨勢。而且限于成本要求,中低端車型尚不可能全面普及8AT(或以上),這就讓干式DCT的競爭優勢凸顯出來。干式DCT換擋速度快、操縱感強、油耗低等特性突出,與主流的6AT相比具備一定的性價比優勢。
大眾DSG國產化進程加快。大眾在中國的業務約占整個大眾全球汽車產量的30%,面對國內汽車市場競爭越加激烈,大眾率先實行變速器國產化。2010年5月,大眾投資1.7億歐元的大眾汽車自動變速器(大連)有限公司投產,由此拉開了大眾動力總成國產化的序幕。2014年,大眾汽車自動變速器(天津)有限公司成立,投資額達10億歐元,主要生產DQ380、DQ500和DL382系列變速器。
4.1.4自主品牌加強技術儲備后期發展值得期待
12家自主整車廠與博格華納成立合資公司,解決DCT核心零部件技術短缺問題。2009年3月,國家發改委牽頭成立博格華納聯合傳動系統有限公司,該公司在國內生產雙離合器模塊、扭振減震器模塊和控制模塊等核心零部件,目的在于引進博格華納雙離合器核心技術,實現自主品牌DCT的國產化。合資公司由博格華納(中國)投資有限公司(66%)和中發聯投資有限公司(34%)設立。中發聯投資有限公司由一汽、上汽、東風、長安、奇瑞、華晨、江淮、長豐、吉利、廣汽、北汽、天海、長城12家整車企業組成;一汽、上汽各占20%股份,長安、東風、奇瑞各占10%,除長城2%、中順3%外,其余5家都是5%(天順于2011年初退出,股份拍賣給了北汽和天海)。合資公司大連工廠于2011年4月開始正式投產,設計產能50萬套,首批優先為上汽和一汽供貨;合資公司的成立緩解自主品牌DCT核心零部件技術短缺問題,同時也為自主品牌整車廠積累一定的技術經驗。
自主品牌整車廠陸續開始上市DCT車型。近年來,自主乘用車陸續開始上市搭載DCT的車型。其中,上汽集團MG、榮威兩大品牌已經多款車型匹配;比亞迪幾乎已經是全系自動擋均搭載DCT;廣汽逐步將DCT普及于旗下各級別車型;奇瑞觀致3開始采用DCT,艾瑞澤7后推車型也將配套;長安逸動、CS35、致尚XT等車型也陸續換裝DCT;吉利帝豪GS搭載DCT車型也開始開售。
自主品牌DCT技術近年來得到了快速發展,得到了政府和整車企業的重點關注。主要原因在于:1)DCT與其他自動變速器不同,傳承了部分的MT技術,是在手動變速器基礎上開發的,70%的手動變速器生產能力都可以利用,比較適合MT生產基礎雄厚的中國。2)與AT相比,AT國外發展70余年,產品檔位提升速度快,工藝投入較大,專利壁壘比較高,DCT屬于新型自動變速器,與國外的技術差距相對較小,市場相對開放;3)大眾重點在國內推行DSG國產化,基礎配套體系較為健全。
4.2CVT:中低端市場有望與AT和DCT構建三國演義
4.2.1日本加特可與愛信AW主導全球CVT市場
第三方供應商掌握更大的市場份額。日本的加特可和愛信AW兩大CVT供應商主導著全球CVT市場,德國采埃孚雖然是混合動力變速器的供應商,但并不生產CVT。整車自主生產方面,日系整車廠本田、富士重工、大發全部自主生產,三菱、日產和鈴木不進行自主生產(均由加特可供應);美系的福特和歐系的戴姆勒和奧迪自主生產,其他車企均由愛信和加特可供應。
4.2.2CVT結構解析:兩個滑輪+一條金屬帶
ECU通過控制V型槽寬窄,進而實現變速。CVT無級變速器的主要部件是兩個滑輪和一條金屬帶,金屬帶套在兩個滑輪上。滑輪由兩塊輪盤組成,這兩片輪盤中間的凹槽形成一個V形,其中一邊的輪盤由液壓控制機構控制。液壓控制機構可以視不同的發動機轉速,進行分開與拉近動作,V形凹槽也隨之變寬或變窄,將金屬帶升高或降低,從而改變金屬帶與滑輪接觸的直徑,相當于齒輪變速中切換不同直徑的齒輪。兩個滑輪呈反向調節,即其中一個帶輪凹槽逐漸變寬時,另一個帶輪凹槽就會逐漸變窄,從而迅速加大傳動比的變化。主動滑輪調節V型槽應對不同的工況。當汽車慢速行駛時,可以令主動滑輪的凹槽寬度大于被動滑輪凹槽,主動滑輪的金屬帶圓周半徑小于被動滑輪的金屬帶圓周半徑,即小圓帶大圓,因此能傳遞較大的轉矩。當汽車逐漸轉為高速時,主動滑輪的一邊輪盤向內靠攏,凹槽寬度變小迫使金屬帶升起,直至最高頂端,而被動滑輪的一邊輪盤剛好相反,向外移動拉大凹槽寬度迫使金屬帶降下,即主動滑輪金屬帶的圓周半徑大于被動滑輪金屬帶的圓周半徑,變成大圓帶小圓,因此能保證汽車高速行駛時的速度要求。
鋼帶是核心零部件,被博世和Luk等企業把控。鋼帶是CVT的核心部件,直接關系到動力的傳輸穩定性,目前博世占據全球CVT鋼帶60%的市場份額,鋼帶設計壽命高達30萬公里;舍弗勒旗下Luk也占有一定的市場空間。除此之外,日產、斯巴魯等主機廠和加特可等一級供應商也會自產部分鋼帶。電子控制系統供應商有大陸汽車電子以及聯合汽車電子。
圖8:舍弗勒Luk的CVT鋼帶結構圖
4.2.3CVT優點與缺點針鋒相對
CVT獨特的結構特性決定了其優點與缺點是針鋒相對的,具體來看:
CVT主要優點有:
1)換擋順滑:換擋平順性可以受伺服機構和軟件程序的影響,但是歸根到底還是傳動比的落差決定的,全世界只有CVT的傳動比落差可以做到無窮小,因此只有CVT可以做到徹底沒有換擋沖擊。
2)油耗低:由于CVT速比連續可變且可和車速聯動,因此發動機轉速區間不再受車速變速的限值,這也是CVT與AT和DCT等齒輪傳動變速器最大的區別之一,可以保證發動機保持在經濟轉速區間,從而實現更好的節油效果。雖然說AT技術的進步使得油耗可媲美CVT,但是依然不能說CVT沒有節油優勢,只能說節油的優勢開始不明顯。
3)更好的爬坡性能:CVT在爬坡過程中不會出現其他類型變速器由于換擋出現的動力中斷問題,發動機可以實現很好的動力輸出。
4)成本低:CVT結構比多檔位AT更簡單,成本也更低,這也是CVT存在的主要原因之一。
5)適用于城市街道:城市街道行車需要不斷啟停,CVT由于自身特點,可以實現更好的節油效果,這也是日本大力推廣CVT的主要原因之一。
CVT的主要缺點幾乎都是優點的伴隨者:
1)換擋速度慢,駕駛操作性差:換擋速度是衡量一款變速器技術和性能的重要指標,DCT號稱換擋速度超過優秀的賽車手,新型多檔位AT換擋速度甚至趕超DCT,而且可以實現跳檔換擋;而CVT不管是鋼帶還是鏈條傳動,傳動比都是一個遞進的過程,也就是說換擋順滑的優點造成了換擋慢的缺點。
2)在重型車中限制使用:CVT采用的是鋼帶摩擦傳動,重型車輛易超出靜摩擦力而出現相對摩擦,從而磨損鋼帶。目前,通過設計優化、結構強化和控制系統智能化,小型車的CVT打滑幾率已經幾乎為零。
3)限制發動機的輸出功率和扭矩:過大的發動機輸出功率或扭矩一樣會損壞鋼帶,所以CVT一般搭載自然吸氣發動機,影響駕駛感。但這并不意味著油耗高,相反自然吸氣發動機與CVT可以實現更好的匹配,使得自然吸氣發動機在經濟轉速區內工作,同樣可以發揮較好的節油效果。
4.2.4高端領域逐步退出中低端家用領域大有可為
配套車企的一進一出說明CVT市場在中低端家用領域。在CVT陣營里有兩個非常重要卻方向相反的標志性事件:1)奧迪Multitronic退出CVT,轉投DCT或AT;2)豐田、本田重新啟用CVT,并且將其作為下一步最主要的變速器;尤其是本田,幾乎涵蓋了從小型車到B級車、從小型SUV到緊湊型SUV的大部分領域,普及度直逼日產,儼然已成為除了日產外的第二大CVT支持者;有了豐田、本田的加盟,再結合斯巴魯、三菱等固有支持者,CVT的陣營可謂不降反增。上述的一系列變化表明CVT在逐步退出高端汽車市場的同時,正在加快中低端市場的滲透。
4.2.5日系占國內CVT半壁江山自主品牌表現優秀
日系掌控國內CVT市場,自主品牌表現搶眼。在國內裝配CVT的乘用車市場中,大約60%為國內廠商直接供應,其余40%則依賴國外進口。國內市場上的CVT變速器又可分為四大板塊,主流的CVT變速器是加特可7CVT和8CVT兩個系列,為日系汽車品牌配套;德國舍弗勒集團和奧迪研發生產的MultitronicCVT變速器裝備于奧迪車型,但目前已經逐步退出市場;豐田所用的CVT來自豐田和愛信進口;自主品牌企業中只有奇瑞實現自主開發(變速器業務被萬里揚收購),其他車企基本是采購南京邦奇的CVT產品。
5新能源汽車:綜合性能的提升依然離不開變速器
5.1‚限購城市牌照+購置補貼?驅動新能源汽車高增長
新能源汽車快速增長,2020年產銷有望達到260萬輛。2015年在新能源汽車購車補貼和限購城市免費牌照的刺激下,新能源汽車迎來了大幅度增長,全年生產37.9萬輛,同比增長3.5倍,一舉成為全球最大新能源汽車市場。2016年1-9月,在克服查騙補和補貼政策推遲落地等利空因素,新能源汽車累計生產35.5萬輛,同比增長77.9%。我們認為隨著充電基礎設施的完善,新能源汽車支持政策的繼續執行以及用車費用低等因素的推動下,新能源汽車將繼續保持高增長,2020年全年產銷有望接近260萬輛。
5.2混合動力:技術路線‚百花齊放百家爭鳴?
混合動力汽車基本上都可以CVT、DCT和AT變速器,與傳統內燃機變速器不同的是,混合動力在選擇變速器的時候主要要考慮一下幾點問題:1)如何有效地將電機與內燃機的輸出動力進行合理耦合;2)由于多了電機及其扭矩傳送機構,如何合理有效地將多余的零部件裝載在有限的空間內;3)在保證性能的前提下,如何更好地降低設計成本與生產成本。由于各大車企解決以上問題的方式不同,目前混合動力汽車變速器的技術路線呈現多樣化。
5.2.1CVT:混合動力汽車應用最多
CVT逐步成為量產混合動力汽車車型應最多的傳動方案。CVT的速比可以在一定范圍內實現連續變化,若用于混合動力汽車傳動,可以根據整車的狀態,靈活地調整發動機工作點,使發動機工作在燃油效率高的工況下,提高整車的綜合性能。
基于CVT的混合動力汽車關鍵技術主要集中在動力總成的協調與控制。其中包括發動機與電機輸出轉矩如何進行耦合,動力如何分配以實現高效的傳動,CVT的速比與夾緊力如何調整,多種工作模式間切換時如何保證模式切換的平順性,整車控制算法如何實現多目標優化等。
基于CVT的混合動力汽車動力系統常見的構成方案有以下三種:
1)分軸四驅方案:內燃機驅動前橋(或后橋),電動驅動另一個橋;優點在于對CVT的改動少(主要對CVT速比控制、離合器控制和制動器控制進行技術更改),方案簡單易行;缺點在于電機的轉矩未經過變速器,需要在電機的驅動橋上增加一個兩檔變速器,導致系統更加復雜。
2)縱置后驅方案:發動機縱置同軸并聯ISG電機,經CVT驅動后橋;優點在于對CVT改動較少(改動主要集中在CVT前部,前殼體與ISG電機外殼機械連接,液力變矩器與ISG電機定子機械連接,電子控制方面改動),因此怠速停機、發動機排量減小、制動能量回收等功能均可以實現,具有很大的發展前景。
3)橫置前驅方案:發動機橫置前驅是大多數轎車的動力總成布置形式,為實現該方案,CVT需要取消液力變矩器,以此來節省出一定的空間。如果能夠在CVT的主動輪上集成驅動電機,則可以較好的實現低速純電動,同時電機轉矩經過變矩,電動性能更好,但是對CVT的改動較大。
從國內外應用開發狀況來看,CVT自動變速器和驅動電機正在朝著一體化方向發展,即電機與變速器成為一個整體,比較典型的方案就是豐田THS-C系統總成。
豐田E-CVT由一套行星齒輪構成。豐田混合動力汽車搭載的E-CVT是通過一套行星齒輪實現無級變速的;其中,豐田E-CVT是由外齒圈(連接2號電機和輸出軸)和行星齒輪架(連接發動機)和太陽齒輪(連接1號電機)組成。其電機的動力傳遞流為:2號電機—外齒圈—輸出軸;內燃機的動力傳遞流為:發動機—行星組—外齒圈—輸出軸。
圖10:豐田THSE-CVT變速器系統
控制MG1與MG2這兩個電機的轉速就可以實現無級變速。E-CVT其實就是一套行星齒輪減速機構,并沒有CVT中的鏈條或鋼帶,也沒有AT的液力變矩器。因為行星齒輪組的巧妙特性,發動機、車輪、電動機能夠實時連接在一起運轉而又能互不干擾,所以不需要離合器。如此簡單的E-CVT,卻可以實現無級變速,主要的原因在于:因為齒數的比例關系(外齒圈齒數78,太陽輪齒數30),可以得到公式:S=C×3.6-R×2.6(S為太陽齒輪轉速;C為發動機轉速;R為外齒圈轉速)。
汽車從啟動到剎車停止的一系列不同工況下,對扭矩的要求是有極大變化的,傳統動力汽車就是因為這樣需要變速器來調節發動機的輸出動力。但是在E-CVT這種特定結構里面由于存在兩個電機,在不同的工況下,只要控制MG1與MG2這兩個電機的不同轉速就能使外齒圈上獲得的發動機動力無極變化,從而汽車達到無極變速。
5.2.2DCT:自身結構特點更加適應于混合動力基于DCT的性能特點,其適應于混合動力汽車,并且具備以下優勢:1)降低動力總成的復雜度和傳動系的成本:DCT沒有液力變矩器,同時雙離合的緊湊結構使得變速器體積遠小于其他類型變速器,質量更加輕便;2)符合取消發動機怠速的要求:DCT因在停車時可將發動機與變速器完全分離,從而徹底取消發動機怠速,進一步提高燃油經濟性;3)電機布置更加靈活:根據DCT自身結構特點,其換擋可實現無動力中斷,可改善電機工作效率;4)換擋動力性與燃油經濟性二者可兼得:混合動力汽車構型設計和參數匹配時,有時需要犧牲換擋動力性以換取整車燃油經濟性,而DCT具有動力性換擋的優勢,彌補了此項缺陷。鑒于DCT應用于混合動力汽車的獨特優勢,各大汽車廠商先后提出多種技術方案。
我們按照主電機與DCT的位置關系,DCT混合動力汽車可分為3大類,共6種構型方案:1)主電機DCT后布置方案:BSG+主電機DCT后布置方案,ISG+主電機DCT后布置方案;2)主電機DCT前布置方案:BSG+主電機DCT前布置方案,單電機DCT前布置方案;3)主電機DCT內部改造方案:BSG+DCT奇數軸電機雙電機結構,BSG+DCT奇偶數軸電機三電機方案。短期看主驅動前后置方案可行性高,長期看好集合程度高的BSG+DC奇數軸電機雙電機結構。BSG與主驅動電機前、后置結構的工程化改動最小,短期內具有較高的可行性,比亞迪插電混合動力秦與唐都是采用主驅動電機后驅動方案。而從長遠來看,集成化是混合動力總成發展的主要趨勢,BSG+DC奇數軸電機雙電機結構作為高度集成化的混合動力DCT方案,其奇數軸電機即可單獨,也可配合發動機介入雙離合變速器的換擋過程,進一步實現雙離合變速器的協調控制應該是DCT混合動力汽車的主要發展趨勢。
1變速器:汽車動力總成核心部件自動替代手動是趨勢
1.1實現扭矩收放自如三大功能決定核心位置
變速器解決發動機輸出扭矩與實際需求扭矩的矛盾。汽車動力總成主要由發動機和變速器構成,發動機一旦被制造出來,其排量大小是不變的,可燃混合氣的成分也基本不變,因此發動機輸出的轉矩變化范圍較小;但是,汽車在起步和上坡時,一般需要的扭矩要比發動機直接輸出的大很多,而在平坦的路面上高速行駛時,需要的扭矩甚至可以小于發動機直接輸出扭矩。為了解決這些矛盾,變速器應運而生;變速器通過齒輪之間的配合實現扭矩的增大與減小,有效解決發動機輸出扭矩與實際需求之間的矛盾。
變速器主要有三種功能:
1)通過變矩實現變速:由實驗得知,汽車在瀝青路低速均速行駛,需要克服約為1.5%總重力的滾動阻力,假設某車自重為9,290Kg,總重為91,135N,最小滾動阻力為1,367N,該車發動機(6100Q1)最大輸出扭矩為353N•m,但傳送到驅動輪上產生的牽引力僅為784N,小于1,367N;這說明:如果沒有變速器,即便在平路上,汽車也是啟動不了的。如果有變速器的存在,利用小齒輪帶動大齒輪增大扭矩,大齒輪帶動小齒輪減小扭矩的原理實現變矩,就可以實現通過變矩實現變速。
2)實現倒車:內燃機不可能實現反向旋轉,在保證發動機旋轉方向不變的情況下,只能通過變速器來實現驅動輪的反轉,實現倒車。
3)中斷動力傳送:發動機在不停止運轉情況下,要實現汽車暫時停駐,僅需要變速器保持與發動機中斷狀態即可。
1.2手動擋逐漸勢微自動代手動是趨勢
按照是否需要手動操作換擋,變速器可分為手動變速和自動變速兩類。其中手動變速的變速器又分為手動變速器(MT)和自動離合變速器(AMT)兩種,兩者都采用齒輪傳動的變速結構,其區別是MT有離合器踏板,而AMT無離合器踏板。AMT是在MT的基礎上改進而來的,可以理解成電控的手動擋,當踩下剎車的時候,電腦會控制變速器斷開離合器,因此不需要離合器踏板。
自動變速的變速器可分為自動變速器(AT)、雙離合變速器(DCT)和無級變速器(CVT)。AT、CVT與DCT這三種變速器都沒有離合器踏板;AT可分為純自動變速器和手自一體變速器,采用液力變矩器+齒輪變速的結構。DCT和CVT都是手自一體變速器,既可自動換擋也可手動換擋;其中,DCT采用純齒輪變速結構,CVT采用液力變矩器+金屬帶變速的結構。
手動擋占比持續下滑,自動變速器多技術同發展。從國內汽車上牌數量數據來看,MT車型的市占率持續下滑,從2009年的53%下滑到2015年的44.6%;MT占比下滑的主要原因在于:1)自動變速器技術已經成熟;2)自動變速器操作性優于MT;3)自動變速器更加適宜于城市路況駕駛。2015年AT、CVT、DCT的市占率分別為37.9%、9.3%、7.7%。
圖1:國內2015年不同變速器新車占率情況(單位:%)
置換新車時變速器的選擇傾向:自動變速器成為首選,CVT與DCT份額提升。據汽車之家的汽車置換市場調研得知,72%的消費者會選擇自動變速器置換車型;細分到自動變速器的選擇,CVT和DCT在置換時的比例有所增加,分別達到17%與18%。
2地域技術路線分析:日系CVT/美系AT/歐系AT與DCT
2.1日本汽車啟停頻繁自動變速器偏愛CVT
日本汽車自動變速器的配套比例在80%以上,尤其偏愛CVT。日本自動變速器中CVT在數量上占據絕對優勢,主要原因在于,CVT有利于提高燃效和更適應于城市交通擁堵導致的頻繁啟停情況。日系車中,排量為2.5L及以下的FF(發動機前置/前輪驅動)/4WD(基于FF)車型(含微車型)幾乎均搭載CVT;其中,全球CVT龍頭加特可為全部日產車型配套CVT;愛信AW生產的E-CVT(THS-II)為豐田等車企的混合動力車型配套,因此近年來日本的E-CVT配套量逐年增多。
圖2:日系車2015年變速器市占率情況(單位:%)

AT占比90%以上,檔位增多趨勢明顯。與日本市場相同,美國也是自動變速器的主力市場;但與日本市場不同的是,美國以大型車居多,因此自動變速器以AT居多,CVT主要配套于通用樂馳(Spark)等極少數小型車,而通用和福特的HEV和PHEV車型則分別搭載自主生產的E-CVT。據Marklines統計,2011年美國本土汽車自動變速器滲透率為95.6%(AT占比達到90%以上),比2009年增0.7個百分點;美國汽車AT檔位增多趨勢明顯,其中,6AT從2009年的29.1%激增至2011年的53.7%,4AT從28.4%減半至15.3%。
圖3:美國發售汽車變速器市場格局(單位:%)

2.3歐洲消費者重駕駛操縱AT與DCT表現佳
MT占比在50%左右,AT與DCT表現良好。歐洲汽車消費者喜歡MT手動操縱帶來的刺激感,同時對油耗也比較看重,因此一直以來歐洲的手動變速器的滲透率一直維持較高水平。自動變速器方面,歐洲D級和E級車型配套自動變速器的比例逐步增加,而且從CVT過渡到多檔AT,我們預計CVT在歐洲仍將處于少數比例,8AT與9AT逐漸取代7AT,開始成為主流。除此之外,歐洲多數車企開始在中低端車領域開發DCT,德國大眾繼續保持技術領先。
圖4:歐系車2015年變速器市占率情況(單位:%)

2.4國內自動擋配套率低多技術路線共存
自主品牌汽車自動變速器匹配率低,未來將加速提升。蓋世汽車對2015年在售的394款主流車型變速器的統計表明,國內車型MT占比45%,AT占比34%,DCT與CVT占比分別為9%和8%,少量車型為AMT與電動變速器。其中,自主品牌MT配套車型占比達56%,AT占比僅為25%,其他變速器占比均低于10%;外資品牌車型整體以AT為主,占比達44%,MT占比為34%,DCT和CVT占比分別為12%和9%。值得注意的是,雖然自主品牌在車型數量上MT占比為56%,但銷量占比卻達到80%,說明自主品牌汽車自動擋車型銷量并不多,主要原因在于:1)自主變速器企業配套能力弱,外資變速器企業對自主品牌配套限量;2)之前自動品牌汽車主拼性價比,自動變速器價格較高。隨著自主品牌的加速崛起和自主變速器企業在自動變速器領域的突破,自主品牌汽車的自動變速器占比將越來越高。
受外資影響,自動變速器多技術共發展。國內AT應用市場中,上汽通用、上汽大眾、北京現代、一汽豐田和一汽大眾是AT產銷的主體,獨立供應商以日本愛信和德國采埃孚為主。DCT的大戶主要是一汽大眾、上汽大眾和長安福特三家公司,市場占比達95%以上,其余份額主要為廣汽菲亞特和比亞迪。CVT主要以日系品牌為主(東風日產占比很大的市場份額),供應商主要是日本加特可(廣州),其他還有豐田常熟、本田佛山、南京邦奇(主要配套自主車型)等。
3AT:自動變速器中的老大哥中高端市場中的絕對霸主
3.1AT多檔位趨勢加快供應商市場集中度較高
AT多檔位化趨勢加快,中低端市場份額發生微變。AT全球市場的主要變化趨勢有兩個:1)AT升級多檔位趨勢明顯,目前7AT、8AT和9AT均已在中高端汽車領域規模量產,同時本田、福特和通用均發表投放10AT的計劃;2)中低端領域,AT市占率雖占優勢,但CVT和DCT加快市場滲透,正蠶食AT在中低端領域的市場份額。
不考慮整車自主生產,供應商市場集中度相對較高。具有代表性的供應商包括生產乘用車和輕型車專用AT的日本愛信AW與加特可、生產乘用車和輕/重型商用車AT的德國采埃孚、生產重型商用車AT的Allison。除此之外,整車廠自主生產方面情況有,日系車,本田全部自產,三菱和日產不進行自產(加特可前身就是日產自動變速器工廠,三菱在2002年就將京都、水島和八木各大工廠的全部AT和CVT統一由加特可生產);歐美系乘用車中,美系三大整車廠(通用、福特和克萊斯勒)、歐系的德國戴姆勒和法國雷諾與標致均實現自主生產,其他整車廠基本接受采埃孚和愛信AW的供應。
3.2AT結構解析:液力變矩器+行星齒輪組
AT=液力變矩器+變速機構。世界最早的‚可自動變速的變速器?就是AT,最早可追溯到100年前的T型車,但真正意義上的AT還是‚液力變矩器+行星齒輪組?組合的出現。時至今日,AT還是保持著液力變矩器和其后方變速機構的基礎性結構。
液力變矩器工作原理如同插電的風扇能夠帶動對面不插電的風扇轉動。液力變矩器由泵輪、定葉輪、渦輪以及鎖止離合器組成的,動力傳遞路徑由‚殼體-泵輪-渦輪-變速器?單向傳遞。工作時,液力變矩器中充滿傳動油,發動機帶動泵輪旋轉,傳動油帶動與輸出軸相連的渦輪一起轉動,從而將動力傳遞出去;當車速超過一定范圍時,鎖止離合器會將發動機與變速機構直接相連,以此降低油耗。
液力變矩器不僅僅是緩沖器,更可以將其看成一個無級變速器。液力變矩器除了相當于緩沖器外,還可以實現變矩。由于液力變矩器是靠液壓傳動的機構,液力本身具備儲能特性,工作時可以實現扭矩的放大;這其實在某種程度上可以把它視作一個可以瞬間工作、小齒比范圍的無級變速器。
行星齒輪組是AT扭矩輸出的核心。AT每一個檔位對應一組離合片控制,一組離合片對應一套行星齒輪組。AT均采用電磁閥對離合片進行控制,ECU獲得指令和車速后,控制電磁閥運動,從而改變變速器油在閥體油道的走向,當某檔位的多片式離合片油壓達到致動壓力時,離合片結合從而促使相應的行星齒輪組輸出動力。值得注意的是AT與MT所用的傳動齒輪不同,AT是通過行星齒輪組實現扭矩的轉換。
3.3新型AT:換擋不輸DCT舒適度不輸CVT
傳統AT過度依賴液力變矩器,以至于出現CVT和DCT。傳統AT由于技術和工藝的限值,難以增加太多檔位,因此常見傳統AT的檔位一般少于MT的,即4MT普及時代對應著3AT,5MT普及對應著4AT的發展。在發動機扭矩范圍不是很寬泛的年代中,要讓4AT實現5MT甚至6MT的齒比范圍就必須要讓液力變矩器擔任更多的任務,甚至起到用傳動油傳遞動力的工況。這樣設計的結果就造成了傳統AT傳動效率低,油耗高,加速滿的缺點。隨著動力總成工作效率提升的要求日益升高,矛盾越來越尖銳,矛盾的尖銳促使了CVT和DCT的出世。
新型AT變革實現多檔位,在液力變矩器的輔助下性能得到極大地提升。傳統AT一直停滯在6檔位,本世紀初,戴姆勒推出了7AT;后來,采埃孚推出8AT,并匹配大多數縱置寶馬車型。從8AT開始,AT的性能得到全面的提升,完全可以做到比同款車MT省油。由于檔位的增多,液力變矩器的變矩作用被弱化,更多的時候在擔任緩沖器的作用;與此同時,極小的齒比落差和伺服機構的革新,使得多檔位AT換擋速度直接與DCT媲美,舒適性不輸CVT。

低檔位AT油耗指標獲得長足發展。在AT不斷實現多檔位的同時,低端少檔位AT也獲得了長足的發展;在基于發動機技術的進步和伺服控制機構的提升,少檔位AT在避免沖擊的情況可以提升換擋速度和增加液力變矩器的鎖止頻率,從而實現高效運轉,達到降低油耗的目的。例如,愛信配備在威馳和樂風RV等車型上的4AT綜合油耗可以做到與5MT完全一樣。
3.4AT在高端車型中競爭力十足
在高端車型領域,AT有可能會進一步擴大市占率。在中高端車型中,除了大眾還在繼續推廣DCT外,其他汽車品牌幾乎全部改用AT,其中包括之前嘗試DCT的福特和沃爾沃等;同時,隨著大眾宣布放棄10速DSG的研發,其旗下的多數SUV和頂級豪華轎車奧迪A8等也開始采用AT。多檔位AT在高端車型中的優勢和競爭力十足,未來仍有進一步擴大市場份額的可能。
在中低端領域,DCT與CVT將與AT分庭抗禮。雖然低檔位AT性能得以提升,但考慮到不同車系選擇技術路線的不同,不同車系在DCT、CVT和AT上均投入大量資金;在成本、性能、布置方式等多方權衡的情況下,DCT和CVT依然具備足夠的競爭力與4AT、5AT或6AT分庭抗禮。從目前的競爭格局來看,未來AT在中低端車型中的市占率可能會進一步下降,最終與DCT和CVT形成三足鼎立局面。
4DCT與CVT將大放異彩中低端將與AT達三足之勢
4.1DCT:大眾全力推廣中低端或將大有所為
4.1.1DCT結構解析:雙離合器+定軸齒輪組
DCT換擋可實現無停滯。一般手動擋汽車換擋時,離合器在分離與結合之間存在動力傳遞中斷的現象;為了消除換擋時的動力傳遞停滯現象,實現更快的平穩換擋,雙離合變速器DCT應運而生。
雙離合器是DCT的核心部件,市場集中度較高。DCT基本是由雙離合器和后續的換擋機構構成,其中雙離合器是技術壁壘最高的零部件,目前主要被博格華納和舍弗勒旗下的Luk所壟斷。
閑置離合器提前掛擋,實現最快換擋。以6檔DCT為例,兩個離合器與變速器裝配在同一機構內,其中一個離合器負責掛1、3、5和倒擋;另一個離合器負責控制2、4、6檔。
當駕駛人掛上1檔,松開離合器踏板起步時,另外一個離合器預先掛上2檔,但保持離合器分離狀態;當車速提上來準備換擋時,第一個離合器分離同時,第二個離合器結合,2檔開始工作;與此同時,第一個離合器所控制的3檔齒輪組完成嚙合并等待換擋指令。這樣的換擋構架省略了檔位控制的一剎那,使動力傳遞更加連續。
4.1.2DCT技術不斷優化大眾全力推廣應用
DCT換擋快、更省油,德國大眾為其推廣主力軍。DCT采用四軸兩組傳動軸和兩個離合器的構架,由于離合器是硬傳動,因此DCT主打的宣傳口號是:換擋快+傳動效率高(省油)。大眾在國內率先大力推廣DCT,2007年3月,大眾發布‚中國動力總成技術?,計劃將TSI(同時裝載渦輪增壓和機械增壓,并采用分層燃燒的發動機)+DSG(DCT變速器大眾自稱)技術引入中國,實現本土化生產,TSI+DSG也自然而然成為大眾旗下大眾品牌和斯柯達的主要賣點。除此之外,福特推出自己的DCT,將其命名為Powershift;2011年3月份,長安福特新上市蒙迪歐2.0T版本就搭載進口的福特Powershift;沃爾沃2011款和2012款的S60和XC60均有配備DCT。
DCT出現抖動、過熱和失速等質量問題。隨著AT和動力總成的技術進步,多檔位AT大幅度突破檔位數瓶頸,在效率、加速度和油耗方面絲毫不差于DCT,DCT在高端領域開始失去競爭優勢;而低端AT源于發動機扭矩變寬,同樣可以增加液力變矩器的鎖止頻率,油耗接近DCT。2012年3月,315曝光大眾DSG存在抖動、頓挫感強力、不能換擋、過熱和失速等質量問題;隨后,福特和沃爾沃等車型陸續曝光出現類似情況,因此福特新蒙迪歐和沃爾沃S60與XC60等車型均改用8AT或者6AT替代原有DCT。目前,國內主要的DCT車型均是大眾系車型。
DCT問題屬于軟件問題,需要時間來優化解決。很多人認為,DCT的抖動、過熱和失速是結構性缺陷,這些問題其實出在控制系統,更準確的說是控制軟件。從DCT的保有量來看,出問題的比例其實并不高,符合一個新興變速器的正常范疇;大眾近年來一直在優化其DSG變速器,是國內推廣DCT的主力軍,目前大眾天津和大連變速器基地主要生產大眾DSG,大連基地年產銷在100萬套左右,天津基地2016年產能開始釋放,未來具備180萬套的產能潛力。我們認為隨著時間和技術的積累,不斷發現問題,不斷優化算法,DCT的這些問題終將會得到解決。
4.1.3DCT市場在中低端干式或許更符合發展需要
濕式DCT多用于大車型,干式DCT用于小車型。雙離合變速器又分為干式雙離合和濕式雙離合,以大眾DSG為例,其擁有6速濕式雙離合變速器(離合器由博格華納提供)和7速干式雙離合變速器(離合器由舍弗勒旗下Luk提供)。從工作原理和基本構造上,干式雙離合與濕式雙離合并沒有本質上的差別;不同之處在于雙離合摩擦片的冷卻方式:濕式DCT的兩組離合器在一個密封的油槽中,通過浸泡著離合器片的變速器油吸收熱量,而干式DCT摩擦片則沒有密封油槽,需要通過風冷散熱。一般來講,濕式DCT因具備良好的散熱效果,可以承載較大的動力傳遞,也能更好地適應較為激烈的駕駛環境,因此在一些發動機功率和扭矩輸出較大的車型往往配備濕式DCT(大眾汽車一般會為2.0TSI或更高級的發動機配備6速濕式雙離合,例如邁騰、帕薩特和CC的2.0TSI、3.0LV6FSI版本、高爾夫GTI、速騰GLi等車型)。干式DCT少了液力系統,結構簡單,成本降低,燃油經濟性也有所提高,多用于小扭矩動力傳遞,適用于小車型,大眾的1.2TSI、1.4TSI、1.8TSI等‚小排量低功率?發動機一般匹配7速干式離合器。
濕式DCT在跑車領域具備競爭力,豪華車領域依然弱于多檔位AT。由于雙離合變速器換擋速度快,動力銜接幾乎沒有中斷,這在很多追求加速性能表現的車型上獲得認可。濕式DCT在超級跑車上得到比較廣泛的應用,例如,法拉利已經全面使用雙離合變速器替代之前助推的序列式變速器,保時捷跑車系列、日產GT-R、邁凱輪MP-4、甚至布加迪威航都采用的是雙離合變速器。我們認為濕式DCT在超豪華跑車這個細分領域具備一定的市場競爭力;但在中高端豪華車市場中,多檔位AT的競爭力依然要強于濕式DCT。
圖7:搭載濕式DCT的保時捷911

DCT市場空間在中低端車型,干式或許能更好滿足市場需求。考慮到雙離合變速器自身特點以及AT的發展,我們認為DCT更大的發揮空間應該在中低端汽車市場。干式與濕式相比最大的優勢是效率高、重量輕、成本低,這些特性符合中低端車型的設計訴求,也符合輕量化、低能耗、發動機小型化的發展趨勢。而且限于成本要求,中低端車型尚不可能全面普及8AT(或以上),這就讓干式DCT的競爭優勢凸顯出來。干式DCT換擋速度快、操縱感強、油耗低等特性突出,與主流的6AT相比具備一定的性價比優勢。
大眾DSG國產化進程加快。大眾在中國的業務約占整個大眾全球汽車產量的30%,面對國內汽車市場競爭越加激烈,大眾率先實行變速器國產化。2010年5月,大眾投資1.7億歐元的大眾汽車自動變速器(大連)有限公司投產,由此拉開了大眾動力總成國產化的序幕。2014年,大眾汽車自動變速器(天津)有限公司成立,投資額達10億歐元,主要生產DQ380、DQ500和DL382系列變速器。
4.1.4自主品牌加強技術儲備后期發展值得期待
12家自主整車廠與博格華納成立合資公司,解決DCT核心零部件技術短缺問題。2009年3月,國家發改委牽頭成立博格華納聯合傳動系統有限公司,該公司在國內生產雙離合器模塊、扭振減震器模塊和控制模塊等核心零部件,目的在于引進博格華納雙離合器核心技術,實現自主品牌DCT的國產化。合資公司由博格華納(中國)投資有限公司(66%)和中發聯投資有限公司(34%)設立。中發聯投資有限公司由一汽、上汽、東風、長安、奇瑞、華晨、江淮、長豐、吉利、廣汽、北汽、天海、長城12家整車企業組成;一汽、上汽各占20%股份,長安、東風、奇瑞各占10%,除長城2%、中順3%外,其余5家都是5%(天順于2011年初退出,股份拍賣給了北汽和天海)。合資公司大連工廠于2011年4月開始正式投產,設計產能50萬套,首批優先為上汽和一汽供貨;合資公司的成立緩解自主品牌DCT核心零部件技術短缺問題,同時也為自主品牌整車廠積累一定的技術經驗。
自主品牌整車廠陸續開始上市DCT車型。近年來,自主乘用車陸續開始上市搭載DCT的車型。其中,上汽集團MG、榮威兩大品牌已經多款車型匹配;比亞迪幾乎已經是全系自動擋均搭載DCT;廣汽逐步將DCT普及于旗下各級別車型;奇瑞觀致3開始采用DCT,艾瑞澤7后推車型也將配套;長安逸動、CS35、致尚XT等車型也陸續換裝DCT;吉利帝豪GS搭載DCT車型也開始開售。
自主品牌DCT技術近年來得到了快速發展,得到了政府和整車企業的重點關注。主要原因在于:1)DCT與其他自動變速器不同,傳承了部分的MT技術,是在手動變速器基礎上開發的,70%的手動變速器生產能力都可以利用,比較適合MT生產基礎雄厚的中國。2)與AT相比,AT國外發展70余年,產品檔位提升速度快,工藝投入較大,專利壁壘比較高,DCT屬于新型自動變速器,與國外的技術差距相對較小,市場相對開放;3)大眾重點在國內推行DSG國產化,基礎配套體系較為健全。
4.2CVT:中低端市場有望與AT和DCT構建三國演義
4.2.1日本加特可與愛信AW主導全球CVT市場
第三方供應商掌握更大的市場份額。日本的加特可和愛信AW兩大CVT供應商主導著全球CVT市場,德國采埃孚雖然是混合動力變速器的供應商,但并不生產CVT。整車自主生產方面,日系整車廠本田、富士重工、大發全部自主生產,三菱、日產和鈴木不進行自主生產(均由加特可供應);美系的福特和歐系的戴姆勒和奧迪自主生產,其他車企均由愛信和加特可供應。
4.2.2CVT結構解析:兩個滑輪+一條金屬帶
ECU通過控制V型槽寬窄,進而實現變速。CVT無級變速器的主要部件是兩個滑輪和一條金屬帶,金屬帶套在兩個滑輪上。滑輪由兩塊輪盤組成,這兩片輪盤中間的凹槽形成一個V形,其中一邊的輪盤由液壓控制機構控制。液壓控制機構可以視不同的發動機轉速,進行分開與拉近動作,V形凹槽也隨之變寬或變窄,將金屬帶升高或降低,從而改變金屬帶與滑輪接觸的直徑,相當于齒輪變速中切換不同直徑的齒輪。兩個滑輪呈反向調節,即其中一個帶輪凹槽逐漸變寬時,另一個帶輪凹槽就會逐漸變窄,從而迅速加大傳動比的變化。主動滑輪調節V型槽應對不同的工況。當汽車慢速行駛時,可以令主動滑輪的凹槽寬度大于被動滑輪凹槽,主動滑輪的金屬帶圓周半徑小于被動滑輪的金屬帶圓周半徑,即小圓帶大圓,因此能傳遞較大的轉矩。當汽車逐漸轉為高速時,主動滑輪的一邊輪盤向內靠攏,凹槽寬度變小迫使金屬帶升起,直至最高頂端,而被動滑輪的一邊輪盤剛好相反,向外移動拉大凹槽寬度迫使金屬帶降下,即主動滑輪金屬帶的圓周半徑大于被動滑輪金屬帶的圓周半徑,變成大圓帶小圓,因此能保證汽車高速行駛時的速度要求。
鋼帶是核心零部件,被博世和Luk等企業把控。鋼帶是CVT的核心部件,直接關系到動力的傳輸穩定性,目前博世占據全球CVT鋼帶60%的市場份額,鋼帶設計壽命高達30萬公里;舍弗勒旗下Luk也占有一定的市場空間。除此之外,日產、斯巴魯等主機廠和加特可等一級供應商也會自產部分鋼帶。電子控制系統供應商有大陸汽車電子以及聯合汽車電子。
圖8:舍弗勒Luk的CVT鋼帶結構圖

4.2.3CVT優點與缺點針鋒相對
CVT獨特的結構特性決定了其優點與缺點是針鋒相對的,具體來看:
CVT主要優點有:
1)換擋順滑:換擋平順性可以受伺服機構和軟件程序的影響,但是歸根到底還是傳動比的落差決定的,全世界只有CVT的傳動比落差可以做到無窮小,因此只有CVT可以做到徹底沒有換擋沖擊。
2)油耗低:由于CVT速比連續可變且可和車速聯動,因此發動機轉速區間不再受車速變速的限值,這也是CVT與AT和DCT等齒輪傳動變速器最大的區別之一,可以保證發動機保持在經濟轉速區間,從而實現更好的節油效果。雖然說AT技術的進步使得油耗可媲美CVT,但是依然不能說CVT沒有節油優勢,只能說節油的優勢開始不明顯。
3)更好的爬坡性能:CVT在爬坡過程中不會出現其他類型變速器由于換擋出現的動力中斷問題,發動機可以實現很好的動力輸出。
4)成本低:CVT結構比多檔位AT更簡單,成本也更低,這也是CVT存在的主要原因之一。
5)適用于城市街道:城市街道行車需要不斷啟停,CVT由于自身特點,可以實現更好的節油效果,這也是日本大力推廣CVT的主要原因之一。

CVT的主要缺點幾乎都是優點的伴隨者:
1)換擋速度慢,駕駛操作性差:換擋速度是衡量一款變速器技術和性能的重要指標,DCT號稱換擋速度超過優秀的賽車手,新型多檔位AT換擋速度甚至趕超DCT,而且可以實現跳檔換擋;而CVT不管是鋼帶還是鏈條傳動,傳動比都是一個遞進的過程,也就是說換擋順滑的優點造成了換擋慢的缺點。
2)在重型車中限制使用:CVT采用的是鋼帶摩擦傳動,重型車輛易超出靜摩擦力而出現相對摩擦,從而磨損鋼帶。目前,通過設計優化、結構強化和控制系統智能化,小型車的CVT打滑幾率已經幾乎為零。
3)限制發動機的輸出功率和扭矩:過大的發動機輸出功率或扭矩一樣會損壞鋼帶,所以CVT一般搭載自然吸氣發動機,影響駕駛感。但這并不意味著油耗高,相反自然吸氣發動機與CVT可以實現更好的匹配,使得自然吸氣發動機在經濟轉速區內工作,同樣可以發揮較好的節油效果。
4.2.4高端領域逐步退出中低端家用領域大有可為
配套車企的一進一出說明CVT市場在中低端家用領域。在CVT陣營里有兩個非常重要卻方向相反的標志性事件:1)奧迪Multitronic退出CVT,轉投DCT或AT;2)豐田、本田重新啟用CVT,并且將其作為下一步最主要的變速器;尤其是本田,幾乎涵蓋了從小型車到B級車、從小型SUV到緊湊型SUV的大部分領域,普及度直逼日產,儼然已成為除了日產外的第二大CVT支持者;有了豐田、本田的加盟,再結合斯巴魯、三菱等固有支持者,CVT的陣營可謂不降反增。上述的一系列變化表明CVT在逐步退出高端汽車市場的同時,正在加快中低端市場的滲透。
4.2.5日系占國內CVT半壁江山自主品牌表現優秀
日系掌控國內CVT市場,自主品牌表現搶眼。在國內裝配CVT的乘用車市場中,大約60%為國內廠商直接供應,其余40%則依賴國外進口。國內市場上的CVT變速器又可分為四大板塊,主流的CVT變速器是加特可7CVT和8CVT兩個系列,為日系汽車品牌配套;德國舍弗勒集團和奧迪研發生產的MultitronicCVT變速器裝備于奧迪車型,但目前已經逐步退出市場;豐田所用的CVT來自豐田和愛信進口;自主品牌企業中只有奇瑞實現自主開發(變速器業務被萬里揚收購),其他車企基本是采購南京邦奇的CVT產品。
5新能源汽車:綜合性能的提升依然離不開變速器
5.1‚限購城市牌照+購置補貼?驅動新能源汽車高增長
新能源汽車快速增長,2020年產銷有望達到260萬輛。2015年在新能源汽車購車補貼和限購城市免費牌照的刺激下,新能源汽車迎來了大幅度增長,全年生產37.9萬輛,同比增長3.5倍,一舉成為全球最大新能源汽車市場。2016年1-9月,在克服查騙補和補貼政策推遲落地等利空因素,新能源汽車累計生產35.5萬輛,同比增長77.9%。我們認為隨著充電基礎設施的完善,新能源汽車支持政策的繼續執行以及用車費用低等因素的推動下,新能源汽車將繼續保持高增長,2020年全年產銷有望接近260萬輛。
5.2混合動力:技術路線‚百花齊放百家爭鳴?
混合動力汽車基本上都可以CVT、DCT和AT變速器,與傳統內燃機變速器不同的是,混合動力在選擇變速器的時候主要要考慮一下幾點問題:1)如何有效地將電機與內燃機的輸出動力進行合理耦合;2)由于多了電機及其扭矩傳送機構,如何合理有效地將多余的零部件裝載在有限的空間內;3)在保證性能的前提下,如何更好地降低設計成本與生產成本。由于各大車企解決以上問題的方式不同,目前混合動力汽車變速器的技術路線呈現多樣化。
5.2.1CVT:混合動力汽車應用最多
CVT逐步成為量產混合動力汽車車型應最多的傳動方案。CVT的速比可以在一定范圍內實現連續變化,若用于混合動力汽車傳動,可以根據整車的狀態,靈活地調整發動機工作點,使發動機工作在燃油效率高的工況下,提高整車的綜合性能。
基于CVT的混合動力汽車關鍵技術主要集中在動力總成的協調與控制。其中包括發動機與電機輸出轉矩如何進行耦合,動力如何分配以實現高效的傳動,CVT的速比與夾緊力如何調整,多種工作模式間切換時如何保證模式切換的平順性,整車控制算法如何實現多目標優化等。
基于CVT的混合動力汽車動力系統常見的構成方案有以下三種:
1)分軸四驅方案:內燃機驅動前橋(或后橋),電動驅動另一個橋;優點在于對CVT的改動少(主要對CVT速比控制、離合器控制和制動器控制進行技術更改),方案簡單易行;缺點在于電機的轉矩未經過變速器,需要在電機的驅動橋上增加一個兩檔變速器,導致系統更加復雜。
2)縱置后驅方案:發動機縱置同軸并聯ISG電機,經CVT驅動后橋;優點在于對CVT改動較少(改動主要集中在CVT前部,前殼體與ISG電機外殼機械連接,液力變矩器與ISG電機定子機械連接,電子控制方面改動),因此怠速停機、發動機排量減小、制動能量回收等功能均可以實現,具有很大的發展前景。
3)橫置前驅方案:發動機橫置前驅是大多數轎車的動力總成布置形式,為實現該方案,CVT需要取消液力變矩器,以此來節省出一定的空間。如果能夠在CVT的主動輪上集成驅動電機,則可以較好的實現低速純電動,同時電機轉矩經過變矩,電動性能更好,但是對CVT的改動較大。
從國內外應用開發狀況來看,CVT自動變速器和驅動電機正在朝著一體化方向發展,即電機與變速器成為一個整體,比較典型的方案就是豐田THS-C系統總成。
豐田E-CVT由一套行星齒輪構成。豐田混合動力汽車搭載的E-CVT是通過一套行星齒輪實現無級變速的;其中,豐田E-CVT是由外齒圈(連接2號電機和輸出軸)和行星齒輪架(連接發動機)和太陽齒輪(連接1號電機)組成。其電機的動力傳遞流為:2號電機—外齒圈—輸出軸;內燃機的動力傳遞流為:發動機—行星組—外齒圈—輸出軸。
圖10:豐田THSE-CVT變速器系統

控制MG1與MG2這兩個電機的轉速就可以實現無級變速。E-CVT其實就是一套行星齒輪減速機構,并沒有CVT中的鏈條或鋼帶,也沒有AT的液力變矩器。因為行星齒輪組的巧妙特性,發動機、車輪、電動機能夠實時連接在一起運轉而又能互不干擾,所以不需要離合器。如此簡單的E-CVT,卻可以實現無級變速,主要的原因在于:因為齒數的比例關系(外齒圈齒數78,太陽輪齒數30),可以得到公式:S=C×3.6-R×2.6(S為太陽齒輪轉速;C為發動機轉速;R為外齒圈轉速)。
汽車從啟動到剎車停止的一系列不同工況下,對扭矩的要求是有極大變化的,傳統動力汽車就是因為這樣需要變速器來調節發動機的輸出動力。但是在E-CVT這種特定結構里面由于存在兩個電機,在不同的工況下,只要控制MG1與MG2這兩個電機的不同轉速就能使外齒圈上獲得的發動機動力無極變化,從而汽車達到無極變速。
5.2.2DCT:自身結構特點更加適應于混合動力基于DCT的性能特點,其適應于混合動力汽車,并且具備以下優勢:1)降低動力總成的復雜度和傳動系的成本:DCT沒有液力變矩器,同時雙離合的緊湊結構使得變速器體積遠小于其他類型變速器,質量更加輕便;2)符合取消發動機怠速的要求:DCT因在停車時可將發動機與變速器完全分離,從而徹底取消發動機怠速,進一步提高燃油經濟性;3)電機布置更加靈活:根據DCT自身結構特點,其換擋可實現無動力中斷,可改善電機工作效率;4)換擋動力性與燃油經濟性二者可兼得:混合動力汽車構型設計和參數匹配時,有時需要犧牲換擋動力性以換取整車燃油經濟性,而DCT具有動力性換擋的優勢,彌補了此項缺陷。鑒于DCT應用于混合動力汽車的獨特優勢,各大汽車廠商先后提出多種技術方案。
我們按照主電機與DCT的位置關系,DCT混合動力汽車可分為3大類,共6種構型方案:1)主電機DCT后布置方案:BSG+主電機DCT后布置方案,ISG+主電機DCT后布置方案;2)主電機DCT前布置方案:BSG+主電機DCT前布置方案,單電機DCT前布置方案;3)主電機DCT內部改造方案:BSG+DCT奇數軸電機雙電機結構,BSG+DCT奇偶數軸電機三電機方案。短期看主驅動前后置方案可行性高,長期看好集合程度高的BSG+DC奇數軸電機雙電機結構。BSG與主驅動電機前、后置結構的工程化改動最小,短期內具有較高的可行性,比亞迪插電混合動力秦與唐都是采用主驅動電機后驅動方案。而從長遠來看,集成化是混合動力總成發展的主要趨勢,BSG+DC奇數軸電機雙電機結構作為高度集成化的混合動力DCT方案,其奇數軸電機即可單獨,也可配合發動機介入雙離合變速器的換擋過程,進一步實現雙離合變速器的協調控制應該是DCT混合動力汽車的主要發展趨勢。