【转载】解析无缝隙变速箱

Instant gratification

参解Xtrac之道——魔术般的无缝换挡技术从F1普及到下游赛事甚至民用电动车领域

by Charles Armstrong-Wilson/Racecar Engineering

尽管某些人不置可否，但作为几年前炙手可热的词汇，无缝隙换挡技术曾被奉为变速箱技术领域的涅槃。无缝换挡技术的终极目标是确保全段速度区间内持续的扭矩传递不会因换挡动作而中断。不错，无级变速箱亦能够达成上述目标，但那是在另一套游戏规则之下。通过定齿比的齿轮组完成无缝换挡需要一套精密的机构，各家在此的技术方案也五花八门。

无缝换挡技术的核心是在前一挡齿轮分离前预先接合下一挡齿轮。对变速箱的工作原理略知一二的话便不难理解——同时接合通过花键连接在同一根轴上的两套齿轮组，其结果将是灾难性的——轻则整个机构卡死，重则相连部分粉身碎骨，当然，如果扭矩足够大的话。这就是普通变速箱在换挡时必须切断扭矩输入，或者在下一挡接合前断开前一挡的原因所在。

Xtrac技术总监Adrian Moore透露2002年前后直面这个特殊挑战的热情席卷了整个F1。上世纪90年代威廉姆斯车队研发无级变速器的风声直接导致后来FIA的一纸禁令。自此F1规则将变速箱定义为分离式，定齿比的齿轮机构。然而不断发展的模拟技术愈发清晰的展示出换挡动作对于圈速的影响。换挡过程若能不影响传递到轮胎上的动力，便可获得可观的圈速提升。

顶尖智慧
Big Brains

将F1最顶尖的智慧尽数投入到这个貌似无解的问题上时，得到的答案将不仅仅只有一个。之后的几年中，各支车队都在潜心致力于自己的设计，但最终，一种设计成为主流。这个设计来自2010年Xtrac自己的客户版F1变速箱。机械结构的设计异常简单——Xtrac将移动换挡拨叉的选挡转鼓一分为二，两个选挡转鼓分别控制奇数和偶数挡位。其中的诀窍在于控制系统，因为成败的关键在于瞬间对于毫厘方寸的精确把握。

某挡位处于接合状态时，选挡转鼓便开始移动拨叉选取下一挡位。然后接合齿圈(Dog ring)和下一挡接合齿(Dog)接合传递动力，并卸下前一挡的载荷。在接合齿圈另一面接合齿接合前，选挡转鼓会将其从接合状态中拔出，避免毫厘间可能出现的灾难性后果。

经优化后Xtrac的这套系统工作极其完美，现在所有的F1赛车都拥有各挡位间不间断的动力输出，只有每次换挡时为了控制扭矩冲击，ECU有一个极其微小的断火动作。整个研发过程充满荆棘，遍布各种代价高昂的错误。Xtrac甚至在其目前应用的方案上布置了额外的位置传感器，就是为了防止F1极端恶劣的工作环境让其中某个位置传感器打个代价高昂的哚儿。

随着问题迎刃而解，似乎赛车变速箱领域将会是另一番景象。不幸的是，多数赛事不欢迎维持无缝换挡系统工作所必须的复杂而精密的电子及液压系统。比如说，即便是小成本的Xtrac客户版F1变速箱，也需要4支昂贵的Moog液压阀才能维持正常工作。

增加棘轮系统可以让变速箱同时接合两个挡位

纯机械艺术
Purely Mechanical

那么摘除电子控制系统的纯机械式无缝换挡变速箱可行吗？又能否在赛车领域进一步推广？答案是肯定的，Xtrac就打造了这样一套系统，命名为IGS的这套系统是连续换挡技术(Instantaneous Gear Shift)的简称，这套系统通过纯机械式结构达成无缝换挡，即在换挡时动力输出不会中断。一切听上去似乎很美，那么这套系统是如何工作的呢？

首次接手这个问题时，Xtrac的工程师便很快意识到，如果可以在整个机构中引入某种棘轮结构或楔块式单向离合器，那么同时接合两个挡位绝非天方夜谭。在高挡位接合加速(输出)轴时，低挡位从动齿轮副在输出轴上空转，防止机构锁死。这是个简单却受限的方案——虽可实现无缝换挡，但由于失去动力车子会维持空转状态，从而失去引擎制动。

这个问题2006年在Xtrac一位工程师Andy McDougal手中取得了突破。Adrian Moore："Andy是个富有创造力的家伙。他在这里成就斐然。"他对Xtrac无缝变速箱的核心贡献是一个精妙的机械结构——决定各挡位齿轮副的输出和空转状态。

详细解释Xtrac IGS的原理前，有必要先总结下常规赛车变速箱的工作原理：各挡位齿轮副的主动齿轮均固定于输入轴上随其转动，输出轴上各挡位的从动齿轮空套在齿轮毂(Hub)上，齿轮毂内外通过花键与输出轴和接合齿圈同时相连。选挡转鼓驱动拨叉沿轴向移动接合齿圈，其上的接合齿与从动齿轮副一侧的接合齿相抵传递动力。动力的传递路线为：输入轴-主动齿轮-从动齿轮-接合齿圈-齿轮毂-输出轴。

过人之处
The Clever Bit

Xtrac IGS与普通变速箱的差别在于齿轮毂和输出轴之间连接方式：取代传统花键结构的是一组分布于输出轴外沿并由齿轮毂内弹簧预载荷的滚柱。在常规的楔块式单向离合器上，这种结构只能单向传递动力，实质上相当于一个超越式离合器(Freewheel)，而IGS的设计能够按照不同情况双向传递动力。下面请注意，因为这是最核心也是最聪明的部分。

输出轴内部的弹簧柱塞机构将滚柱压入齿轮毂内侧的凹槽轮廓中

滚柱(Pawl)和凹槽轮廓的任何一端接触都可以传递动力，若滚柱恰好位于凹槽轮廓中央，则不传递动力。之后的问题就是如何在正确的时间精确的将滚柱放在凹槽轮廓内的正确位置上？Xtrac在输出轴和齿轮毂之间设计了一个套筒(滚柱架)，其上的开槽可以让滚柱的相对位置维持恒定。

Xtrac IGS的齿轮毂由两部分组成,内侧滚柱架左右两端通过齿形槽与相邻的滚柱架相连

每个齿轮毂内含一分离的滚柱架，滚柱架通过其两端的齿形结构彼此相连，和接合齿的非常相似，但可自由旋转一定幅度。这样两个滚柱架之间便可相对旋转一定角度，同时也就意味着相邻滚柱架是彼此交错排列的。两滚柱架间的小幅相对旋转角决定了若某一滚柱架内的滚柱处于接合位置，那么相邻滚柱架的滚柱一定位于凹槽轮廓中央，不传递动力。这就是整个设计的核心所在。

系统分别处于空转状态(左)和传递动力(右)的状态下,注意凹槽内滚柱位置的变化

换挡动作随着节气门的闭/合进行。Xtrac的无缝换挡过程需要将连续的挡位间隔排布在不同拨叉控制的齿轮组间，因为每个齿轮组之间只有一个换挡齿圈，而这个齿圈分身乏术，无法同时啮合左右两个齿轮副。但这种结构在Xtrac常规的产品系列中属于标准设计，因为这种设计有助于压缩换挡时间。

化解扭矩冲击
Torque Spike Matching

另一个无法回避的问题是：高速运转的引擎在与连接着4条高抓地力轮胎的接合齿突然对接时，如何平衡个中的转速差，化解难以避免的扭矩冲击？事实证明这从来都称不上是个问题，Xtrac首席工程师Phil Roper非常自信。与换挡时彻底切断传动系统相比，扭矩的变化幅度甚至更小了，完全通过传动系统的闯动自行吸收。"只有在下雨时才会把节气门开度调整为85%上下，但这仅仅是为了避免轮胎打滑，"他透露。"车手认为系统工作非常顺滑，弯中对赛车的干扰更小，因为在换挡时节气门不是单纯的处于闭/合状态。整体反馈非常积极。"在250m直线加速中，IGS能够提升3km/h的尾速，同时可以让换挡提前10m。当然其优势还要视具体的赛道和比赛而定，但Roper认为大概价值每圈0.3s。

Xtrac的设计最大的优势在于和标准赛车变速箱的兼容性。但在匹配调教阶段，车队需要反复更换齿轮组进行调试。

当被问及Xtrac在哪些赛事和哪些车队有合作时，Moore根据保密协议对此笑而不语，但仍然透露几个客户都属于顶级赛事。目前Xtrac尚无将其向下游产品系列推广的计划。Moore透露最大的开销并非零件本身，而是赛车的重新标定，只有极少数车队能够承受这种开销。但Xtrac在民用车上依然看到了希望，尤其是新兴的电动车，无缝换挡技术能够与电力驱动完美结合。这就是Xtrac为这项技术申请专利的原因，如此一来Xtrac便可光明正大的把这项技术推向市场。

各位看官：下次观看国际赛事时请留心赛车的声线，试试看能否区分出哪部赛车使用了Xtrac的无缝换挡技术。

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