GM的9AT自动变速箱行星机构专利分析

这篇文章开始，写写各AT制造厂家的专利分析，看看他们都是如何在10年前布局多挡位多自由度行星自动变速箱的。

发展AT自动变速箱，专利是难于逾越的壁垒，尤其是拥有众多专利的GM，就是一个活生生的拦路虎啊。如果说专利是创新能力的重要体现，那么GM绝对拥有最强的AT技术创新能力。得益于拥有一套多挡位多自由行星机构的计算机综合算法（后面再介绍），GM拥有大量的AT行星机构专利，Two Mode 双行星排混合动力专利等。

分析专利一方面可以对AT自动变速箱技术的发展有所把握，另一方面可以知己知彼，明示我们的技术差距。

我在前面的文章中分析过，随着多挡位AT的技术发展，未来3~5年，9挡、10挡的AT将拥有更多的市场份额。从AT行星机构的发展来看，个人喜欢把AT划分为两个阶段，以8AT为界，小于等于8AT为低挡位数AT，9AT以上为多挡位数AT。

为什么以8AT为界呢，因此8AT具备最高的机构利用率，是黄金挡位数的AT，性价比最高。多挡位AT的发展，个人认为更多的是品牌效应、技术标杆而已。硬要说是考虑油耗、排放等因素，还不如直接开发双电机混动系统，节能减排的技术潜力更大，并且结构更简单。

多挡位AT从ZF的横置9AT开始，拉开的发展了序幕。先不管高挡位AT的投入产出比如何，但它的确使AT的技术进入了一个新的发展阶段，这个技术阶段以多自由度为标志，一般为四自由度或者五自由度。得益于多自由行星机构，多挡位AT变速箱的体积重量相比于低挡位AT没有明显的增加，而使AT变速箱的传动比范围得以扩大，提高了加速性能以及燃油经济性能。

从技术发展阶段来看，现阶段的9AT就相对于2003年左右的面世6AT一样，乐观估计，多挡位的9AT或者10AT还有10年~15年的市场寿命。

GM9AT行星机构专利情况

在美国专利及商标局中查询（不一定查得全，因为关键词的差异，但不会相差太多，能覆盖GM申请的大部分9AT专利），GM大约申请了20个左右的9AT行星机构的专利，早在2007年就开始布局9AT的专利了。相比于我国，那时候我们还在抿心自问，我们的4AT是否值得发展，我们的6AT在哪里？

GM的9AT行星机构，基本上都是三自由度、四自由度，并且以四自由度为主。

▲GM9AT行星机构自由度分析

GM的9AT以行星机构为主，其中有1个平行轴齿轮机构，和1个平行轴齿轮机构+行星机构组成的，下面的分析针对行星机构的9AT。

▲GM9AT行星机构类型分析

GM的9AT专利申请从2007年开始，2010年的专利最多，其中有一些是进入不同国家的专利，例如进入中国的，这些都不重复计算，下面的专利分析都以美国专利为准。

▲GM9AT行星机构年度专利数目

GM三自由度9AT行星机构专利的具体分析

GM的9AT专利分析，首先得说是GM横置9AT的专利，这个专利是转化为实际变速箱的，该变速箱也是GM重点推广的拳头产品。该专利在我前面的文章详细分析过，主要特点是：（1）行星机构的继承性非常高，完全继承了GM的6AT行星机构；（2）通过非常巧妙的双联行星齿轮的方式，增加了3个挡位，并且结构设计也非常的合理；（3）缺点是离合器/制动器操纵件较多，达到7个。

▲GM横置9AT的行星机构专利1

下图的三自由9AT专利方案，6个操作件（4个离合器+2个制动器），主要采用串联的方式实现9个挡位。前面的两个行星机构为一组，后面的CR-CR行星机构为一组；86、85、84为换联离合器，实现从三个地方输入发动机的动力；87位直接挡离合器。该传动方案主要优点：（1）通过两级行星齿轮的串联获得1挡，故可获得较高的1挡传动比大，达到5.6；（2）各挡的换挡阶比也比较合理；（3）传动比范围非常合理，达到8.45。缺点：（1）套轴层数较多，达到3层；（2）行星排之间的连接较复杂，机构迂回度高。

▲GM三自由度9AT的行星机构专利2

下图的三自由9AT专利方案，6个操作件（4个离合器+2个制动器），主要采用串联的方式实现9个挡位。该传动方案主要缺点：（1）1挡传动比过大，需要的制动器容量较大，会影响变速箱的体积重量；（2）增速挡位少，只有1个；（3）行星排之间的连接较复杂，机构迂回度高。

▲GM三自由度9AT的行星机构专利3

在所有的GM三自由度9AT的专利中，的确是现有的GM横置9AT的传动方案较优，特别是针对横置平台，并且还能充分继承其6AT的结构，真的是最优的传动方案了。其他的两个三自由度9AT行星机构的行星排之间连接太复杂，机构迂回度高，相比于丰田的10AT、Benz的9AT都逊色不少。

GM四自由度9AT行星机构专利的具体分析

下图的四自由度9AT行星机构与Benz的纵置9AT类似，采用两个经典的4AT行星机构（辛普森机构）组成，前面的两个行星排为一个辛普森机构，后面的两个行星排为另一个辛普森机构。该传动方案的缺点：（1）制动器的位置不合理，没法利用变速箱的径向空间；（2）离合器的位置也不合理，不利于空间利用率的提高。其他方面，各挡位传动比、换挡阶比等均非常合理。

▲GM四自由度9AT的行星机构专利1

下图的9AT同样采用两个典型的4AT行星机构组成，前面的两个行星排为辛普森机构，后面的两个行星排为辛普森机构。挡位组成原理与Benz的9AT和丰田的10AT类似，各挡位的传动比及换挡阶比也非常合理。制动器的位置也相对合理，套轴层数也不多，也算是较好的9AT传动方案了。但与Benz的9AT和丰田的10AT相比，第一个行星排和第四个行星排之间存在两个很长的薄壁套筒元件，这比Ford/GM的纵置10AT还多了1个。

▲GM四自由度9AT的行星机构专利2

下图的四自由度9AT行星机构，3个制动器的位置非常不合理，给工程设计带来很大的难度；增速挡位数也较少，只有1个。

▲GM四自由度9AT的行星机构专利3

下图的传动方案与上面一个非常类似，只是把其中一个制动其换成离合器，各挡的传动比及换挡阶比都合理，传动比范围也达到7.6。但制动器的位置依然不佳，给结构设计带来难度。

▲GM四自由度9AT的行星机构专利4

下图的传动方案采用4个离合器和2个制动器，是9AT/10AT主流的操纵件配置形式。该传动方案最大的问题在于：输出位置的不合理，不管是做成横置或者纵置平台，都不舒服。如果做成横置平台，输出位置太靠后了，如果做成纵置平台，后面还有一个制动器80，没法获得好的结构。

▲GM四自由度9AT的行星机构专利5

下图的9AT行星机构，所有离合器制动器都挤在一起，很难设计。局部的套轴层也很多，不能算是优的传动方案。

▲GM四自由度9AT的行星机构专利6

GM的四自由度9AT行星机构专利主要有两类，一类为两个典型4AT组成，与丰田的10AT、Benz的9AT和ZF的9AT类似；另一类为普通的4个行星机构打散组合而成，这类肯定是通过计算机综合程序算出来的。

从结构设计的角度来看，通过两个典型4AT行星机构组成的9AT具有较优的结构，离合器、制动器的位置相对合理，结构设计较为舒服。但GM的2个这类的9AT行星机构相对于Ford/GM的10AT还是有一定的差距的，主要体现离合器、制动器的位置上，这样不难理解，GM/Ford发展纵置10AT而不是纵置9AT。

适合于商用车的GM三自由度9AT行星机构专利

为什么单独写写商用车AT的行星机构呢？由于商用车往往需要传递大转矩，因此采用制动器比采用离合器更有利，主要由于制动器可以布置在行星排外面，直径较大，所能传递的转矩也大。而离合器的直径很难做的更大，一方面，油缸的离心压力较大，另一方面离合器很难与行星排进行嵌套设计。所以，商用车的AT中，多采用制动器比多采用离合器更有利于结构设计。

行星机构自由度的增加，主要是通过离合器打散行星排之间的连接获得的，少离合器多制动器意味着AT的自由度不能有效提高。但相对于与乘用车来说，商用车的结构设计更加重要，因为要传递大转矩，结构的优化有利于减重和减小体积。而乘用车更追求传动效率和油耗，所以乘用车AT变速箱向多自由度发展更有优势。

并不是说商用车AT不追求传动效率，但商用车的柴油机本身热效率就比汽油机高，所以，即使稍微低一点的传动效率，但可获得AT变速箱更小的体积和重量，更上算。

而GM的9AT行星机构专利中，有两个非常适合商用车AT变速箱的行星机构，由4个制动器和2个离合器组成的三自由度行星机构。

下图的这个9AT行星机构与Allison开发的商用车9AT的完全相同，说明这类行星机构非常适合商用车AT（商用车的AT后续的文章再详细介绍）。

说回这个行星机构，最大的特点是4个行星排，4个制动器，每个行星排的外面都布置一个制动器，这样结构设计非常合理，可充分利用变速箱的径向空间，有利于减小变速箱的体积重量。并且制动器布置在外面，直径较大，可承受较大的转矩，非常合适商用车的大转矩工况。两个离合器布置在前面，也非常符合商用车一贯的结构设计。

▲GM三自由度9AT的行星机构专利1（适合于商用车）

▲Allison的商用车9AT（非常感谢公众号网友提供的图片）

下图的传动方案与上图的传动方案有两点区别，（1）2个制动器改成了2个离合器，（2）上图的传动方案由RS-CC机构+辛普森机构组成，而下图的传动方案则由CR-CR机构+辛普森机构组成。但总的来说，还是上图的传动方案更优。

▲GM三自由度9AT的行星机构专利2（适合于商用车）

下图的传动方案则由两个CR-CR机构组成，制动器的位置也相对合理，但离合器的位置没有第一个传动方案优（Allison的9AT）。

▲GM三自由度9AT的行星机构专利3（适合于商用车）

总的来说，GM的9AT专利中，有两个传动方案是特别适合于商用车的应用场合，其中之一与Allison的9AT传动方案是相同的。

小结

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