ZF 8AT技术详解：变速器的“巅峰之作”是否名副其实？

  上周，我们详细地理解阅读了通用的9AT变速器，引起了大家的热烈讨论，基于这种良好的反馈，我们今天继续带来采埃孚8AT的技术详解。

  作为当前世界上最重要的汽车传动系统制造商，采埃孚的变速器供应过全球大部分的汽车品牌，在变速器领域积累着绝对的优势。其中，采埃孚的8AT变速器更是享誉全球，被誉为变速器中的标杆产品。

  那么采埃孚这款8AT的研发背景是什么、目前搭载在哪些车型上、技术上有何优势亦或是弊端、相比其他8AT又如何？

  2007年，采埃孚推出了第一代8AT变速器（纵置），并于两年后正式量产，当时的背景是世界经济仍处于低谷，同时人类对于排放问题的更加重视，汽车行业更加关注燃油经济性。

  所以采埃孚推出8AT更多的缘由，可以归结到降低油耗、减少排放上面来，通过开发更加密集的齿比、更高效的换挡执行机构、重量更小、同时换挡性能更优秀的自动变速箱，让整车的油耗表现更加优异。

  当然，也有技术上的一些原因，当时爱信的6AT风头正盛，稳压ZF 6AT一头，因此采埃孚需要需要一个更先进、性能更优秀的变速器来确定其行业领先地位。

  而开发7AT的投入与产出不成正比（性能提升太小），开发9、10速变速器成本（需增加更多的换挡元件和行星齿轮组）和技术难度又更大，基于以上的原因， ZF选择了深入8挡自动变速器的研发。

  从2009年正式量产，目前采埃孚的8AT已发展到了第三代（2011年、2018年各换代一次），而第四代的ZF 8AT也即将在2022年正式“上车”。

  2011年， ZF 8AT迎来了首个换代，第二代的 ZF 8AT具有以下的亮点：新的齿轮设计，四个行星齿轮组，只有五个换挡元件最好能够降低阻力损失和提高传输效率；并联式混合动力概念，混合系统能实现基本的传输与交换；对该变速器传动机构做了优化设计，在不影响输出扭矩和动力性的前提下可以满足日益严苛的二氧化碳排放标准；换装了新的高精度电磁阀，如果有车厂愿意出高价的话，ZF就会提供换挡速度可达0.2s的8AT（第一代ZF 8AT 换挡时间为0.4s）。

  此外，第二代ZF 8AT通过新的多盘分离实现了变速器内部损失的降低，具体而言是将额外的弹簧嵌入换挡元件的多盘部件便可以确保摩擦换挡元件几乎完全打开，降低所引起的拖曳转矩。和第一代ZF 8AT系列相比，新一代产品降低了超过三分之二的能量损失。

  2018年，采埃孚推出了第三代 ZF 8AT变速器，通过重新设计了机电一体化系统，并进一步开发了扭力阻尼器，再次提高了最大传动比范围，因此在体积几乎没有变化的前提下，第三代ZF 8AT可以提供更好的动力性以及换挡平顺性。而且由于使用了创新的齿轮组，内部损耗进一步降低，相较第二代8速自动变速器，油耗进一步降低了2.5％，同时二氧化碳排放量也减少了。

  而目前，采埃孚已经亮相了第四代ZF 8AT，这款变速器相比此前几代实现了更加高度的模块化，并将整套电力电子装置集成在变速器壳体里。

  基于这种模块化的设计，第四代的ZF 8AT液压控制单元所需的安装空间仅仅需要1.8L，相比上一代的3.1升有了十足的进步，也因此四代ZF 8AT可以给电子电力设备腾出足够大的空间。

  另外，与第3代8AT相比，新款永磁同步电机的最高功率从90 kW提高到160 kW，最大扭矩从240 N·m提高到450 N·m，电气化能力更进一步。

  配合不同机电模块，第四代8速自动变速器可匹配PHEV (插电式混合动力汽车) 、MHEV (油电混合动力汽车)，及其他混合动力方案。

  这里提一下当前主流的混动布局，其根据电机位置可以分为P0、P1、P2、P3、P4结构，如下图：

  第一代ZF 8AT就通过BSG电机实现了P0的弱混，到了第二代已经支持P1的混动，现在最新的一代已经是支持P0+P2结构，通过在不同位置添加电机，ZF 8AT能轻松实现不同的混动效果。

  比如代号为8HP60MH的ZF 8AT采用48V电气系统，根据电机位置不同，包括P1和P2两种构型,P1构型为电机至于液力变矩器之前，电机与发动机之间通过扭矩减震器连接。P2构型在电机和液力变矩器之间增加K0离合器，这在第三代产品中是没有的；代号为8HP80PH PHEV的8AT采用P2构型，电动机的峰值功率最大可以达到160kW，最大扭矩为450N.m。

  第二代ZF 8AT主要包括8HP50、8HP75、8HP95，采埃孚通过优化齿轮组设计使得该变速箱的速比范围从7.07：1增大到7.8：1，这一措施将所有齿轮的速度平均降低50转/分钟并将油耗降低百分之一，燃油经济性更好。

  第三代ZF 8AT主要包括8HP55、8HP51、8HP76，相比上一代产品，第三代改进了液力变矩器的扭转减震器,使得变速箱的最大传动比达到8.6，同时油耗也降低了2.5%。

  第四代ZF 8AT的传统版本提供8HP60和8HP80两个型号，扭矩容量分别为600N.m和800N.m，在第三代的500N.m和750N.m基础上实现了一定提升,速比范围没有改变，依旧是8.6:1。

  此外，第四代ZF 8AT根据混动行驶还分为了MH（轻混）和PH（插电混）两种版本，可以匹配15Kw、40kW、90kW以及100kW四种电机功率。

  前文提到，ZF 8AT是纵置变速器，因此几乎世界范围内主流的纵置平台车型都采用了ZF 8AT（少部分自研变速器的车企除外）。

  目前装备ZF 8AT系列变速器有多个品牌，其中BWM集团包括：宝马3系、宝马5系、宝马4系、宝马7系、宝马8系宝马Z4；宝马X7、宝马X6、宝马X5、宝马X4、宝马X3、宝马X1(2.0T顶配车型)、宝马X2(2.0T顶配车型)、宝马6系GT、宝马3系GT、宝马M部门车型全系、劳斯莱斯全系车型。

  大众集团旗下多个汽车牌子的顶级高端轿车和豪华SUV，都在使用采埃孚8AT，其中大众品牌有途锐；奥迪品牌包括奥迪Q7、奥迪Q8、奥迪A8、奥迪S4、奥迪S5、奥迪S6、奥迪S7、奥迪S8、奥迪SQ5、奥迪RS4、奥迪RS5、奥迪RS6、奥迪RS7、奥迪 RS Q8；保时捷品牌有卡宴；宾利品牌宾利添越；兰博基尼品牌有Urus。

  塔塔集团包括捷豹以及路虎也均有车型在使用ZF 8AT，具体而言，捷豹品牌包括捷豹XFL、捷豹捷豹XEL、捷豹F-PACE、捷豹F-TYPE；路虎品牌包括路虎揽胜、路虎卫士、路虎揽胜星脉、路虎揽胜运动版、路虎发现。

  Stellantis集团包括JEEP、阿尔法罗密欧、道奇、克莱斯勒、依维柯、蓝旗亚、玛莎拉蒂等品牌在使用采埃孚8AT，具体而言，JEEP品牌包括大切诺基、牧马人；阿尔法罗密欧品牌包括阿尔法·罗密欧Giulia、阿尔法·罗密欧Stelvio；道奇品牌包括挑战者SRT、Charger SRT、玛莎拉蒂品牌包括玛莎拉蒂Ghibli、玛莎拉蒂Levante、玛莎拉蒂总裁；依维柯品牌有依维柯欧胜。

  其它使用采埃孚8AT变速器的一些国产车型还包括弗H9、坦克300、长城炮（部分车型）、福田大将军、驭胜S350、上汽大通部分车型等…

  ZF 8AT各个型号后缀带有不同的意义，以ZF 8HP50XHIS为例，8HP代表8speed，也就是8速；50代表最大承受扭矩500N.m；X代表四驱，HIS代表液压蓄能器。

  它的工作原理如上图所示：在在汽车行驶时充满油从而拉紧弹簧，这个“储备”有大约100厘升的容量，当发动机启动时，它会被弹簧以闪电般的速度反馈到液压系统中，以向变速箱中的换档元件供油，以便离开。这意味着汽车在发动机启动后仅350毫秒就准备好离开。如果没有液压脉冲储油系统创建的桥接，这将需要大约800毫秒，因此这意味着驾驶动力的明显损失，此技术可使车辆在频繁停止/起动工况下减少油耗（达20％），同时还能降低CO2排放和噪声。

  值得注意的是，HIS这项技术更多的是用在了追求性能的车辆变速器上，比如玛莎拉蒂、兰博基尼、捷豹F-TYPE等等，而强调平顺舒适的车型则没有，比如劳斯莱斯幻影、古斯特等。

  回顾以上搭载的车型可以发现， ZF 8AT更多的是与德系的发动机配合，宝马更是几乎全系都是搭载的ZF 8AT,也因此有不少网友将ZF 8AT称为宝马的御用变速器。

  产生这种现象的原因我们认为和不同品牌车型所采用的发动机有关，以德系品牌为例，它们的发动机都是具有低转高功特色的发动机，发动机输出曲线比较跳跃，高扭来得早，ZF的高性能8AT与它们配合更加相得益彰。

  而日系品牌由于本土有包括AISIN、JATCO、本田自研等变速器品牌，同时日系纵置平台车型也少，ZF 8AT不能立刻上马，因此这些年几乎看不到日系品牌使用ZF 8AT，但有一个例外，那就是与宝马Z4同平台开发的丰田Supra，是采用的ZF 8AT。

  另外，宝马如此热衷于ZF 8AT的原因还在于ZF 8AT是ZF、BWM集团、奥迪三家联合开发的，BWM是股东、也是应用ZF 8AT最多的汽车品牌。所以我们猜想BWM能够拿到ZF 8AT的更多数据，然后与自家发动机做更深层次的匹配。

  ZF 8AT相比自家的6AT变速器，由于增加了两个挡位，所以速比范围也从6.04提升到了7.07，而且由于1-2挡之间的速比差由由1.78降至1.5，齿比更加绵密，因此在换挡平顺性上更优。

  相比GM 6AT（因为宝马之前是ZF 6AT和 GM 6AT混用的）6.0:1的齿比范围，ZF 8AT同样是做到了较大提升。

  值得一提的是，尽管采埃孚的8AT相较于自家6AT增加了两个挡位，但得益于合理的结构设计以及技术创新（比如取消自由轮，采用线控换挡；引入轴向平行链条式机油泵），采埃孚8AT变速器的体积与传统的6AT相当。

  而从实际的节油效果来看，采埃孚官方的说法是：配合自动启停系统之后，可以比6AT系列变速箱降低油耗11%；如果匹配混合动力系统，这台变速箱能够降低最多25%的燃油消耗。

  另外，这款变速器还是采用业内经常听到的的模块化设计，可以很轻松地与混合动力系统和四驱系统进行匹配，因此在安装时对基础传动系统的设计不需作任何更改。

  ZF 8AT有很多创新，比如它的挡位齿比设计就相当的有讲究，如下图所示：

  相邻之间的挡位齿比落差很好的控制在了1.2-1.5，一般来说，齿比落差越小，则意味着拥有更好的换挡平顺性,比如CVT用带传动几乎就是模拟出了无限个挡位，所以相应的平顺性更好。

  但值得注意的是，齿比落差也不能过于的小，否则影响了齿比范围，燃油经济性又得不到保障。

  ZF 8AT通过多行星组齿轮密切配合，不仅低速齿轮比够小，燃油经济性有保障，而且挡位多、齿比落差不过分大，因此驾驶感也更加平顺细腻。

  此外，ZF 8AT采用了创新型的四自由度机构（如下图），这类机构在此前的AT变速器中从来没有出现过，在它的结构上根本看不到比如辛普森、CR-CR、威尔逊机构，莱佩莱捷机构几款经典行星机构的影子。

  而由于它只有5个换挡元件（3离合、2制动），比丰田、现代的8AT都要少一个离合器，所以它在结构设计、润滑、油路以及控制逻辑等方面都更精简，而且，ZF8AT每个挡位结合的操作元件更少（3个），所以对于的拖拽功率损失也就更少，传动效率更高。

  市场上对ZF 8AT变速器更多的是称赞：聪明、能极快的反应驾驶员的驾驶意图；承受力矩范围广，上至超跑下至买菜车，基本都能够完全满足驾驶需求。

  但凡事都有双面性，工业时代几乎不可能造出一个100%完美的产品，所以我们也收集了有关采埃孚8AT的一些诟病，其中说得最多的便是变速器跳挡、漏油问题。

  对于前者，首先我们得区分ZF 8AT设定的跳挡逻辑和这里被投诉的跳挡的区别，比如宝马现在的8速变速器就能轻松实现跳挡操作，电脑可以根据驾驶者的意愿直接跳到合适的挡位，甚至极端情况下，可以从8挡直接跳到2挡。

  但消费者诟病的跳挡则是从前进挡跳入了N空挡，并非是在前进挡中的升降挡。而在行车过程中跳挡的危害不言而喻，等于直接在马路上失去动力。

  ZF 8AT的另一个问题是漏油，大部分的宝马车主都曾遇到过这样的一个问题，甚至前几年还有网友调侃：宝马的养车成本可能比奔驰车还要高，缘由是宝马家常便饭似的漏油，官方给出的理由是由于磨合不利，变矩器/变速箱输入端上的径向密封环 (RWDR) 可能会引起不密封。

  目前市场上纵置8AT主要有ZF的8AT系列、爱信8AT系列（纵置）、GM的8L系列和现代的纵置8AT。

  ZF 8AT所搭载的车型前文已经列举，这里就不赘述，目前爱信最新的纵置8AT型号为AA81E ，主要使用在于雷克萨斯ES（2.5L自吸版本）、雷克萨斯NX（2.5L自吸版本）、丰田皇冠日版majesta、丰田皇冠2.0t。

  通用8AT目前只搭载于凯迪拉克CT4全系，算是其中应用得最少的8AT变速器；

  现代的纵置8AT目前搭载的车型大多分布在在现代集团旗下的高端子品牌捷尼赛思上，包括捷尼赛思G70、捷尼赛思G80、捷尼赛思GV80

  在通用9AT那篇文章中我们说到过，衡量一款变速器性能，一个比较关键的指标就是传动比范围。

  传动比范围越大，意味着变速器在低速时能提供较好的加速性能，在高速巡航时也尽可能降低发动机转速，以此降低油耗，我们将以上几款变速器做了对比，如下：

  ZF 8AT的齿比范围在7.07：1，爱信8AT的齿比范围在6.71：1，通用的8AT齿比范围在7.7：1，现代8AT速比范围在7.01:1。

  所以细分来讲，ZF的8AT齿比范围在7.07：1，且每个挡位的齿比落差都在1.2-1.5之间，所以相应的它的换挡平顺性更好，而且由于ZF 8AT有跳挡机制，所以也能满足部分的激烈驾驶需求；但缺点在于最高齿比不够大，因此相比通用8AT在高速巡时燃油经济性并不是那么出色。

  爱信8AT优点是齿比范围较小，相邻档位齿比落差小，换挡的平顺性理论上是以上四款变速器中最好的，另外相较于上一代8AT（AA80E）, AA81E刚性提高了30%，而重量更轻。最大可承受扭矩提高了22%，达到500N.M，可以匹配更加暴力的发动机。但缺点也很明显，齿比范围小，理论上燃油经济性在四款变速器中最弱。

  通用的8AT是基于自家6AT开发，不过相比自家的6AT，通用这款8AT使用了体积更小的主减速齿轮，齿比范围达到了7.7：1，也就是说，高挡位行驶下，这款变速箱将会有更经济的油耗表现，同时也能兼顾对于动力有需求的车主，可以说在性能与燃油经济性之间达到了较完美的平衡。缺点同样是齿比范围不够绵密，换挡顿挫依旧存在。

  现代8AT齿比范围在7.01:1，与采埃孚的8AT相似，但由于一档齿比只有3.964，所以理论上能提供的加速能力比不上前面三款，但由于超比挡齿比够小，所以燃油经济性上能做得比较出色。

  总的来说，虽然采埃孚并非是首个推出8AT变速器的品牌（爱信第一个推出8AT）,但由于采埃孚在变速箱领域积累的深厚技术和创新型的使用了四自由度机构，使得ZF 8AT后来者居上，成为变速器领域的经典作品，再次奠定了采埃孚领先的行业地位。

  当下，整个行业变速器档位还在往上提升，多个品牌推出包括9AT，10AT等多档位变速器，作为全球领先的变速器制造商，采埃孚也不甘落后，现在已经能查询得到ZF 11AT的相关专利，这中间还包括五自由度的专利以及四自由度的专利，而展望未来，当档位数已经足够的时候，最主要的问题是如何提升传动比范围，而怎么样提高以及需要面临什么困难，就是工程师们亟待解决的问题。