近年自排變速箱發展概況

之前在一系列有關 WRX 的文章中提到一些對 CVT 的不滿,可能會被解讀為對所有自排變速箱有所偏見,需要解釋一下。誠然,我個人的確不喜自排,特別是 CVT,但不能抹煞現今自排科技所帶來的優點和必要性 (CVT 不在此列),本文嘗試說明之。寫下這篇文章不是件容易的事,枯燥的內容性質易讓人感到無趣。不過仍嘗試看看,免得讓 CVT 支持者以為我沒由來地抹黑他們心愛的變速箱。

所謂自排,乃於引擎與變速齒輪組之間以扭力轉換器銜接之變速箱型式,因此雙離合器變速箱 (DSG, DCT & PDK 等,將在後面幾段另外說明) 不在此列,單離合器自動序列式變速箱 (BMW SMG, Lamborghini ISR 等) 也不在此列,因為這些變速箱之所以問市就是要比手排還「好」,所謂的好,是指車輛性能發揮方面,當然也因為加追檔位,沒有懶惰不換檔的問題,也獲得較手排省油的結果。而在汽車歷史中,有好大一段時期裡的自排不但比手排慢,同時還比手排耗油,自排在當時的目的並不是為了要比手排更「好」,只是滿足人類懶惰的天性 1

「省油」是當今車廠最重視的發展目標之一,一來油價有不穩定且高升的狀況,大多數人都想省點油,二來省油同時代表低排污,新車款若過不了益趨嚴格的排放標準就不用在先進國家上市了 (或者稅級大漲影響購買意願)。

過去的自排車比手排耗油,當然在車輛性能發揮方面也遜於手排車,高級車比較不在乎這個問題,一來高級車主事業做得大,手腳得忙別的事,上 Facebook 或自拍之類的,沒空自已換檔;二來高級車馬力大,損失一點沒關係。反而是價位愈低的車引擎愈沒力,也就愈需要手排變速箱來完整發揮性能;過去我所擁有過的幾部車都處在這個層級,若非手排則性能大減,簡直就沒必要買了。2015 WRX 也是這類的車,我接受他那自我膨脹到一百三、四十萬的訂價,然而其整體狀況僅能算是個低階車,特別是從內裝設計與質料方面完全看不出它何以值那麼多錢。之前巳明白表示 WRX 手排和 CVT 之間表現的差距大,代表 CVT 之不足;在這個 8AT 或 7DCT 滿街是的年頭,CVT 的表現實在不值一提,性能車沒有理由選用 CVT,WRX 今日這步田地,全因 Aisin 沒有適當的自動變速箱可以提供給一部性能導向的縱置引擎 4WD,Subaru 又受制 Toyota 不能向他處尋求方案所致。神車公司的神變速箱,神到成為 WRX 的主力了,不得了。Nissan 跟 Toyota 的 CVT 市佔競爭到底關 WRX 什麼事? 悲哀呀 ~

對比 CVT,當今八速自排透過多檔位和加快離合器鎖定獲得更省油的效果,這些措施同時也讓性能表現提升,在進一步縮短換檔機制的運作時間之後,加速反應更上樓。以下透過幾個例子說明此類變速箱優秀之處。

ZF 8HP 八速自排

自排變速箱發展歷程中的六速和八速之間,有著程度不小的技術突破,概可在該處立下分界。有些單位一開始就沒有六速而只有五速,之後發展七速而非八速,例如 Mercedes-Benz 的 7G-Tronic,這類情形當中同樣也帶來程度相仿的進步,為簡化文章,本次僅著眼八速自排。

世上最早的八速自排出自 Aisin,不過此具變速箱網上可得資訊少,不適合拿來說事,且據稱此變速箱僅以舊型六速追加兩檔而成 2,並無技術面的躍進,因此本文將之略過不多加評論。Aisin 八速面市之後沒幾年,BMW 在 760i (F01) 這艘旗艦上採用 8HP 這顆來自 ZF 的八速自動變速箱,此後 ZF 8HP 的採用率遍及整個 BMW 車系,以及同集團的 Rolls-Royce。

ZF 8HP 的好處可從車輛性能表現上見得,以近期相當熱門的指標性車款 BMW M235i 為例,0-100km/h 加速方面,8AT 比 6MT 快了 0.2 秒,成為 4.8 秒,不僅如此,8AT 比 6MT 更省油 (約 6%),排污當然也就更低。

我自身的經驗裡,車輛動力大至一程度便不易以手排型式發揮出官方公佈的加速數據,M235i 這種低扭高達 450NM 的車種巳經過了那個程度不少,手排 0-100 kmh 加速做不出快過 5.5 秒的機率太高了,自排則沒有操作和 timing 上的問題,即使不需 launch control 的輔助,照樣拉出 4.8 秒的成績。ZF 8HP 換檔反應時間號稱僅 0.2 秒 (整個換檔過程需時不詳),6MT 每次換檔就有機會慢過 8AT 一次,進檔還好,退檔差異的幅度則很鉅烈,想像一下大直道後髮夾彎前的六退三或六退二的手忙腳亂,馬力愈大的車,手排型式反而愈難發揮,狀況完全逆轉。

比手排還快的表現是自排科技發展上的一個關鍵,因為如此,自排的能力巳經撈進雙離合器 DCT 的領域,同時還能保持住 DCT 所沒有的起步平順性。所有採用 ZF 8HP 的車款大致上都有程度相仿的性能提升,最新的例子是 Aston Martin Rapide S 和 Vanquish 搭載後,兩車雙雙在 0-60mph 加速成績上削掉 0.5 秒,且極速終突破 200 mph 大關 (Vanquish 201 mph, Rapide S 203 mph),油耗和排放的進步當然不在話下。Aston Martin 並沒做什麼事,只是換了顆變速箱而巳,可見得變速箱的選擇是多麼地重要,其影響是多麼鉅大。

從許多的 review 中可知,車評對 ZF 8HP 的評價相當不俗,像是 Chris Harris 曾 袒言,一開始還以為 BMW 用上的是 DCT,因為其換檔反應簡直就是 DCT 等級。「快」真的是重點,如果您挑上的是一部性能掛帥的車,例如 WRX;如果挑上了 WRX 搭配 CVT,那麼您肯定不是為了性能,那麼大概就是為了內裝的塑膠了,不然我也想不出什麼原因。ZF 8HP 夠快,因此 M235i Racing 這部耐久賽廠車直接就援用了和市售車一樣的變速箱,這著實讓我大吃一驚,ZF 8HP 也太不自排了,如果沒有跟上近年自排科技的進步的話,恐怕沒有辦法想像現在的自排變速箱竟有這種能耐。

在 ZF 自家自排變速科技發展進程中,第一代的六速 ZF 6HP 比五速省油 5%,第二代 6HP 又比第一代省油 3%,8HP 的出現一口氣再削掉 6%,而 ZF 從今年七月起在 BMW 520d (F10) 導入第二代 8HP,又再次提升 3% 整體效能 (實際省油率不詳)。我不知道 Subaru 的 CVT 發展至今總共削掉了幾趴,只知仍差過手排也就甭提了。

ZF 8HP 功效卓著卻不是高級車的專屬,在台灣,入門 BMW 116i 就有,在美國,Ram pickup truck 也是 8HP 八速,低階的 RAM 比 WRX 還便宜,變速箱更好不打緊,馬力和扭力還更大。ZF 8HP 是一具高度模組化設計的變速箱,因此擁有相當大的應用彈性,有利市佔率的拓展,目前巳有超過千種車款採用,但是 Subaru 不採用,他們押寶比手排慢且耗油的 CVT,好玩的是 Subaru CVT 仿造八速換檔感受,而台灣業者將之視為主力並打壓手排購買意願,這情形不僅矛盾而且弔詭。

有讀者在討論中提到台灣市場導致業者專攻自排,其實這個狀況全球皆然,只是市場大的地區較能承受追加選項而產生的額外成本,而台灣或許民情有別,特別能容許貪婪或不專業的生意人,所以才產生了弱項當主力,打壓真正主力,並且不知道在切割什麼玩意兒的情形。我在這兒說著,難不成他就鳥我了? 而你就抵制他了? See, 所以台灣民情有別,特別能容許貪婪或不專業的生意人。領不到折價券時倒是特別堅持信念。

GM Hydra-Matic 8L90 八速自排

不久前 Dodge 亮出 Viper 之外的重型武力 Charger SRT Hellcat 和 Challenger SRT Hellcat,兩車共用同一顆輸出達 707 hp 與 880 Nm 的引擎,guess what,自排版本也是由 ZF 8HP 擔綱。Hellcat 都用了,Viper 銷售表現那麼差,只有手排可能是因素之一,未來若推出自排版本肯定又是 ZF 8HP。Dodge 既然用了,東家 Fiat 轄內另一縱置引擎代表 Maserati 當然也就在新上市車型全數採用。

車廠間激烈的競爭帶來令人驚喜的結果,Chrysler / Dodge 押注 ZF 8HP,GM 不能坐以待斃,祭出自家開發的 Hydra-Matic 8L90 八速自排變速箱方案。8L90 首發搭載於當家跑車 Chevrolet Corvette,最近數據巳出爐,Corvette (C7) Z51 Stingray 的 0-60 mph 加速方面,原先 6L80 六速自排比七速手排快 0.2 秒,導入 8L90 八速自排後又削掉 0.1 秒成為 3.6 秒,這還是最低階、「只有」460hp 的 Corvette,將來 Z06 必有將 SRT Hellcat 耍著玩的能力 (三車扭力相同)。

Hydra-Matic 8L90 這具與 ZF 8HP 有諸多相似之處的變速箱,同樣都是四組行星齒輪組設計,對應扭力上限皆有 1,000 Nm 的水準,不僅能勝任跑車的傳動,也適用 GM 旗下各品牌代表美國精神 OHV v8 引擎的 pick up truck 與 LSUV,當然亦能通吃所有縱置引擎的各式大、中、小型房車,8L90 的出現危及 Aisin 客戶 Cadillac 的立場,相信 CTS 的 Aisin 八速將只是曇花一現。

8L90 不僅能讓 Corvette 更快,並號稱比原先六速自排省油 5%,廠方表示急著量產上市,調校未盡全力,下一個年度 Corvette 將正式宣告 30 MPG (12.8/L) 油耗表現之達成。即使把 hybrid supercar 算進去,四秒內破百同時 30 MPG 的車真的也沒幾款,八速自排不僅快,還很省油,對現今汽車工業來說實在太重要了。

GM V8 引擎的省油措施之一是以四缸運作,這個狀況是無法採用 DCT 的原因之一,而自排 torque converter 加上其中 torsion vibration damper 才能確保低速離合器銜接的平順。GM 宣稱 8L90 在某些時機之下的換檔速度比 Porsche PDK 還快,有專家 分析 過其與 8HP 的差異,發現 8L90 在物理上的確有可能比 8HP 快。

DCT 的缺點

DCT (dual clutch transmission) 在低速離合器銜接時如遇裹足不前、要走不走的情形平順度稍差,或有如手排車般發生離合頓挫的可能性,而平順度卻是大部分車種需要的,特別是行程大的柴油車型引擎晃動大更不適合 DCT。DCT 有機會在離合器處導入自排 torque converter 的 torsion vibration damper 設計,例如去年 Honda 放出自家 DCT 將搭配 torque converter 的消息 (文末註解另有說明),只是如此一來使得原本就高過八速自排 20% 3 的成本再增加。

8HP 或 8L90 都有五組 shift element,皆為 clutch 或 brake 型式,兩者是類似而作用相反的東西,只有鬆開和夾緊兩種相當簡化的動作,而 DCT 的結構幾乎可用兩套手排變速箱來形容,在七速的版本裡,原本手排變速箱中手動的撥叉全數由四組油壓閥體驅動的 selector rods 來推動並搭配四組 dog clutch,不難想像比之自排的 clutch / brake,相形下 DCT 內部的機構和運作是複雜了點,這也解釋了 DCT 為何造價較高的部分原因。

此外,自排變速箱離合器有 torque converter 的幫助和分擔,幾無聽過有需要更換的例子,而 DCT 離合器雖為濕式設計,但壽命仍有限,耗材更新的代價可就比手排乾式高得多了。

目前 DCT 最多達七速,不像自排巳經邁入九速境界,例如 ZF 9HP 4,主要原因大概就是成本太高和機構太過複雜,競爭力欠佳之餘,量產市售後恐怕麻煩會很多 5,雖無數據佐證,但我相信 7DCT 的固障率比 8AT 來得高 6,8DCT 更不樂觀。

七速手排的問題

順便帶到一點關於手排的部分。GM 有七速手排,Porsche 也有。六速手排之後,似乎也只有多加一速一條路可走? 邏輯上是這樣沒錯,但是這多出來的一速不僅很不常用到,更遭糕的是使得換檔柵狀動線多了一欄,空檔置中時排檔桿不會「回正」自動對齊三、四兩檔,換檔動作再難像五速或六速般果決。雖然沒有實際開過 7MT 的車,不過想像裡二進三的過程就要遲疑一下,免得掉進五檔,反之亦然,問題以此類推,有些人的手勢不佳甚至在 6MT 就發進或退錯檔的狀況,此毛病在 7MT 會更嚴重,因此 Porsche 的 7MT 曾被 EVO (2013 五月) 評為史上最糟的變速箱之一。但 Porsche 此具 7MT 有相當比例的元件與該品牌主打 PDK 共用,這個作法就很聰明,7MT 就算搞砸了也巳經將浪費壓低,所以沒有關係。

在以前,要發揮車子的全部性能得靠手排,但手排表現至 6MT 時巳達上限,而現在自排變速箱的表現巳和過去大不相同,發揮 100% 車輛潛力反而得靠自排 (或 DCT),手排存在的用意,只剩享受操作過程帶來的樂趣和快感,追求速度的初衷反而巳經消失,因為敗給自排的機會太大了。

由於省油訴求,當今引擎設計多為低增壓平原型扭力的特色,此設計的扭力輸出在低轉速最低一千出頭 rpm 時就立刻推到頂,然後維持住,實際上帶去 Dyno 拉出來的結果多半是平原不怎麼平,反而扭力逐漸下滑的情形居多 (boost 維持不住)。這種渦輪增壓引擎的輸出和自然進氣引擎扭力愈拉愈高的特性也大不相同,扭力與轉速不再成正比,甚至還可能像貨車一樣成反比 (中、高轉速域),檔位進退之後的推力變化不是那麼好分辨,加上現在動輒七、八甚至九個檔位,齒比相當密,很容易在檔位之間迷失,或者不確定是否需要退檔。在這情形之下,不如就讓變速箱全自動運作。6MT 齒比稍疏仍有類似可退可不退的情形,全手動自行操作的快感與樂趣巳不如以往,相當可惜。

我本身座車就是低扭型八速自排,99% 時間以低於三成的潛力行駛,往往起步開出不到百公尺,ZF 8HP 巳在不知不覺中升到五、六檔去了,偶爾拉一下轉速完全不知該退到何檔是好,無趣至極,僅能在夜裡 PS3 時間的羅技方向盤附 6MT 上頭找慰藉,然後耽心下次變速箱換油要花個兩、三萬,不換更怕它壓力失常原廠卻連修都不會,只會整顆換要價個一、二十萬甚至不只。

八速自排好歸好,說了那麼多,其實要不是因為老婆一句她也要開,早知還是買台手排車…

Notes:

  1. 手腳殘缺的人沒有辦法開手排,自排的發明讓殘障人士也能開車,是個必要的演進,然而自排成為主流反應出手腳健全的人懶惰或缺乏必要的技術
  2. Oliver Frank (BMW 的變速箱開發頭目) 表示:Toyota went another way – they adapted an existing six-speed gearbox by putting in additional gears and additional parts inside. And to our opinion it is not optimised in terms of efficiency. (Aisin 附屬於 Toyota)
  3. 20% 指 ZF 社內 8HP 與 7DT 間造價的差異
  4. 橫置引擎的車比縱置的多,比例上大約是 3:1,這些橫置引擎皆無緣使用 8HP 這種一軸到底的變速箱設計。ZF 9HP 為橫置引擎專用,由於它缺乏空間,四組行星齒輪組中的其中兩組移置另外一軸,也因為先天上橫置引擎的變速箱至少得有兩軸,9HP 則有三軸,讓它有機會再塞個一檔進去。
  5. Honda 將推出八速 DCT 的消息巳有多段時間,且巳有測試車供媒體試駕,但是此具 8DCT 扭力上限不高,據說僅有 270Nm,並非用於性能車款,頂級 Accord 和 Civic 的動力都超過此數值,如此侷限的應用恐僅能以異數視之
  6. 過去 SMG 的故障率就不低,何況多一組離合器的 DCT,而早期 6 速 DSG 的麻煩也不少,雖然這些設計和供應商都不同,但也存在不少雷同之處,故推論 7DCT 的故障率比 8AT 高