巴士自动变速器之ZF ECOMAT

邢凯杰

ZF在重型车自动变速器领域唯一一个可以与AMT（机械式）自动变速器，AT（全自动变速器）抗衡的厂家，今天，我再次得到转发一下Cody （香港巴士业界的创奇人物）允许，来转发ZF ECOMAT变速器到ECOLIFE的演变，ZF ECOMAT和ECOLIFE和ZF的AMT AS TRONIC和 TRAXON不同，他们是AT.

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自70年代末起，英國製造的SCG系列波箱逐漸淡出香港專營巴士的配置清單，取而代之的是來自德國的Voith DIWA與ZF Ecomat系列全自動波箱。時至今日，Voith和ZF的產品依然是本港市場的兩大龍頭。

ZF Ecomat全自動波箱在1978年面世，基本型號稱為4HP500　— 「4」指前進波檔數目，有四、五、六前速版本；「500」則代表波箱可承受的輸入扭力上限，分為500、590與600三級，分別對應1100Nm、1250Nm與1400Nm。到了2000年代，ZF先後推出Ecomat 2／2 Plus和Ecomat 4，波箱版本也反映在型號名的後綴　—　例如6HP604C後面的「4C」代表波箱屬於Ecomat 4，而且是「CAN-capable」，亦即可以通過CAN bus系統（Controller Area Network）與車上其它機件（例如引擎電腦、油門／剎車信號）直接溝通。

一如典型的全自動波箱，ZF Ecomat波箱主要由扭力轉換器（torque converter）與行星齒輪組（planetary／epicyclic geartrain）構成。引擎動力經由扭力轉換器倍大後，再乘以行星齒輪組的齒比，才得到最終傳遞到傳動軸的扭力（忽略angle drive不計）；而之前介紹液力傳動裝置（hydrodynamic transmission）時，曾解釋過扭力轉換器的變扭比是連續可變的，且在輸出軸靜止時最高（稱為stall ratio）。因此，兩者相乘使一波起步擁有無段變速效果，可以省去如同SCG波箱的大齒比一波。當起步加速至一定車速後，為減少動力流失，扭力轉換器附設的lock-up clutch會將泵輪與渦輪鎖起（亦即「直結」），改以純機械方式傳動。此外，Ecomat波箱亦附有內置減速器（integral retarder），以液力方式運作，可在任何波段提供無機械磨損的減速輔助。

ZF 4HP 500变速器：                                                                                 

邢凯杰

ZF Ecomat的行星齒輪組由三組構成，與SCG四前速波箱的一至三波設計相同。齒輪組前端設有A、B、C三組離合器，使輸入軸可以分別連接到齒輪組主軸、二波行星齒輪架或三波太陽齒輪，令Ecomat可以單靠三組行星齒輪就能做出六前一後的組合，而不像SCG波箱般除最高波以外的每個波檔各有一組行星齒輪。

當Clutch A閉合，輸入軸與齒輪組主軸相連，一至三波的運作原理與SCG波箱相同，此處不再複述；

四波時，Clutch A與B同時咬合，使輸入軸與整串行星齒輪組一體旋轉，比例為1:1；

五波時，Clutch B將輸入軸與二波行星齒輪架（同時連接一波齒環和三波齒環）接合，同時三波太陽齒輪被Brake D刹住，令齒輪組主軸（即一波太陽齒輪）轉速高於一波齒環（與輸入軸相連），最終負責輸出的一波行星齒輪架亦轉得比輸入軸快，實現超比波（overdrive）效果；

六波與五波相似，但以Brake E將二波齒環而非三波太陽齒輪鎖止，使齒輪組主軸與一波行星齒輪架轉速更高，最終齒比亦更小；

Clutch C只在後波時使用，將輸入軸連接至三波太陽齒輪，同時Brake F將一波齒環（與二波行星齒輪架和三波齒環相連）剎停，三波行星齒輪架（同時為二波齒環）的轉動驅使齒輪組主軸（即一波太陽齒輪）逆向旋轉，輸出軸（一波行星齒輪架）亦隨之反方向運轉。

邢凯杰

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現時常見的Ecomat波箱齒比是一波3.43:1、二波2.01:1、三波1.42:1、四波1:1、五波0.83:1、六波0.59:1、後波-4.84:1。5HP和6HP版本在結構上沒有分別，純粹是波箱電腦軟件設定有異，因此5HP版本可以修改軟件以解鎖六波；4HP版本則不設Clutch C，而Clutch B亦由連接二波行星齒輪架改為連接三波太陽齒輪（4HP的Clutch B在功能上其實相等於5HP／6HP的Clutch C，請勿混淆兩種「Clutch B」），所以無法做到超比波，最高波齒比限於1:1。

然而，Ecomat在初推出時只有密齒比（close ratio）版本，一波齒比為2.81:1，其餘波檔齒比則是二波1.84:1、三波1.36:1、四波1:1、五波0.8:1、後波-3.97:1，只設4HP和5HP版本，香港的「冷蘭」也曾經使用這版本的Ecomat波箱。至於一波為3.43:1的疏齒比（wide ratio）版本，則在80年代中期才出現，兩者差別在於一波齒輪組的齒數　—　密齒比版本是齒環85齒、行星齒輪18齒、太陽齒輪47齒，而疏齒比版本的太陽齒輪則只有35齒。

此外，Ecomat波箱還設有「加長」版本，在波箱輸出端加裝一組行星齒輪，將基本型的一波行星齒輪架和齒輪組主軸延長，增添一組齒比為5.6:1的大齒比一波，其它波檔的齒比不受影響。最高波是五波1:1或六波0.83:1，等同基本型疏齒比版本的四波和五波。
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在扭力轉換器與行星齒輪組離合器之間，還設有兩個重要部件　—　油泵和液力減速器（retarder）。驅動油泵的齒輪與扭力轉換器泵輪外殼相連，與引擎輸出軸一同轉動，因此即使在空波時亦能提供波箱運作和潤滑所必須的油壓。這個齒輪亦負責驅動可選配的PTO（power take-off）裝置，例如配康明斯引擎的空調版Olympian就是靠Ecomat波箱的PTO帶動Denso冷氣系統的三個壓縮泵。

至於液力減速器，泵輪連接到離合器主軸，渦輪則固定於波箱殼內，負責承受反作用力。在正常行駛時，減速器內只有空氣，阻力可忽略不計；當減速器生效時，波箱油注入減速器內，產生的減速力乘以當前波檔的齒比再傳到傳動軸。液力減速器的扭力與流體密度成正比，亦與泵輪轉速的平方成正比。因此，若要維持穩定的減速力輸出，減速器內的油量就需要隨轉速減慢而遞增。與此同時，圓周運動的向心力也與轉速的平方成正比，意味着油液施加於減速器內壁外圓周的壓力亦與減速器輸出的扭力成正比。所以，將壓力閥通過油路連接減速器的外圓周，就可以通過調節油壓去控制減速力度。

Ecomat波箱外裝有一個儲壓筒（retarder accumulator），平時將部分波箱油儲存在內。當減速器啟動時，波箱內部的電控油閥將儲壓筒與減速器之間的油路接通，波箱油冷卻器（oil cooler）的油路亦由連接扭力轉換器改為通往減速器；同時，一個經減壓閥調節的氣壓（來自風路系統中的副缸）被施加至儲壓筒內，以維持減速器內油壓於指定水平。此壓力隨剎車腳掣深度而變化，以利蘭Olympian為例，減速器油壓分兩段控制 — 當司機輕踩腳掣、剎車系統壓力尚未達到生效水平時，腳掣觸動開關，電控氣閥將1.2 bar的氣壓輸入儲壓筒，減速器油壓被控制於2 bar水平；當腳掣深度達到剎車系統生效的程度，剎車風路內氣壓會觸動另一組開關和氣閥，儲壓筒氣壓和減速器油壓分別增加至3 bar和4 bar。每當減速器停止運作時，儲壓筒內氣壓釋放，波箱都會發出一下放氣聲，成為Ecomat波箱的獨特記認。

邢凯杰

Ecomat波箱的轉波模式多變，每個波檔理論上都可有「油壓」和「直結」兩種狀態，前者靠扭力轉換器倍大動力，行駛順暢但動力流失多；後者以lock-up clutch直接傳遞動力，效率高但容易在低速收油時產生頓挫。

以四前速基本型為例，視乎波箱設定，由起步加速至四波可有三種轉波模式，各有優劣：
①：一波油壓 -> 一波直結 -> 二波直結 -> 三波直結 -> 四波直結
②：一波油壓 -> 二波油壓 -> 二波直結 -> 三波直結 -> 四波直結
③：一波油壓 -> 一波直結 -> 二波油壓 -> 二波直結 -> 三波直結 -> 四波直結

模式①將lock-up時間提前，可減少動力流失，但犧牲轉波平順度（一波lock-up時引擎轉速差甚大），而且在一波直結時收油減速會造成猛烈頓挫（尤以舊Ecomat為甚，相信是波箱torsional damper與動力系統其它部份不匹配，以及舊式引擎使用機械式而非電子式油門控制所致）。

相反，模式②則將液力傳動的時間延長，效率較低但起步平滑暢順（引擎轉速波動較小），而且因為扭力轉換器的葉片設計使其擁有單向傳動特性，在油壓段收油時車輛會「freewheel」滑行而不會受引擎制動效果影響，引擎轉速亦會立即下跌而不會被車速拖高。

至於模式③，有部份波箱設置成每次起步都使用此模式；而即使波箱預設使用模式①或②，但每當司機深踩油門起步（kick-down模式）時，都會自動改用模式③。此模式的一、二波共分為四段，以二波油壓段來填補一波直結與二波直結之間的齒比差距，同時維持引擎轉速於較高水平，以提供更佳的攀斜動力，但耗油量亦隨之上升。
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Ecomat波箱的扭力轉換器不只在起步時使用，在轉低波時也經常會介入運作。例如在以三波直結低轉行駛時加大油門重新加速，或者當以三波上斜而動力不足時，波箱不會直接轉到二波直結，而是會暫時鬆開lock-up clutch進入二波油壓段，之後才回復直結機械式傳動。這樣可以在油壓段靠扭力轉換器增強加速力，而且避免了三波到二波在全油門直結轉波時（multi-plate brake咬合力亦調到最高）因較闊的齒比差而產生的頓挫。

而在減速時，視乎波箱版本，切換至液力傳動模式的時機也會有分別。例如舊式Ecomat從四波減速至停定，會以四波直結 -> 三波直結 -> 三波油壓 -> 二波油壓 -> 一波油壓的順序轉波；至於較後期的Ecomat，以及Ecomat 2／2 Plus／4，則會以直結模式一直拖波至二波，然後才轉到油壓段。兩者相同之處在於由二波油壓轉回一波油壓的車速，都是臨近停定才發生。所以，如果在塞車路段緩行而又一直未曾停定，收慢後重新加速會以二波油壓段起步，若深踩油門或車速太低則會跳落一波油壓段。
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在不同的條件下轉波，提供予控制行星齒輪組的multi-plate clutch／brake的油壓也需隨之變化，以調節出合適的轉波力度，避免諸如大油門時力度太小而打滑磨損、細油門時猛力咬合而轉波不暢等情況出現。因此，Ecomat波箱有一個與引擎燃油噴注泵（injection pump）連動的油門感應器（load sensor），或是直接經CAN bus系統取得油門信號（只適用於波箱型號後綴附有「C」的版本），去決定轉波力度。

Ecomat波箱油路系統中的throttle pressure valve，其電控油閥可以用不同頻率振動，控制提供予clutch／brake的油壓上升速度，此過程稱為pressure modulation。每組clutch／brake都由各自的活塞和電控油閥操作，而油液從閥門進入活塞的流速，除了由主油壓控制之外，同時亦會受throttle pressure valve輸出的油壓影響　—　壓力越高，流速越快，咬合力亦越快升至全壓力狀態。Throttle pressure valve的電控油閥只在入波過程運作，振動越強則油壓削減越多，約維持1.5秒，停止振動便恢復以全壓力施加於clutch／brake。Lock-up clutch亦有類似的控制機制，但直接由扭力轉換器內的油壓決定咬合力上升速度，因為此油壓代表了lock-up clutch將承受的扭力。

邢凯杰

一如典型的全自動波箱，ZF Ecomat波箱主要由扭力轉換器（torque converter）與行星齒輪組（planetary／epicyclic geartrain）構成。引擎動力經由扭力轉換器倍大後，再乘以行星齒輪組的齒比，才得到最終傳遞到傳動軸的扭力（忽略angle drive不計）；而之前介紹液力傳動裝置（hydrodynamic transmission）時，曾解釋過扭力轉換器的變扭比是連續可變的，且在輸出軸靜止時最高（稱為stall ratio）。因此，兩者相乘使一波起步擁有無段變速效果，可以省去如同SCG波箱的大齒比一波。當起步加速至一定車速後，為減少動力流失，扭力轉換器附設的lock-up clutch會將泵輪與渦輪鎖起（亦即「直結」），改以純機械方式傳動。此外，Ecomat波箱亦附有內置減速器（integral retarder），以液力方式運作，可在任何波段提供無機械磨損的減速輔助。

圖片取自巴西富豪車廠介紹ZF Ecomat 2波箱的技術說明文件，波箱的各部件剖面配上不同顏色以易於辨認，可清楚看見行星齒輪組各個齒輪架之間的連接關係。

邢凯杰

Ecomat波箱設有「加長」版本，在波箱輸出端加裝一組行星齒輪，將基本型的一波行星齒輪架和齒輪組主軸延長，增添一組齒比為5.6:1的大齒比一波，其它波檔的齒比不受影響。最高波是五波1:1或六波0.83:1，等同基本型疏齒比版本的四波和五波。

波箱亦可選配PTO（power take-off）裝置，以驅動車輛上一些需要引擎動力運行的設備，常用於特別用途車輛上。

这款变速器主要是配备在一些军用车辆和全路面，全地形起重机上。

邢凯杰

前速波箱的一至三波設計相同。齒輪組前端設有A、B、C三組離合器，使輸入軸可以分別連接到齒輪組主軸、二波行星齒輪架或三波太陽齒輪，令Ecomat可以單靠三組行星齒輪就能做出六前一後的組合，而不像SCG波箱般除最高波以外的每個波檔各有一組行星齒輪。

當Clutch A閉合，輸入軸與齒輪組主軸相連，一至三波的運作原理與SCG波箱相同，此處不再複述；

四波時，Clutch A與B同時咬合，使輸入軸與整串行星齒輪組一體旋轉，比例為1:1；

五波時，Clutch B將輸入軸與二波行星齒輪架（同時連接一波齒環和三波齒環）接合，同時三波太陽齒輪被Brake D刹住，令齒輪組主軸（即一波太陽齒輪）轉速高於一波齒環（與輸入軸相連），最終負責輸出的一波行星齒輪架亦轉得比輸入軸快，實現超比波（overdrive）效果；

六波與五波相似，但以Brake E將二波齒環而非三波太陽齒輪鎖止，使齒輪組主軸與一波行星齒輪架轉速更高，最終齒比亦更小；

Clutch C只在後波時使用，將輸入軸連接至三波太陽齒輪，同時Brake F將一波齒環（與二波行星齒輪架和三波齒環相連）剎停，三波行星齒輪架（同時為二波齒環）的轉動驅使齒輪組主軸（即一波太陽齒輪）逆向旋轉，輸出軸（一波行星齒輪架）亦隨之反方向運轉。

邢凯杰

ZF ECOMAT Rail变速器：
随着1980年代欧洲等国对柴油动车组（DMU）需求量越来越大，ZF自然也不会放过这个机会，从1988年首份4HP602订单开始（搭载捷克ČD Class 842）开始，就和拥有型号众多的福伊特全方面竞争，从刚刚开始被质疑，到最后越来越可靠，ZF铁路变速器已经越走越远，虽然60%的市场还是福伊特，但ZF能做到这一步已经很不容易了。ZF出了变速器，还推出了传动轴，而那个巨大的部件是分动箱。
技术信息                  
   优点换档而无牵引力中断，可最大程度地提高乘客的舒适度低速时快速牵引力加速集成的变矩器锁止离合器和扭力阻尼器可实现高效率

• 紧凑的模块化设计，中央布线，安装简单
• 自动变速系统能够与其他电子系统进行通信，例如CAN总线
  

最高 扭矩： 1,150 – 1,800 Nm
最高 输入速度： 2,650 rpm
传动比： 2.81 – 0.80
挡位： 4至5档
重量： 270 – 320公斤
初始加油量： 32升

搭载ZF ECOMAT RAIL的车辆 :ČD-Baureihe 842 ( MAN V10+ ZF ECOMAT RAIL 4HP602R)

英国铁路Class 172系列电联车 （ MTU 6H1800 13升发动机+ ZF 5HP602R)



丹麦和以色列铁路拥有的ABB Scandia IC3 （BF8L513CP V8+ ZF 5HP602R)

邢凯杰

总之，ZF ECOMAT波箱是一款优秀的波箱，但ZF ECOMAT平顺度视乎取决于程序，例如如果调得好，客车行驶就像奶油般平稳和舒适，如果不好，就会顿挫得要命。
ZF ECOMAT变速器已经于2016年停产，客车产品取代者为ZF ECOLIFE (2008年推出）和ZF ECOLIFE 2 (2019推出），而铁路产品为ECOLIFE RAIL 和 ECOWORLD变速器, 而军用车辆和起重机，越野车辆（甚至达喀尔赛车）就由ECOLIFE OFF ROAD)取代。

Exceptional

邢凯杰 发表于 2020-7-31 14:24
总之，ZF ECOMAT波箱是一款优秀的波箱，但ZF ECOMAT平顺度视乎取决于程序，例如如果调得好，客车行驶就像奶 ...

“ 集成的变矩器锁止离合器（Lock-up clutch）和扭力阻尼器可实现高效换档而无牵引力中断，低速时快速牵引力加速,可最大程度地提高驾驶员操作以及乘客的舒适度 ”

强！虽表达方式略有差异，但理论与实际经验满满，堪称行业专家（此专家非彼砖家）！