導讀
對於汽車來說，單向離合器（One-way Clutch，後文簡稱OWC）是非常小的一個零件。1912年，通用汽車（後文稱GM）首次在汽車上應用OWC。1948年，GM又首次把OWC用於自動變速箱。一直到2017年，GM經過長達十幾年的研發，首次在量產車型上應用可選單向離合器（Selectable one-way clutch，後文簡稱SOWC）。在其最新9AT上，該零件可以減少離合器攪油過程的能量損失，減小變速箱尺寸，降低重量。從這個零件上面，我們可以看出造車有多麼不易。一方面，汽車經過百餘年的發展 ，每一個細小的零件上都凝結著一代代工程師積累下來的知識經驗，另一方面，即使是已經有百年歷史的零件，看似平平無奇，但是隻要繼續鉆研挖掘，往往還能找到新的性能提升空間，而這每一點點的改進力量，從研發到量產，常常需要十年以上的時間。這就是精進的力量。
2016年12月6日，GM在其官方網頁上宣佈發佈最新的9速變速箱Hydra-Matic 9T50。在美國市場，這款變速箱首先亮相於邁銳寶。在中國市場，則已經在探界者和君威得到使用。按照GM的傳統，未來很可能會在SAE會議上發表論文，透露這款變速箱的更多技術細節。目前官方對這個變速箱的介紹非常簡短，但是我們依然可以從中窺探到一些有趣的信息。官方羅列瞭一些技術亮點，其中第一條說這是GM首款采用SOWC的變速箱。我在一番搜索後發現，9T50很可能是全球第一款使用SOWC的量產車用自動變速箱。而GM早在差不多十幾年前就和供應商密切合作，研發這一技術瞭。SOWC的應用，可以降低離合器拖拽扭矩（drag torque），減小變速箱尺寸，降低重量，進而提高油耗表現，同時也能降低成本。OWC在自動變速箱上的應用，已經有超過半個世紀的歷史，而OWC在汽車上的應用更是超過百年。
1. OWC歷史
在解釋SOWC之前，我們先來看一看什麼是OWC。所謂單項離合器，顧名思義，就是隻能從一個轉動方向傳遞扭矩，即離合器鎖死，在另一個方向則可以自由轉動。
1.1 誕生
OWC最初誕生於自行車，早年的自行車都是死飛。1869年，William Van Anden發明瞭用於自行車的OWC（美國專利US88238：Improvement in velocipedes），從此我們在騎自行車下坡的時候，可以不用再移動雙腳瞭。
1.2 OWC首次用於汽車
1912年，GM首次把OWC應用於汽車，這一年銷售的凱迪拉克Model Thirty，是世界首款裝有啟動電機的量產車型。這套啟動裝置的發明人是GM歷史上赫赫有名的Charles Kettering。在1911年提交的專利（美國專利US1293468：Engine starting device）中，Kettering描述瞭這套啟動裝置的工作原理，OWC可以保證電機電樞軸可以帶動驅動齒輪，進而帶動發動機飛輪，一旦發動機成功啟動，飛輪轉速提高，超過電機轉速後，OWC連接自動斷開，防止電機超速造成損壞。這一設計讓人們告別瞭手搖啟動汽車的年代，並一直沿用至今。
上圖為Kettering的專利，最左圓形零件為OWC。Kettering後來執掌GM研發部門長達20多年。為GM以及整個汽車行業輸送瞭大量高管的Kettering University就是用他的名字命名。
1.3 OWC首次用於自動變速箱
1948年，又是GM，第一次在自動變速箱上應用OWC。這一年GM開發出瞭第一款帶液力變矩器的自動變速箱。GM早在1939年，就成功研制出世界上第一臺量產車型自動變速箱Hydra-Matic（這個名字一直被GM驕傲地保留到現在），並取得巨大商業成功。Hydra-Matic在發動機和齒輪箱之間采用的是液力耦合器，主要由泵輪和渦輪構成，液體在兩者之間流轉，如同兩位高手相互推搡，由於力的作用是相互的，扭矩傳遞也不會發生變化，但是從泵輪到渦輪的轉速損失，使得液力耦合器的傳遞效率較低。
液力變矩器在液力耦合器的基礎上增加瞭一個導輪。導輪如同一個有乾坤大挪移之法的太極高手，當其與渦輪有不同的相對轉速時，就能用不同的力推拉渦輪，改變輸出扭矩。由於我們希望液力變矩器隻增扭而不減扭，於是工程師們在導輪和傳動軸之間，安裝瞭一個OWC。這樣，當發動機轉速大於渦輪轉速時，液力變矩器有增扭效果，但是當發動機轉速小於渦輪轉速時，卻不會減小發動機扭矩。
液力變矩器的初亮相並沒有被用在Hydra-Matic上，而是被用於一款最初為坦克開發的全新自動變速箱Dynaflow。這是一款在今天看來十分詭異的產品。這款變速箱被宣傳為一款兩擋變速箱，但是行星齒輪部分無法自動變速，D擋隻能2擋起步，1擋需要手動掛入Low擋位。這款變速箱的液力變矩器有兩個泵輪，一個渦輪，兩個導輪，另外還有三個OWC，其中兩個OWC裝在兩個導輪上，還有一個OWC裝在第二泵輪上。車輛在起步的時候，主泵輪工作，帶動渦輪驅動車輛。第二泵輪受導輪沖擊作用，其轉速高於發動機轉速自由旋轉，隨著車速及渦輪轉速的增加，第二泵輪轉速逐漸降低，直到降低至發動機轉速，OWC將兩個泵輪鎖在一起，共同工作。這兩個泵輪的葉片形狀分別針對起步工況和穩態行使工況進行優化。
上圖紫紅色部分為三個OWC。（圖片來源：Dynaflow, Turboglide, Roto Hydra-Matic, and Other Early GM Automatics > Ate Up With Motor）
這款變速箱在二戰期間研發，最開始用於坦克上，而後別克、雪佛蘭等品牌也開始使用。這很像是一個點歪瞭科技樹的產品。在當年，這種多階段液力變矩器也曾風騷一時，被多傢企業效仿采用。1963年後，這款變速箱停止生產，退出瞭歷史舞臺。
70年代之後隨著對油耗要求的提高，液力變矩器離合器（Torque Converter Clutch，簡稱TCC）逐漸流行起來。TCC在車輛達到較高車速時，把渦輪和泵輪結合起來，從而提高傳動效率。我們可以看出，這款點歪瞭科技樹的產品，其OWC的功能，和之後流行的TCC有幾份相似之處。
1.4 OWC用於行星齒輪控制
OWC最早用於行星齒輪的換擋控制，是在1956年，被克萊斯勒用於其一代傳奇自動變速箱：TorqueFlite。該變速箱由一個液力變矩器和一套辛普森行星齒輪組成，可以提供三個前進擋位和一個倒擋，最高擋為速比1:1的直接擋。該變速箱使用瞭兩個離合器（Front Clutch和Rear Clutch，後文簡稱C_f、C_r），兩個制動帶（Low and Reverse Band和Kickdown Band，後文簡稱B_lr、B_k），以及一個超越離合器（Overunning Clutch，也就是OWC）。
各擋位動力流如下圖 所示（圖片來源：http://papers.sae.org/580018/）：
1擋：
2擋：
3擋：
倒檔：
有點復雜，我畫瞭一個簡圖：
這款變速箱的一大創新就是在1擋及倒擋制動帶（Low and Reverse Band）旁邊，增加瞭一個OWC。該制動帶和OWC共同作用在前端行星齒輪的行星架上。
各擋位工作狀態如下表：
我們可以看到，有瞭OWC之後，變速箱從1擋不帶發動機制動的狀態切換到2擋，隻需要一個制動帶（B_k）接合，這種換擋方式帶來的好處很明顯：
- 換擋更加簡單，減少換擋時間，增加換擋平順性。省瞭兩個離合器扭矩交互的過程，輸出扭矩也更加線性。
- 更少的離合器滑磨，尤其是1-2擋之間，速比變化較大，滑磨功也比較大，OWC可以減少變速箱工作中產生的熱量，保護硬件，更加省油。
不像後來流行的PRND換擋，這款變速箱提供的是換擋按鈕：
這是當時道奇的換擋按鈕廣告，還是左手操作，是不是帥氣至極？
早年的自動變速箱當然都是純液壓控制，沒有電控。這款變速箱的1擋及倒擋制動帶（Low and Reverse Band）隻能由手動閥驅動。R擋好說，駕駛員按下R就能鎖住這個制動帶。但是在D擋行使的時候，該制動帶無法自動鎖住，所以無法在D擋的1擋提供發動機制動。如果下坡需要發動機制動（還記得38號怎麼開哈弗H9的嗎？），就需要按下手動1擋。稍微補充下，為瞭防止發動機超速，這款變速箱在手動1擋下，如果車速超過30邁/小時，也是會進入2擋的。早年的汽車缺乏電控手段，因此會比今天的汽車多很多妥協。
這是帶OWC的辛普森式行星齒輪自動變速箱第一次登上歷史舞臺。可以認為，這個結構是第一個穩定的現代自動變速箱結構。
1964年，福特推出瞭辛普森結構的C-4，和TorqueFlite結構非常類似。
同樣在1964年，GM推出辛普森結構的Turbo Hydramatic，而且GM把1-2和2-3都做成瞭帶OWC的換擋。
OWC配合辛普森行星齒輪這種結構對自動變速箱發展的影響有多大呢。北美三大主機廠在隨後幾十年時間裡面，其生產的變速箱都是在對這一結構進行不斷改進。辛普森結構的4擋自動變速箱，甚至包括少量3擋變速箱，被這幾傢公司一直用到瞭21世紀。
GM在2006年推出的6擋自動變速箱Hydra-Matic 6T70同樣采用瞭OWC結構。（圖片來源：http://papers.sae.org/2007-01-1095/）
如圖紅框部分，和最初的TorqueFlite一樣，OWC和Low and Reverse Clutch緊挨在一起，多數時候1擋依賴OWC傳遞動力，Low and Reverse Clutch用於一擋發動機制動及倒擋。
2 SOWC與自動變速箱
2.1從OWC到SOWC
盡管應用已經超過半個世紀，但是這一結構仍然是有缺點的。工程師最為關心的，是對油耗的影響。Low and Reverse離合器在D擋下使用率極低，除瞭1擋發動機制動以外，都處於打開狀態，離合器片浸潤在油液裡面旋轉，會產生拖拽扭矩（Drag Torque），浪費一部分能量。另外和單個離合器相比，OWC也增加瞭硬件復雜程度。
GM的工程師很早就開始思考如何改進這套古老的零件瞭。他們的想法是：既然Low and Reverse離合器利用率這麼低，有沒有可能把這個離合器取消掉。順著這個方向，需要從兩個方面改造OWC：
- OWC需要可控
- OWC需要可以雙向鎖止
於是OWC升級為SOWC（單向鎖止可控的OWC也叫SOWC，GM使用「SOWC」這個名稱並沒有刻意區分是否可以雙向鎖止，本文SOWC都指可以雙向鎖止的可控OWC）。查閱專利發現，至少從2006年開始，GM就開始大量申請SOWC的專利瞭，把各種常用結構都申請瞭個遍。然後在2009年，GM發表瞭一篇論文揭示當時的研究成果：Selectable One-Way Clutch in GM's RWD 6-Speed Automatic Transmissions，鏈接：http://papers.sae.org/2009-01-0509/。
在這篇論文裡，GM采用瞭機械二極管式（Mechanical Diode，簡稱MD）SOWC。該SOWC在普通OWC的基礎上，在另一個旋轉方向也增加瞭一套鎖止裝置，並且由一個滑板控制，該滑板受液壓控制，可以選擇是否反向鎖止。
該論文的參考文獻透露出這套SOWC的供應商：Means。在其官網（http://www.meansindustries.com/）上，我們能找到該SOWC的工作動畫，和論文描述簡直一模一樣：
也就是說，早在十幾年前，GM就已經和供應商密切合作，共同研究SOWC在自動變速箱上的應用瞭。從論文還能看出，GM在4、5、6速變速箱上都進行過相關試驗。從某裝配6速變速箱的後驅SUV上的試驗結果來看：SOWC能使車輛在EPA油耗測試下省油1.2%，變速箱減重2%。
在Means官網上，我們能看到一些這款SOWC的最新信息。在其第一款應用的變速箱上（顯然就是指GM 9AT），SOWC減少瞭50%的拖拽扭矩，變速箱減重1.5kg，尺寸減小5到25毫米。（鏈接：http://www.meansindustries.com/news/2017/01/means-launches-selectable-one-way-clutch-gm-9-speed-automatic-transmission）
2.2 SOWC的缺點
我們知道，工程問題常常就是各種取舍和妥協。幾乎任何一個更改在帶來一些優點的同時，往往不可避免的也會帶來一些缺點
1. 可靠性
在原論文中，正向鎖止通過瞭一百萬次的耐久測試，反向鎖止則在進行瞭26.3萬次鎖止後卡環出現斷裂。這是八年以前的論文。相信這八年時間，GM和Means應該花瞭很多功夫進行改進。
2. 高轉速下手動2-1換擋平順性挑戰
在D擋行使時，車輛很少有需要1擋發動機制動的需求。但是駕駛員在手動模式下做2-1降擋時，通常希望車輛能馬上提供發動機制動。在傳統自動變速箱做手動2-1降擋時，由於離合器滑磨過程中的制動感比較強烈（手動擋駕駛員應該很熟悉這種感覺，所以手動擋駕駛員一般不喜歡做2降1，而是2擋直接進空擋），通常自動變速箱會請求發動機提升扭矩，降低制動感。對於傳統帶Low and Reverse離合器的變速箱來說，即使發動機轉速沒有與1擋轉速完全同步，Low and Reverse離合器也可以接合，通過滑磨完成同步。但是對於SOWC，由於不具備滑磨能力，因此必須要求發動機主動提升轉速，精準完成同步後，再讓SOWC反向鎖止。這對發動機與變速箱的精準配合提出瞭更高要求。一旦控制出現偏差，將有可能出現換擋頓挫和噪音。在低轉速下，這一過程相對更容易控制，但是在高轉速下，控制難度不小。事實上，ZF 9AT由於采用瞭無法做滑磨控制的狗齒離合器（Dog Clutch），就有類似控制，也是這款變速箱上存在的一些頓挫和噪音來源。GM在論文中坦承這是SOWC最大的挑戰。2009年，GM專門發表瞭一篇專利詳細描述這一換擋的控制方法：美國專利US7491151：Selectable One-way Clutch Control
由於手頭並沒有GM 9AT的車輛，以上都是我個人的「雲測評」。GM到底控制得如何呢？我帶著這個疑問咨詢瞭幾個摸得到車的人。發現之前的探屆者並沒有提供手動模式，而最新上市的新君威則提供瞭手動模式，簡單開下來覺得這個換擋還挺順暢。相信GM的工程師在這個地方肯定多花瞭更多功夫，去適應新君威上更寬廣的SOWC工作范圍。
2.3 倒擋需要擔心嗎？
倒擋的時候SOWC也是雙向鎖死狀態，N擋或1擋切換到倒擋會有沖擊嗎？這個SOWC還真沒影響。下圖是不同擋位離合器接合圖（美國專利US 20140378266 Nine speed transmission with latching mechanism）：
其中34為SOWC，其他六個為傳統多片式濕式離合器。在整個1擋、倒擋、空擋中，SOWC都是雙向鎖死狀態。換擋在24和32離合器之間進行，和傳統AT的原地換擋並沒有什麼區別。
2.4 SOWC的未來展望
GM並不是唯一一傢對SOWC感興趣的企業，今年福特就發表瞭一片論文（http://papers.sae.org/2017-01-1133/）討論在混動系統中應用SWOC。SOWC未來是否會有更多應用場合，我們可以拭目以待。
一點感想
技術的積累和進步都是非常不容易的事情。汽車上很多不起眼的小零件在西方都經過瞭上百年的積累。我記得自己之前在瞭亨利•福特博物館遊覽，剛進門沒走幾步看到馬車的時候就感覺要跪瞭。這一百五十年前的東西，上面的鋼板彈簧和大學《汽車構造》上的圖一模一樣啊。汽車呈現成我們今天看到的樣子，是無數的工程師們一點一點改進的結果。今天看來很復雜的結構，最初都有其來源。一百多年過去瞭，從自行車到GM 9AT，OWC依然走在進化的道路上，這就是技術的魅力吧。
50年前，汽車行業曾經是最先進的技術與商業結合的行業。在當年。通用汽車在美國的影響力超過瞭今天的蘋果。彼時最傑出的汽車工程師們就和今天的互聯網精英一樣，改變世界，順便創造巨額財富。自動變速箱的發明與發展，就是汽車行業黃金時代的見證。在密歇根的Ypsilanti Herititage汽車博物館，有一則短片記錄瞭GM在Ypsilanti的變速箱生產線的興衰歷程。在片尾，這些已經退休的工程師們驕傲地打出字幕：We moved America。
今天，中國企業正在努力追趕世界先進水平，我們之前欠下的債太多，但是最近這十年的進步，大傢有目共睹。汽車行業雖然沒有瞭當年的風光，但是依然足夠有趣。現在整個行業處於變革之中，我們這些工程師們，也需要和前輩們一樣，在各種細節處不斷積累，不斷改進，創造更加美好的汽車。
順便做個小廣告。本文的考古過程得到瞭Ypsilanti Herititage Museum的Ron Bluhm和Bob Elton的幫助。對自動變速箱感興趣的朋友，如果有機會去密歇根，一定要去拜訪一下Ypsilanti Herititage Museum，館長Ron Bluhm在GM工作瞭三十六年，退休後專職經營這個博物館。在那裡能看到1939年的世界第一臺自動變速箱Hydra-Matic，以及GM這幾十年造的各種變速箱。
最後的彩蛋，尋找SOWC
這臺變速箱長這樣（圖片來源）：
結構簡圖是這樣的（美國專利US 20140378266 Nine speed transmission with latching mechanism）：
其中34是SOWC，你能根據這個示意圖在前面的展示圖中找到SOWC嗎？可以先自己找找，答案往下翻。
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你找對瞭嗎？
最後加個聲明：本文所有資料來自不同年代的公開論文專利等，與現有實際產品可能存在差異。