一種新型雙離合自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)分析與建模

袁磊，張代勝，汪韶杰

(1. 合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥230009;2. 合肥工業(yè)大學(xué)汽車技術(shù)研究院，安徽合肥230009)

0 引言

變速器，是一套用來協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、扭矩與車輛驅(qū)動(dòng)所需轉(zhuǎn)速、扭矩的變速裝置。在汽車行駛過程中，它可以使發(fā)動(dòng)機(jī)和車輪之間產(chǎn)生不同的變速比，通過換擋可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳的動(dòng)力性能狀態(tài)下工作，因此它是汽車關(guān)鍵部件。而變速器又分為若干種類，那么雙離合變速器、自動(dòng)變速器誰是未來的寵兒［1］?就目前而言，雙離合自動(dòng)變速器(DCT)以其卓越的性能成為汽車企業(yè)爭相研究和開發(fā)的重點(diǎn)，它既改變了傳統(tǒng)汽車機(jī)械式自動(dòng)變速器換擋動(dòng)力中斷的缺點(diǎn)，又繼承了手動(dòng)變速器(MT)傳動(dòng)效率高、安裝空間緊湊、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，使汽車具有良好的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性，而且極大地提高了換擋舒適性，是目前變速器技術(shù)研究新的發(fā)展方向。就其工作原理而言，亦可以應(yīng)用于大、中型車輛及工程機(jī)械、自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械等其他非道路車輛，應(yīng)用范圍極廣。文中研究的新型雙離合自動(dòng)變速器是一種選擇性輸出的雙離合自動(dòng)變速器，它不同于傳統(tǒng)意義上的選擇性輸入雙離合自動(dòng)變速器，例如大眾邁騰的DSG 就屬于傳統(tǒng)意義上的選擇性輸入雙離合自動(dòng)變速器。目前，國內(nèi)對DCT 的研究主要是以學(xué)習(xí)和模仿國外技術(shù)為主，尚處于起步階段，對其功能實(shí)現(xiàn)原理的深入研究和產(chǎn)品化必將對我國自動(dòng)變速器自主研發(fā)能力的提高具有積極意義［2］。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

雙離合器變速器(DCT)的概念的提出到目前已經(jīng)有六七十年的歷史。早在1939 年德國的Kegresse A 第一個(gè)申請了雙離合器變速器的專利，提出了將手動(dòng)變速器分為兩部分的設(shè)計(jì)概念，一部分傳遞奇數(shù)擋，另一部分傳遞偶數(shù)擋。且其動(dòng)力傳遞通過兩個(gè)離合器聯(lián)結(jié)兩根輸入軸，相鄰各擋的被動(dòng)齒輪交錯(cuò)與兩輸入軸齒輪嚙合，配合兩離合器的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)在不切斷動(dòng)力的情況下轉(zhuǎn)換傳動(dòng)比，從而縮短換擋時(shí)間，有效提高換擋品質(zhì)，該變速器曾經(jīng)在載貨車上進(jìn)行過試驗(yàn)，限于當(dāng)時(shí)的控制技術(shù)，這種變速器并沒有投入批量生產(chǎn)。隨后在20 世紀(jì)80 年代，保時(shí)捷也發(fā)明了專用于賽車的雙離合變速器(PDK)，但也未能將DCT 技術(shù)投入批量生產(chǎn)［3］。

1985 年，大眾公司在奧迪Sport Quattro S1 賽車上采用了雙離合器變速器技術(shù)，但直到20 世紀(jì)90 年代末隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，雙離合器控制技術(shù)逐漸得以成熟，大眾汽車公司和博格華納首先攜手合作生產(chǎn)將它放置在量產(chǎn)主流車型——奧迪車上，并給它命名為直接換擋變速器Direct-Shift Gearbox(DSG)。并于2002 年首次向世界展示了這一技術(shù)創(chuàng)新。2003年推出了6 擋DSG 變速器，成為首個(gè)提供雙離合器系統(tǒng)的整車廠。2006 年，大眾又率先在奧迪TT 3.2 車型上應(yīng)用了DSG 變速器，隨后DSG 產(chǎn)品陸續(xù)配套到了大眾捷達(dá)、大眾途安、大眾第五代高爾夫、大眾寶來、奧迪A3、奧迪TT、Seat、Skoda 等眾多車型。目前已創(chuàng)下超過100 萬件的銷售紀(jì)錄。近日大眾公司又發(fā)布了一款最新研制的7 擋DSG 變速器，代號為DQ200。它使用了一對干離合器片代替了原來6 擋DSG 變速器的液體調(diào)節(jié)雙離合器片，其換擋效率和動(dòng)力傳遞有了明顯的提升［4］。

作為創(chuàng)新型變速器的實(shí)際開發(fā)者之一的德國頂尖跑車專業(yè)品牌——保時(shí)捷將推出其自主開發(fā)的、稱之為“PDK” (Porsche Doppel Kupplungen，雙離合器變速系統(tǒng))的雙離合器變速器。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前中國汽車行業(yè)的情況是許多技術(shù)還依靠國外。在變速器的發(fā)展上呈現(xiàn)出跳躍式變化。現(xiàn)在自動(dòng)變速器主要以AT 為主，吉利、上海大眾、上海通用等公司的汽車都采用AT。在國家“863”重大專項(xiàng)中，轎車DCT 的研發(fā)正式立項(xiàng)，按照國家產(chǎn)學(xué)研一體化的方針政策，浙江吉利控股集團(tuán)有限公司、杭州齒輪箱集團(tuán)有限公司、重慶青山工業(yè)有限責(zé)任公司等積極與國內(nèi)知名高校以及一些知名企業(yè)攜手合作，投入了相當(dāng)?shù)娜肆?、物力和?cái)力，其研發(fā)隊(duì)伍越來越大。國內(nèi)高校以吉林大學(xué)為代表也開展了DCT 的研發(fā)工作，并且已經(jīng)申請了一部分專利。2008 年11 月25 日在北京舉行博格華納(中國)投資有限公司和中國中發(fā)聯(lián)投資有限公司雙離合器(DCT)項(xiàng)目合資合同簽約儀式。在國家發(fā)改委出面協(xié)調(diào)、組織和促進(jìn)下，先由中國12家自主品牌主機(jī)廠發(fā)起成立的中發(fā)聯(lián)投資有限公司，以此作為中方實(shí)體平臺(tái)與博格華納(中國)投資有限公司正式成立了中外合資的博格華納雙離合器傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司，博格華納和中發(fā)聯(lián)雙方股比為66∶34。合資公司投資總額為2 億美元(人民幣13.8 億元)。12 家中國主機(jī)廠包括一汽、上汽、東風(fēng)、長安、廣汽、奇瑞、華晨、吉利、江淮、長城、長豐、中順，它們占據(jù)了國內(nèi)自主品牌整車九成以上的市場份額。2008 年1 月28 日，華晨集團(tuán)和上汽汽車變速器有限公司在北京正式簽署了共同研發(fā)DCT 變速器的合作協(xié)議。DCT 已經(jīng)成為中國汽車變速器的重要發(fā)展方向［5］。

2 傳動(dòng)方案

2.1 方案的擬定

大眾推出的DSG 變速器為DCT 的一種，它是一種選擇性輸入的傳動(dòng)方案，使變速器具有換擋迅速、無動(dòng)力中斷、換擋舒適性高的優(yōu)點(diǎn)，并且動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性達(dá)到或超過手動(dòng)變速器。通過選擇性輸入和其他傳動(dòng)方案的具體分析，提出一種新型的傳動(dòng)方案，它是一種選擇性輸出的方案，它是在手動(dòng)變速器基礎(chǔ)上，加上電子控制和液壓驅(qū)動(dòng)，兩離合器交替工作，不間斷地輸出動(dòng)力。如圖1 所示為選擇性輸出雙離合器自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)簡圖。

此方案的優(yōu)點(diǎn)是:避免了易失效的旋轉(zhuǎn)供油方式，采用“雙制動(dòng)”代替“雙離合”，殼體供油即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋。繞開了制造難度較大的雙離合器，并減小了軸向尺寸。

2.2 工作原理

與DSG 的選擇性輸入相比，此方案為選擇性輸出，并且通過離合器的離合和同步器的位置即可實(shí)現(xiàn)換擋。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，在空擋情況下，所有同步器位于中間位置，兩離合器均分離;在一擋時(shí)，撥叉使得同步器T1位于左側(cè)，同步器T2位于右側(cè)，離合器L1結(jié)合，此時(shí)在行星輪系中，太陽輪輸入，齒圈固定，行星架輸出;判斷升至二擋時(shí)，撥叉使得同步器T3位于右側(cè)，完成預(yù)掛擋，離合器L1逐漸分離，而離合器L2逐漸結(jié)合，直至換擋成功。判斷升至三擋時(shí)，撥叉使得同步器T2位于左側(cè)，完成預(yù)掛擋，離合器L2逐漸分離，而離合器L1逐漸結(jié)合，直至換擋成功，此時(shí)行星輪系為直接擋輸出。判斷升至四擋時(shí)，撥叉使得同步器T3位于左側(cè)，完成預(yù)掛擋，離合器L1逐漸分離，而離合器L2逐漸結(jié)合，直至換擋成功。降擋過程類似。在倒擋時(shí)，同步器T1位于右側(cè)，同步器T3位于左側(cè)，離合器L2結(jié)合，離合器L1分離。

3 大眾DSG 傳動(dòng)方案

如圖2 所示，DSG 有兩根同軸心的輸入軸，輸入軸1 空套在輸入軸2 里。輸入軸1 與離合器1 相連，輸入軸1 上的常嚙合齒輪分別與1、3、5 擋齒輪相嚙合;輸入軸2 為空心軸，與離合器2 相連，輸入軸2 上的常嚙合齒輪分別與2、4、6 擋齒輪相嚙合;倒擋齒輪通過倒擋軸齒輪與輸入軸1 的常嚙合齒輪相嚙合。也就是說，離合器1 負(fù)責(zé)1、3、5 擋和倒擋，離合器2 負(fù)責(zé)2、4、6 擋。當(dāng)使用不同擋位時(shí)，相應(yīng)離合結(jié)合［6］。

4 兩種變速器傳動(dòng)方案的比較

根據(jù)傳動(dòng)方案簡圖和工作原理描述，這種新型雙離合自動(dòng)變速器與傳統(tǒng)的DSG 變速器相比較，此傳動(dòng)方案具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

(1)這種新型雙離合自動(dòng)變速器是一種選擇性輸出的雙離合自動(dòng)變速器，即選擇不同的輸出軸輸出動(dòng)力;傳統(tǒng)的DSG 是一種選擇性輸入的雙離合自動(dòng)變速器，即選擇不同的輸入軸，從而輸出不同的動(dòng)力。

(2)這種新型雙離合自動(dòng)變速器通過一個(gè)離合器、一個(gè)同步器與一個(gè)行星輪系的組合，實(shí)現(xiàn)變速，在保證變速器擋位數(shù)不變的前提下減少了離合器和齒輪的數(shù)目，使得整體結(jié)構(gòu)更加緊湊和簡潔，縮短變速器軸向尺寸，使變速器結(jié)構(gòu)更為緊湊。

(3)它采用普通的NGW 型行星輪系與定軸傳動(dòng)輪系相組合，工藝性好，制造成本低，工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠。

(4)它的行星輪系中采用同步器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)行星差速和直接傳動(dòng)兩種不同的傳動(dòng)比，在高速擋為直接擋傳動(dòng)，從而有效地提高了傳動(dòng)效率。

(5)此方案為通過變速器殼體進(jìn)行為液壓油缸供油提供了可能，避免了在旋轉(zhuǎn)零件內(nèi)部建立液壓油路，容易造成油液泄漏、密封件失效、液壓元件失靈等問題，可提高變速器機(jī)構(gòu)的工作穩(wěn)定性和可靠性，且只有兩組離合器交替工作，有效簡化控制方式和控制環(huán)節(jié)。

5 Pro/ENGINEER 建模

Pro/ENGINEER 軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司 (Parametric Technology Corporation，PTC)基于單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、特征、全相關(guān)及工程數(shù)據(jù)再利用等概念的基礎(chǔ)上開發(fā)出的一個(gè)功能強(qiáng)大的CAD/CAE/CAM 軟件，它能將產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)加工的過程集成在一起，讓所有用戶同時(shí)進(jìn)行同一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造工作，是當(dāng)今國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的三維實(shí)體建模軟件之一［7］。

如圖3 所示，它是運(yùn)用Pro/ENGINEER 三維軟件對這種新型雙離合變速器的各個(gè)零部件進(jìn)行參數(shù)化建模，然后進(jìn)行裝配。各對齒輪的空間布置如圖4 所示。

由傳動(dòng)方案可知，前進(jìn)擋輸入齒輪Z0，1、3 擋齒輪Z1，2、4 擋齒輪Z2以及倒擋齒輪Z5在同一平面。同樣，主減輸入齒輪Z6、Z7和主減輸出齒輪Z8也在同一平面，雖然兩行星輪系之間沒有嚙合關(guān)系，考慮減小軸向尺寸，故也視兩輪系也在一個(gè)平面。要求同一平面的各齒輪之間不能干涉，并且盡量使空間位置緊湊。實(shí)際上，齒輪的空間布置與前面的齒輪和輪系的設(shè)計(jì)緊密相關(guān)，需要反復(fù)選配、試湊，才能得到較理想的設(shè)計(jì)結(jié)果［8］。

6 傳動(dòng)方案評價(jià)

6.1 工作可靠性

此變速器重要零部件均通過校核，尺寸設(shè)計(jì)合理。

6.2 運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)性

換擋控制較簡單，理論上具有可行性。

6.3 制造經(jīng)濟(jì)性

采用選擇性輸出的方法，避開了成本較高、制造難度較大的雙離合器;由于發(fā)動(dòng)機(jī)橫置，所以主減齒輪無需較難加工的弧齒錐齒輪;變速器殼體供油降低了密封成本;控制系統(tǒng)成本也有所降低。

6.4 結(jié)構(gòu)緊湊性

變速器軸向長度比傳統(tǒng)自動(dòng)變速器減少大約30%。

7 結(jié)束語

此種選擇性輸出傳動(dòng)方案與傳統(tǒng)DCT 的選擇性輸入相比，在成本、零部件工藝性和控制環(huán)節(jié)等均具有優(yōu)勢。而且只需在輸入軸增加一個(gè)前進(jìn)擋輸入齒輪，再在另外兩軸加兩個(gè)齒輪與之嚙合，即可獲得八擋減速比，同時(shí)軸向尺寸只增加30%左右。從而可應(yīng)用于高檔乘用車，甚至重型客車。由于其諸多優(yōu)點(diǎn)，目前國內(nèi)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)能力完全具有產(chǎn)業(yè)化能力。

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