雙離合自動變速器設(shè)計及換擋品質(zhì)分析

牛 波 董 偉

華晨汽車工程研究院，沈陽110141

0 前言

雙離合自動變速器（DCT）是一種新型的自動變速器，他將擋位按奇、偶分布在兩個離合器所連接的輸入軸上，通過離合器的交替切換完成換擋的過程。

DCT綜合了液力機械自動變速器（AT）和電控機械式自動變速器（AMT）的優(yōu)點，傳動效率高、無動力終斷、結(jié)構(gòu)簡單，可以根據(jù)現(xiàn)有的手動變速器的結(jié)構(gòu)形式，靈活地進行DCT的改造設(shè)計，有利于手動變速器向自動變速器的升級，可以保護現(xiàn)有手動變速器的生產(chǎn)設(shè)備投資，生產(chǎn)繼承性好［1］。

對于DCT開發(fā)而言，采用仿真分析法可高效快速地分析傳動系統(tǒng)的各個零部件的強度剛度，換擋品質(zhì)。以縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。

1 DCT變速器工作原理

雙離合使用兩個離合器，但是沒有離合器踏板。電子系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)控制著離合器，與自動變速箱一樣。在雙離合變速器中，離合器是獨立工作的。一個離合器控制奇數(shù)擋位（如：1、3、5、倒擋），另一個離合器控制了偶數(shù)擋位（如：2、4、6擋）。變速器控制器根據(jù)速度變化，提前嚙合了下一個順序擋位，因此換擋時將沒有動力中斷。

雙離合變速器的工作過程是：

在1擋起步行駛時，動力傳遞路線如下圖所示，外部離合器結(jié)合，通過內(nèi)部輸入軸到1擋齒輪，再輸出到差速器，同時，圖中虛線和箭頭所示的路線是2擋時的動力傳輸路線，由于離合器2是分離的，這條路線實際上沒有動力在傳輸，是預先選好檔位，為接下來的升檔做準備的。當變速器進入2擋后，退出1擋，同時3擋預先結(jié)合。所以在變速器工作的過程中總是有2個檔位是結(jié)合的，一個正在工作，另一個則為下一步做好準備。

變速器在降擋時，同樣有兩個檔位是結(jié)合的，如果6擋正在工作，則5擋作為預選檔位而結(jié)合。變速器的升檔和降擋是由變速器控制器（TCU）進行判斷的，踩油門踏板時，變速器控制器（TCU）判定為升檔過程，做好升檔準備踩制動踏板時，變速器控制器（TCU）判定為降擋過程，為降擋做好準備。

圖1 雙離合變速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 internal structure of the DCT

一般變速器升擋總是一擋一擋的進行，而降擋經(jīng)常會跳躍降擋，雙離合變速器在手動模式下也可以進行跳躍降擋，例如，從6擋降到3擋時，連續(xù)按3下降擋按鈕，變速器就會從6擋降到3擋，但是如果從6擋降到2擋時，變速器就會降到5擋，從5擋直接降到2擋。在跳躍降擋時，如果起始檔位和最終檔位屬于同一個離合器控制的，則會通過另一個離合器控制的檔位轉(zhuǎn)換一下，如果起始檔位和最終檔位不是同一個離合器控制的，則可以直接跳躍降至所定檔位。

各個檔位的動力傳遞如下圖所示：

1檔：外部離合器——內(nèi)部驅(qū)動軸——輸出軸1——差速器

圖2 1擋工作原理Fig.2 1st operational principle

2擋：內(nèi)部離合器——外部驅(qū)動軸——輸出軸1——差速器

3檔：外部離合器——內(nèi)部驅(qū)動軸——輸出軸1——差速器

4擋：內(nèi)部離合器——外部驅(qū)動軸——輸出軸1——差速器

5擋：外部離合器——內(nèi)部驅(qū)動軸——輸出軸2——差速器

6擋：內(nèi)部離合器——外部驅(qū)動軸——輸出軸

圖3 2擋工作原理Fig.3 2nd operational principle

圖4 3擋工作原理Fig.4 3rd operational principle

圖5 4擋工作原理Fig.5 4th operational principle

圖6 5擋工作原理Fig.6 5th operational principle

2——差速器

倒擋：外部離合器——內(nèi)部驅(qū)動軸——倒擋軸——輸出軸2——差速器

圖7 6擋工作原理Fig.7 6th operational principle

圖8 倒擋工作原理Fig.8 reverse operational principle

圖9 romax模型Fig.9 Romax model

2 DCT傳動系統(tǒng)的建模

2.1 DCT傳動系統(tǒng)的romax模型

根據(jù)實測參數(shù)在romax軟件中建立總成DCT模型，如圖1所示。已完成對各個零部件的強度分析。

2.2 分析工況

分析工況如下圖：

2.3 分析結(jié)果

齒輪件的分析選用ISO6336－2006標準，方法B。表面熱處理工藝采用滲碳淬火。在有實測路譜的情況下使用系數(shù)KA選用1.0

圖10 romax輸入工況Fig.10 romax input load case

齒輪強度分析結(jié)果

表1 romax齒輪強度計算結(jié)果Table1 romax gear results of the strength

花鍵強度分析結(jié)果

軸承強度分析結(jié)果

3 換擋品質(zhì)評價

（1）換擋時間

車輛動力性與加速時間和加速度等指標有關(guān)，可以從這些指標的角度考慮換擋過程車輛的動力性。換擋時間代表換擋過程持續(xù)時間的長短，該值較小時，換擋的瞬態(tài)過程較短，動力性較好。

表2 romax軟件花鍵強度計算結(jié)果Table2 romax coupling results of the strength

表3 romax軟件軸承強度計算結(jié)果Table3 romax bearing results of the strength

ts——換擋時間

t1、t2—— 換擋開始和終了時刻。

（2）換擋過程的平順性［2］

換擋過程的平順性，即換擋過程平穩(wěn)而無沖擊地進行。但因車輛動力傳動系統(tǒng)是多轉(zhuǎn)動慣量系統(tǒng)，換擋過程并非瞬時可以完成，所以對于DCT傳動系統(tǒng)，其換擋過程中的傳動比發(fā)生了變化，離合器C1與C2的摩擦元件從完全分離到結(jié)合，從結(jié)合到分離，都需要經(jīng)過一段滑磨的過程，不可避免地伴有轉(zhuǎn)矩擾動，產(chǎn)生換擋沖擊。

沖擊度j是車輛縱向加速度a對時間的導數(shù)，其數(shù)學表達式為

汽車加速度為

根據(jù)車輛傳動系方程

可得沖擊度為

Tout——為變速器輸出軸轉(zhuǎn)矩；

Tload——為外界阻力矩在變速器輸出軸的當量阻力矩；

Iv——為輪胎、整車在變速器輸出軸的當量轉(zhuǎn)動慣量。

θout——為輸出角位移。

可見車輛沖擊度完全取決于變速器輸出轉(zhuǎn)矩的變化率。影響輸出轉(zhuǎn)矩變化的因素有2個方面，一是發(fā)動機轉(zhuǎn)矩波動，二是離合器切換過程引起的轉(zhuǎn)矩變化。由于DCT換擋過程時間很短，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩控制受到一定限制，在傳動系結(jié)構(gòu)一定的前提下，離合器切換控制時序和傳遞扭矩的控制是提高換擋品質(zhì)最有效的辦法。

（3）滑摩功

DCT換擋過程中2個離合器通過滑摩進行扭矩的切換，離合器工作在滑摩工況，產(chǎn)生的滑摩功會導致離合器部件溫度升高，過高的溫升會影響離合器的控制性能和承載能力，并使磨損加速，影響使用壽命，因此希望離合器滑摩功盡可能小。

換擋過程離合器滑摩功為離合器C1和C2滑摩功之和

θe、θc1、θc2——為輸入軸、離合器1輸出、離合器2輸出的角位移

4 影響換擋品質(zhì)的因素

在換擋過程中，2個離合器分離結(jié)合動作時序和壓力控制是影響換擋品質(zhì)的關(guān)鍵。DCT換擋過程中，為了保證動力不中斷，實現(xiàn)平順換擋，對2個離合器的分離、結(jié)合控制有較高的要求，應保證2個離合器有適度的扭矩重疊［5］。如下圖所示：

圖11 升檔過程轉(zhuǎn)速扭矩變化Fig.11 the change of the torque and speed in upshift process

5 換擋控制性能仿真

換擋控制實際上是換擋過程中對離合器C1和C2傳遞扭矩的控制。升檔過程離合器C1、C2轉(zhuǎn)速和扭矩變化如圖所示，將換擋離合器切換過程分為4個時間段，t0為換擋起始時間，C2壓緊力開始逐漸減小，C1壓緊力開始增大，t0～t1為抵擋轉(zhuǎn)矩階段，C2仍然處于結(jié)合狀態(tài)，此階段發(fā)動機油門保持不變，調(diào)節(jié)好壓緊力的變化率就可以獲得較好的平順性。在t1時刻，C2開始滑摩，轉(zhuǎn)矩階段結(jié)束，進入慣性階段。t1～t2時刻2離合器都處于滑摩狀態(tài)，C1傳遞扭矩主要由壓緊力決定而與發(fā)動機的扭矩關(guān)系很小，以3擋對應離合器C1的轉(zhuǎn)速為目標轉(zhuǎn)速對發(fā)動機進行控制，同時C1繼續(xù)以某一速度加壓。t2～t3階段壓緊力以降為零。扭矩全部由C1傳遞，C1繼續(xù)以某以速度加壓。t3時刻轉(zhuǎn)矩階段結(jié)束，C1壓緊力升高到完全結(jié)合是得壓緊力，當檢測到C1輸入輸出轉(zhuǎn)速差小于設(shè)定值時換擋過程結(jié)束。［4］

圖12 升檔過程離合器輸入扭矩Fig.12 the clutch input torque in upshift process

建立simulationx仿真模型［3］

圖13 升檔過程離合器輸入扭矩Fig.13 the clutch input torque in upshift process in simulationx

圖14 simulationx仿真模型Fig.14 the model of the simulationx

圖15 simulationx仿真結(jié)果Fig.15 the result of the simulationx

從上述仿真結(jié)果可知，簡歷的DCT系統(tǒng)動力學模型、離合器切換控制仿真模型及控制滿足要求。

6 結(jié)論

1.針對雙離合自動變速器的結(jié)構(gòu)，詳細闡述了雙離合自動變速器的工作原理。

2.應用romax軟件對所設(shè)計的雙離合自動變速器各個關(guān)鍵零部件，齒輪、軸承、軸、花鍵，進行了強度分析，分析結(jié)果滿足強度要求。

3.分析了雙離合自動變速器傳遞扭矩和切換時序?qū)Q擋品質(zhì)的影響、以及影響其換擋品質(zhì)的因素。提出了換擋過程離合器的切換策略，建立了simulationx動力學仿真模型。仿真結(jié)果表明所建立的DCT系統(tǒng)換擋過程動力學模型和離合器切換控制策略可較好的實現(xiàn)換擋品質(zhì)。

［1］ 楊偉斌等.雙離合式自動變速器傳動系統(tǒng)的建模及換擋特性.機械工程學報，2007（7）：188－193.

［2］ 劉振軍等.雙離合式自動變速器換擋品質(zhì)分析與控制.重慶大學學報，2010（5）：29－33.

［3］ 劉艷芳.simulationx精解與實例.機械工業(yè)出版社.

［4］ 郭曉琳.雙離合器自動變速器系統(tǒng)動力學建模及仿真研究［J］.裝甲兵工程學院學報，2006，20（1）：48－51.

［5］ 顏志鵬等.雙離合器自動變速器換擋過程仿真分析［J］.重慶工學院學報：自然科學版，2009，23（4）：1－6.