雙離合器自動(dòng)變速器速比的設(shè)計(jì)計(jì)算與優(yōu)化

朱思捷

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雙離合器自動(dòng)變速器速比的設(shè)計(jì)計(jì)算與優(yōu)化

朱思捷

摘要:雙離合自動(dòng)變速器作為新型自動(dòng)變速器，近幾年市場份額逐漸增加，其在換擋過程中實(shí)現(xiàn)動(dòng)力不中斷，平穩(wěn)而迅速。本文主要闡述了如何確定變速器最低檔、最高檔的速比范圍，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算其他檔位速比。在參考標(biāo)桿樣機(jī)的一階比基礎(chǔ)上，通過比較一階比值、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性確定最優(yōu)速比方案。

關(guān)鍵詞:DCT；速比；優(yōu)化設(shè)計(jì)；性能分析

雙離合自動(dòng)變速器(Dual Clutch Transmission，簡稱DCT)技術(shù)是目前全球汽車行業(yè)先進(jìn)的自動(dòng)變速器技術(shù)，其擁有自動(dòng)變速器的舒適性和手動(dòng)變速器的靈活性，并能無間斷地提供動(dòng)力輸出。雙離合自動(dòng)變速器的優(yōu)勢成為國際汽車企業(yè)研發(fā)的重點(diǎn)，也是未來發(fā)展趨勢。目前國內(nèi)研究DCT的汽車企業(yè)主要有比亞迪、江淮、上汽乘用車等，國外主要以大眾為代表，還有日本本田最新研發(fā)的帶有液力變矩器的8速DCT，以及福特、通用等企業(yè)。變速器速比是在整車基本參數(shù)已經(jīng)基本確定后，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性來確定變速箱速比。在這個(gè)過程中，變速箱速比的選擇優(yōu)化是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[1-3]。

隨著變速器的檔位數(shù)越來越多，較優(yōu)的檔位速比分配不僅有利于整車動(dòng)力性能和燃油經(jīng)濟(jì)性有所提升，而且還能減少廢氣的排放。

本文以某汽車研究院某款車型搭載的雙離合自動(dòng)變速器為研究對(duì)象，確定縱置DCT速比的一種方案，最終通過選擇不同主減速比，對(duì)總速比進(jìn)行調(diào)整，從而適應(yīng)不同的車型要求。該研究院目前按照縱置DCT匹配2.4L發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行速比計(jì)算確認(rèn)。涉及計(jì)算的相關(guān)參數(shù)如下表所示。

1速比理論計(jì)算[4-6]

1.1最大(1檔總速比)速比計(jì)算

整車最大速比定義需要滿足三個(gè)條件：最大爬坡度、最低穩(wěn)定車速、坡道起步的要求。

表1　整車相關(guān)參數(shù)

1)汽車?yán)碚撽P(guān)于滿足最大爬坡能力前提下速比滿足：

公司標(biāo)準(zhǔn)定義的整車滿載狀態(tài)下最大爬坡度β≥30%，即β≥16.8°。

計(jì)算可得：i1g≥14.581

2)滿足最低穩(wěn)定車速要求

整車定義了1檔最低穩(wěn)定車速目標(biāo)值為8 km/h，則有：

計(jì)算可得：i1g≥ 12.931

3)坡道起步能力

坡道起步能力要求滿足開空調(diào)2000rpm起始轉(zhuǎn)速，30%坡道能夠起步，采用cruise軟件仿真分析，結(jié)果表明滿足該要求的速比條件為i1g≥13.466。

圖1　坡道能力仿真圖

1.2最高車速對(duì)應(yīng)總速比要求

整車對(duì)最高車速定義了目標(biāo)要求為不小于180km/h，以此計(jì)算對(duì)應(yīng)的速比要求。

按照最高車速要求，最高車速對(duì)應(yīng)的檔位速比應(yīng)該小于或等于3.592。

圖2　縱置DCT機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖

圖2為該縱置DCT的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，其采用三軸式，考慮布置條件限制，初步確定使用5檔為直接當(dāng)，因此5檔總速比等于主減速比，而主減速比根據(jù)整車坡道起步能力和參考已有車型的主減速比，提出可選方案有3.909、4.222和4.625。綜合上述速比限制要求，得出表2的速比匯總表。

表2　速比要求匯總表

1.3中間速比計(jì)算方法

一階比：

二階比：

各檔速比計(jì)算方法：

上述公式是基于二階速比是一個(gè)常數(shù)值，二階速比設(shè)置為常數(shù)是可以遵循的一種趨勢，取1.0～1.2之間的數(shù)值，但允許齒輪選配時(shí)有一定的變化，甚至三階比是一個(gè)常數(shù)值。在此選取二階比為常數(shù)，取1.1，主減速比初步選取3.909，后備爬坡系數(shù)選取1.25。后備爬坡系數(shù)乘以滿載最大爬坡度對(duì)應(yīng)的總速比作為最終爬坡度對(duì)應(yīng)的總速比。通過中間速比計(jì)算方法最終得到縱置DCT變速箱的一組速比，如下表3所示。

表3　計(jì)算得到的一組DCT速比參數(shù)

該研究院設(shè)計(jì)之初，對(duì)該車型匹配DCT變速箱的初步要求如下：

動(dòng)力性不弱于該車型匹配6MT；盡可能提升燃油經(jīng)濟(jì)性，整車初步定義燃油經(jīng)濟(jì)性提升3～5%；主減速比在該車型正在使用或者上述三組主減速比中進(jìn)行選擇；

推薦使目前該車型正在使用的主減速比3.909作為優(yōu)選方案。表4是一些標(biāo)桿樣機(jī)的速比參數(shù)，對(duì)比標(biāo)桿樣機(jī)速比也可以側(cè)面驗(yàn)證計(jì)算得到的速比參數(shù)。

表4　標(biāo)桿樣機(jī)的速比參數(shù)

2優(yōu)選速比方案齒輪參數(shù)選配

根據(jù)縱置DCT機(jī)械結(jié)構(gòu)布置提供了相應(yīng)的幾組選配速比方案。根據(jù)整車預(yù)留空間確定變速箱的外圍尺寸，進(jìn)而設(shè)計(jì)合理的輸入軸與輸出軸的間距，最后進(jìn)行齒數(shù)匹配。

表5　四種速比選配方案

其中主減速比為3.909，總速比=K速比*檔位速比，檔位速比=從動(dòng)齒數(shù)/主動(dòng)齒數(shù)。

2.1選配速比一階比值比較

速比的一階比對(duì)于車輛的換擋舒適性、平穩(wěn)性有較為密切的關(guān)系，另外還會(huì)影響到預(yù)掛檔反拖轉(zhuǎn)速的大小[7,8]。將上述四種方案的一階比值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3所示。

從圖3中發(fā)現(xiàn)，方案1和方案2的速比一階比相對(duì)平滑，方案3和方案4中速比一階比波動(dòng)較大，尤其是方案4波動(dòng)最大，1檔和2檔之間的一階比值大于1.7。

圖3　四種選配速比方案一階比

圖4　三款標(biāo)桿樣機(jī)的速比一階比

表6四種速比選配方案的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性

項(xiàng)目方案1方案2方案3方案4目標(biāo)值5檔車速(Km/h)175175175175/5檔發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm)5500550055005500/6檔車速(Km/h)197197195195≥1806檔發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm)5850600056005650/7檔車速(Km/h)186185184184≥1707檔發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm)492048804826.74815/0～100Km/h換擋時(shí)間(s)14.1114.1414.3514.27≤154檔30～100Km/h加速時(shí)間(s)16.2116.1917.0216.78/6檔80～120Km/h加速時(shí)間(s)20.5620.4921.3721.16≤227檔80～120Km/h加速時(shí)間(s)28.0627.7127.9328.45≤29最大爬坡度(%)35.7635.9235.5435.38≥30開空調(diào)2000rpm起始轉(zhuǎn)速20%坡道起步OKOKOKOKOK城區(qū)油耗11.7811.7211.7511.80≤12郊區(qū)油耗8.648.718.658.95/綜合油耗10.1210.0310.0510.44≤10.2

圖4是三款標(biāo)桿樣機(jī)的速比一階比對(duì)比圖。由圖可知，標(biāo)桿樣機(jī)的一階比變化較為平滑，且一階比范圍在1.1～1.7之間，最大基本都出現(xiàn)在1檔和2檔之間，但基本不大于1.7。基于標(biāo)桿樣機(jī)速比的一階比設(shè)置趨勢考慮，選配速比方案1和2變化趨勢平滑且處于1.1～1.7之間，可做為優(yōu)選方案。

2.2選配速比方案動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性

上述方案加速能力、最高車速、爬坡能力均能夠達(dá)到目標(biāo)要求，其中方案2動(dòng)力性相比而言最佳，方案3和方案4動(dòng)力性略差；除了方案4不滿足經(jīng)濟(jì)性要求，其他方案都能滿足整車性能目標(biāo)，其中方案2經(jīng)濟(jì)性最佳。

2.3結(jié)果分析

經(jīng)過對(duì)齒軸分組提供選配速比方案進(jìn)行動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、一階比值大小和變化趨勢等綜合評(píng)價(jià)和對(duì)比，方案2速比的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性均能滿足整車要求，一階比值大小合適，變化趨勢平緩。綜合考慮，方案2速比表現(xiàn)最優(yōu)，作為優(yōu)選速比。

表7　優(yōu)選方案速比齒數(shù)、速比選配值

3總結(jié)

按照上述速比理論計(jì)算、速比方案性能分析優(yōu)選、理論方案齒軸參數(shù)實(shí)配以及實(shí)配速比方案優(yōu)選等過程，最終得到一組變速箱速比方案。總結(jié)了確定速比范圍的因素，并從標(biāo)桿樣機(jī)一階比、動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性等方面分析了設(shè)計(jì)得到的各檔位速比的合理性。在現(xiàn)有平臺(tái)的基礎(chǔ)上，考慮已搭載6MT變速箱的整車性能，重新開發(fā)一組DCT變速箱速比用于匹配該車型，本文開發(fā)的速比方案在企業(yè)設(shè)計(jì)速比時(shí)具有重要意義，可以減少變速器的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，也為同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

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責(zé)任編輯：劉海濤

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Design Calculation and Optimization of Dual Clutch Transmission Gear Ratio

Zhu Sijie

Abstract:As a new automatic transmission, DCT's market share increased in recent years. Its power is not interrupted in the process of shifting, and the process is smooth and rapid. This article explains how to determine the scope of transmission ratio and calculate other gears ratio. On the basis of benchmarking, the optimal ratio is determined by comparing the first order, power performance and fuel economy.

Key words:DCT; gear ratio; optimization; performance analysis

收稿日期：2015-04-12

作者簡介：朱思捷，安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，烏克蘭國立技術(shù)大學(xué)碩士，研究方向：機(jī)械與汽車制造(合肥 230051)。

中圖分類號(hào):TH12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1794(2015)05-0069-04